Una guía completa sobre los vaporizadores – Parte 2

Esta es la segunda parte del artículo que describe cómo funcionan los vaporizadores, el aerosol que generan, sus propiedades, su régimen óptimo de operación, las condiciones de sobrecalentamiento y las caladas en seco, así como comparaciones con el humo del tabaco y otros aerosoles. La primera parte se puede encontrar en este enlace.

Comprender cómo se forman, operan y pueden ser analizados los aerosoles del vapeo proporciona el conocimiento necesario para entender su uso placentero, su perfil de toxicidad y su seguridad relativa en comparación con el humo del tabaco, otros aerosoles y contaminantes.

Este conocimiento (que intento presentar de manera accesible) refuerza nuestra confianza en el papel de los vaporizadores en la reducción de daños y nos ayuda a contrarrestar la desinformación ignorante y malintencionada.

En la parte 1, describí las emisiones de los vaporizadores como análogas al aerosol que emerge al hervir agua en una tetera. Se trata de aerosoles basados en líquidos, cuya formación implica dos cambios de fase: evaporación y condensación.

Los aerosoles del vapeo también incluyen reacciones de «degradación térmica» de baja energía debido al calentamiento del e-líquido, lo que genera subproductos que se encuentran en cantidades mínimas bajo condiciones de operación “normales”.

Ahora explico en detalle cómo estas condiciones de operación “normales” surgen de los procesos físicos térmicos que ocurren durante el vapeo, basados en el equilibrio entre la energía liberada y absorbida.

Estas condiciones definen un “régimen óptimo” que puede ser analizado y probado en el laboratorio.

Procesos físicos en el vapeo

Cuando el aerosol se genera mediante una ebullición normal bajo parámetros físicos óptimos (potencia, flujo de aire, resistencia, temperatura), el vapeo resulta placentero para sus usuarios. 

En estas condiciones, aproximadamente el 99% de la masa del aerosol, tanto en la fase gaseosa como en las gotas líquidas, está compuesta por los disolventes propilenglicol (PG), glicerina vegetal (VG), nicotina y vapor de agua, con subproductos (provenientes de los disolventes y los compuestos aromatizantes) presentes en cantidades mínimas.

Los usuarios determinan, a menudo mediante prueba y error, si el vapeo es placentero a través de su percepción sensorial, lo que les permite identificar cuándo es «normal» u «óptimo». Sin embargo, ¿existe una base científica para definir un régimen óptimo en el vapeo? La respuesta es sí. Sigue leyendo.

El uso de un dispositivo de vapeo puede entenderse desde la física térmica (intercambio de calor) como un balance cíclico de intercambio energético por calada, que consiste en los siguientes procesos que ocurren en cada calada cerca del equilibrio térmico. Estos procesos son:

1. El e-líquido fluye hacia la mecha de algodón.

2. La batería suministra energía (calor), que se libera en los alambres de la resistencia.

3. Parte de esta energía se utiliza para calentar el e-líquido por conducción, llevándolo hasta su temperatura de ebullición. Otra parte se emplea en la vaporización del líquido (calor latente de vaporización).

4. Casi simultáneamente, el usuario inhala, generando convección forzada sobre el vapor del e-líquido. Esto absorbe energía, lo enfría y provoca su condensación, formando el aerosol.

5. No toda la energía (calor) se utiliza completamente. Estos procesos dejan una energía residual en el atomizador, que calienta la resistencia, el líquido, la mezcla de aire y vapor, así como las paredes del dispositivo.

6. La energía residual aumenta la tasa de capilaridad del e-líquido en la mecha.

Estos procesos pueden ilustrarse gráficamente (siguiendo los números mencionados anteriormente en las figuras 1 y 2 a continuación):

Dado que estos procesos no ocurren en equilibrio térmico y no son 100% eficientes, disipan energía en forma de calor residual en cada ciclo de calada. Sin embargo, bajo condiciones óptimas, este calor residual no representa un problema significativo.

Parámetros del vapeo para pruebas de laboratorio

Los vapeadores no necesitan conocimientos de física o química para evaluar intuitivamente (guiados por sus percepciones sensoriales) el equilibrio energético del proceso. A menudo, esto se logra mediante prueba y error. Cada usuario ajusta distintos parámetros según su preferencia: intensidad de inhalación, potencia suministrada, resistencia de la bobina y niveles de nicotina.

La inhalación puede entenderse como una tasa de flujo de aire (mililitros por segundo). Los dispositivos están diseñados con boquillas más estrechas o anchas para facilitar o dificultar la inhalación.

El diámetro de la boquilla controla la resistencia del aire (es decir, la facilidad de succión, similar a beber con una pajilla). Existe una relación física comprobada en laboratorio entre la resistencia al aire de la boquilla y el flujo de aire que la atraviesa, lo que determina claramente la intensidad de la inhalación en los dispositivos de vapeo.

Esto se ilustra en el siguiente gráfico de resistencia del aire vs. flujo de aire.

Como se muestra en la Figura 2, una baja resistencia al aire y boquillas anchas, que permiten un alto flujo de aire (alrededor de 10 L/min), facilitan el uso de dispositivos de alta potencia (> 40 W).

En contraste, una alta resistencia al aire y boquillas estrechas, que generan un bajo flujo de aire (1-2 L/min), favorecen el uso de dispositivos de baja potencia y pods (< 20 W).

La relación entre resistencia del aire y flujo de aire es completamente consistente con los dos principales estilos de vapeo:

• “Mouth-to-lung” (MTL) → Baja potencia, baja tasa de flujo de aire.
• “Direct-to-lung” (DTL) → Alta potencia, alta tasa de flujo de aire.

Por supuesto, esta relación no es absoluta para todos los vapeadores, pero describe claramente la “zona de confort” en la que se encuentra la mayoría de los usuarios. Evidentemente, existe un rango intermedio entre dispositivos de alta y baja potencia, así como entre alta y baja resistencia al aire y flujo de aire (que también pueden ajustarse mediante ranuras de ventilación).

Las baterías de litio utilizadas en todos los vaporizadores tienen un voltaje similar (V). Según la ley de Ohm:

Por lo tanto, para un voltaje constante (V), se cumple que:

• Alta resistencia de la bobina (R > 1 Ohm) → Baja potencia (< 20 W)
• Baja resistencia de la bobina (R < 1 Ohm) → Alta potencia (> 40 W)

Esto se ilustra en el siguiente gráfico en la Figura 3:

Fuente: Misma referencia que la Figura 4. Este gráfico ilustra la correlación entre la resistencia de la bobina y la potencia aplicada, mostrando cómo mayores resistencias se asocian con baja potencia (< 20 W) y menores resistencias con alta potencia (> 40 W).

Una relación inversa similar se observa entre la concentración de nicotina y la potencia suministrada, que es proporcional al volumen de cada calada.

Por lo tanto, para inhalar una masa de nicotina aproximadamente constante, se cumple que:

• Baja potencia (pequeño volumen de calada) → Alta concentración de nicotina
• Alta potencia (gran volumen de calada) → Baja concentración de nicotina

Los vapeadores intuitivamente ajustan estos parámetros, como se muestra en la Figura 4 a continuación.

La elección de sabores y la proporción PG/VG también son factores importantes que influyen en el equilibrio energético y en la preferencia por un determinado tipo de dispositivo.

Las Figuras 2-4 ilustran cómo los parámetros del vapeo, comprendidos intuitivamente por los usuarios, siguen las leyes de conservación que rigen la relación entre inhalación, boquillas, resistencias, potencia suministrada y niveles de nicotina. Dado el número de parámetros involucrados y la gran variabilidad individual, surge la pregunta: ¿es posible establecer un estándar de prueba en laboratorio?

Es evidente que el uso del consumidor no puede reproducirse completamente en el laboratorio, ya que las pruebas científicas requieren una estandarización de los procedimientos experimentales. Idealmente, estos deberían basarse en los patrones de consumo demográficamente dominantes. Los experimentos deben seleccionar una serie de valores discretos representativos de los parámetros de vapeo.

Para la estandarización, es necesario realizar bloques de caladas regimentadas, donde la duración y el volumen de cada calada sean constantes, mientras se varían distintos parámetros para evaluar el equilibrio entre los procesos físicos (Figura 1) y las relaciones entre parámetros mostradas en las Figuras 2-4.

Otra dificultad en las pruebas de laboratorio es el uso de «máquinas de vapeo» para simular la inhalación, ya que los instrumentos de medición no pueden colocarse dentro de la boca de los vapeadores. Estas máquinas deben bombear el aerosol desde los dispositivos, lo que introduce limitaciones en la simulación del uso real.

Evidentemente, ningún protocolo de caladas en laboratorio puede replicar exactamente el uso de los consumidores, ya que este no es regimentado ni estandarizado. Sin embargo, es posible desarrollar protocolos estandarizados que, al menos de manera mínima, sean coherentes con el diseño y uso de diferentes dispositivos y los diversos parámetros de vapeo (como hemos discutido y se muestra en las Figuras 2-4).

Lamentablemente, una gran parte de los estudios de laboratorio que generan aerosoles de vapeo (para analizar emisiones o realizar exposiciones in vivo e in vitro) no siguen un estándar de caladas, lo que dificulta la comparación de los resultados experimentales.

Actualmente, todos los estudios que siguen un estándar se basan en el protocolo de CORESTA (Cooperation Centre for Scientific Research Relative to Tobacco, Método 81), que es una adaptación del protocolo utilizado por la industria del tabaco para probar cigarrillos aplicado a los primeros dispositivos de vapeo.

Este protocolo es moderadamente adecuado para evaluar dispositivos de baja potencia y pods, pero existe una necesidad urgente de actualizarlo para abarcar la amplia variedad de dispositivos disponibles en un mercado en constante expansión.

Pruebas del régimen óptimo de vapeo en laboratorio

Bajo condiciones cercanas al equilibrio térmico, se espera que la masa del aerosol inhalado aumente proporcionalmente con cada incremento de potencia. La tasa de proporcionalidad puede estar relacionada con la eficiencia termodinámica de la generación del aerosol y debe evaluarse para cada combinación de dispositivo, resistencia, mezcla de e-líquido, niveles de nicotina y compuestos aromatizantes.

La masa del aerosol inhalado es difícil de medir directamente, pero un indicador muy preciso es la masa de e-líquido vaporizado (MEV), que puede medirse con gran precisión mediante pesaje antes y después de cada calada.

El flujo de aire (litros por minuto o mililitros por segundo) puede calcularse dividiendo el volumen de la calada por el tiempo de duración de la calada.

El régimen óptimo de vapeo puede verificarse experimentalmente al analizar cómo, en bloques de caladas regimentadas, el aumento de la potencia suministrada (W) incrementa la masa de e-líquido vaporizado (MEV).

El gráfico de W vs MEV se denomina “curva funcional” y su forma depende de factores como el flujo de aire, la proporción PG/VG y los niveles de nicotina. A partir de este análisis, se pueden identificar tres regímenes térmicos:

1. Régimen óptimo:
   • El gráfico W vs MEV es una línea recta.
   • Cada aumento de potencia se traduce en un incremento proporcional de la masa MEV.
2. Subcalentamiento (under-heating):
   • La potencia suministrada es inferior al régimen óptimo y no es suficiente para vaporizar el e-líquido.
   • El gráfico W vs MEV es cero o cercano a cero.
3. Sobrecalentamiento (over-heating):
   • El exceso de energía suministrada se acumula como calor residual, en lugar de vaporizar más e-líquido.
   • Cada aumento de potencia incrementa el calor residual y reduce la tasa de generación de MEV

La curva funcional mostrada en la Figura 6 corresponde a un dispositivo Cubis con una resistencia de 1 Ohm, una mezcla 50/50 de PG/VG y 12 mg/mL de nicotina.

• Régimen óptimo: Se observa una relación lineal entre W (potencia) y MEV (masa de e-líquido vaporizado) en el rango de 7-27 W, con un flujo de aire de 1.1 L/min.
• Régimen de sobrecalentamiento: Por encima de 27 W, la relación W vs MEV se vuelve no lineal. El MEV aumenta lentamente con el incremento de la potencia debido a la acumulación de calor residual.
• Régimen de subcalentamiento: En este caso, la potencia suministrada es insuficiente para vaporizar el e-líquido y generar aerosol.

Las curvas funcionales están fuertemente influenciadas por la tasa de flujo de aire.

• Flujos de aire más altos amplían el rango de potencia del régimen óptimo.
• Flujos de aire más bajos lo reducen y lo hacen más restringido.

En la Figura 6, se muestra el mismo dispositivo Cubis, con una resistencia de 1 Ohm, una mezcla 50/50 de PG/VG y 12 mg/mL de nicotina, pero sometido a dos tasas de flujo de aire diferentes:

1. 1.1 L/min (como en la figura anterior)
2. 10 L/min

Se puede observar que, con mayor flujo de aire, el rango de potencia del régimen óptimo se amplía de 9 W a 40 W, en comparación con el caso de menor flujo de aire.

El régimen óptimo en las Figuras 5 y 6

El régimen óptimo en las Figuras 5 y 6 muestra el rango de potencia suministrada para un flujo de aire dado, en el cual el balance entre la convección forzada de la inhalación y el calor suministrado para la ebullición y vaporización es más eficiente.

• La pendiente de la curva funcional es proporcional a la eficiencia termodinámica (tasa de intercambio de energía en la Figura 1).
• El régimen óptimo representa el rango de potencia de máxima eficiencia para un flujo de aire determinado.
• Este rango coincide aproximadamente con las recomendaciones de los fabricantes, aunque estos no explican cómo determinan estos valores.

Configuración del flujo de aire en dispositivos de vapeo

Muchos dispositivos actuales permiten a los usuarios ajustar la potencia, la resistencia de la bobina, los niveles de nicotina y la proporción PG/VG. Sin embargo, ¿cómo puede el usuario configurar el flujo de aire adecuado?

• Los usuarios lo ajustan empíricamente, a través de prueba y error, controlando la profundidad e intensidad de la inhalación y abriendo o cerrando las ranuras de ventilación.
• El flujo de aire de 1.1 L/min recomendado por el protocolo CORESTA Método 81 (como se muestra en la Figura 2) es coherente con el vapeo de dispositivos de baja potencia (< 20 W) en estilo “mouth-to-lung” (MTL).
• Dispositivos de alta potencia requieren flujos de aire mucho mayores, de hasta 10 L/min.

Restricciones del protocolo CORESTA para dispositivos de alta potencia

Las curvas funcionales (Figuras 5 y 6) no prohíben vapear óptimamente un dispositivo sub-ohm de alta potencia (> 40 W) con el flujo de aire del protocolo CORESTA. Sin embargo, restringen el vapeo óptimo a rangos de potencia mucho más bajos y estrechos.

Como muestra la Figura 2, los dispositivos de alta potencia tienen boquillas anchas y muy baja resistencia al aire, lo que dificulta vapearlos sin una inhalación significativamente grande.

Consecuencia:

Un vapeador inexperto que intente vapear un dispositivo de alta potencia con un flujo de aire bajo (como lo haría con un pod de baja potencia) probablemente recibirá una ráfaga de aerosol caliente.

¿Es la temperatura la variable clave en el vapeo?

A menudo, se considera que la temperatura es la variable más importante en el vapeo. Sin embargo, el vapeo involucra múltiples temperaturas:

• Temperatura de la bobina
• Temperatura del líquido
• Temperatura del vapor
• Temperatura de las paredes del atomizador
• Temperatura de la boquilla

Sin embargo, solo la temperatura de la bobina es relevante, ya que, en una ebullición normal, coincide con la temperatura de ebullición del vapor y del e-líquido alrededor de la mecha (estado cercano al equilibrio térmico).

• La temperatura de ebullición depende de la composición del e-líquido, NO de la potencia suministrada ni de la resistencia de la bobina.
• Un aumento de potencia solo acelera el tiempo necesario para alcanzar la temperatura de ebullición.

¿Funciona el control de temperatura en los dispositivos de vapeo?

Las temperaturas pueden calcularse teóricamente o medirse en laboratorio, pero controlar la temperatura real de la bobina es extremadamente difícil, incluso en dispositivos con “modo de control de temperatura”.

• Los dispositivos sub-ohm con tanques de control de temperatura usan bobinas de aleaciones (por ejemplo, nicromo), cuya resistencia varía con la temperatura.
• Un controlador electrónico ajusta la potencia y el voltaje para mantener la temperatura seleccionada por el usuario, basándose en la ley de Ohm.
• Sin embargo, la temperatura de ebullición del e-líquido NO tiene por qué coincidir con la temperatura de la bobina que el usuario selecciona.

Consecuencia:

El modo de control de temperatura requiere mucho ensayo y error para encontrar el ajuste correcto.
Las lecturas de temperatura en la pantalla del dispositivo pueden ser imprecisas, especialmente si el dispositivo se usa con un flujo de aire inapropiadamente bajo.

¿Qué sigue?

Ahora debemos entender qué ocurre cuando un dispositivo de vapeo opera bajo condiciones anormales de sobrecalentamiento, es decir, a niveles de potencia superiores al régimen óptimo.

• En este régimen, la temperatura de la bobina supera la temperatura normal de ebullición del e-líquido.
• A medida que la potencia aumenta, el proceso de ebullición cambia, involucrando:
  1. Ebullición nucleada;
  2. Ebullición en película;
  3. Finalmente, el “dry puff” (calada seca), donde prácticamente no queda e-líquido en la mecha, generando una experiencia desagradable para el usuario.

¿Por qué es importante analizar esto?

Voy a examinar cómo varios estudios han generado (y siguen generando) altos niveles de subproductos al probar dispositivos en condiciones que producen aerosoles repulsivos para los usuarios, pero que las máquinas de vapeo continúan operando.

Próximo análisis:

• ¿Cómo estos estudios han inducido resultados poco representativos del uso real?
• ¿Qué tipos de subproductos se generan en condiciones extremas de sobrecalentamiento?
• ¿Cómo evitar estas condiciones en pruebas de laboratorio para obtener datos más realistas?

Nos adentraremos en el mundo de las caladas secas y la producción de subproductos en condiciones de uso anormal. ¡Sigue leyendo!

Este artículo fue traducido y adaptado al español por el equipo de Vaping Today. Publicación original: A full guide to vapes: Post 2. Si encuentra algún error, inconsistencia o tiene información que pueda complementar el texto, comuníquese utilizando el formulario de contacto o por correo electrónico a redaccion@thevapingtoday.com.

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