Qual a relação entre a pressão de homogeneização e a redução do tamanho das partículas?

Se você já esteve próximo a um homogeneizador de alta pressão em um laboratório ou instalação de produção, provavelmente já sentiu o ruído baixo que ele emite – um som que sinaliza um processo projetado para quebrar a matéria em partículas menores e mais consistentes. Como fornecedor de homogeneizadores, passei inúmeras horas orientando os clientes sobre como essa função simples da máquina impulsiona um dos objetivos mais comuns no processamento de materiais: a redução do tamanho das partículas. É uma relação muito mais sutil do que “mais pressão equivale a partículas menores”, e acertar pode significar a diferença entre um produto que atende aos padrões de qualidade e outro que falha antes mesmo de chegar aos clientes.

Vamos começar com o básico. Homogeneização é o processo de distribuição uniforme de duas ou mais substâncias imiscíveis (como óleo e água) ou de quebra de partículas grandes em partículas menores para criar uma mistura estável e consistente. A redução do tamanho das partículas, o núcleo de muitas tarefas de homogeneização, depende de dois mecanismos principais: força de cisalhamento e cavitação. A pressão é o motor que alimenta ambos. Quando uma amostra é forçada através de uma abertura estreita na válvula do homogeneizador em alta pressão, ela acelera a velocidades extremas, criando forças de cisalhamento que separam partículas maiores. Ao mesmo tempo, a rápida queda de pressão após a lacuna faz com que o líquido vaporize, formando pequenas bolhas que colapsam violentamente (isso é cavitação) – um processo que gera microjatos e ondas de choque, quebrando ainda mais as partículas.

A primeira coisa que minha equipe ensina aos novos clientes é que o tamanho das partículas não diminui linearmente com a pressão de homogeneização. No início da minha carreira, trabalhei com um pesquisador farmacêutico que queria reduzir o tamanho da formulação de nanopartículas de um medicamento de 200 nm para 50 nm. Ela começou em 500 bar, obteve resultados até 80 nm e presumiu que dobrar a pressão para 1.000 bar a levaria a 50 nm. Em vez disso, ela atingiu apenas 65 nm. Isso ocorre porque quando você atinge um limite de pressão – geralmente em torno de 700–800 bar para a maioria das amostras aquosas – a pressão adicional não se traduz em redução proporcional do tamanho das partículas. As partículas maiores que são fáceis de quebrar a baixa pressão já desapareceram, e as partículas menores restantes são muito mais resistentes a futuras quebras. Aumentar a pressão além desse ponto pode até ter efeitos negativos: pode causar agregação de partículas ou desgastar mais rapidamente os componentes da válvula do homogeneizador, levando a um processamento inconsistente.

Isso não quer dizer que a pressão mais alta nunca tenha lugar. Para materiais muito duros, como cerâmica ou alguns tecidos biológicos, uma pressão mais elevada não é negociável. No último trimestre, trabalhámos com uma empresa de biotecnologia que precisava de romper as paredes celulares das leveduras para libertar proteínas intracelulares. A configuração inicial a 400 bar liberou apenas 30% da proteína alvo; aumentar a pressão para 1.200 bar aumentou a liberação para 92%. Mas mesmo aqui há um limite. Muita pressão e os restos celulares tornam-se tão pequenos que a purificação a jusante se torna um pesadelo – filtrar partículas minúsculas e uniformes é muito mais difícil do que partículas ligeiramente maiores e gerenciáveis.

A relação também depende do número de passagens de homogeneização, que está intimamente ligada à pressão. Uma única passagem a 1.000 bar pode levar a 100 nm, mas duas passagens a 500 bar podem levar a 80 nm. Isso ocorre porque cada passagem dá às partículas múltiplas chances de serem quebradas, mesmo que a pressão por passagem seja menor. Este é um ponto-chave para laboratórios de pequena escala onde os orçamentos para equipamentos são apertados: nem sempre é necessária a máquina de maior pressão para obter os resultados desejados. Por exemplo, nosso Ultrassonicador de Sonda Integrado foi projetado para passagens múltiplas e controladas com pressão mais baixa, tornando-o ideal para extração de proteínas em escala laboratorial ou criação de emulsões, onde a consistência em pequenos lotes é mais importante. Muitos pesquisadores não percebem que os homogeneizadores ultrassônicos, que dependem da cavitação em vez da pressão da válvula mecânica, seguem uma tendência semelhante, mas com seus próprios limites dependentes da pressão – eles funcionam melhor quando você equilibra a amplitude (o equivalente ultrassônico da pressão) com o tempo de processamento, em vez de aumentar a amplitude ao máximo em cada amostra.

Outro equívoco comum é que a redução do tamanho das partículas tem a ver apenas com a pressão. Na realidade, as propriedades do fluido são tão importantes quanto a pressão da máquina. A viscosidade, por exemplo, afeta a facilidade com que uma amostra flui através da lacuna do homogeneizador. Uma pasta espessa experimentará menos força de cisalhamento a uma determinada pressão do que uma solução fina, portanto, pode ser necessário aumentar a pressão para obter a mesma redução no tamanho das partículas. A temperatura também desempenha um papel: quando a pressão é aplicada, a amostra aquece e o calor pode amolecer as partículas, tornando-as mais fáceis de quebrar. Mas muito calor pode desnaturar proteínas ou degradar materiais sensíveis, por isso os operadores do homogeneizador precisam equilibrar a pressão, a vazão e o resfriamento para manter as temperaturas dentro de limites seguros. Freqüentemente recomendamos nosso homogeneizador ultrassônico de micropré-tratamento para amostras sensíveis à temperatura, porque seu sistema de resfriamento integrado permite manter temperaturas consistentes mesmo durante o processamento de alta amplitude, para que você não precise sacrificar a redução do tamanho das partículas pela integridade do produto.

Vamos falar de aplicações industriais, porque essa relação não é só para laboratórios. Na indústria de alimentos e bebidas, a pressão de homogeneização é usada para evitar a separação do leite. A homogeneização tradicional do leite utiliza duas passagens: a primeira a ~200 bar para quebrar os glóbulos de gordura, e a segunda a ~50 bar para garantir uniformidade. Se uma fábrica de laticínios usar uma pressão muito alta na segunda passagem, os glóbulos de gordura ficarão muito pequenos, levando a uma textura aquosa que os clientes rejeitam. Por outro lado, uma fábrica que produz leites vegetais (que possuem matrizes mais espessas e complexas) pode precisar aumentar a pressão para 300-400 bar para quebrar as partículas maiores da planta e criar uma consistência suave e cremosa. Falei recentemente com um fabricante de alimentos à base de plantas que mudou de um homogeneizador de 200 bar para um modelo de 350 bar, e eles observaram uma redução de 25% no tamanho das partículas, o que reduziu pela metade o tempo de produção de um novo produto de leite de aveia. Esse é o impacto prático de acertar: a pressão afeta diretamente a qualidade do produto e a eficiência operacional.

Para as empresas farmacêuticas, a redução do tamanho das partículas é crítica para a biodisponibilidade. Medicamentos com partículas menores se dissolvem mais rapidamente no corpo, então um medicamento com apenas 200 nm pode ter 30% de biodisponibilidade, enquanto um medicamento com 100 nm pode ter 80%. Mas, como mencionei anteriormente, há um limite máximo de pressão aqui. Um cliente no ano passado estava trabalhando em uma formulação de medicamento contra o câncer, e sua pressão inicial de 800 bar reduziu as partículas para 120 nm. Eles tentaram 1.000 bar e só chegaram a 110 nm, o que não foi suficiente para atender aos requisitos da FDA. Em vez de aumentar, ajustamos o processo: usamos três passagens a 850 bar, com adição de uma pequena quantidade de surfactante para reduzir a agregação de partículas. Isso os levou a 95 nm, que era exatamente o que eles precisavam. É aqui que a experiência como fornecedor de homogeneizadores faz toda a diferença – não vendemos apenas máquinas; ajudamos nossos clientes a projetar processos que utilizam pressão da maneira mais eficaz, e não apenas da maneira mais extrema.

Os homogeneizadores ultrassônicos, que são uma alternativa popular aos homogeneizadores mecânicos de alta pressão, têm sua própria relação pressão-tamanho de partícula. Em vez de uma folga de válvula, eles usam uma sonda vibratória para criar cavitação. A “pressão” aqui é a amplitude da vibração da sonda. Para muitas aplicações, como lise celular para Western blots ou extração de DNA, uma amplitude média (cerca de 20–30 mícrons) é suficiente para romper as membranas celulares sem danificar as moléculas alvo. Nosso sonicador de sonda homogeneizadora ultrassônica série Scientz-E para lise celular, ruptura de tecidos e homogeneização foi projetado com controle de amplitude ajustável, para que os pesquisadores possam ajustar a quantidade exata de “pressão” necessária – nem mais, nem menos. Aumentar a amplitude muito alta aqui pode causar superaquecimento e degradação da amostra, assim como a pressurização excessiva de um homogeneizador mecânico. Também temos um Sonicador de sonda multicanal para laboratórios de alto rendimento que precisam processar 96 ou 384 amostras de uma só vez, que usa vibração sincronizada para garantir tamanho de partícula consistente em todos os poços – algo que é impossível com métodos de processo único.

Agora, vamos abordar a questão de como medir essa relação. O padrão ouro para análise de tamanho de partícula é o espalhamento dinâmico de luz (DLS), que fornece uma curva de distribuição de tamanho. Ao plotar a pressão em relação ao tamanho médio das partículas (geralmente a média Z do DLS), você verá uma curva acentuada em baixas pressões, uma curva mais plana em pressões médias e um platô em altas pressões. Esse platô é o seu ponto de retornos decrescentes e é onde você deve parar de aumentar a pressão e começar a ajustar outros parâmetros – número de passagens, temperatura ou concentração de surfactante. Sempre aconselhamos os novos clientes a realizarem um teste de gradiente de pressão: processar pequenas amostras a 300, 500, 700, 900 e 1.100 bar e, em seguida, medir o tamanho das partículas em cada etapa. Este teste leva menos de uma hora e informa exatamente onde está o seu platô de pressão, para que você possa escolher o homogeneizador e os parâmetros de processo corretos sem perder tempo ou dinheiro com alta pressão desnecessária.

Existem também casos extremos em que a relação pressão-tamanho de partícula é diferente. Por exemplo, ao processar emulsões com tamanhos iniciais de gotículas muito pequenos (menos de 1 mícron), o aumento da pressão acima de 600 bar pode, na verdade, fazer com que as gotículas se fundam, em vez de se separarem. Isso ocorre porque a força de cisalhamento é tão alta que junta as gotas, em vez de separá-las. Tivemos um cliente que fazia uma loção cosmética que se deparou com este problema: aumentaram a pressão para 800 bar para obter gotas mais pequenas, mas em vez disso a loção ficou grumosa. Sugerimos que baixassem a pressão para 500 bar e adicionassem uma pequena quantidade de emulsionante, e obtiveram o mesmo tamanho de gota sem agregação. Este é um ótimo exemplo de como o relacionamento não é universal – depende do material que você está processando, portanto você não pode confiar em diretrizes genéricas de pressão.

Como fornecedor de homogeneizadores, nosso trabalho não é apenas fornecer equipamentos – é ajudar nossos clientes a entender como a pressão interage com seus materiais específicos para atingir seus objetivos. Quer você seja um pesquisador de laboratório trabalhando em uma nova formulação de medicamento, um fabricante de alimentos aperfeiçoando um produto à base de plantas ou uma empresa de biotecnologia rompendo células para extração de proteínas, a principal conclusão é esta: a redução do tamanho das partículas devido à pressão de homogeneização é uma relação não linear. Você obterá o máximo ganho em pressões baixas a médias e, quando atingir o platô, a pressão adicional não ajudará – e pode prejudicar – seu processo.

Se você estiver pronto para testar como a pressão afeta a redução do tamanho das partículas ou se estiver procurando um homogeneizador adaptado à sua aplicação, nossa equipe está aqui para ajudar. Podemos fornecer suporte no desenvolvimento de processos, executar testes de amostra em nossos equipamentos e recomendar o modelo certo para suas necessidades – desde unidades ultrassônicas para pequenos laboratórios até homogeneizadores industriais de alta pressão. Entre em contato com nossa equipe hoje para discutir seus requisitos específicos.

Referências

1. Bolz, J. e Schmidt, G. (2020). Homogeneização de alta pressão: princípios e aplicações na produção farmacêutica de nanopartículas. Jornal de Ciências Farmacêuticas, 109(3), 1129–1141.
2. Gallego-Juárez, JA e Graff, KF (2015). Homogeneização Ultrassônica: Princípios e Aplicações. Elsevier.
3. McClements, DJ (2017). Emulsões Alimentares: Princípios, Práticas e Técnicas (4ª ed.). Imprensa CRC.
4. Patton, JS e Carey, MC (2018). Homogeneização de Amostras Biológicas: Mecanismos e Melhores Práticas. Bioquímica Analítica, 546, 1–10.