La evolución de las formulaciones farmacéuticas y de los materiales avanzados exige técnicas de dispersión cada vez más precisas. Presentamos un enfoque novedoso basado en el control adaptativo de la cavitación acústica durante la homogeneización a alta presión para manipular con precisión la distribución del tamaño de nanopartículas y obtener suspensiones monodispersas más estables y uniformes que con los métodos tradicionales.

En lugar de depender de parámetros fijos, nuestro sistema ajusta dinámicamente la energía acústica a partir de información en tiempo real, mejorando de forma fundamental la calidad de la dispersión y el rendimiento del proceso. Esta estrategia puede incrementar de forma significativa la biodisponibilidad de principios activos al reducir la polidispersidad y la degradación por fuerzas de corte incontroladas, y además facilita la producción de materiales compuestos de alto rendimiento.

Descripción técnica y marco teórico: El control adaptativo de cavitación acústica se basa en un lazo de realimentación que monitoriza la intensidad de cavitación, la distribución del tamaño de partícula y la estabilidad de la suspensión. La intensidad de cavitación se estima combinando sensores de emisión acústica con medidas ópticas basadas en dispersión Mie. La distribución del tamaño de partículas se mide en línea mediante Focused Beam Reflectance Measurement FBRM y la estabilidad se valora con un detector tipo Turbiscan que registra índices de agregación y tasas de sedimentación o creaming.

El algoritmo de control ajusta la señal de energía acústica en función de estos tres indicadores para maximizar uniformidad y estabilidad reduciendo simultáneamente efectos nocivos de cavitación excesiva. Las contribuciones relativas de cada métrica se ponderan dinámicamente mediante un esquema inspirado en valores de Shapley y las ganancias de respuesta se optimizan mediante técnicas bayesianas.

Implementación experimental: Como sistema modelo se emplearon nanopartículas de oro iniciales de 100 nm en agua desionizada. Se adaptó un sistema comercial de homogeneización a alta presión Microfluidizer integrando sensores de emisión acústica y FBRM, y conectándolo a un Turbiscan para mediciones continuas. Se realizaron corridas de referencia sin control adaptativo y corridas con control adaptativo activado, explorando rangos operativos de presión y caudal para validar la robustez del método.

Aprendizaje y control: La velocidad de aprendizaje del lazo de control se optimiza mediante un agente de aprendizaje por refuerzo basado en Proximal Policy Optimization. El estado del agente incluye la intensidad de cavitación, la PSD y el índice de agregación, y la acción consiste en ajustar la energía acústica. La función de recompensa penaliza desviaciones respecto al tamaño objetivo y altas tendencias de agregación para promover monodispersidad y estabilidad. El agente se preentrena con simulaciones de dinámica de dispersión para reducir las interacciones de prueba y error en equipo real.

Optimización multivariable: La combinación de valores de Shapley para ponderar las métricas y la optimización bayesiana para ajustar ganancias permite una asignación de crédito justa entre señales y una convergencia eficiente hacia parámetros que maximizan la calidad de la suspensión. Esto facilita la adaptación automática del sistema a variaciones en formulación, viscosidad y sensibilidad del material.

Resultados esperados y ventajas prácticas: Se anticipa una reducción significativa del índice de polidispersidad y una mejora marcada en la estabilidad frente al proceso HPH convencional. La capacidad de operar eficazmente en distintos rangos de presión y caudal demuestra escalabilidad. En el ámbito farmacéutico esto puede traducirse en formulaciones con mayor biodisponibilidad y menor necesidad de pasos adicionales de purificación; en materiales avanzados permite obtener compuestos con propiedades más homogéneas.

Validación y seguridad operativa: El sistema incorpora límites de seguridad que reducen la energía acústica ante niveles de cavitación excesivos para proteger materiales sensibles. Las pruebas incluyen análisis estadístico comparativo entre condiciones y validación mediante caracterización óptica y de estabilidad a corto y medio plazo.

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Conclusión: El control adaptativo de cavitación acústica aplicado a la homogeneización a alta presión representa una evolución hacia procesos de dispersión más inteligentes, eficientes y reproducibles. Combinando sensores avanzados, aprendizaje por refuerzo y métodos de optimización multivariable es posible obtener suspensiones de nanopartículas con mayor uniformidad y estabilidad. En Q2BSTUDIO estamos preparados para acompañar a su organización en el diseño, desarrollo y despliegue de soluciones a medida que integren estas tecnologías con seguridad, escalabilidad y valor de negocio.