UN MÉTODO PARA PRODUCIR CONCENTRADOS DE SUSPENSIÓN PESTICIDA
CAMPO TÉCNICO La presente invención se refiere a un método para producir concentrados de suspensión de materiales pesticidas, farmacéuticos,' insecticidas y similares, utilizando un proceso de emulsificación por fusión. El método es particularmente aplicable a pesticidas que tienen una baja solubilidad en agua. El tamaño de partícula del material en el concentrado puede controlarse para dar partículas menores a 5 micrones (µ) , preferentemente menos de 1 µ. La eficacia de los pesticidas se relaciona frecuentemente al tamaño de las partículas del pesticida. Típicamente, mientras menor es la partícula mayor es la eficacia debido a factores tales como tasa de liberación incrementada y cobertura más uniforme y más amplia en la aplicación. Por esta razón existe una necesidad para preparar formulaciones pesticidas en las cuales el pesticida tenga un tamaño de partícula pequeño, preferentemente menor de 5 µ. Las partículas pequeñas se preparan típicamente mediante el triturado de las partículas más grandes utilizando una o más técnicas de trituración convencionales tales como, por ejemplo, trituración por aire, trituración por martillos, compresión (mandíbulas, cono giratorio, rodillos, impacto) trituración por impacto (placas estacionarias), trituración por tamboreo con medios de molienda
(bolas, barras) , trituración por rodillos
(alimentación a través de un hueco pequeño) , trituración por perno, trituración por chorro de aire
(espiral, opuesto, fluidizado) . Desafortunadamente, los pesticidas que se funden a temperaturas por debajo de aproximadamente 120°C son con frecuencia difíciles para triturar al tamaño de partícula pequeño utilizando técnicas de trituración convencionales. Esto se debe a que los prolongados tiempos de trituración necesarios para alcanzar tal tamaño pequeño con frecuencia^ calientan el pesticida. Esto, a su vez, conduce a la aglomeración de la partícula y/o incrustación en los aparatos de trituración debido a la fusión del pesticida. Para evitar tales problemas el aparato de 'trituración con frecuencia requiere enfriado criogénico o por refrigeración.
Las formulaciones de pesticidas de tamaño de partícula pequeña que son materiales amorfos pueden prepararse mediante la fusión del pesticida y después emul sif icario en un medio acuoso. Sin embargo, para los pesticidas que son cristalinos, es muy difícil lograr un producto cristalino estable mediante esta ruta y al mismo tiempo mantener el tamaño de partícula del pesticida en el rango de micrón o sub-micrón debido al calor de la cristalización y desfavorablemente a la cinética de la cristalización. La Patente Británica 1 518 568 describe tanto métodos continuos como discontinuos de producción de suspensión utilizando una técnica de emulsificación por fusión en donde el pesticida fundido se introduce de manera lenta, con agitación vigorosa en una fase acuosa mantenida a una temperatura uniforme. El proceso descrito da como resultado partículas que varían en tamaño desde 1 hasta 100 µ, con una porción considerable mayor a 10 µ. La Patente de E.U. No. 5,539/021 describe la preparación de emulsiones y látex de elevada proporción de fase interna utilizando un mezclador de alto cizallamiento para preparar látex y emulsiones de tamaño de partícula pequeña. Este método requiere líquidos hidrofóbicos que se emulsifican a proporciones muy altas en una fase de agua y se diluyen subsecuentemente para su uso posterior. En el caso de resinas sólidas, las resinas primero se disuelven en un solvente, luego se emulsifican, entonces el solvente se retira para obtener un sólido. Este método no funciona bien generalmente para sólidos altamente cristalinos ya que se forman frecuentemente cristales grandes. Por lo tanto, existe todavía una _ necesidad para un proceso que permita la producción de concentrados de suspensión de baja fusión pero materiales cristalinos con tamaño de partícula pequeño. Hemos descubierto condiciones específicas bajo las cuales se utiliza un método de emulsif icación/cristal i zación de fusión continua para formar un concentrado de suspensión de un cristalino, preferentemente de baja fusión, sólido en el cual el tamaño de partícula final se controla incluso dentro de los rangos de tamaño de sub-micrón. El método comprende las etapas de: a) combinar una corriente que comprende un sólido fundido con una corriente que comprende un solvente; en donde: 1) el punto de fusión del sólido es desde 40 hasta 180 °C; 2) la temperatura de la corriente que comprende el sólido fundido que es 5°C o más por arriba del punto de fusión del sólido; 3) el sólido tiene una solubilidad menor que 1% por peso en el solvente a 25°C; 4) una o ambas de las corrientes comprende - además un surfactante o dispersante o ambos; y b) mezclar las corrientes combinadas en una cámara de confinamiento bajo condiciones de elevado cizallamiento en donde el primer sólido fundido emulsifica formando partículas de 5 µ o menor en tamaño las cuales entonces se enfrían por debajo de su punto de fusión y solidifica antes de que las partículas abandonen la cámara. Este método producirá una formulación de concentrado de suspensión comprendida de partículas del sólido que son menores de 5 µ, frecuentemente menores que 1 µ en tamaño en el solvente. El tamaño de partícula pequeña asegura que la actividad biológica del sólido se aproxime a aquella de un concentrado del sólido emulsif icable a base de solvente, pero utilizando agua como la corriente de solvente, con el beneficio adicional de la eliminación de solventes orgánicos. El tamaño de partícula pequeño también asegura elevada suspensibilidad del sólido en el concentrado de solución, típicamente mayor a 90%. Las partículas que comprenden la composición resultante tienen una morfología única como resultado del proceso de cristalización que ocurre durante la emulsificación/cristalización bajo condiciones de alto cizallamiento. En la práctica, cuando cada partícula se cristaliza frecuentemente pero -no siempre, forma un solo cristal que reflejará la estructura de cristal básica del sólido mismo. Por ejemplo, la forma de partícula del producto del Ejemplo 1 de abajo es aquella de placas planas. Esta morfología es muy diferente de la que pudiera obtenerse a través de . procesos de trituración convencionales en donde el sólido se tritura. El método de esta invención puede aplicarse a cualquier sólido con un punto de fusión desde 40 hasta 180°C el cual es cristalino. El término "cristalino" significa un material que cuando se funde y después se enfría a una temperatura por debajo de su punto de fusión rápidamente se cristaliza (solidifica) a través de un proceso de nucleación y acumulación. Aunque es particularmente aplicable a pesticidas, el método también se aplica a farmacéuticos, insecticidas, colorantes, otros químicos orgánicos y mezclas de los mismos. Preferentemente, el punto de fusión del sólido es desde 40 hasta 120°C, más preferentemente desde 50 hasta 110°C, aún más preferentemente desde 60 hasta 100°C. Si la solubilidad del sólido en el solvente es mayor del 1%, por peso, la estabilidad de la suspensión resultante puede ser deficiente. La estabilidad deficiente normalmente es causada por "Maduración Ostwald" , un proceso en el cual los cristales pequeños presentes en una suspensión se disuelven gradualmente mientras los cristales grandes crecen más grandes o forman aglomerados. Para evitar este problema, la solubilidad del sólido en el solvente debe ser menor de 1%, por peso a 25°C; preferentemente menor que 0.5%; más preferentemente menor que 0.1%. La composición solvente no es critica. Sin embargo, el sólido debe tener una solubilidad en el solvente de menos de 1%, por peso a 25°C y ser capaz de emulsif icarse en el solvente. El solvente puede ser agua o un solvente orgánico tal como, por ejemplo; aceites, alcoholes, éteres, cetonas, alcanos, cicloalcanos , compuestos aromáticos, piridinas y otros nitrógenos aromáticos que contienen compuestos o mezclas de los mismos. El agua es el solvente más preferido debido a su capacidad para formar una emulsión del sólido fundido así como un concentrado de suspensión estable. Cuando el sólido es un pesticida, la corriente de solvente puede contener un segundo pesticida que puede ser el mismo pero, preferentemente diferente del sólido. El segundo pesticida debe ser compatible con el pesticida sólido en términos de proporciones de uso y lugares a tratarse. Tales pesticidas pueden seleccionarse de herbicidas, insecticidas, fungicidas, acaricidas y lo similar. Cuando el solvente es agua, preferentemente el segundo pesticida es soluble en agua, más preferentemente, una sal soluble en agua. Ejemplos de tales pesticidas incluyen acifluorfen sódico, sales de glifosato y lo similar . La corriente que comprende el sólido fundido puede comprender además un solvente en el cual el sólido es soluble. Esto puede ayudar en el transporte del sólido hacia la cámara de confinamiento. Sin embargo, debe tenerse cuidado de que el solvente no interfiera con el proceso de emulsificación que ocurre en la cámara. Preferentemente no se utiliza solvente en la corriente de sólido fundido. Ya sea la corriente que comprende el sólido fundido, la corriente qué comprende el solvente o ambas, deben contener uno o más surfactantes, dispersantes o ambos . Los surfactantes pueden ser aniónicos, catiónicos, no iónicos o mezclas de los mismos. Los surfactantes y los dispersantes utilizados comúnmente en la técnica pueden encontrarse en la publicación de John W. McCutcheon, Inc., Anuari o de De tergentes y Emul si fi cantes {De tergen ts and Emul si fi ers , Annual ) , Allured Publishing Company, Ridgewood, New Jersey, E.U.A. Cuando se presentan en la corriente que comprende el sólido fundido, los surfactantes y/o dispersantes pueden estar presentes hasta el 20% por peso de la corriente; preferentemente desde 2 hasta 15%; más preferentemente desde 4 hasta 10%. Cuando se presentan en la corriente que comprende el solvente, los surfactantes y/o dispersantes pueden estar presentes hasta el 16% por peso de la corriente; preferentemente desde 3 hasta 12%; más preferentemente desde 6 hasta 10%. El término "condiciones de alto cizallamiento" se refiere a condiciones de mezclado turbulento que son suficientes para emulsificar el sólido fundido en el solvente formando gotas del tamaño de partícula deseado en la cámara de confinamiento. Alguien de experiencia en la técnica reconocerá que puede utilizarse cualquiera de una variedad de aparatos para llevar a cabo tal mezcla, incluyendo, por ejemplo, homogenizadores de rotor/estator, emulsificadores en línea, mezcladores estáticos, homogenizadores de pistón, homogenizadores ultrasónicos y chorros o toberas de alta velocidad. Se prefieren los homogenizadores en línea que operan a elevadas revoluciones por minuto, ("rpm") (por ejemplo 24,000) .
Un aspecto crítico de la invención es el tiempo de residencia del combinado sólido/solvente en la cámara de confinamiento. Es importante que ambas, emulsificación y cristalización ocurran bajo condiciones de alto cizallamiento. El tiempo de residencia debe ser suficientemente largo, de tal manera que el sólido fundido se emulsifique primero para formar gotas pequeñas del tamaño de partícula deseado y después las gotas tienen suficiente tiempo para cristalizarse antes de salir de la cámara. Si el tiempo de residencia es demasiado corto, las gotas emulsif icadas emergen de la cámara como un líquido super enfriado que cristaliza más tarde, formando típicamente cristales más largos de manera inaceptable. Sin embargo, si el tiempo de residencia es demasiado largo, las partículas cristalizadas pueden aglomerarse dentro, siendo de nuevo inaceptables los grandes aglomerados. El tiempo de residencia se calcula al dividir el volumen de la cámara entre la velocidad de flujo total del sólido fundido y las corrientes de solvente a través de la cámara. Bajo condiciones típicas, el tiempo de residencia será de 5 segundos o menor; preferentemente de 0.05 a 2 segundos; más preferentemente de 0.08 a 0.2 segundos. El tiempo de residencia óptimo variará dependiendo de la geometría de la cámara, la geometría del mezclador de alto cizallamiento, la velocidad de flujo relativa y total de las corrientes del sólido y solvente, las temperaturas' de las corrientes y de la cámara, las propiedades físicas/químicas del sólido y el tipo y propiedades de los surfactantes y/o dispersantes utilizados. El balance apropiado de cada uno de estos factores debe determinarse experimentalmente utilizando el siguiente criterio: a) Surfactante - El surfactante utilizado en la emulsificación dependerá del sólido que se seleccione para estudio. Los siguientes - factores influyen en el surfactante seleccionado: química y estructura del surfactante; balance hidrof 11 ico/ 1 ipof 11 ico
(HLB) del surfactante; y propiedades de mezclado con otros surfactantes . La concentración del surfactante también debe variarse para establecer los valores mínimo y máximo . b) Temperatura de calentamiento - Comparar las diferentes temperaturas de calentamiento para el sólido específico que se encuentra por arriba de su punto de fusión. El calentamiento arriba del punto de fusión ayuda a licuar él ingrediente activo en el medio seleccionado. c) Homogenización - Variar la velocidad y longitud de la homogenización así como la temperatura de la cámara para la homogenización . d) Templado - Es muy importante templar (es decir mantener la temperatura de la cámara por debajo de las corrientes de sólido y solvente) debido a que esto permite la inmediata estabilización de la muestra y ayuda al control del tamaño y crecimiento de la partícula. Las variables del templado son: temperatura; velocidad de templado; condiciones de agitación durante el templado incluyendo la homogenización, agitación o turbulencia; y la , adición de mejoradores y/o inhibidores de la cristalización. e) Almacenamiento - Las condiciones de almacenamiento del concentrado de suspensión deben variar para probar la estabilidad y actividad, bajo ciertas condiciones tales como pruebas de temperatura ambiente y elevada; ciclos de congelación/descongelación y el embarque . f) Carga del Sólido - Debe determinarse el límite superior de la cantidad de ingrediente sólido o activo que puede emulsif icarse con la menor cantidad de surfactante y otros aditivos mientras permanece pequeño el tamaño de partícula y la actividad. g) Preferentemente el proceso se conduce a presión atmosférica (ya que la corriente de solvente es preferentemente agua por abajo de su punto de ebullición) utilizando reactores sellados. Sin embargo, la presión puede incrementarse ligeramente si la temperatura de cualquier corriente se le aproxima o excede de 95 C. El incremento de presión disminuirá la temperatura de fusión de los sólidos e incrementará el punto de ebullición del agua que puede permitir la aplicación a sólidos de alta temperatura de fusión en un medio de agua. La presión también puede tener un efecto similar en solventes no acuosos, particularmente aquellos con punto de ebullición cercanos o por debajo del punto de fusión del sólido. h) Medio de Emulsificación - También pueden utilizarse medios de emulsificación diferentes al a,gua incluyendo solventes polares y no polares y aceites, mientras que el ingrediente activo tenga solubilidad limitada en el medio seleccionado. La temperatura de la corriente de solvente debe estar suficientemente por abajo del punto de fusión del sólido a fin de que las gotitas de sólido fundido emulsificado cristalicen antes de dejar la cámara de confinamiento. Preferentemente, la temperatura de la corriente de solvente se encuentra desde 20 hasta 110 C por debajo del punto de fusión del sólido; más preferentemente desde 40 hasta 105 C por debajo del punto de fusión del sólido; más preferentemente desde 60 hasta 100 C por debajo del punto de fusión del sólido.
Preferentemente, la velocidad relativa de flujo de la corriente del sólido fundido y la corriente de solvente son tal que la cantidad del sólido presente en la mezcla después de la salida de la cámara es de 5 a 75% por peso; preferentemente de 15 a 70%; más preferentemente de 25 a 60% y más preferentemen e de 35 a 50%. Esto dará como resultado un concentrado de suspensión estable. El método da como resultado un concentrado de suspensión en el cual el tamaño de partícula es menor a 5 µ, preferentemente menor a 1 µ, calculado como promedio de volumen de tamaño de partícula. El tamaño de partícula se determina ya sea ópticamente, con un microscopio electrónico ,para examen minucioso o utilizando calibradores de partícula comerciales, tales como un calibrador de partícula Coulter LS™ (Coulter Instruments) . Es deseable con frecuencia incluir en el concentrado de suspensión- uno o más adyuvantes, tales como surfactantes y/o dispersantes adicionales, agentes humectantes, agentes de difusión, agentes dispersantes, retenedores, adhesivos, desespumantes, espesantes, agentes emulsificantes y lo similar.
Tales adyuvantes utilizados comúnmente en la técnica pueden encontrarse en la publicación de John W. McCutcheon, Inc., Anuari o de De tergen tes y
Emul si f I can tes { De tergen ts and Emul si fi ers , Annual ) , Allured Publishing Company, Ridgewood, New Jersey, E.U.A. Uno o más de tales adyuvantes pueden agregarse a cualquiera o a ambas de las corrientes del sólido fundido o a la corriente del solvente. Opcionalmente, los adyuvantes pueden agregarse al concentrado de suspensión por sí mismos. Aunque el método de esta invención produce concentrados de solución estable, pueden utilizarse una o más etapas del post-tratamiento para variar las propiedades del material final. Esto incluye procesamiento adicional tal como la trituración para reducir cualquier aglomerado que pueda haberse formado o para reducir adicionalmente el tamaño de partícula del sólido; cuando el sólido es un pesticida, la adición de uno o más pesticidas o formulaciones pesticidas adicionales, como se anotó anteriormente, preferentemente un pesticida soluble en agua; la adición de adyuvantes; extruir o desecar el concentrado para obtener un material sólido y lo similar . Cuando el sólido es un pesticida, la práctica típica del método es la siguiente: a) Disolver los surfactantes y/o dispersantes apropiados en un pesticida fundido en un recipiente caliente ; b) Disolver los surfactantes, dispersantes, agentes de humectación y/o glicoles apropiados en agua en un recipiente que tiene la opción de enfriarse o calentarse; c) Bombear la solución de pesticida fundido y la solución acuosa en un homogenizador en línea de la cámara de confinamiento para operar bajo condiciones de alto cizallamiento; d) Mantener el tiempo de residencia en el homogenizador de manera que la fusión de pesticida se emulsifique formando partículas de 5 µ o menores en tamaño el cual se enfría después por abajo de su punto de fusión y se solidifica antes de salir del homogenizador. e) Mezclar en la formulación final los aditivos tales como el desespumante y espesante; y f) Opcionalmente post-tratar el concentrado de suspensión. Los concentrados de solución de pesticidas preparados por el proceso de esta invención pueden diluirse o aplicarse tal como están al follaje de las plantas o al suelo como aspersiones acuosas por los métodos comúnmente empleados, tales como aspersiones hidráulicas de alto volumen, aspersiones de bajo volumen, presión de aire y aspersiones aéreas convencionales. La dilución y proporción de aplicación dependerá del tipo de equipo empleado, el método y frecuencia de aplicación deseada, la velocidad de aplicación del pesticida y la plaga a controlarse. Puede ser deseable incluir uno o más adyuvantes adicionales en el tanque de aspersión. Los concentrados pueden mezclarse también con fertilizantes o materiales de fertilización antes de su aplicación. Los concentrados pueden utilizarse como el agente pesticida solo o pueden emplearse en conjunto con otros agentes pesticidas, tales como, por ejemplo, microbicidas , fungicidas, herbicidas, insecticidas, acaricidas y lo similar. Los siguientes ejemplos ilustran varios aspectos del método de esta invención:
Ejemplo 1 - Oxifluorfen Se fundieron ochenta gramos de herbicida oxifluorfen 172% técnico, punto de fusión 75 C) con 6.4 g (8%, por peso, en base a oxifluorfen) de surfactante Sponto™ 234T (Witco Chemical Co . ) en un matraz de fondo redondo de 250 ml . La temperatura se mantuvo a 105 C. La fusión de oxifluorfen se bombeó a través de una tubería rastreada por calor y se fundió con una corriente de agua a 25 °C inmediatamente antes de entrar en un homogenizador en línea (homogenizador IKA Ultra Turrax™ con una punta homogeni zadora fina) operando a 24,000 rpm. La velocidad de flujo de la corriente de oxifiuorfen fué de 15 ml/min. Y la velocidad de flujo de la corriente acuosa fue de 40 ml/min. La suspensión resultante que sale del homogenizador fue 28% de sólidos y tuvo la siguiente distribución de tamaño de partícula como se midió mediante luz láser difundida en un medidor de partícula Coulter LS™130: 10%<0.5µ de diámetro 50%<0.86µ 90%<2.59µ Las partículas fueron en la forma de placas planas.
Ejemplo 2 - Propanil Se fundieron doscientos quince gramos de herbicida de propanilo (punto de fusión 90°C) con 8.0 g (3.7% por peso, en base a propanilo) del surfactante Toximul™804 (Stepan Co . ) en un matraz de fondo redondo. La temperatura de la fusión se mantuvo a 102°C. La fusión se bombeo a través de la tubería rastreada por calor y se fundido con una corriente acuosa a -10°C inmediatamente antes de entrar en el homogenizador en línea (homogenizador IKA Ultra Turrax™ con una punta homogeni zadora fina) operando a 24,000 rpm. La corriente acuosa consistió de surfactante de 23.6% Soprophor™FKL (Rhodia, Inc.) y propilen glicol -al 9.5% en agua. La velocidad de flujo de la corriente de propanilo fue de 150 ml/min. Y la velocidad de flujo de la corriente acuosa fue de 450 ml/min. La suspensión resultante que salió del homogenizador fue 29% de sólidos y tuvo un promedio de tamaño de partícula de 2µ en base al análisis microscópico de las partículas cristalinas no esféricas .