Principios del proceso

Ejemplos de productos liofilizados son los antibióticos, bacterias, sueros, vacunas, medicaciones diagnósticas, productos biotecnológicos y que contengan proteínas, así como productos con células, tejidos y químicos. El producto que se va a someter al proceso se congela a presión inferior a la atmosférica. A continuación y en una fase de secado inicial — definida como secado primario — se elimina el agua (en forma de hielo) mediante sublimación; en la segunda fase — secado secundario — se elimina por desorción. El secado por congelación se realiza en vacío.

Las condiciones en las que se realice el proceso determinarán la calidad del producto secado por congelación. Seguidamente se indican algunos aspectos importantes que conviene tener en cuenta durante el proceso de secado por congelación:

Congelación: transformación del producto básico mediante la extracción del calor para crear un estado adecuado para su secado por sublimación. El enfriamiento de un producto acuoso genera la formación de núcleos cristalinos. El agua alrededor de los lugares de nucleación se agrupa y genera cristales de formas y tamaños distintos. La velocidad de la congelación, la composición de los productos básicos, el contenido de agua, la viscosidad del líquido y la presencia de sustancias no cristalizantes son factores decisivos para determinar la forma y el tamaño de los cristales y su influencia en el proceso de sublimación posterior. Tras la sublimación, los cristales grandes presentan una retícula relativamente abierta, mientras que los cristales de hielo pequeños, al contener menos producto seco, ralentizan la eliminación del vapor de agua.

El punto de congelación del agua pura es de 0 °C. Cualquier otra sustancia disuelta en el agua hará descender el punto de congelación. En el caso de las sales inorgánicas, el descenso será considerable. Cuando se congela una solución débil, el hielo puro se separa inicialmente, lo que se traduce en un aumento de la concentración de la sustancia en la solución residual (que reducirá aún más el punto de congelación). El efecto de esta concentración del producto varía de un caso a otro y debería tenerse en cuenta a la hora de seleccionar la técnica de congelación más apropiada.

En cualquier caso, será necesario determinar la técnica de congelación idónea y comprobar sus parámetros antes de someter un producto concreto a un secado por sublimación, además de investigar la reacción del producto a la congelación, por ejemplo, aplicando el método de medición de resistencia. En los productos farmacéuticos se utilizan dos métodos de congelación diferentes: congelación por contacto con superficie enfriada, o congelación dinámica o por rotación en un baño refrigerante.

El primer método consiste en una técnica de congelación estática en la que un secador por congelación versátil debe ser capaz de ajustar la velocidad de congelación a cada producto concreto, y controlarla. En la mayoría de los casos, una temperatura final de -50 °C puede ser suficiente para satisfacer la mayoría de requisitos. El segundo método se utiliza siempre que es necesario congelar y secar grandes cantidades de un producto líquido contenido en matraces o botellas grandes. La técnica de congelación apropiada deberá ofrecer también un producto congelado susceptible de sublimación; es decir, uniforme y lo más fino posible para conseguir un tiempo de secado breve.

Secado primario

Al inicio de la fase de secado primario tiene lugar la sublimación del hielo en la superficie del producto. A medida que el proceso continúa, la superficie sublimada se retrae en el producto y el vapor resultante debe ser conducido a través de las capas externas secadas previamente. Esto significa que el proceso de secado depende de la velocidad de transferencia y retirada del vapor, así como del calor necesario para la sublimación. Este calor se suministra por convección y conducción térmica y, en menor grado, por radiación térmica.

Aparte de la transferencia de calor por conducción térmica y radiación, es necesario optimizar la transferencia de calor por convección. Debe tenerse en cuenta, sin embargo, que la convección estará cercana a su cese a presiones por debajo de 10^-2 mbar. La razón es que, al ser una función de la temperatura de sublimación necesaria, la presión en la cámara de secado se ajusta durante el secado primario a su valor más alto permitido. El calor de sublimación no es necesario en la superficie del producto, sino en los bordes del núcleo del hielo que se retrae en el producto a medida que se va secando.

Mientras el vapor de agua fluye del interior del producto al exterior, la transferencia de calor se mueve en la dirección opuesta. Debido a la baja conductividad térmica de las capas de producto secas, el gradiente de temperatura necesario para la transferencia de calor aumenta progresivamente. Para evitar daños al producto no deberá superarse la temperatura máxima posible para el producto secado. En cambio, deberá prestarse atención para mantener constante la temperatura de sublimación durante todo el proceso de secado, y equilibrar el calor que se suministra a los bordes del núcleo de hielo para evitar el sobrecalentamiento de la zona de sublimación. La fase de secado primaria continúa hasta el sublimado total del hielo del producto.

Secado secundario

En la fase de secado secundario o final, el contenido de humedad residual se reduce al máximo posible para garantizar que el producto se encuentra en un estado de almacenamiento permanente. Habrá de retirarse el agua ligada por absorción de la superficie interna del producto. Para conseguirlo, a menudo es necesario superar las fuerzas de capilaridad del agua. En consecuencia, la planta de secado por congelación debe diseñarse de forma que produzca un gradiente de alta presión durante la fase de secado secundario (en muchos casos, no es posible elevar la temperatura sin dañar el producto). El proceso de secado secundario deberá controlarse con la máxima precisión para evitar que el producto se seque en exceso.