¿Qué gases puede medir realmente un equipo de medición de la tasa de transmisión de gases?

¿Un equipo de medición de la tasa de transmisión de gases solo puede medir oxígeno, o también puede evaluar dióxido de carbono, nitrógeno y otros gases? La respuesta depende del método de medición del instrumento, la configuración del sensor y la compatibilidad con el gas de ensayo, no simplemente de su nombre. Para los investigadores que comparan envases farmacéuticos, películas plásticas y materiales de alta barrera, comprender estos límites es esencial para elegir el equipo adecuado e interpretar correctamente los resultados.

La respuesta breve es que, con el equipo adecuado, se pueden medir oxígeno, dióxido de carbono y nitrógeno. Algunos sistemas también pueden evaluar gases como helio, hidrógeno o argón. Sin embargo, eso no significa que una configuración estándar pueda analizar todos los gases. Un analizador de oxígeno específico y un instrumento de permeabilidad de gases basado en presión pueden describirse ambos como equipos de medición de la tasa de transmisión, pero sus capacidades son muy diferentes.

El principio de medición establece los límites prácticos

Un ensayo de transmisión de gases mide el gas que atraviesa una probeta en condiciones definidas. En el caso de las películas para envases, estas condiciones incluyen el área expuesta, la temperatura, la humedad y la diferencia de presión del gas a ambos lados del material. El instrumento debe distinguir la permeación real de las fugas, el gas residual y las señales de fondo.

Dos enfoques generales explican la mayoría de las diferencias de compatibilidad con los gases: medir un cambio de presión o detectar un gas específico después de que atraviesa la probeta.

Sistemas basados en presión: mayor variedad de gases, con ciertas condiciones

En una configuración diferencial de presión habitual, la probeta separa una cámara de gas de ensayo presurizada de una cámara receptora evacuada. El instrumento supervisa el aumento de presión en el lado receptor y calcula la transmisión a partir de ese cambio, teniendo en cuenta el volumen de la cámara, el área de la probeta y las condiciones de ensayo.

Como el sensor de presión no es intrínsecamente selectivo para el oxígeno ni para el dióxido de carbono, este enfoque puede admitir varios gases. El oxígeno, el nitrógeno y el dióxido de carbono son opciones habituales. Es posible utilizar otros gases si los materiales, los sellos, el rango de presión, el sistema de vacío y las medidas de seguridad del instrumento son adecuados.

Esta flexibilidad tiene una contrapartida: el aumento de presión no permite identificar qué gas lo ha causado. Las fugas, la desgasificación de la probeta y la humedad residual pueden contribuir a la señal. Por tanto, unas mediciones fiables dependen de la preparación de la cámara, las comprobaciones de fondo, una temperatura estable y un método adecuado para el nivel de barrera de la probeta.

Sistemas selectivos para gases: el detector determina qué se mide

Muchos instrumentos para medir la tasa de transmisión de oxígeno utilizan un sensor de oxígeno coulométrico. El oxígeno que atraviesa la película llega al detector mediante un flujo de gas portador especificado. Esta configuración mide oxígeno; no se convierte en un analizador de dióxido de carbono o nitrógeno simplemente por cambiar la botella de suministro.

Los sistemas para medir la transmisión de dióxido de carbono suelen utilizar un detector infrarrojo configurado para CO₂. Otros instrumentos pueden emplear tecnologías de detección distintas, pero se aplica la misma regla: el detector debe responder adecuadamente al gas objetivo y debe validarse toda la ruta de medición para esa aplicación.

Un instrumento multigás puede ofrecer módulos de detección o canales de medición independientes. Conviene preguntar qué significa «multigás» en la práctica. Puede referirse a varias configuraciones compatibles, en lugar de a la medición simultánea de varios gases en un mismo ensayo.

¿Qué cambia cuando cambia el gas de ensayo?

Oxígeno: un ensayo habitual, pero no un indicador universal

La tasa de transmisión de oxígeno, normalmente abreviada como OTR, se utiliza ampliamente para evaluar envases diseñados para limitar la entrada de oxígeno. Es relevante para productos farmacéuticos sensibles al oxígeno y para muchas aplicaciones de envases alimentarios. Tanto los sistemas adecuados basados en presión como los sistemas específicos de detección de oxígeno pueden medir la transmisión de oxígeno.

Un resultado de oxígeno no establece el rendimiento de barrera del material frente a todos los demás gases. La permeación depende tanto de la difusión del gas a través del material como de su solubilidad en él. Una estructura multicapa que ofrece un buen rendimiento frente al oxígeno puede comportarse de forma distinta al exponerse al dióxido de carbono, especialmente en condiciones de humedad diferentes.

Dióxido de carbono: importante cuando hay que retener el gas

La transmisión de CO₂ es relevante cuando el envase debe retener dióxido de carbono o controlar su intercambio con la atmósfera circundante. Algunos ejemplos son los envases para productos carbonatados y ciertas aplicaciones de atmósfera modificada. Un equipo de ensayo adecuado basado en presión o un sistema específico de detección de CO₂ pueden proporcionar esta medición.

El CO₂ puede interactuar con los polímeros de forma distinta al oxígeno o al nitrógeno. Según el material y la presión, la sorción y la plastificación pueden influir en el comportamiento del transporte. Por consiguiente, convertir un resultado de oxígeno en un resultado de CO₂ mediante una proporción genérica no es un sustituto fiable del ensayo del material real en las condiciones pertinentes.

Nitrógeno: distinga el gas de ensayo del gas portador

La transmisión de nitrógeno puede medirse mediante un método basado en presión configurado adecuadamente u otra disposición analítica validada. Puede ser importante para evaluar envases purgados con nitrógeno, la retención de gases o la selectividad de membranas.

Sin embargo, el nitrógeno también se utiliza habitualmente como gas portador o de purga en sistemas de ensayo de oxígeno. Que esté presente en el instrumento no significa que este mida la transmisión de nitrógeno. En esa configuración, el detector mide el oxígeno transportado por el flujo de gas portador, no el propio gas portador. Conviene comprobar expresamente esta distinción al consultar las especificaciones.

Helio, hidrógeno, argón y gases especiales

Algunas aplicaciones de investigación requieren gases distintos de los habituales en los ensayos de envases. El helio, el hidrógeno o el argón pueden medirse con sistemas adecuados basados en presión o con sistemas analíticos especializados. Aun así, la compatibilidad debe confirmarse para el instrumento concreto, no deducirse de su principio general de funcionamiento.

El hidrógeno presenta riesgos de inflamabilidad. Los gases tóxicos, corrosivos o reactivos pueden requerir materiales en contacto con el gas específicos, ventilación, monitorización y tratamiento de los gases de escape. No debe suponerse que un equipo estándar para ensayos de envases sea adecuado para estas aplicaciones. Incluso los gases inertes pueden presentar riesgos de manipulación, mientras que la tendencia del helio a atravesar vías de fuga pequeñas hace que el control de fugas sea especialmente importante.

Las mezclas de gases y el vapor de agua requieren consideraciones específicas

Ensayar un gas puro no equivale a ensayar una mezcla de gases. Un instrumento basado en presión puede registrar el aumento de presión combinado causado por varios componentes permeantes, pero esa medición por sí sola no permite separar sus tasas de transmisión individuales. El análisis específico de cada componente requiere detectores adecuados o una técnica analítica capaz de distinguir los gases.

La composición de la mezcla también puede modificar el comportamiento del material. Las mediciones con gases puros son útiles para la evaluación preliminar, pero quizá no representen plenamente un envase que contiene oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono a la vez. Cuando el rendimiento con mezclas de gases influya en la decisión, confirme si el método propuesto mide los componentes individuales en las condiciones de mezcla previstas.

El vapor de agua es otra fuente habitual de confusión. Aunque se trata de una sustancia en fase gaseosa, la tasa de transmisión de vapor de agua, o WVTR, normalmente requiere un método específico para la humedad y condiciones de humedad controladas. Un equipo de ensayo de oxígeno no mide automáticamente la WVTR. Una plataforma de instrumentos compartida puede admitir ambos ensayos mediante módulos independientes, pero esta capacidad debe indicarse expresamente.

La compatibilidad con el gas es solo una parte de la decisión de selección

Un equipo puede admitir el gas correcto y, aun así, no ser adecuado para la probeta. Por ejemplo, los laminados farmacéuticos de alta barrera requieren prestar especial atención a la capacidad de medición de niveles bajos y a la estabilidad de fondo. En cambio, las películas plásticas más permeables pueden poner a prueba el límite superior del rango de medición. La pregunta pertinente es si la transmisión prevista está dentro de un rango de trabajo validado, no si el gas aparece en un folleto.

La humedad merece la misma atención. La humedad puede modificar el rendimiento de barrera de algunos polímeros, por lo que un resultado obtenido con gas seco quizá no represente las condiciones de uso. Compruebe si la humedad se controla en uno o en ambos lados de la probeta y si esa disposición coincide con el método de ensayo previsto.

También importa el formato de la probeta. Un ensayo de película plana caracteriza el material montado, mientras que un envase terminado, una bolsa o un blíster incorporan geometría, cierres, sellos y posibles defectos. Un resultado de película no debe considerarse un resultado del envase completo. El ensayo de envases requiere accesorios adecuados y un método que defina qué se mide.

Las normas ayudan a aclarar estas diferencias. ASTM D3985 trata la transmisión de oxígeno a través de películas y láminas plásticas mediante un sensor coulométrico, mientras que ASTM D1434 trata las características de permeabilidad a los gases de películas y láminas plásticas. Confirme el alcance de la versión vigente de la norma y la implementación del instrumento; no considere ninguna de estas referencias como prueba de una capacidad ilimitada para medir gases.

Qué debe confirmar antes de elegir una configuración

Una conversación técnica útil empieza por el material y la decisión que necesita tomar. Indique al proveedor del equipo el gas objetivo, la estructura de la probeta, el espesor aproximado, el nivel de barrera previsto y la temperatura y humedad de ensayo. Si se desconoce la transmisión prevista, las probetas representativas pueden ayudar a determinar si el rango de medición propuesto es adecuado.

• Capacidad para el gas exacto: ¿El gas es compatible con la configuración suministrada o requiere otro detector, módulo o celda de ensayo?
• Límites de medición: ¿Qué rango validado, rendimiento de fondo e incertidumbre se aplican a ese gas y método?
• Condiciones de ensayo: ¿Puede el sistema reproducir la presión, temperatura, humedad y composición del gas requeridas?
• Funcionamiento rutinario: ¿Qué pureza del gas, procedimiento de calibración o verificación, comprobaciones de fugas, consumibles y mantenimiento se requieren?
• Definición del resultado: ¿El informe indica la tasa de transmisión, la permeancia o la permeabilidad, y qué unidades y condiciones de referencia se utilizan?

Estos términos de resultado no son intercambiables. La tasa de transmisión describe el paso de gas por unidad de área y tiempo en condiciones especificadas. La permeancia tiene en cuenta la diferencia de presión impulsora; la permeabilidad también incorpora el espesor cuando el modelo del material lo permite. Comparar informes sin comprobar estas definiciones puede llevar a conclusiones engañosas.

Paratronix Instruments Co., Ltd. desarrolla, fabrica y suministra instrumentos de ensayo de envases para envases farmacéuticos, materiales de envases plásticos y materiales de alta barrera. Para un proveedor de soluciones de ensayo de envases, el punto de partida adecuado es adaptar el método de medición a la aplicación, no suponer que todos los equipos de medición de la tasa de transmisión de gases miden los mismos gases.

Antes de seleccionar el equipo, solicite confirmación por escrito del gas objetivo, el método de detección instalado, el formato de probeta compatible y las condiciones de ensayo admitidas. El oxígeno, el dióxido de carbono, el nitrógeno y los gases especiales pueden ser objetivos de medición, pero solo la configuración adecuada permite que el valor obtenido sea significativo.