Presentacion seminario encapsulacion cimatec

Encapsulación por la tecnología de vibración con aplicación
en investigación e industrias de alimentos, química,
farmacéutica y biotecnología.
Cimatec
Lima, Perú Agosto 27 de 2014
Seminario Encapsulación Lima, Perú
Gustavo Santos Morales 26.08.2014 Página 1

Soluciones BUCHI para encapsulación

¿Qué es encapsulación?
Encapsulación es la inmobilización de ingredientes
activos en una matriz polimérica. Los compuestos
activos, que pueden ser inmovilizados son, por ejemplo:
enzimas, medicamentos, saborizantes, fragancias,
vitaminas, aceites, células o microorganismos.

¿Porqué encapsulación?
Liberación controlada
Ventana terapéutica para
medicamentos, liberación
desencadenada para
soborizantes
Estabilidad contra
fuerzas de corte en un
bioreactor
Protección del ambiente o del
sistema inmune
Dosificación y almacenamiento
mejorar el manejo y seguridad
para los consumidores
Recubrimiento con
grupos funcionales
Inmovilización enzimas para
biotransformación
Aplicaciones en farma, alimentos, cosméticos, biotecnología, medicina, ...
Desarrollo de nuevos productos

Puntos a considerar durante la encapsulación
Membrana Hecha de
diferentes polímeros,
múltiple, con diferentes
propiedades, resistencia
mecánica
Ingrediente activo e.g.
saborizante, medicamento,
células, microbio, enzimas,
etc.
Matriz hecha de un polímero,
líquido o sólido como una red
de gel
Proceso: Esterilidad, temperatura, tiempo de reacción, escalamiento
Polímero: Biocompatibilidad, tamaño de poro, resistencia mecánica ,
función (protección, liberación, manejo, estabilización)
Diseño perla: Perla completa, cápsula con núcleo líquido o sólido,
membranas múltiples

Mecanismo de formación de perlas con
alginato

Perlas y cápsulas con fases múltiples

Encapsulación de células
Envolvimiento completo de células dentro de una membrana en forma de
cápsula
Proteje a las células de interacciones con ambiente circundante
Procesos médicos y biotecnológicos
Celulas madre, células animales y humanas
Tradicionalmente se ha usado para células bacterianas y en levaduras
Ambiente
Membrana semi-permeable
tipo cápsula Células viables
Nutrientes
Crítico para la
sobrevivencia de las células
Desechos
Proliferación
Bio-producto, por ejemplo insulina

Historia de la encapsulación de células
Cápsula gelificada de porosidad homogénea
Células
Membrana Alginato de Calcio
•Ca2+- con carga positiva
•Alginato – carga negativa
•El creciemiento ocurre dentro de los poros del gel
•Densidad celular limitada
•Las células son protegidas del ambiente externo
Idealmente se desea un contenido
líquido acuoso para que las células
crezcan libremente
Membrana definida
Protección
Permabilidad etc.

Historia de la encapsulación de células
Alginato-PLL-Alginato
En 1980, tanto Lim como Sun
• Contribuyeron de manera brillante
• Desarrollaron un sistema de encapsulación de células
• Sistema de membrana de Alginato-poli-L-lisina-Alginato
+ve poli-L-lisina
El líquido en el núcleo permite
el crecimiento celular
Microcápsulas de núcleo acuoso
“Atrapamiento” celular
con alginato
Contrarrestada
con alginato
El calcio reacciona con el
compuesto de
solubilizacion del núcleo
?

Principio de su funcionamiento

Principio de funcionamiento del Encapsulator
La tecnología de la boquilla vibratoria es basada en el principio de que un chorro de líquido laminar se fracciona
en gotitas del mismo tamaño por vibración. La frecuencia de vibración elegida determina la cantidad de gotitas
producidas, por ejemplo una frecuencia de vibración de 700 Hz produce 700 gotitas por segundo
Etapa 1
Mezcla del ingrediente
activo y del polímero
Etapa 3
Superimposición de la
vibración
Etapa 5
Carga electrostática de
las gotitas y dispersión
de las gotitas
Etapa 6
Control de proceso en
línea de la formación
de las gotitas a través
de la lámpara
estroboscópica
Etapa 4
Formación de las
gotitas
Etapa 8
Recolección de las
cápsulas
Etapa 7
Formación de las
cápsulas en la solución
de polimerización o por
gelatinización
Etapa 2
Bombear la mezcla con
una jeringa o aire
comprimido

Principio funcional – técnica de vibración eficiente
• Un chorro líquido laminar se rompe en gotas de igual tamaño por una vibración
superimpuesta
• La frecuencia de vibración determina la cantidad de gotas, ejemplo 700 Hz
generan 700 gotas por segundo
Formación de gotas se forman gotas
esféricas con un sistema de una
boquilla para encapsulación con
matrices
Formación de cápsulas Cápsula
tipo núcleo/cubierta con un sistema
de una boquilla concéntrica en un
procedimiento de un solo paso

Unidad de dispersión electrostática –
prevención de coalescencia de las cápsulas
Cápsulas producidas SIN
el uso de la unidad de
dispersión electrostática:
Cápsulas no-esféricas,
pares de cápsulas unidas
Cápsulas producidas CON
el uso de la unidad de
dispersión electrostática :
Cápsulas esféricas
mono-dispersas

Formación de cápsulas con la boquilla
concéntrica

Spray Chilling con el Encapsulador
aire lípido/cera fundidos
Distancia de caída de 1 a 2 m
Etanol frío al 96%

Tabla de parámetros de proceso

Parámetros de proceso que tiene influencia en la
producción de las perlas
Reglas generales:
•A mayor tamaño de la boquilla mayor es la productividad.
•The diámetro de la perla es aproximadamente el doble del tamaño del diámetro de la
boquilla.
•A mayor frequencia se generan perlas más pequeñas.
•A menor flujo se generan perlas más pequeñas.
•A un flujo demasiado bajo corresponde formación de gotas grandes en la boquilla.
•A un flujo demasiado alto corresponde la formación descontrolada de perlas.
•Tan pequeñas como sean las gotas se requiere de un voltaje electrostático bajo para
separar el chorro de gotas.
•Una mayor amplitud es necesaria para líquidos de alta viscosidad.

La productividad depende del tamaño de la boquilla

Sistemas completos
Encapsulador B-390 Encapsulador B-395 Pro
Grupo Usuario
•Unidades educativas en academia
•Modelo inicial en investigación y
desarrollo para alimentos y farma
Grupo Usuario
•Investigación y desarrollo en
Farma
•Investigación avanzada en
academia

Encapsulador B-390 – características clave
Unidad de control
•Regulación de la frecuencia de
vibración, dispersión
electrostática, calentamiento y
presión de aire
Unidad de producción
de cápsulas
•Para una boquilla
Calentamiento de boquilla
•Calentamiento integrado en
la unidad de producción de
cápsulas
•Hasta 70 °C
Botella de presión
•500 mL
•Presión de trabajo hasta 1.5
bar
Opcional
•Juego de boquillas concéntricas
para la producción, en un sólo
paso, de cápsulas
núcleo/cubierta
Juego de 8 boquillas
•0.08, 0.12, 0.15, 0.2, 0.3,
0.45, 0.75 y 1.0 mm
•Acero inoxidable

Encapsulador B-395 Pro – características clave
Recipiente de reacción
•2 L, esterilizable en
autoclave
•Superficie de tratamiento de
acero inoxidable con
cumplimiento de GMP
Bomba para jeringa
•Para jeringas de 1 a 60 ml
•Flujo de 0.01 a 50 ml/min
•Calibración de flujo
Botellas de presión
•500 mL y 1 L
•Hasta 1.5 bar
Unidad de producción
de cápsulas
Unidad de control
Agitador
magnético
Opcional:
•Documentación de cumplimiento de GMP para la validación del recipiente de reacción
•Juego de boquillas concéntricas para la producción de cápsulas núcleo/cubierta en un sólo paso

Datos técnicos

Opciones recomendadas y accesorios (1/3)
Juego de boquillas concéntricas
•Juego de 7 boquillas externas con apertura
de alta precisión de 0.2
•0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 y 0.9 mm fabricados en
acero inoxidable
•Incluyendo botella de alta presión de 1000
mL
Recipiente de reacción para aplicaciones
estériles
•Completamente esterilizable en autoclave
•Fabricado en vidrio y acero inoxidable para
la producción y recolección de microcápsulas
en condiciones estériles
•Volumen de 2 L, incluyendo la unidad de
producción de cápsulas y juego de 8
boquillas

•Juego de boquillas con apertura de alta
precisión de 0.08, 0.12, 0.15, 0.20, 0.30,
0.45, 0.75 y 1.00 mm, fabricadas en acero
inoxidable
•Incluye el soporte de las boquillas
Botellas de alta presión
•Botellas de vidrio con conexiones, tubos
y filtro para aire, trabaja a presión de
hasta 1.5 bar, esterilizable en autoclave
•500 mL y 1000 mL

O-ring sets
•Juego de O-ring para boquilla
simple
•Juego de O-ring para boquilla
concéntrica
•Juego de O-ring para recipiente
de reacción
Filtros
•Prefiltros para boquillas, 7 mm de
diámetro (10 piezas)
•Filtros de drenaje para recipiente
de reacción, 35 mm de diámetro
(10 piezas)

Bomba para jeringa external para Encapsulador
• La actualización de un B-390 a un B-395
Pro no es posible: sus conceptos de
construcción son diferentes.
• Se puede utilizar una bomba de jeringa
externa. Se recomienda la bomba Legato
100 de KDS Scientific.
(www.kdscientific.com)

Beneficios simple vista
Uso amigable
•Instalación rápida
•La operación de aprende rápido
•Pantalla tipo “touch”
•Flexible
•Amplia variedad de aplicaciones
•Formación de cápsulas y perlas en
el mismo instrumento
•Formación reproducible de perlas
•Tamaño de perlas desde 0.15 hasta
2 mm
•Distribución de tamaño uniforme(es
posible 5% desviación standard)
Control del proceso en tiempo real
•Estroboscopio para visualización en
línea y optmización de la formación de
las gotas
Condiciones moderadas de
encapsulación
•A temperatura ambiente y
condiciones fisiológicas
•Completamente viable para
encapsular material vivo
•Adecuado para encapsulación de
células animales
Manejo en condiciones estériles
•Partes se puede esterilizar en
autoclave
•Recipiente de reacción para
contención estéril

Una variedad amplia de aplicaciones
Encapsulado de
ingredientes activos:
•Medicamentos
•Vacunas
•Enzimas
•Microbios
•Células
•Saborizantes
•Aceites
•Pesticidas
•Pigmentos
Polímeros para matrices de
cápsulas y formación de
membranas:
•Alginato
•Gelatina
•Carragenina
•Sulfato de celulosa
•Chitosano
•Ceras

Aplicaciones farmacéuticas (1/3)
Liberación de activos
•Polímero liofilizado con ingrediente activo
•Protección de ingredientes activos
(ejemplo; reducir interacción con con otros
activos durante el almacenamiento)
•Ingrediente activo encapsulado en un
polímero biodegradable
•Recubrimiento de partículas con nuevas
funciones (ejemplo, liberación modulada)

•Cápsulas de grasas duras con
ingrediente activo inmovilizado
Enmascaramiento de sabor en
almacenamiento de vitaminas
•Aceite con ingrediente activo en
cápsulas de gelatina

Biotransformación
•Enzimas y microorganismos
encapsulados
Transplante de células
•Encapsulación estéril de células
•Protección de células de mamíferos
contra su sistema inmune (ejemplo;
tratamiento de deficiencia genética o
enfermedad hepática)

Aplicaciones en alimentos
•Enriquecimiento de alimentos
Pequeñas cápsulas de alginato
conteniendo aceite de girasol y caroteno
•Estabilización y pretección de
nutracéuticos
(ejemplo; vitaminas, aceites)
•Ingredientes probióticos en alimentos
Encapsulación de bacterias ácido
lácticas
•Fortalecimiento óptico de alimentos
•Cocina molecular

Aplicaciones en cosméticos
Cosméticos
•Cápsulas grandes de alginato
conteniendo escualeno
•Encapsulado de cremas

Produciendo células contenidas en microcápsulas
Ventajas del encapsulador B-395 Pro
Características requeridas en la aplicación a procesos médicos/biotecnológicos
•Forma pequeña y esférica
•Estructuras individuales
•Homogéneas con una distribución de tamaño
en un rango estrecho
Características de la técnica de producción
•Tiempo de producción corto bajo condiciones
moderadas
•Controlable
•Relativemente simple y bajo costo
•Alta eficiencia
•Produce un rango de diferentes tamaños
•Repetible
•Escalable
B-395 Pro cumple cualquier criterio
• Escalamiento – de Büchi a encapsuladores de boquillas multiples

Aplicación para biotecnología
• Encapsulación de células animales
• Producción de proteínas recombinantes
• Encapsulación de células madre
• Medicina regenerativa
• Nuevas y excitantes aplicaciones
La encapsulación permite la generación de cultivos con alta
densidad de células para incrementar la producción de
proteínas recombinantes
Células animales encapsuladas
Bioreactor con
microcápsulas
conteniendo células
La encapsulación de células madre a abierto nuevas
avenidas para científicos que desarrollan métodos de
tratamiento novedosos para enfermedades no tratables
Células madre
dentro de cápsulas
Tecnología Célula-en-una-
caja (SGAustria)

Aplicaciones biotecnológicas
Incrementar la producción de proteínas recombinantes (medicamentos)
•Nuevo concepto – intensificación de bioprocesos
•Incremento significativo de las cantidades producidas y reducción de costos
Las técnicas actuales son limitadas
•Baja productividad de los medicamentos – debido a un ambiente hostil
•Incremento significativo de costos en todo el proceso
•El proceso de producción de medicamentos no es económicamente viable
•Técnicas demasiado complejas para superar los problemas
Bioreactor (bioproceso) Células encapsuladas Bioreactor para microcápsulas

Resultados de cultivos encapsulados – cultivos
libremente suspendidos
CHO DP12
•Proteína recombinante IgG
•Integra una parte significativa del sistema inmune
•Tratamiento de numerosas enfermedades
CHO DP12 encapsulada
•Comparable a cultivos no encapsulados
Bioreactor inoculado
•Capacidad de 1.2 L
•Volumen de trabajo 25% v/v
Crecimiento y viabilidad de células
Producción de proteínas recombinantes

Encapsulación de células animales
Sector Biotecnológico
•Incrementar la productividad y reducir los pasos de purificación por
recuperación In-situ del producto
•El ambiente del bioproceso puede ser hostil
In-situ product recovery (ISPR)
•Remoción inmediata del producto
•Se incrementa la productividad
•Simplifica las etapas del proceso (purificación)
Usa microcápsulas como dispositivo para la
recuperación in-situ del producto
Bioreactor
Técnica
ISPR
Agitación, calor
pH etc
Producto
obtenido
Cristales de Geldanamycin (pureza 97%)

Aplicaciones médicas
Generación de células de manera artificial para transplante en humanos
•Reemplazar células dañadas o de bajo desempeño
•Uso de células para ayudar a órganos ya presentes
•Ejemplos comunes – Diabetes y enfermedades hepáticas
•Largo plazo
•Loas técnicas actuales son limitadas
• Rechazo al implante debido a respuesta inmunológica
• Medicamentos inmuno supresores
• El incremento en la población y la incidencia de las enfermedades han
aumentado significativamente el problema
Las células
encapsuladas son
protegidas de los
anticuerpos, mecanismo
natural de defensa

Mayores avances
•Doctores en Londres han curado un bebé varón de
una enfermedad mortal la cual destruía su hígado
usando terapia celular
• Las células del hígado fueron encapsuladas usando un
encapsulador Inotech IE-50R, el cual es el modelo
precursor del BUCHI B-395 Pro
• Link al BBC News Report:
http://www.bbc.co.uk/news/health-15745948 .
Las células encapsuladas
son protegidas de los
anticuerpos, mecanismo
natural de defensa

Medicina regenerativa
•Enfoque muy nuevo
Basado en el método de terapia celular
•No es para producir un órgano completo
•Reemplazar células dañadas o de bajo desempeño
•La cápsula proteje a las células de una inmuno-respuesta
•Permanece en el cuerpo durante su vida útil
Principales ventajas de las células madre
•Producidas en la mayoría de las células de los tejidos
• Tratamiento de un rango de enfermedades
• Dementia – enfermedades inflamatorias
•Células madre embrionarias
• Transplantes a una parte requerida – transformarse un las células
requeridas
Optimización del proceso de encapsulación

Incrementar la producción de células madre con bioreactores
Las células pueden usarse como medicamentos modelo
•Reemplazar pruebas con animales
•Células madre (humanas) son buenas o exactamente representativas para
probar un organismo
•Resultados mejores y más rápidos, dirigidos a una aprobación más rápida
•Reducción significativa de costos y aceleración completa del proceso de
desarrollo del medicamento
Bioreactor (bioproceso)

CTI-Project
• Proyecto de investigación con la University Hospital of Geneva
(HUG) y la Technical High School of Lausanne (EPFL).
Con apoyo del Gobierno Suizo.
• Buscan resultados en el tratamiento de la Diabetes
• BÜCHI: Modificación del sistema de boquilla (nozzle) concéntrica
para la encapsulación de células pancreáticas
• EPFL: Elaboración de polímeros mejorados para encapsulación.
• HUG: Pruebas con las células encapsuladas (Islets de
Langerhans) in vitro / in vivo.
BÜCHI es el propietario de los derechos para comercializar los resultados
científicos.

Microencapsulación: Encapsulator vs. Spray Dryer
Microencapsulación con el Encapsulator
• Adecuado para un gran número de aplicaciones
• Proceso muy suave para usarse en la encapsulación de células animales
• Tamaño de partícula seleccionable previamente en el rango de 150μm – 2.0mm
• Producción de partículas húmedas en la forma de perlas y cápsulas
• Distribución en un rango estrecho del tamaño de partícula
• Endurecimiento de las partículas en polimerización o “baño frío”
• Encapsulación de líquidos y sólidos
• Control de liberación de principios activos mediante selectividad de la matriz
• Adecuado para encapsulación estéril
Microencapsulación con el Spray Dryer
• Adecuado para un gran número de aplicaciones
• Tamaño de partícula de 0.3-25μm
• Control de tamaño de partícula y morfología
• Encapsulación de líquidos y sólidos en una matriz (perlas)
• El producto final es un polvo seco
• Control de liberación de activos en una matriz con características
selectivas
• Encapsulación de materiales sensibles a la temperatura o volátiles
Seminario Spray Drying Lima, Perú

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