Esta es la cuarta publicación de una serie dedicada a los aerosoles del vapeo, sus propiedades, su régimen óptimo de funcionamiento y las comparaciones con el humo del tabaco y otros aerosoles. Comprender cómo se forman, cómo funcionan y cómo pueden evaluarse los aerosoles del vapeo proporciona el conocimiento necesario para entender su uso placentero, su perfil tóxico y su seguridad relativa en comparación con el humo del tabaco, otros aerosoles y contaminantes.
Sin necesidad de ser “expertos”, este conocimiento (que intento presentar de forma accesible) refuerza nuestra confianza en el papel del vapeo en la reducción de daños y nos permite contrarrestar la desinformación ignorante y malintencionada.
Publicaciones anteriores:
Describí en la Parte 3 los procesos térmicos que tienen lugar bajo las condiciones del régimen de sobrecalentamiento, cuyo punto final es la “calada seca”.
En esta publicación explico cómo se establecen los parámetros para probar dispositivos de vapeo en laboratorio y por qué el estándar actual necesita actualizarse para que estas pruebas generen información técnica valiosa que permita establecer estándares de control de calidad y evaluar su perfil de seguridad.
Fundamentos de las pruebas en laboratorio
Como no se pueden colocar instrumentos dentro de bocas y gargantas humanas, los aerosoles de vapeo que se analizan en laboratorio deben generarse mediante “máquinas de vapeo” que simulan la inhalación humana mediante un mecanismo de bombeo. Estas máquinas evolucionaron a partir de las utilizadas tradicionalmente por la industria tabacalera para probar cigarrillos. Pueden programarse para activar cualquier dispositivo de vapeo y operarlo con distintos tiempos de calada, intervalos entre caladas, potencias suministradas y velocidades de flujo de aire.
Las pruebas en laboratorio son de gran utilidad para fabricantes, tiendas de vapeo, profesionales de la salud, organismos reguladores y consumidores, ya que proporcionan información técnica clave que permite establecer estándares de calidad. Dada la enorme variabilidad de dispositivos, resistencias, mezclas de e-líquidos, niveles de nicotina y compuestos aromáticos, los resultados de estas pruebas también sirven para comparar entre distintos productos y componentes. El análisis químico del aerosol generado permite evaluar sus perfiles de seguridad, lo cual es esencial para la regulación tanto de los dispositivos como de los líquidos.
¿Por qué estandarizar?
Para que existan estándares de calidad y comparaciones entre productos, las pruebas en laboratorio deben ser estandarizadas con bloques de caladas reguladas con los mismos parámetros y con un número suficiente de caladas por bloque como para validar estadísticamente los resultados.
Evidentemente, una calada regulada en laboratorio no reproduce los patrones de uso de los usuarios reales, pero si la “topografía” (es decir, los parámetros de calada) es adecuada, los protocolos de laboratorio pueden actuar como representaciones razonables del uso real y así servir para evaluar riesgos y daños potenciales causados por los disolventes (PG y VG), la nicotina, los subproductos tóxicos y los compuestos aromáticos.
Es justamente aquí donde las condiciones del régimen óptimo cobran una relevancia crucial.
Primeras investigaciones y la “alarma del formaldehído”
Los primeros estudios sobre aerosoles de vapeo (anteriores a 2014) se centraron en dispositivos de primera generación, conocidos como cigalikes, pequeños dispositivos cerrados y de baja potencia con forma de cigarrillo metálico. Estos dispositivos presentaban múltiples fallos de diseño: las soldaduras, cables y componentes plásticos estaban en contacto directo con el e-líquido, la entrega de nicotina era deficiente y los aromas resultaban poco agradables (probablemente debido a filtraciones de componentes internos en el líquido).
Incluso considerando estas limitaciones, los resultados experimentales de aquellos estudios revelaban concentraciones de subproductos aldehídicos muy por debajo de los niveles encontrados en el humo del tabaco. Aunque algunos de estos trabajos aún son citados, sus conclusiones solo son válidas para dispositivos hoy completamente obsoletos, por lo que ya no tienen relevancia.
Entre 2014 y 2016, surgieron los dispositivos de segunda generación. Se trataba de aparatos recargables y abiertos, con un diseño similar al de una pluma estilográfica. Se mejoró significativamente el humedecimiento de la mecha y algunos modelos permitían a los usuarios ajustar el voltaje y usar ranuras de ventilación para modificar el flujo de aire.
Entre 2014 y 2016, varios estudios sobre emisiones reportaron niveles alarmantemente altos de los tres principales subproductos aldehídicos (ver Parte 2 y Parte 3).
En particular, surgió un episodio conocido como el “escándalo del formaldehído” tras la publicación de un estudio realizado por químicos de la Universidad de Portland, quienes informaron la detección de precursores de formaldehído —a los que los autores se refirieron como “formaldehído oculto”— en niveles extremadamente altos, muy por encima de los presentes en el humo del tabaco.
Algunos de los estudios que reportaron altos niveles de aldehídos utilizaron los llamados dispositivos de “resistencia superior” (top coil), en los que la mecha y la resistencia están ubicadas en la parte superior del atomizador.
Como se muestra en la Figura 1 más abajo, este diseño dificulta que el e-líquido humedezca adecuadamente la mecha —ya que debe ascender en contra de la gravedad—, lo que aumenta considerablemente la probabilidad de que la resistencia caliente una mecha semiseca.
Además, el conducto por el que se evacua el vapor (por convección forzada) es demasiado corto para permitir un enfriamiento y condensación efectivos. Este diseño era altamente propenso al sobrecalentamiento y a la generación de subproductos en exceso, razón por la cual fue finalmente abandonado.
Figura 1: Diseño con resistencia superior (top coil)
Los primeros dispositivos de vapeo de primera generación funcionaban en rangos de potencia muy estrechos y no permitían al usuario controlar dichos rangos. No obstante, los usuarios humanos percibían una progresiva degradación del sabor cuando los niveles de e-líquido comenzaban a disminuir, seguida por un sabor completamente quemado al agotarse el líquido, identificando este fenómeno como una “calada seca”, tras lo cual interrumpían inmediatamente el uso. Evidentemente, las máquinas de vapeo continuaban generando caladas bajo esas condiciones.
El estudio de la Universidad de Portland y otros similares fueron replicados por Konstantinos Farsalinos y colaboradores, quienes demostraron que esos niveles elevados de aldehídos solo se producían en aerosoles generados por máquinas y que estos aerosoles resultaban repulsivos para los usuarios, correspondiendo a una “calada seca” como producto final del régimen de sobrecalentamiento que describí en la Parte 3.
En los dispositivos probados entre 2014 y 2016, la calada seca era vista como un evento súbito e instantáneo, asociado al agotamiento del e-líquido, cuando en realidad no es más que el punto final de un régimen térmico progresivo —el régimen de sobrecalentamiento—.
Aunque en los dispositivos de baja potencia este régimen ocurre de manera muy rápida, puede estudiarse utilizando las curvas funcionales descritas en la Parte 3. La confusión se debe a que los usuarios de estos dispositivos no tenían control sobre la potencia suministrada, por lo que el agotamiento del líquido ocurría muy poco después de detectar el sabor desagradable inicial.
En 2018, Farsalinos y Guilman publicaron una revisión clave de 32 estudios de emisiones publicados entre 2013 y 2017 centrados en la detección de compuestos carbonílicos (químicos orgánicos con dobles enlaces carbono-oxígeno, que incluyen los aldehídos) en aerosoles de vapeo.
Esta revisión reveló una literatura marcada por una gran diversidad errática de estándares experimentales —en cuanto a protocolos de calada y técnicas analíticas—, mientras que la mayoría de los autores revisados no eran conscientes de que sus máquinas de vapeo podían estar generando aerosoles no realistas bajo condiciones de calada seca.
Desafortunadamente, este problema —junto con la ausencia de un estándar universal de pruebas— persiste hasta el día de hoy.
Además de los carbonilos, la presencia de subproductos derivados de los compuestos aromáticos y elementos metálicos en el aerosol también puede ser motivo de preocupación. Trataremos estos subproductos en publicaciones futuras.
El estándar CORESTA
El único estándar universalmente reconocido para la evaluación en laboratorio de aerosoles y líquidos de vapeo fue introducido por el Cooperation Centre for Scientific Research Relative to Tobacco (CORESTA), una asociación cuyos miembros incluyen empresas, institutos, laboratorios y organizaciones que desarrollan actividades de investigación y desarrollo en torno al tabaco y sus productos derivados (incluidos los productos de “e-vapor”).
El objetivo de CORESTA es promover y facilitar la cooperación internacional y las buenas prácticas en investigación científica.
Dentro de su estrategia, CORESTA ha creado actividades específicas (workstreams), organizadas por grupos de trabajo colaborativos que generan informes técnicos, bases de datos, guías, artículos revisados por pares y métodos recomendados CORESTA (CRMs). El subgrupo EVAP (de e-vapor), fundado en 2016, se ocupa de los dispositivos de vapeo, sus aerosoles y líquidos, y ha producido 5 guías, 5 CRMs y 13 informes técnicos de referencia.
Entre sus documentos técnicos, que abordan una variedad de temas (incluido el análisis químico), el CRM Nº 81 es el más relevante para guiar la generación de aerosoles mediante máquinas de vapeo, en conjunto con la norma ISO 20768, cuyo objetivo es definir una “máquina analítica rutinaria para la generación y recolección de aerosoles de cigarrillos electrónicos – definiciones y condiciones estándar”.
El CRM Nº 81 fue concebido como una adaptación para los primeros dispositivos de vapeo del estándar CRM Nº 22 (ISO 3300), originalmente diseñado para pruebas de laboratorio de humo de tabaco mediante máquinas de fumar.
Dado que la mayoría de los usuarios de vapeo en ese momento eran fumadores actuales o recientes exfumadores, resultaba comprensible recomendar parámetros de calada similares a los del consumo de cigarrillos:
- Duración de calada: 3 segundos
- Intervalo entre caladas: 30 segundos
- Volumen de calada: 55 mL
- Flujo de aire: 1,1 L/min
Estos parámetros son consistentes con el estilo de vapeo “boca a pulmón” (mouth-to-lung), con retención del aerosol en la cavidad orofaríngea antes de la inhalación pulmonar, similar al ritual de calada propio de muchos fumadores.
Evolución del mercado del vapeo
Las pruebas de laboratorio sobre dispositivos de vapeo son útiles en la medida en que reflejan las tendencias y hábitos reales de los consumidores. Sin embargo, los estándares de prueba —incluido el de CORESTA— no han acompañado el ritmo de evolución del mercado.
A partir de 2015, emergió una mayor diversidad de dispositivos. Aunque los fumadores seguían pasándose al vapeo y necesitaban referencias similares al cigarrillo tradicional, millones de vapeadores ya habían abandonado el tabaco y no requerían dispositivos que imitaran sus características.
Estos usuarios no solo acogieron una mayor variedad de líquidos y niveles de nicotina, sino también diseños de dispositivos más flexibles o incluso modulares, que implicaban nuevos hábitos de calada y modificaciones físicas en baterías, resistencias, potencia suministrada y flujo de aire.
La exhalación de nubes más densas y voluminosas requiere generar más vapor de e-líquido, lo cual implica una mayor potencia suministrada a la resistencia. Ese exceso de vapor exige al usuario una inhalación mucho más profunda (flujo de aire aplicado) para evacuar, enfriar y condensar de forma eficiente esa mayor cantidad de aerosol. Todo ello demandó dispositivos cuyo diseño modificara los parámetros físicos esenciales.
Como se mostró en las Figuras 2, 3 y 4 de la Parte 2, un vapeo placentero y eficiente desde el punto de vista termodinámico requiere combinar alta potencia (superior a 40 W) con resistencia baja (inferior a 1 Ohm), baja concentración de nicotina y boquillas anchas que reduzcan la resistencia al aire para permitir una inhalación profunda “directa al pulmón” (direct to lung), que omite la retención en garganta típica del estilo “boca a pulmón” (mouth to lung).
Entre 2016 y 2019, se popularizaron los dispositivos modulares de tercera generación, conocidos como “mods”, aunque solo una minoría especializada de usuarios veteranos generaba enormes nubes mediante inhalaciones muy profundas en dispositivos llamados “sub-ohm”, que operaban con altas potencias (40–200 W), resistencias muy bajas (inferiores a 0,3 Ohm) y líquidos con alto contenido de VG y bajos niveles de nicotina.
Sin embargo, la mayoría de los vapeadores que adoptaron estos tanques modulares simplemente buscaban un poco más de densidad de nube y mayor flexibilidad (control de potencia y de flujo de aire) en comparación con claromizadores y cartomizadores. Aun así, el paso de la segunda a la tercera generación implicó un aumento en los rangos de potencia (10–20 W) y una inhalación más profunda que con los primeros dispositivos.
El diseño de los nuevos dispositivos: parámetros y estilos de vapeo
A partir de 2019, las tendencias de consumo cambiaron notablemente hacia dispositivos de tanque de potencia más baja (que aún siguen siendo populares). Además, surgió una cuarta generación de dispositivos, conocidos como “pods”, que combinaban lo compacto de los primeros cigalikes y cartomizadores con diseños más avanzados e incluso cierto grado de control por parte del usuario. Algunos pods eran recargables, otros usaban cartuchos reemplazables (como Juul), algunos operaban con sales de nicotina en altas concentraciones, otros a muy baja potencia y algunos alcanzaban niveles de potencia media (10–40 W).
Desde 2021, apareció un nuevo tipo de dispositivo: los desechables de un solo uso, que siguen el diseño básico de los pods, pero no son recargables ni utilizan cartuchos.
Los dispositivos de vapeo actuales presentan una amplia variedad de modificaciones en sus parámetros funcionales: potencia suministrada, resistencia de la bobina, flujo de aire, niveles de nicotina, resistencia al paso del aire, etc.
Estas modificaciones vienen acompañadas por cambios en los rituales de uso, que definen distintos “estilos de vapeo”. Existen estilos intermedios entre los extremos: el “boca a pulmón” (mouth to lung), caracterizado por boquillas estrechas, baja potencia y bajo flujo de aire, y el “directo al pulmón” (direct to lung), que utiliza boquillas anchas, alta potencia y alto flujo de aire, generando nubes voluminosas de aerosol.
¿Sigue siendo adecuado el estándar CORESTA?
El estándar CORESTA (Método Recomendado CORESTA Nº 81, ISO 20768) no impone limitaciones sobre la potencia suministrada ni sobre la resistencia de la bobina, lo cual en principio permite su uso con distintos dispositivos. Sin embargo, su aplicabilidad real a la gran diversidad de dispositivos actualmente disponibles se ve gravemente restringida por un valor fijo del flujo de aire: 1,1 L/min.
El flujo de aire: factor clave del diseño
El flujo de aire del aerosol en las boquillas es un parámetro clave que caracteriza el funcionamiento de los dispositivos. Durante la inhalación, los pulmones se expanden y disminuyen la presión interna con respecto a la presión atmosférica. Esta diferencia de presión —conocida como “caída de presión” (pressure drop)— es lo que arrastra el aerosol a través de la boquilla, asumiendo que esta se comporta como un conducto cilíndrico.
Si asumimos una densidad constante del aerosol, flujo laminar y ausencia de viscosidad, la conservación de la energía en el interior de la boquilla se describe mediante la ecuación de Bernoulli, que relaciona la presión dentro de la boquilla (P) con el cuadrado de la velocidad del aerosol en dos momentos:
- 1: antes de la inhalación
- 2: después de la inhalación
La fórmula general es:
Esta ecuación permite entender cómo diferentes caídas de presión inducidas por el usuario determinan diferentes velocidades y volúmenes de flujo, lo que a su vez impacta directamente en la generación, enfriamiento y condensación del aerosol.
P1 es la presión atmosférica y v1=0 ya que el aerosol no se mueve cuando la caída de presión es cero (es decir, cuando la presión dentro de la boquilla es igual a la atmosférica). Otros símbolos importantes son:
- Q: el flujo de aire (volumen/tiempo, medido en L/min);
- A: el área de la sección transversal del conducto (boquilla) y
- Ra: la resistencia al aire, que mide la proporcionalidad entre la caída de presión P−P1 y el flujo de aire Q.
Esta fórmula (una aproximación a la ecuación de Darcy-Weisbach) muestra cómo una alta resistencia al aire Ra corresponde a una boquilla estrecha (área A pequeña) y requiere una gran caída de presión. Del mismo modo, una baja resistencia al aire Ra corresponde a una boquilla ancha (área A grande) y requiere una caída de presión mucho menor. Esta relación fue representada experimentalmente por Soulet et al. para numerosos dispositivos individuales.
FIGURA 2. Caída de presión vs. flujo de aire
El límite respiratorio de 10,000 ppa (102 cmH₂O) representa la máxima caída de presión posible en varones (es 6,500 en mujeres) (referencia). Estas mediciones muestran hasta qué punto el flujo de aire del estándar CORESTA (1,1 L/min) puede resultar restrictivo:
- Todos los dispositivos de baja potencia (Juul, Blu, curvas a la izquierda) pueden utilizarse con esfuerzo moderado (20 % de la caída de presión máxima) a flujos de aire de hasta 2 L/min.
- Dispositivos de potencia intermedia (10–40 W) pueden utilizarse incluso con esfuerzo moderado a flujos de aire entre 3 y 6 L/min.
- Dispositivos de alta potencia (curvas situadas en la parte inferior del diagrama) pueden utilizarse a flujos de aire cercanos a 10 L/min con un esfuerzo mínimo.
La relación física entre resistencia al aire y flujo de aire demuestra que (en teoría) cualquier dispositivo puede usarse con cualquier flujo de aire, pero la mecánica respiratoria muestra que solo en los dispositivos de baja potencia el flujo de 1,1 L/min del estándar CORESTA es consistente (natural y cómodo) y, por tanto, representa condiciones realistas de prueba.
En cambio, para muchos dispositivos de potencia intermedia y para todos los dispositivos sub-ohm de alta potencia, ese flujo es demasiado bajo. En particular, para pruebas de laboratorio de dispositivos sub-ohm, el flujo de 1,1 L/min del estándar CORESTA no representa en absoluto el uso real de los consumidores, especialmente en el estilo de vapeo “directo al pulmón”, y contradice los principios básicos de la física respiratoria.
Finalmente, para ilustrar cómo las curvas funcionales del régimen óptimo pueden ser útiles en pruebas de laboratorio, consideremos el Cubis (Joyetech), un dispositivo intermedio con resistencia estándar de 1 Ohm. Este dispositivo puede usarse tanto con bajo flujo de aire (estilo mouth to lung) como con alto flujo de aire (direct to lung).
Sin embargo, para que las pruebas de laboratorio eviten el sobrecalentamiento (es decir, para que operen en el régimen óptimo), los rangos de potencia adecuados deben conocerse de antemano. Las curvas funcionales de este dispositivo fueron obtenidas por Soulet et al.
Figura 3. Curvas funcionales del Cubis (Joyetech)
Para el flujo de aire del estándar CORESTA (régimen bajo de 1,1 L/min), el dispositivo debe probarse en el rango de 7 a 28 W, mientras que para un flujo de aire de 10 L/min (intenso), el rango se amplía a 9–40 W. La recomendación del fabricante es operar entre 10 y 25 W, lo cual coincide aproximadamente con el régimen de flujo del estándar CORESTA, aunque, como se muestra en la Figura 2, puede utilizarse con esfuerzo moderado a flujos de 5–6 L/min, evitando el sobrecalentamiento incluso a potencias más altas. Esta información queda oculta si las pruebas se limitan a un flujo fijo de 1,1 L/min según el estándar CORESTA.
Conclusiones y publicaciones futuras
Realizar pruebas de laboratorio de dispositivos de vapeo es fundamental para evaluar su control de calidad, regulación y perfil de seguridad. Los protocolos de calada deben reflejar, en la medida de lo posible, los hábitos reales de los consumidores.
Aunque actualmente solo existe un estándar aceptado de prueba —el Método Recomendado CORESTA (CRM Nº 81)—, la mayoría de los estudios sobre emisiones siguen utilizando parámetros de calada arbitrarios, definidos como variaciones ad hoc sobre los parámetros del CRM Nº 81.
Los parámetros del CRM Nº 81 son menos apropiados para dispositivos de potencia intermedia (15–40 W) y completamente inadecuados para dispositivos sub-ohm de alta potencia.
Sin embargo, muchos estudios de emisiones han probado dispositivos sub-ohm a altas potencias usando el flujo de aire del CRM Nº 81 (o pequeñas variaciones), lo cual, como mostraremos en la próxima publicación, implica que estas pruebas se realizaron bajo condiciones claras de sobrecalentamiento, por lo que los niveles de toxicidad reportados carecen de fiabilidad.
Este artículo fue traducido y adaptado al español por el equipo de Vaping Today. Publicación original: A full guide to vape aerosols Post 4. 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.
