Princípios do Processo

Exemplos de produtos liofilizados são: antibióticos, bactérias, soros, vacinas, medicamentos para diagnóstico, produtos contendo proteínas e biotecnológicos, células e tecidos e produtos químicos. O produto a ser desidratado é congelado sob pressão atmosférica. Depois, em uma fase de secagem inicial — definida como secagem primária — a água (em gelo) é removida por sublimação; na segunda fase — secagem secundária — ela é removida por dessorção. A liofilização é realizada sob vácuo.

As condições em que o processo ocorre determinarão a qualidade do produto liofilizado. Alguns aspectos importantes que devem ser considerados durante o processo de liofilização são os seguintes:

Congelamento: transformando o produto básico, por abstração do calor para criar um estado que seja adequado para a secagem por sublimação. Quando um produto aquoso é resfriado, são formados núcleos de cristal. A água circundante é fixada ao redor dos locais de nucleação, resultando em cristais de diferentes tamanhos e formas. A velocidade de congelamento, a composição do produto de base, o teor de água, a viscosidade do líquido e a presença de substâncias não-cristalizadas são todos fatores decisivos na determinação da forma e tamanho do cristal, e influenciam o processo de sublimação seguinte. Grandes cristais compreendem uma pós-sublimação com estrutura relativamente aberta, deve-se considerar que os pequenos cristais de gelo contém pequenos espaços no produto seco, o que diminui a remoção do vapor de água.

O ponto de congelamento da água pura é de 0°C. Quaisquer outras substâncias dissolvidas na água abaixarão o ponto de congelamento. Quando há presença de sais inorgânicos, ele pode ser consideravelmente menor. Se uma solução fraca é congelada, o gelo puro irá se separar inicialmente, aumentando assim a concentração da substância dissolvida na solução residual (além de reduzir o ponto de congelamento). O efeito desta concentração do produto varia de caso a caso e deve ser levado em conta na seleção da técnica de congelamento mais adequada.

A técnica de congelamento mais adequada para um determinado produto deve ser determinada e seus parâmetros reconhecidos antes da secagem por sublimação. O comportamento do congelamento do produto pode ser investigado, por exemplo, usando o método de medição da resistência. Dois métodos de congelamento diferentes são usadas para produtos farmacêuticos: congelamento por contato com superfície resfriada; ou congelamento por rotação/dinâmico em um banho refrigerante.

O primeiro método é uma técnica de congelamento estático no qual um liofilizador deve ser capaz de ajustar a taxa de congelamento ao produto específico e controlar a velocidade do congelamento. Uma temperatura final de -50°C, em alguns casos, será suficiente para satisfazer a maioria das necessidades. O segundo método é usado sempre que grandes quantidades de um produto líquido devem ser congelados e secos em frascos ou garrafas grandes. A técnica de congelamento adequada também irá oferecer um produto congelado que é adequado para sublimação, isto é, um produto uniforme e tão fino quanto possível para que o tempo de secagem seja curto.

Secagem Primária

No início da fase de secagem primária, a sublimação do gelo ocorre na superfície do produto. Com a continuação do processo, a superfície de sublimação volta-se para o produto e o vapor resultante deve ser conduzido através de camadas exteriores previamente secas. Isso significa que o processo de secagem depende da velocidade de transferência e remoção dos vapores, bem como o calor necessário para sublimação. O calor necessário para a sublimação é fornecido por convecção e condução térmica e, em menor grau, por radiação térmica.

Além da transferência de calor por condução térmica e radiação, a transferência de calor por convecção deve ser otimizada. É de notar, no entanto, que convecção quase cessa em pressões abaixo de 10^-2 mbar. por este motivo, como uma função da temperatura necessária para a sublimação, a pressão na câmara de secagem é ajustada durante a secagem primária para o maior valor admissível. O calor da sublimação não é necessário na superfície do produto, mas no limite do núcleo do gelo, que se retira para o centro do produto conforme a secagem avança.

Embora o vapor de água flua do interior do produto para o exterior, a transferência de calor deve ir na direção oposta. Devido a baixa condutividade térmica das camadas de produto seco, o gradiente de temperatura necessário para transferência de calor aumenta de forma constante. Para evitar danos ao produto, a temperatura máxima possível para o produto seco não deve ser excedida. Por outro lado, deve-se tomar cuidado para manter a temperatura de sublimação necessária durante a secagem; manter o fornecimento de calor no limite do núcleo do gelo em equilíbrio e evitar o superaquecimento da zona de sublimação. A fase de secagem primária continua até que todo o gelo no produto tenha sido sublimado.

Secagem Secundária

No fase de secagem secundária ou final, o teor de umidade residual é reduzida tanto quanto possível, a fim de assegurar que o produto esteja em um estado de armazenamento permanente. A água que adere por adsorção na superfície interna do produto tem que ser removida. Para isso, muitas vezes é necessário ultrapassar as forças capilares da água. A fábrica de liofilização deve, por conseguinte, ser projetada para produzir um elevado gradiente de pressão durante a fase de secagem secundária (na maioria dos casos, não é possível aumentar a temperatura sem causar danos ao produto). O processo de secagem secundário deve ser precisamente controlado para evitar o excesso de secagem do produto.