VAPORIZACIÓN, EVAPORACIÓN Y EBULLICIÓN

La vaporización es el proceso mediante el cual una substancia pasa del estado líquido al de vapor (estado gaseoso). La vaporización puede producirse exclusivamente en la superficie libre del líquido o simultáneamente en toda su masa, surgiendo así los conceptos de evaporación y ebullición. La evaporización es un fenómeno de superficie, en tanto que la ebullición es un fenómeno de masa.

Las moléculas de una masa líquida que chocan contra una superficie libre de la misma, pueden escapar de la atracción de las moléculas vecinas, si el choque cuenta con la energía suficiente y es perpendicular a dicha superficie, abandonando su estado líquido para pasar al estado de vapor. Las moléculas más lentas, o sea, de menor energía calorífica, permanecen en el líquido disminuyendo el calor molecular promedio del mismo; este proceso se manifiesta por el descenso de la temperatura del líquido. La condensación es el fenómeno inverso a la vaporización, implica la liberación de energía calorífica en proporción a la masa que se condensa. En la condensación las moléculas de vapor regresan al estado líquido.

En todo sistema formado por una masa líquida y una gaseosa, contenidas en un recipiente cerrado y a temperatura constante, con el transcurrir del tiempo se alcanza un equilibrio dinámico entre la evaporación y la condensación del líquido. En dicho equilibrio, el número de moléculas que abandona la fase líquida evaporándose es igual al de aquellas que simultáneamente se incorporan a la misma condensándose. Ante cualquier aumento de la temperatura la evaporación prevalecerá sobre la condensación hasta establecerse un nuevo equilibrio dinámico. Los descensos en la temperatura, por su parte producirán los efectos opuestos. Las variaciones de presión a que puede someterse un sistema líquido-gas modifican sustancialmente el comportamiento de los procesos de evaporación y ebullición.

PUNTO DE EBULLICIÓN Y PRESIÓN DE VAPOR

A medida que la temperatura de los líquidos aumenta, la presión de sus vapores, en la fase gaseosa sobrenadante, se hace cada vez mayor. Alcanzada una temperatura determinada, toda la presión en esa zona, será ejercida por el vapor y respondiendo a un mínimo incremento térmico, bruscamente dará comienzo la ebullición. El punto de ebullición normal de un líquido es la temperatura para la cual la presión de su vapor equivale a una atmósfera, lo que no excluye que pueda ebullir a otras temperaturas si la presión ambiental es otra que la atmosférica.

El agua a nivel del mar ebulle a 100°C, temperatura en que su presión de vapor alcanza los 760 mm Hg. Las presiones atmosféricas menores encontradas en grandes alturas pueden ser alcanzadas por la saturación de vapor de agua a temperaturas más bajas que la de la ebullición normal; se dice entonces que el líquido hierve antes.

A medida que el tiempo transcurre, la evaporación continúa y cada vez un número mayor de moléculas del líquido pasan a la fase gaseosa, desplazando progresivamente una parte del aire, la que se ve obligada a salir del recipiente. La masa que se evapora en la unidad de tiempo es constante siempre que la pérdida de calor del líquido producida por el cambio de estado, sea compensada desde las paredes del recipiente o desde el ambiente que los rodea. En cambio la masa de vapor que se condensa desde los momentos iniciales es cada vez mayor, obedeciendo al aumento progresivo de su concentración; este aumento en la concentración es lo que se denomina presión de vapor.

Los modernos anestésicos generales inhalatorios empleados en la actualidad, son potentes líquidos volátiles, cuyas diferencias estructurales de sus moléculas hacen que ebullan a temperaturas distintas y saturen a sus respectivas fases sobrenadantes con diferentes presiones de vapor. Por debajo del punto de ebullición, la presión de vapor es menor que la total a la que se encuentra sometido el líquido y proporcional a la temperatura. Con ambas variables, presión y temperatura, se elaboran las curvas de presión de los líquidos anestésicos.

El cuadro 4 muestra algunas propiedades farmacológicas de los anestésicos halogenados que son importantes para su vaporización.

CARACTERÍSTICAS DE LOS VAPORIZADORES

Una forma precisa de administrar un líquido anestésico volátil es inyectarlo dentro del circuito de anestesia en volúmenes conocidos, teniendo en cuenta su rendimiento de vapor. Este método se utiliza frecuentemente en el campo de la investigación y en la enseñanza de la especialidad. Sin embargo, en la práctica moderna de la anestesia general inhalatoria se emplean vaporizadores especialmente diseñados para evaporar líquidos anestésicos de manera precisa y con un control predecible de su concentración. La existencia de más de una docena de diferentes diseños de vaporizadores sugiere que no se ha encontrado "el vaporizador anestésico ideal".

Las características clínicamente importantes de un vaporizador incluyen los siguientes aspectos:

1. Complejidad. El aumento de la precisión suele acompañarse de un incremento de la complejidad del diseño del vaporizador.

Tal como ocurre con el vaporizador de desflurano, cuyo aspecto exterior, aunque semejante a los vaporizadores convencionales, su funcionamiento interno es distinto y mucho más complejo (veáse adelante).

2. Resistencia del flujo. Los vaporizadores con esta característica, suelen tener resistencia más baja al flujo de gas. El principio más sencillo empleado para aumentar la vaporización de anestésicos volátiles consiste en proporcionar una superficie de contacto libre grande. Para obtener una interfase grande entre aire y líquido, como en los vaporizadores de burbujeo a través del líquido, se requiere la descomposición del gas transportado hacia partículas pequeñas y éstas deben forzarse a través de líquido o de un regulador de flujo (tipo mechas).

3. Estabilidad de la temperatura. La vaporización es un proceso endotérmico. A medida que se forma vapor se reduce la energía cinética y el calor del líquido restante. En consecuencia, una concentración de vapor elegida no debe alterarse por cambios de temperatura en el líquido o en el ambiente. Para garantizar una vaporización uniforme, los vaporizadores contemporáneos son construidos de materiales con una capacitancia y conductividad de calor elevada.

4. Estabilidad del flujo. Los vaporizadores modernos tipo TEC que actualmente se utilizan, permiten vaporizar los agentes anestésicos con una gran variedad de flujos sin alterar la concentración entregada al circuito de respiración. Los vaporizadores estándar de derivación variable, permiten concentraciones de los anestésicos halogenados seguras y precisas entre un rango de flujos de 1 litro por minuto y 15 litros por minuto.

5. Precisión. Los anestésicos volátiles son fármacos potentes, que deben ser administrados en forma precisa y controlable a través de un vaporizador específico para cada agente. La concentración deseada del anestésico se obtiene girando el botón de control de concentración o DIAL. Los ajustes de DIAL están calibrados en volúmenes por ciento (v/v%), con lo cual se evita la necesidad de efectuar cálculos complicados. El DIAL debe indicar las concentraciones absolutas de preferencia en divisiones fraccionales.

LOCALIZACIÓN DE LOS VAPORIZADORES

El vaporizador se puede colocar en la vía de paso de los gases respiratorios. Ubicado en esa posición, el aparato lleva el nombre genérico de vaporizador dentro del circuito; esta modalidad nos permite, a través del DIAL del vaporizador, conocer la concentración anestésica entregada por el mismo. Esto es debido a que la recirculación de los gases exhalados a través del vaporizador retroalimenta las concentraciones provocando incrementos insospechados de las mismas. En las máquinas de anestesia contemporáneas los vaporizadores están colocados fuera del circuito (vaporizador fuera del circuito), debido, principalmente, a que los modernos anestésicos volátiles presentan márgenes de seguridad relativamente estrechos entre las concentraciones útiles y las que producen efectos indeseables, lo que obliga a conocer sus concentraciones en forma precisa. De esta manera, los vaporizadores se localizan justo corriente abajo de los flujómetros.

Existen dos grupos fundamentales de vaporizadores: los vaporizadores con DIAL, y los de tipo Kettle o de alto rendimiento térmico. Los vaporizadores con DIAL obedecen al esquema general mostrado en la figura 1, en donde se muestra el principio de operación de un vaporizador de derivación variable. El flujo de gas fresco ingresa por la boca de entrada del vaporizador y se divide en dos porciones. La primera, que representa menos del 20% del flujo de gas fresco, pasa a través de la cámara de vaporización, donde es enriquecida o saturada con el vapor del líquido del agente anestésico. La segunda porción que representa el 80% o más del flujo de gas fresco, pasa directamente a través de la cámara de derivación. Finalmente, ambos flujos parciales del gas se reúnen en la salida del vaporizador para ser entregados al circuito de respiración. La proporción de los dos flujos parciales del gas fresco depende de la relación de las resistencias en las dos vías; ésto es, la resistencia en la cámara de derivación comparada con la resistencia en la cámara de vaporización. El control del DIAL que selecciona la concentración del anestésico puede estar localizada en la cámara de derivación o en la salida de la cámara de vaporización, como se muestra en la figura 1. Un cambio en la concentración seleccionada en el DIAL produce un cambio en la resistencia lo que altera la proporción del flujo del vapor anestésico.

Con el DIAL colocado en la posición de cerrado (off) el flujo de gas fresco pasa directamente a través de la cámara de derivación hacia la salida del vaporizador. Por el contrario, la apertura del DIAL como se menciona anteriormente, direccionaliza el flujo de gases frescos hacia la cámara de vaporización (20%) y hacia la cámara de derivación (80%). Se han diseñado y fabricado varios vaporizadores específicos para halotano, enflurano, isoflurano y sevoflurano que tienen el principio de operación de derivación variable (Fig. 1); además se les ha adicionado de correcciones compensatorias tales como: termocompensación, flujocompensación y compensación a los cambios de presión en el circuito de respiración (barocompensación).

Estas correcciones permiten el buen funcionamiento del vaporizador compensando los cambios de temperatura interna; de igual manera, compensa los flujos elevados de gases frescos que son requeridos en los sistemas abiertos, así como las altas concentraciones anestésicas que se emplean durante el periodo de inducción de la anestesia. La barocompensación permite evitar que las presiones fluctuantes durante la ventilación mecánica sean retransmitidas desde el circuito de respiración hasta el vaporizador. En la figura 2, se muestran tres vaporizadores diseñados para el uso de sevoflurano en Estados Unidos de Norteamérica y Canadá modelos: Penlon, Ohmeda Tec 5 y Drager 19.1. En la figura 3 se muestra el vaporizador Blease Datum para sevoflurano que se utiliza en México, Centroamérica y algunos países de América del Sur.

El grupo de vaporizadores tipo kettle para líquidos anestésicos es el denominado de alto rendimiento térmico, nomenclatura que define sus cualidades. Con estos vaporizadores las concentraciones anestésicas no se controlan mediante un DIAL; en su lugar se encuentra un flujómetro de gran precisión para caudales bajos y que es el paso obligado de los gases que ingresan en la cámara de vaporización. En el interior de la cámara de vaporización la presión de vapor corresponde permanentemente a la de saturación para la temperatura del líquido, la que se conoce a través del termómetro del vaporizador cuyo bulbo se encuentra sumergido en el líquido anestésico.

De la misma forma que en los vaporizadores con DIAL, las concentraciones anestésicas en las cámaras de vaporización de los vaporizadores tipo kettle, son mucho mayores que las de aplicación clínica, motivo por lo que se hace necesaria la dilución de las mismas previo a su entrega en el circuito de anestesia. El flujo de gases frescos de los vaporizadores con DIAL, se reemplaza en los de alto rendimiento térmico por el flujo que pasa a través de los rotámetros directos o generales de la máquina de anestesia. El cálculo de las concentraciones anestésicas con los vaporizadores de alto rendimiento térmico, está basado en el uso de tablas o reglas de cálculo diseñadas específicamente para tal fin. En ella se indica el valor del flujo de oxígeno que debe pasar por la cámara de vaporización para obtener la concentración deseada, tomando en consideración el líquido anestésico a evaporar y su temperatura, así también el flujo total a introducir dentro del circuito de anestesia.

EL NUEVO VAPORIZADOR DE DESFLURANO

El desflurano es un nuevo agente anestésico volátil que combina un bajo coeficiente de solubilidad sangre/gas (0.42 a 37°C) y una volatilidad elevada, debido a su alta presión de vapor de 669 mm Hg a 20°C y un bajo punto de ebullición de 23.5°C. Su potencia en términos de CAM es de aproximadamente 6.0%. Con estas características los vaporizadores contemporáneos de derivación variable, tales como el Ohmeda Tec 4 y 5 y el Drager norteamericano de vapor 19.1, son inadecuados para la vaporización controlada de desflurano, por dos factores principales:

1. La presión de vapor del desflurano es cercana a una atmósfera. La presión de vapor del enflurano, isoflurano, halotano y desflurano a 20°C es de 175, 238, 241 y 669 mm Hg, respectivamente. A 20°C, el desflurano resulta ser tres o cuatro veces más volátil que los otros tres anestésicos. Cualquier volumen de flujo a través de un vaporizador tradicional de derivación variable contendrá muchos volúmenes de desflurano. Por ejemplo, a una atmósfera de presión y a 20 °C, 100 ml de flujo que pasan a través de la cámara del vaporizador, entregan 862 ml de desflurano contra 30, 46 y 47 ml de enflurano, isoflurano y halotano, respectivamente. Estos datos se muestran en el cuadro 5.

Esta expansión de volumen produce un flujo de salida incontrolable de la cámara del vaporizador. Por arriba del punto de ebullición del desflurano (23.5 °C) a una atmósfera de presión, el desflurano hervirá suministrando vapor sólo limitado por el calor proporcionado.

Teóricamente, el llenado erróneo de los vaporizadores contemporáneos con desflurano puede causar sobredosis e hipoxemia. Para prevenir este riesgo potencial, Ohmeda ha introducido un sistema único de llenado del vaporizador, en donde la botella de desflurano se adapta al vaporizador herméticamente para su llenado, de tal forma que se previene su uso con los vaporizadores de derivación variable clásicos tipo Tec.

2. Los vaporizadores contemporáneos de derivación variable carecen de una fuente de calor externa. Mientras que el desflurano tiene un calor de vaporización aproximadamente igual al del isoflurano y enflurano, su potencia anestésica, comparada con estos agentes es de 5 a 3.5 veces más baja (CAM de 6.0%). Así, la cantidad absoluta de desflurano vaporizado es considerablemente mayor que con los otros agentes (ver más adelante). Proporcionar desflurano en altas concentraciones pudiera causar enfriamiento excesivo del vaporizador. En ausencia de una fuente de calor externa, la compensación de la temperatura utilizando dispositivos mecánicos tradicionales pudiera ser casi imposible sobre un amplio intervalo clínico de temperaturas, debido a la pendiente de la curva de presión de vapor del desflurano. Para lograr una vaporización controlada del desflurano, Ohmeda ha desarrollado una moderna tecnología con la introducción del vaporizador Tec 6, el cual se calienta eléctricamente y se controla mediante un termostato a 39 °C, una temperatura muy por arriba del punto de ebullición del desflurano (23.5°C).
La apariencia fisica y la operación del vaporizador Tec 6 son similares a los vaporizadores contemporáneos de derivación variable, pero el diseño interno y los principios de vaporización son radicalmente diferentes. La figura 4, muestra un esquema con los aspectos más importantes del vaporizador Tec 6 de desflurano. Un colector calentado a 39 °C sirve como resevorio de vapor del desflurano. A 39 °C, la presión de vapor dentro del reservorio colector es de aproximadamente 1400 mm Hg, o de 1.8 atmósferas. El flujo de gas fresco que entra al vaporizador se encuentra con una resistencia fija del flujo, R1. Esta resistencia genera una contrapresión, la que es transmitida a un transductor diferencial de presión (ver esquema de la figura 4). El control electrónico regula la apertura y el cierre de la válvula que regula la presión para garantizar que la presión de entrada del gas fresco proporcionada por R1, iguale la prsión del desflurano proporcionada por la válvula de control de concentración, o R2 (otra resistencia).

A diferentes velocidades de flujo de gas fresco, la presión intepretada por el transductor diferencial de presión varía. Sin embargo, a una selección específica del DIAL (marca), la capacidad de entrega del vaporizador es constante, porque la relación entre las resistencias R1 y R2 son constantes. En resumen, la cantidad de desflurano proporcionada por el colector a 39 °C, depende de la concentración de la muestra de control circundante y del flujo de gas fresco que entra al vaporizador. Así, el flujo de gas fresco se mezcla con el vapor de desflurano en la proporción correcta coherente con la muestra circundante en el DIAL.

CONSUMO DE ANESTÉSICOS Y VELOCIDAD DE FLUJO DE GAS FRESCO

El consumo de un líquido anestésico volátil está determinado por los siguientes factores: potencia del agente anestésico (CAM), solubilidad del anestésico en sangre y los tejidos y velocidad del flujo de gas fresco.

Los nuevos agentes anestésicos, desflurano y sevoflurano, son menos potentes que sus análogos clorinados, isoflurano y enflurano (ver cuadro 4). Esta diferencia en la CAM tiene una influencia directa sobre el consumo y el costo del anestésico, porque la baja potencia implica un mayor consumo del agente. Así, el desflurano, con una CAM de 6.0%, tendrá un consumo significativamente mayor que el isoflurano que tiene una CAM de 1.15%. Sin embargo, la potencia no es el único factor; también la solubilidad del agente en la sangre y tejidos representa otro factor adicional importante en el consumo y en el costo del anestésico. La solubilidad en la sangre del desflurano y sevoflurano es tres veces más baja que la del isoflurano y como consecuencia la captación y eliminación de estos nuevos agentes es comparativamente más rápida que con el isoflurano, dando por resultado tiempos de inducción y recuperación de la anestesia significativamente más cortos, con lo cual se obtiene un ahorro sustancial en el consumo del anestésico durante la inducción y recuperación.

La velocidad de flujo de gases frescos es otro factor a considerar en el consumo y costo de la anestesia. El cuadro 6, muestra el consumo del desflurano, isoflurano y sevoflurano en una hora, empleando diferentes velocidades de flujo. Se observa claramente un consumo más bajo de los tres anestésicos empleando velocidades de flujo entre 1 y 2 litros por minuto que con flujos medios de 4 L.

Una de las formas más simples para reducir el consumo y los costos en anestesia es el empleo de bajas velocidades de flujo. Diversos estudios han demostrado una reducción de hasta un 50% en el consumo de isoflurano y enflurano utilizando un flujo de 4 L/minuto contra un flujo regular de 6 a 8 L/minuto.

Empleando equipo moderno y analizadores de agentes anestésicos, se pueden reducir de manera fácil y segura los flujos totales de gas frasco a 1 L/minuto. A continuación damos un ejemplo de esta técnica: inicie la inducción de la anestesia con 5 L/minuto durante cinco minutos, posteriormente ajuste a 2.5 L/minuto durante cinco minutos adicionales. Baje después a 1L/minuto de gas frasco. Ajústese el porcentaje del agente en el vaporizador a dos o tres veces la concentración al final de la espiración deseada durante los primeros diez minutos y manténgase el porcentaje del agente en el vaporizador entre 1.5 y 2 veces la concentración final espiratoria durante el resto del caso. Utilice la concentración final espiratoria del anestésico para monitorear el porcentaje real del agente en los alvéolos. Manténgase esta concentración a 0.7-1.0 CAM si se emplea óxido nitroso y a 1.3 CAM si se usa sólo oxígeno, o una mezcla de oxígeno/aire. Al terminar la cirugía cierre el vaporizador y regrésese al índice de flujo entre 2.5 y 5 L/minuto, cuando ya esté listo para despertar al paciente.

Los ahorros con la técnica descrita pueden alcanzar hasta un 75% para óxido nitroso y oxígeno y un 50 a 75 por ciento para los agentes anestésicos halogenados.

CUIDADOS DEL VAPORIZADOR

Los vaporizadores modernos requieren de un mínimo de cuidados para asegurar su buen funcionamiento. El vaporizador debe ser limpiado y calibrado por lo menos una vez al año, para mantener la precisión de los ajustes. La falta de mantenimiento puede causar la obstrucción interna de sus partes (mechas), o el desgaste de piezas importantes para su adecuada función. Preferentemente el vaporizador debe estar colocado en forma fija a la máquina de anestesia y en posición horizontal, fuera del circuito de respiración. El vaporizador no debe estar sobre la mesa de la máquina de anestesia, ya que se puede lateralizar o caerse, con lo cual existe el riesgo de administrar una concentración muy elevada o incluso líquido anestésico al paciente. Puede introducirse un agente anestésico erróneo en el vaporizador específico para un agente y originar la emisión de una concentración desconocida y posiblemente peligrosa para el paciente. La posibilidad de causar este error se minimiza mediante la incorporación de un sistema de dispositivo específico para cada agente, que permite el llenado adecuado del vaporizador.

Puede producirse también contaminación del vaporizador cuando dos o más vaporizadores están colocados en serie y se abren más de uno en forma accidental simultáneamente. En este caso, se depositará agente anestésico desde el primer vaporizador al último, produciéndose una mezcla desconocida y potencialmente peligrosa. Las modernas máquinas de anestesia están equipadas con un seguro de bloqueo que impide la apertura de más de un vaporizador; de esta manera se evita el risgo que implican los vaporizadores en serie.

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