Liofilização Freeze-Drying Operações Unitárias Universidade Federal de Pelotas Centro de Desenvolvimento Tecnológico – CDTec Graduação em Biotecnologia Operações Unitárias Liofilização Freeze-Drying

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.

Liofilização – Fundamentos Diagrama de fases da água 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 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.

Liofilização – Etapas do Processo 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.

Primeira Etapa Terceira Etapa Segunda 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

Temperatura do material (o C) Temperatura do condensador Função da velocidade que o calor é fornecido ao produto, logo depende: Condutividade térmica do material; Espessura, Suporte de liofilização. Velocidade de sublimação Espessura do material 10 mm Temperatura do material (o C) Temperatura do condensador (o C) Horas de liofilização (aproximado) Leite -5 -40 10 Uréia -7 Plasma sanguíneo -10 a -25 16 Soro -25 18 Vacinas -30 a -40 -50 22 Vacina de Influenza -30 24 Tecido animal 48 Tecido Vegetal 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.

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