Operações Unitárias

LiofilizaçãoLiofilizaçãoFreeze-DryingFreeze-Drying

Universidade Federal de PelotasCentro de Desenvolvimento Tecnológico – CDTec

Graduação em Biotecnologia

Secagem por liofilização

A liofilização ou freeze-drying é um processo de secagem no qual o produto congelado é submetido a um alto vácuo e a maior parte do solvente (água, ~90%) é removido por SUBLIMAÇÃO.

A sublimação ocorre quando a água no estado sólido é convertida diretamente em vapor, sem passar pelo estado líquido.

A sublimação ocorre quando a água no estado sólido é convertida diretamente em vapor, sem passar pelo estado líquido.

O diagrama de fases da água permite avaliar o estado físico de uma amostra de água em função da T e P a que está submetida.

Esse diagrama também permite prever como pressão e/ou temperatura devem ser alteradas a fim de provocar mudanças de estado físico da água.

Liofilização – Fundamentos

Diagrama de fases da água

Liofilização – Fundamentos

A liofilização ocorre quando a temperatura e a pressão parcial do vapor da água forem inferiores às do ponto triplo da água (4,58 mmHg à temperatura de 0,01 ºC, para a água pura).

P > 4,58 mmHg e T aumentando: água congelada, liquefaz e torna-se vapor. P < 4,58 mmHg e T aumentando: água congelada sublimará (Vapor).

Liofilização – Fundamentos

A liofilização é um fenômeno simultâneo de transferência de calor e de massa.

A liofilização ocorre pela diferença de pressão parcial de vapor da

água na interface de sublimação do gelo e o condensador.

Como a pressão de vapor é função da temperatura, a força motora pode ser

expressa segundo a temperatura na interface de sublimação e o

condensador.

Quando ocorre a sublimação, o vapor de água é conduzido até à superfície por um mecanismo de transferência de massa que depende da estrutura do produto desidratado.

O vapor de água é transferido desde a frente de sublimação, através do produto seco, até à superfície e retirado através do vácuo

Liofilização – Etapas do Processo

- Congelamento: objetiva cristalizar a água do produto antes deste ser

submetido à secagem primária. Evita a produção de espuma ou a migração

de solventes que possam modificar a aparência do produto quando

submetido a pressão sub-atmosférica.

A temperatura menor que 0ºC. Pode-se utilizar freezer comum ou

ultra-freezer para o congelamento do material.

A velocidade de congelamento determina a dimensão do cristal de

gelo.

Congelamento rápido produz cristais de gelo menores, que ajudam a

preservar detalhes estruturais. Os pequenos poros que se formam durante a

sublimação são mais restritivos ao fluxo do que aqueles formados pelo

congelamento lento.

-Secagem Primária: objetiva a sublimação do gelo sem ebulição,

controlando a pressão de vácuo e o aumento da temperatura. Elimina ~ 90%

da água – produto com 10% de umidade.

- Secagem Secundária: objetiva a eliminação da água ligada por evaporação

a vácuo. Aumento da temperatura entre 20 e 60 ºC. O final do processo é

controlado pela temperatura no produto ou pelo peso. Elimina ~ 8% da água

ligada e o produto é desidratado até 2% de umidade.

Liofilização – Etapas do Processo

Primeira Etapa

Segunda Etapa

Terceira Etapa

Liofilização – Equipamento

O condensador fornece uma superfície para o vapor se solidificar. A temperatura do condensador deverá ser menor que a temperatura da superfície do material que está sendo secado, ou o vapor não migrará ao coletor. As temperaturas para esta captação do gelo estão tipicamente abaixo de -50 °C.

Fechamento a vácuo ou Pressão positiva

Liofilização – Equipamento

Velocidade de sublimação

Função da velocidade que o calor é fornecido ao produto, logo depende:

a)Condutividade térmica do material;

b)Espessura,

c)Suporte de liofilização.

Espessura do material10 mm

Temperatura do material (o C)

Temperatura do condensador

(o C)

Horas de liofilização(aproximado)

Leite -5 -40 10

Uréia -7 -40 10

Plasma sanguíneo -10 a -25 -40 16

Soro -25 -40 18

Vacinas -30 a -40 -50 22

Vacina de Influenza -30 -50 24

Tecido animal -30 a -40 -50 48

Tecido Vegetal -50 -50 60

Liofilização versus Secagem em Fase Líquida

Vantagens:

- Produtos com estrutura inalterada, fáceis de transformar em pó e de dissolver, fáceis de (re)hidratar;

- Reduzidas alterações nos nutrientes, cor, aroma e gosto (alimentos) e mínima perda de atividade em materiais sensíveis ao calor (microrganismos);

- Produtos liofilizados tem melhor qualidade que os mesmos produtos desidratados por outros métodos;

- Processo menos poluidor, água residual baixa (1 a 3%).

- Fácil de armazenar de transportar.

Liofilização versus Secagem em Fase Líquida

Desvantagens:

- Equipamento muito caro (~3 vezes mais que em outros métodos de secagem);

- Difícil de atingir a temperatura de liofilização (produto e condensador, < -50º C);

- Bombas de vácuo potentes (manutenção e custo operacional);

- Custo energético muito caro (2-3 vezes mais que em outros métodos de secagem);

- Processo muito demorado (mais do 24 horas);

- Produtos com facilidade de hidratar e frágeis pelo que devem ser cuidadosamente embalados e armazenados.

Quando utilizar a liofilização?

- Produtos instáveis;

- Sensíveis ao calor;

- Quando a rápida e completa re-hidratação é requerida;

- Produtos de elevado valor;

- Minimização do peso;

- Não é aconselhável o armazenamento em refrigeração ou congelamento.

- alimentos- alimentos, onde propriedades organolépticas são importantes - animais inteiros para coleções de museus- antibióticos- antitoxinas- anticorpos - enzimas- fármacos- frações de sangue- fungos- hormônios- leveduras- meios de cultivo- suspensões víricas e bacterianas- tecidos (ossos e pele) para transplantes- vacinas- vitaminas

Produtos conservados por liofilização

Produtos Liofilizados