Sviluppo di un modello basato su bilancio di popolazione per la produzione di emulsioni Pickering = Development of a population balance-based model for Pickering emulsions production

Lo scopo del presente lavoro è stato quello di studiare da un punto di vista sia modellistico che sperimentale la realizzazione di emulsioni di Pickering. Queste hanno ottenuto grande rilevanza negli ultimi anni proprio perché permettono di sostituire ai classici tensioattivi come stabilizzanti, delle particelle solide di varia natura. La loro applicabilità è stata ampliata anche al campo farmaceutico, grazie alla loro capacità di aumentare la biodisponibilità orale dei farmaci destinati all'assorbimento gastrointestinale, proteggendo dalla lipolisi il principio attivo presente in formulazioni lipidiche grazie alla presenza delle particelle stesse. L’obiettivo prefissato è stato duplice: da un punto di vista sperimentale si sono realizzati dei cristalli di curcumina con la tecnica per antisolvente e caratterizzati in dimensione attraverso spettroscopia Raman e immagini al SEM. Questi sono stati in seguito utilizzati come particelle solide per la stabilizzazione sia di emulsioni olio in acqua che acqua in olio, ottenute con Ultraturrax o ultrasuoni. Le immagini al microscopio ottico hanno dimostrato che in quasi tutti i casi si è riusciti ad ottenere un ricoprimento delle gocce, più o meno spiccato a causa delle diverse quantità di curcumina utilizzate. Analizzando i campioni successivamente, si è invece visto che la stabilità a distanza di qualche mese, soprattutto delle emulsioni W/O è risultata limitata. Il modello matematico utilizzato nella trattazione è basato su un bilancio di popolazione, il quale permette di simulare un sistema di entità disperse come gocce e particelle e di tracciare l’evoluzione di una o più proprietà. I fenomeni responsabili del cambiamento di queste variabili sono la coalescenza tra gocce, la rottura e le collisioni gocce-particelle. Per risolvere il bilancio di popolazione si è optato per un algoritmo stocastico Monte Carlo event-driven e rejection-free, che sviluppandosi attraverso il campionamento di variabili random risulta efficace per studiare processi la cui evoluzione è condizionata da fattori stocastici come nel caso di un’emulsione. Il tipo di flusso è stato considerato turbolento, isotropo e omogeneo; inoltre, la popolazione è stata caratterizzata utilizzando due variabili, il diametro delle gocce e il loro grado di ricoprimento da parte delle particelle solide, le quali presentano uguale affinità verso la fase acquosa e oleosa, permettendo di considerare il loro assorbimento irreversibile. Dalla frequenza totale degli incontri del sistema si può stimare un intervallo di quiescenza (Δt), ovvero l’intervallo di tempo durante il quale non avviene alcun incontro tra gocce e la loro dimensione non cambia. Al termine di questo, e dopo aver individuato l’evento accaduto, la popolazione è stata aggiornata con la nuova frazione di ricoprimento delle gocce e il numero di particelle libere nel campione. Variando di volta in volta parametri quali la dissipazione dell’energia cinetica turbolenta, la frazione volumica di olio e di particelle si è valutata la loro influenza sull’andamento e il valore finale raggiunto dal diametro di Sauter e dalla frazione di ricoprimento. Da questi risultati si è dimostrato come sia essenziale considerare le condizioni fluidodinamiche durante la fase di produzione dell’emulsione.