liofilização

UNIVERSIDADE PAULISTA

INSTITUTO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE

FARMÁCIA

FÍSICA

LIOFILIZAÇÃO

Orientador: Professora Mestre

Sabrina

ALESSANDRA SANTOS PEREIRA A63678-1

ALLAN GOUVEA VIEIRA A61279-3

UESLEY BRITO DOS SANTOS A62IFF-8

FM3P41

SANTOSCAMPUS RANGEL

MAIO/2011

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .................................................pag. 03

2 LIOFILIZAÇÃO .................................................pag. 04

3 FUNDAMENTOS DA LIOFILIZAÇÃO .......................................pag. 04

4 LIOFILIZADOR ...........................................................pag. 05

5 ETAPAS DO PROCESSO DE LIOFILIZAÇÃO ...................................pag. 06

5.1 Congelamento ............................................................pag. 06

5.2 Secagem primária ............................................................pag. 08

5.3 Secagem secundária ............................................................pag. 08

6 ALTERAÇÕES ESTRUTURAIS ...........................................................pag. 09

6.1 Transição vítrea ......................................................................................pag. 10

7 EXCIPIENTES ............................................................pag. 12

8 VANTAGENS DA LIOFILIZAÇÃO .......................................pag. 13

9 DESVANTAGENS DA LIOFILIZAÇÃO .......................................pag. 13

10 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................pag. 14

11 BIBLIOGRAFIA .................................................pag. 15

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1 – INTRODUÇÃO

A liofilização pode ser definida como processo de secagem de uma

substância congelada no qual a maior parte de água é removida diretamente por

sublimação, sem passar pelo estado líquido.

O material é mantido congelado do início ao fim do processo, mantendo os

constituintes originais e a forma estrutural inicial. O produto filizado tem aparência

porosa, podendo ser reconstituído imediatamente à forma original, pela adição de

água. O tempo de vida útil é elevado se comparado a um produto não liofilizado.

Com a quantidade de água do material é reduzida, diminui-se a possibilidade de

ocorrerem reações de oxidação ou ação enzimática.

O primeiro produto a ser liofilizado foi o vírus da raiva, em 1911. Durante a

Segunda Guerra Mundial a liofilização atingiu processo industrial devido à elevada

necessidade de por plasma sangüíneo. Além disso, a tecnologia também avançou

com o desenvolvimento nos projetos espaciais, quando liofilizou alimentos para

astronautas da NASA.

Muitos produtos atualmente são liofilizados, incluindo desde antibióticos,

anticoagulantes, enzimas, hormônios até frações de sangue. Na indústria

farmacêutica, a utilização mais direta está relacionada à produção de injetáveis. Em

biotecnologia, o uso de microorganismos e proteínas recombinantes e

nanopartículas tornaram a liofilização um processo comum. Costuma-se também

liofilizar bactérias vírus para manutenção de sua viabilidade e uso após longos

períodos de armazenamento. (Revista Fármaco e Medicamentos, 2000)

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2 – LIOFILIZAÇÃO

A liofilização é um processo de remoção da maior parte da água contida num

material por sublimação. Sendo a concentração da solução, em termos de sólidos

solúveis, maior que 1%, o produto seco terá o mesmo volume da solução o que

permite obter-se produtos de baixa densidade aparente.

A liofilização divide-se em três etapas: na primeira o material é congelado, a

seguir a água é sublimada sob pressão reduzida, e numa terceira etapa, a água

incongelável é removida por dessorção.

A liofilização, por ser um processo realizado em baixas temperaturas, é o

método de escolha para se conservar substâncias termolábeis. Entretanto, o

sucesso de uma liofilização decorre não do fato da secagem ocorrer a baixas

temperaturas, mas sim dela ocorrer no estado sólido. Na otimização de uma

liofilização deve-se manter o produto no estado sólido durante as três fases de

liofilização (Prof. Ronaldo Nogueira M. Pitombo, 2005).

3 – FUNDAMENTOS

A Liofilização só pode ocorrer quando a temperatura e a pressão parcial do

vapor da água forem inferiores às do ponto triplo da água (610 Pa à temperatura de

0,01 ºC, para a água pura.

Diagrama de fases da água.

Fonte: Prof. Ronaldo Nogueira M. Pitombo, 2005.

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De acordo com o diagrama de fases da água, o ponto T é chamado de ponto

triplo da água, localizado nas ordenadas onde a pressão é de 4,58mmHG e a

temperatura é de 0ºC. Neste ponto, as três fases da água (sólida, líquida e gasosa)

estão em equilíbrio, ou seja, coexistem. Qualquer variação nestes parâmetros

desloca equilíbrio para uma mudança de fase do sistema. Se for fornecido calor ao

sistema em pressão superior a 4,58mmHg, a água contida nos sistemas será

transformada em líquido, passando posteriormente a vapor. Toda vez que for

fornecido calor a um material – congelado a temperatura inferior a 0°C – à pressão

inferior de 4,58mmHg, a água contida no material, sublimará, sem passar pelo

estado líquido.

No caso de aplicações farmacêuticas, sabe-se que a maioria das soluções e

suspensões utilizadas possui sais dissolvidos em sua composição, os quais

diminuem a temperatura de congelamento dos preparados farmacêuticos. Esta

temperatura em que uma solução ou suspensão é congelada chama-se temperatura

eutética. Desta forma, cada produto em específico possui uma temperatura eutética,

muitas vezes inferior a 0°C. (Prof. Ronaldo Nogueira M. Pitombo, 2005).

4 – LIOFILIZADOR

A liofilização consiste de um processo que envolve a transferência de calor e

de massa, promovidos pelo gradiente de temperatura e de pressão de vapor,

respectivamente.

O liofilizador faz parte da 3ª Geração de secadores, que tem como principal

vantagem a manutenção dos compostos voláteis e das características

organolépticas dos produtos, muitas vezes prejudicados pela ação dos secadores

tradicionais, que trabalham em temperaturas elevadas. Desta forma, a liofilização

oferece produtos de alta qualidade, podendo-se trabalhar também com produtos

termolábeis.

Os aparelhos de liofilização consistem basicamente de: (a) uma câmara de

secagem, onde é colocado o material, e que deve ser resistente ao vácuo; (b) um

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condensador; (c) bomba de vácuo; e (d) sistema de vácuo para fechamento dos

frascos.

Com o passar do tempo, os vapores gerados aumentariam a pressão da

câmara, o que faria com que a água não fosse mais sublimada. É necessário que o

condensador opere em temperatura inferior ao produto congelado para que haja o

gradiente de temperatura e a água seja transferida ao condensador.

Liofilizador


5- ETAPAS DO PROCESSO DE LIOFILIZAÇÃO

5.1 – Congelamento

Realizado em freezers ou ultra-freezes e deve ser rápido, para a formação de

muitos cristais de pequenas dimensões. Cristais grandes podem danificar o material.

O congelamento total só ocorre abaixo do ponto eutético de cada solução,

dependendo então da composição de material. O congelamento adequado evita a

formação de espuma durante a aplicação do vácuo. A velocidade de congelamento

também é importante. O congelamento rápido produz cristais de gelo muito

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pequenos que ajudam a manter as características estruturais, mas, dificultam o fluxo

de vapor para fora da matriz.

Durante o congelamento de uma solução, a água transforma-se em gelo, num

variado, porém alto grau de pureza. Portanto, os constituintes não aquosos são

concentrados em uma pequena quantidade de água, resultando em alterações

significativas das propriedades da fase não congelada (ph, acidez titulável, força

iônica, viscosidade, ponto de congelamento, tensão superficial e interfacial, além do

potencial de óxido-redução). Gases dissolvidos, como o oxigênio O2e dióxido de

carbono CO2podem ser expelidos da solução. A estrutura da água e interação soluto

água podem ser alteradas.

Como resultado do congelamento, pode haver a formação de misturas

eutéticas, ou precipitados amorfos. Pode ainda ocorrer a desidratação de material

insolúvel e coalescência de gotas de líquidos imiscíveis. Além disso,

macromoléculas são aproximadas favorecendo a interação.

A intensidade dessas alterações varia em função do material, bem como da

velocidade do congelamento.

As curvas de resfriamento e congelamento, observadas na prática, são

frequentemente chamadas de “velocidade de congelamento”.

Alguns autores estabeleceram escalas de velocidade de congelamento, em

graus Celsius por segundo:

Velocidade C/s.

muito lento ............................. abaixo de 0,01 °C/s

lento........................................ de 0,01 a 0,06 °C/s

rápido...................................... de 0,06 a 50 °C/s

super-rápido........................... acima de 50 °C/s


Outros preferem exprimir a velocidade e congelamento em termos de

profundidade de congelamento num dado intervalo de tempo. Em velocidade de

congelamento entre 0,5 e 1 mm por minuto, ou pouco mais, o gelo que se separa de

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uma solução eutética tende a formar cristais, na forma de agulhas, na direção em

que o procedimento progride.

Essa cristalização direcional está ausente tanto em baixas quanto em muito

altas velocidades de congelamento, bem como em soluções de concentração igual

ou maior que a concentração eutética.

5.2 – Secagem primária

Coloca-se o produto na câmara e após estabilização aplica-se vácuo para

iniciar a sublimação. Nesta etapa, o vapor formado deve ser retirado praticamente

ao mesmo tempo em que é formado na câmara para evitar-se o aumento de pressão

do sistema. O calor aqui fornecido deve ser apenas suficiente para gerar o calor

latente de sublimação. A velocidade de secagem na liofilização é lente, sendo em

média de 0,5mm a 1,0mm de profundidade/h ou de 0,001 a 0,06 °C/s, eliminando

cerca de 90% de água do produto.

5.3 – Secagem secundária

A secagem secundária irá reduzir a quantidade de água resídua através da

aplicação de calor, sob vácuo sem afetar a estrutura do material e deixando a

umidade em torno de 1%. Neste ponto a secagem deve ser rápida para não danificar

o produto. Os frascos são então fechados.

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Estrutura do processo de liofilização


6 – ALTERAÇÕES ESTRUTURAIS

Em qualquer fase da liofilização o produto deve ser mantido abaixo de certa

temperatura limite, chamada de “temperatura de colapso”. O colapso é uma

alteração estrutural perceptível como um encolhimento radial da matriz sólida do

liofilizado. A causa desse encolhimento é atribuída a uma redução da viscosidade.

Os valores limites que suportam a matriz sólida são 107 a 1010 cp. O colapso é um

resultado de um sólido amorfo sofrer um fluxo viscoso.

A temperatura de colapso diminui com o aumento do teor da umidade.

Solutos de baixo peso molecular possuem menor temperatura de colapso.

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6.1 – Transição vítrea

Colapso e transição vítrea de polímeros amorfos são fenomenologicamente

eventos similares.

Transição vítrea é a passagem de um líquido para o estado sólido sem

mudança de fase. Quando um polímero no estado vítreo é aquecido, seu volume

específico aumenta com velocidade constante. A certa temperatura de transição

vítrea, essa velocidade aumenta levando a uma descontinuidade na curva de

expansão de volume.

Abaixo da temperatura de transição, o polímero exibe um comportamento

semelhante ao vidro; elevando-se a temperatura a valores acima da transição vítrea,

o polímero amolece comportando-se como borracha; prosseguindo o aquecimento, a

“borracha” é gradualmente convertida numa goma, e, finalmente transforma-se num

líquido.

Transição vítrea é um fenômeno reversível enquanto o colapso de uma matriz

liofilizada é irreversível.

A temperatura de transição vítrea é dependente do teor de diluentes da

mesma maneira que a umidade afeta o colapso.

Estudos sobre o efeito da quebra de pontes de hidrogênio sobre a resistência

mecânica de materiais celulósicos estabelecem que a relação entre o logaritmo do

módulo de Yong (valor que mede a deformação elástica; no caso de materiais

celulósicos está relacionado ao número de pontes de hidrogênio, por unidade de

volume) e o teor de umidade é linear. A reta sofre uma mudança de inclinação

quando atinge o teor de umidade correspondente a camada monomolecular da água

(valor monocamada B.E.T.). Neste caso, a adição de uma molécula de água leva ao

rompimento de uma ligação de uma ponte de hidrogênio. Toda via, quando o teor da

umidade é maior que o valor da monocamada, rompem-se múltiplas ligações de

ponte de hidrogênio.

O logaritmo da temperatura de colapso versus teor da umidade também é

uma relação linear, sofrendo mudança de inclinação no valor da monocamada. Por

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analogia, supõe-se que a temperatura de colapso e o módulo de Yong avaliam

forças estruturais equivalentes devido as ponte de hidrogênio. Portanto, o colapso

pode ser associado à quebra de ligações por ponte de hidrogênio. Em liofilizados, a

retenção de moléculas de baixo peso molecular, mesmo aquelas que tenham

pressão de vapor maior que a pressão de vapor da água, é devida a difusão seletiva

da água através da matriz liofilizada, ou seja: nas condições de uma liofilização, o

coeficiente de difusão das moléculas voláteis é muito menor que o da água.

Em escala macromolecular, a retenção de voláteis ocorre pelo aprisionamento de

moléculas em microregiões da matriz liofilizada.

O processo de alojamento dos voláteis em microregiões se inicia com o

congelamento da solução. Os voláteis são retidos na matriz suporte de liofilização

antes da sublimação do gelo. Quando soluções de compostos orgânicos, como por

exemplos, açúcares, são resfriadas, a etapa de nucleação de cristais de soluto é

com frequencia inibida, não havendo portanto uma formação de mistura eutética

sólida. Continuando o resfriamento, mais gelo puro é formado deixando uma solução

cada vez concentrada. Finalmente, devida à alta concentração de soluto e baixa

temperatura, as forças intermoleculares dentro da solução tornam-se tão grandes

que ela sofre uma transição vítrea, solidificando-se no estado amorfo.

A capacidade de substâncias amorfas reterem outras moléculas é conseqüência da

existência de volume livre nesses sólidos. O estado cristalino, por causa do seu

limitado volume livre, é incapaz de acomodar impurezas em sua estrutura.

Cristalização sucessiva é técnica conhecida para purificação das substâncias.

Além da retenção de voláteis, a liofilização pode encapsular gorduras, evitando sua

oxidação.

Compostos voláteis retidos em uma matriz sólida liofilizada não são removidos

mesmo que ela seja pulverizada e a seguir colocada em ambientes com pressão

reduzida. No entanto, ocorre eliminação de voláteis quando a matriz entra em

colapso.

Emulsões liofilizadas de óleo em soluções de gorduras, lavadas com hexano para

eliminação do óleo superficial, demonstraram não sofrem oxidação. Quando essas

emulsões são colapsadas pela adição de água, a oxidação se inicia imediatamente.

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Portanto, o encapsulamento, tanto de voláteis como de gordura, depende da

integridade da estrutura liofilizada.

Recentemente, prepararam-se vesículas de lecitina para o encapsulamento de

pepsina lisosima por liofilização.

Uma matriz liofilizada, além de entrar em colapso, pode recristalizar-se. A

perda de voláteis e a oxidação de gorduras retidas na matriz ocorrem mais

rapidamente quando a estrutura e torna cristalina, do que quando ela está na

condição de colapsada.

O colapso não é um fenômeno tudo

ou nada. Ao contrário, uma vez iniciado, ele pode ser interrompido ou continuar em

um maior grau em função da temperatura. O grau de colapso não é um fenômeno

dependente do tempo

7 – EXCIPIENTES

Os excipientes são farmacologicamente inertes e, muitas vezes utilizados

em produtos a serem liofilizados com dois propósitos principais:

- Facilitar a forma do preparo, da matriz do produto;

- Tornar isotônico o produto.

É preciso, fornecer calor, sem descongelar o produto e é preciso haver

diferença de pressão de vapor entre o produto congelado e o condensador para que

haja transferência de massa da câmara para o condensador (Teoria e prática na

farmacêutica, 2001).

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8 – VANTAGENS DA LIOFILIZAÇÃO

As principais vantagens da liofilização são:

- a secagem é realizada a baixa temperatura, podendo ser aplicada a produto

termolábeis além de reduzir a ocorrência de reações de oxidação e hidrólise;

- a solução mantém-se congelada durante todo o processo, o que garante

manter sua matriz estrutural, e deixar o material leve e poroso e de fácil dissolução;

- reduz a perda de voláteis de nutrientes, reduz a ação de enzimas e a

desnaturação protéica.

- manutenção das características sensoriais: o sabor, o odor e o aroma dos

produtos não são alterados pela liofilização, pois os componentes que conferem tais

características são termolábeis e, não havendo aplicação de calor, são mantidas no

processo.

9 – DESVANTAGENS DA LIOFILIZAÇÃO

As principais desvantagens da liofilização são:

- a porosidade, a solubilidade e o grau de secagem fazem com que o material

seja muito higroscópico;

- o processo é lento, podendo demorar até 48 horas, dependendo do tamanho

do lote e das unidades a serem liofilizadas, aumentando o custo do processo (M.

Aulton, 2005)

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10 – CONSIDERAÇÕES FINAIS

Os liofilizadores são equipamentos que desidratam (secam) produtos congela-

dos - fazem a sublimação do gelo no qual foi transformado o solvente (geralmente

água) contido no produto que está sendo processado. Para que ocorra a sublimação

do gelo - não a evaporação da água como acontece nos processos tradicionais - o

material previamente congelado deve permanecer neste estado e inerte durante

quase toda fase da secagem. Isso só ocorrerá sob vácuo e se o equipamento tiver

um condensador adequadamente configurado, potente e adequado.

Pelo fato dos produtos liofilizados não apresentarem alterações quando estoca-

dos por longo período de tempo, a liofilização é muito utilizada pelas indústrias far-

macêuticas e cada dia mais vem sendo empregada em rações animais e produtos

semi-prontos para os mercados mais exigentes. A liofilização também está sendo

primordial nas produções industriais de fermentos, vitaminas, fungos, enzimas, so-

ros, vacinas, bactérias, vírus, etc.

Além de essenciais em instituições de pesquisas, os liofilizadores são empre-

gados em controles de qualidade e estão se tornando quase que obrigatórios em

bancos de sangue para preservação de hemoderivados, bancos de tecidos e de os-

sos e nas produções de próteses e/ou peças ortopédicas e ortodônticas naturais pa-

ra implantes.

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11 – BIBLIOGRAFIA

1 – FERRAZ, H. G., Princípios da liofilização de medicamentos, Revista Fármaco e

Medicamentos, v.6, Setembro/Outubro de 2000, p.30-35.

2 – PITOMBO, R. N. M., Liofilização. In: Purificação de produtos biotecnológicos,

PESSOA JR. A., KILIKIAN, B. V. EDS., São Paulo: Editora Manole, 2005, Cap. 17,

p.332-348.

3 – AULTON, M., Secagem, In Delianeamento de formas farmacêuticas, AULTON,

M. E., 2ª Ed., Porto Alegre: Editora Artmed, 2005. Cap. 26, p.396-399.

4 – RANKELL, A. S., LIEBERMAN, H. A., SCHIFFMAN, R. F., Secagem. In:

LANCHMAN, L., LIBBERMAN, H. A., KANIG, J. L., Teoria e prática na farmacêutica,

Ed. Fundação Calouste Gulbenkian, 2001, cap. 3, p.108-111.

5 - ESAC - Escola Superior Agrária de Coimbra http://www.esac.pt/noronha

acessado em 07/05/2011

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http://WWW.esac.pt/noronha

liofilização

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