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Liofilização

Visão geral do processo de liofilização

A liofilização é o processo mais brando para secar diversos tipos de materiais perecíveis. O princípio da liofilização é baseado na transição direta de uma substância do estado sólido para o estado gasoso, chamada de sublimação. Inicialmente, o produto é congelado e depois seco por sublimação sob pressão reduzida, sem que descongele.

Benefícios do processo de liofilização

A estabilidade do produto aumenta muito com a redução do teor de água em decorrência da relação direta entre a presença de água e as atividades química e biológica, que são as principais responsáveis pela degradação do produto. Comparada a outros métodos de desidratação, a liofilização prejudica menos o produto e evita a desestruturação ou a aglomeração do material. Por isso, o método de liofilização é ideal para:

  • preservar materiais delicados de degradação ou de decomposição
  • preservar as características e a forma inicial do produto
  • conservar produtos que requerem reidratação rápida ou condicionamento para uso posterior

O processo de congelamento inicial gera cristais de gelo dentro e na superfície do produto. Ao se transformar em gelo, as moléculas de água individuais se transformam em uma rede bem-definida. Conforme as moléculas de água sublimam, elas deixam pequenos poros e lacunas dentro do produto e, assim, mantêm sua forma e estrutura. Portanto, a reidratação do produto é rápida e simples, uma característica particularmente importante em aplicações farmacêuticas. Os produtos liofilizados poderão durar vários anos em temperatura ambiente se estiverem bem vedados e protegidos contra umidade e oxigênio.

Vacinas, frutas e hortaliças secas, cogumelos secos e café solúvel são produtos comuns do cotidiano que são liofilizados.

Princípio do processo de liofilização: Termodinâmica básica

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Figura 1: Diagrama de fases da água

① Escolha a temperatura de congelamento, considerando os solventes e o soluto
② Início da sublimação pela diminuição da pressão
③ Abaixo do ponto triplo, início da liofilização

 Ponto triplo

Dependendo da pressão e da temperatura, qualquer substância pode estar presente nas três fases —sólida, líquida e gasosa. A relação entre a pressão e a temperatura para uma determinada substância é mostrada no chamado diagrama de fases. Quando um sólido é aquecido sob pressão constante acima do ponto triplo, ele atinge o ponto de fusão e se liquefaz. Continuar aquecendo levará ao aumento da temperatura até o ponto de ebulição e o líquido começará a ferver, transformando-se em gás.

Quando um processo semelhante ocorre com a temperatura e pressão abaixo do ponto triplo (no caso da água: 6,11 mbar), o material não funde, ele sublima. A energia térmica fornecida à amostra em baixa pressão transfere energia suficiente para o descongelamento; no entanto, a pressão é muito baixa para a formação de líquido e, como consequência, o solvente sublima.

Como a fase de uma substância é determinada pelo calor e pela pressão, a temperatura em que ocorre a ebulição ou a vaporização é estipulada a partir da pressão. A redução da pressão através da aplicação de vácuo pode, assim, levar a uma diminuição do ponto de ebulição do solvente e à ocorrência de vaporização a temperaturas mais baixas. Sistemas de baixa pressão são comumente usados para amostras sensíveis ao calor a fim de diminuir o ponto de ebulição para que a vaporização ocorra a uma temperatura mais baixa e segura. Um raciocínio semelhante pode ser usado para o processo de sublimação.

Efeitos da pressão e da temperatura no método de liofilização

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Figura 2: Etapas da liofilização
 Pressão
 Produto
 Prateleira
 Condensador

Ⓐ Redução da temperatura do produto e da prateleira otimizam o processo
Ⓑ Redução da pressão e aumento da temperatura da prateleira facilitam a sublimação e a dessorção na secagem secundária
Ⓒ Temperatura do condensador determina a real capacidade do condensador para coletar os vapores

Os parâmetros cruciais do seu equipamento de liofilização são a pressão e a temperatura. Um processo de liofilização típico envolve duas fases: congelamento e secagem primária. Para algumas amostras, uma secagem secundária pode ser necessária para remover as moléculas de solvente que estão firmemente ligadas à amostra e reduzir ainda mais a umidade. Cada etapa do processo tem diferentes requisitos de pressão e temperatura, dependendo das características da amostra.

Figura 3: Diferença no tamanho dos cristais de gelo dependendo da velocidade de liofilização.

Ⓐ Congelamento lento
Ⓑ Congelamento rápido

A maioria dos produtos líquidos, ou formulações, congela formando cristais de gelo. O tamanho e a forma dos cristais de gelo dependem da velocidade de resfriamento e definem a capacidade de liofilização; o resfriamento rápido (nitrogênio líquido) resulta em cristais de gelo pequenos, enquanto um resfriamento mais lento (freezer) gera cristais de gelo maiores. No que se refere à liofilização, é mais difícil remover do produto cristais de gelo pequenos do que grandes. Ainda assim, a temperatura de congelamento de uma formulação é definida por suas características e composição.

Misturas eutéticas e amorfas no processo de liofilização

Em geral, as formulações podem congelar de duas formas diferentes, dependendo de a mistura ser eutética ou amorfa.

Misturas eutéticas

As misturas eutéticas contêm substâncias que congelam a temperaturas mais baixas do que a água em seu entorno. Ao resfriar uma mistura eutética, a água é a primeira a se separar das substâncias e se transforma em gelo. A formulação pode parecer congelada, mas as substâncias restantes ainda estão líquidas. Elas formam áreas concentradas que, por fim, congelam em temperaturas abaixo do ponto de congelamento da água.

A temperatura na qual todos os componentes da mistura estão devidamente congelados é chamada de temperatura eutética. Essa é a temperatura crítica da formulação e a temperatura máxima que a formulação pode suportar durante o processo de liofilização. A aplicação de vácuo a uma mistura eutética não congelada por completo pode resultar na destruição do produto, pois os componentes descongelados se expandem quando colocados sob vácuo.

Misturas amorfas

A outra classe de misturas é a amorfa e forma estados vítreos quando congelada. Com a diminuição da temperatura, a formulação se torna cada vez mais viscosa e, por fim, congela na forma de sólido vítreo no ponto de transição vítrea. Para produtos amorfos, o ponto crítico de estabilidade é chamado de temperatura de colapso. A temperatura de colapso costuma ser ligeiramente inferior à do ponto de transição vítrea. Costuma ser muito desafiador congelar produtos amorfos em equipamentos de liofilização.

Secagem primária durante o método de liofilização

A primeira fase de secagem, a secagem primária, remove a maior parte da água do produto por sublimação. A temperatura do produto é definida pela pressão na câmara de secagem, e o aquecimento deve ser cuidadosamente controlado. A temperatura ideal do produto é a mais alta possível para maximizar a diferença da pressão de vapor entre a amostra e o condensador; porém, ao mesmo tempo, deve permanecer abaixo da temperatura crítica do produto para que permaneça congelado. Acima dessa temperatura, a estrutura do produto entra em colapso, causando encolhimento ou rachadura.

Idealmente, o processo de liofilização é realizado em temperaturas logo abaixo da temperatura crítica. A etapa primária do processo de liofilização ocorre da seguinte forma:

  • A pressão da câmara de secagem é reduzida para iniciar o processo de secagem
  • As leituras predominantes de pressão e temperatura estão agora abaixo do ponto triplo
  • Ao usar prateleiras aquecidas, a temperatura estabelecida é alcançada lentamente a uma taxa de aquecimento definida
  • A sublimação cria vapor de água na câmara de secagem
  • Se não for removido do sistema, o vapor de água se equilibrará e nenhuma outra partícula de gelo se sublimará
  • As partículas de vapor são removidas por meio do condensador, um dispositivo de resfriamento que funciona a uma temperatura muito abaixo da temperatura crítica do produto

A taxa de sublimação é definida basicamente pela diferença das pressões de vapor: a pressão de vapor sobre o produto, por um lado, e a pressão de vapor sobre o condensador, pelo outro. No geral, quanto maior a diferença, mais rápida a sublimação; quanto mais próxima a temperatura do produto estiver do ponto triplo, maior será a diferença de pressão.

A grande maioria da água deve ser removida até o final da fase de secagem primária pelo equipamento de liofilização. O teor de água residual do produto pode agora ser de 5 – 10%, uma vez que ainda há água ligada à matriz. Nessa fase, o gelo não deve mais estar presente.

Secagem secundária durante o processo de liofilização

A etapa de secagem secundária remove as moléculas de água adsorvidas por dessorção. Para atingir as condições ideais de dessorção, é necessária a pressão mais baixa possível e um aumento adicional da temperatura da prateleira. Novamente, a estabilidade do produto deve ser considerada ao escolher a temperatura da prateleira. A secagem secundária costuma ser realizada por períodos mais curtos. Ao final da secagem secundária, o teor de água do produto deve estar na faixa de 1 – 5%.

Processo de liofilização na indústria farmacêutica

O processo de liofilização costuma ser a escolha preferencial para a preservação de uma ampla gama de produtos farmacêuticos, principalmente quando a estabilidade no estado líquido não é adequada, os requisitos de armazenamento são muito rigorosos ou quando o produto deve estar na forma sólida. É adequada para formulações que não requerem processamento posterior após a secagem, pois podem ser envasadas diretamente em frascos, que podem ser vedados na secagem após o ciclo para evitar possíveis contaminações.

Benefícios da liofilizaçãoLimitações da liofilização
Processo com temperatura baixaDemanda um bom investimento inicial no equip. de liofilização
Alto rendimento do produtoTempo de processamento longo
Boa uniformidade do produtoEscalonamento restrito
Alta qualidade em termos de atividade, teor de água e estabilidade 

O controle preciso do processo permite a produção de um produto da mais alta qualidade, pois minimiza o risco de que as propriedades intrínsecas dos produtos, como colapso, fusão eutética ou temperaturas de transição vítrea, sejam excedidas.