Liofilização: Método de Secagem por Sublimação

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LIOFILIZAÇÃO 
 
 
 A liofilização difere dos demais métodos de secagem porque neste 
método a umidade é removida do estado sólido (gelo) diretamente para o 
estado vapor por sublimação. A água sublimada é retirada da câmara de vácuo 
por bombas de vácuo ou ejetores de vapor. O calor de sublimação é suprido 
por condução ou radiação. A operação de sublimação pode ocorrer apenas em 
condições abaixo do ponto triplo da água (0,0060 atm e 0,01 C), como ilustra a 
Figura . 
 
 
 
Figura 1 Diagramas de fase para a água e representação do processo de 
congelamento A-B, de vácuo B-C e de sublimação C-D (Marfart, 1994). 
 
 O processo de liofilização consiste de basicamente duas etapas: (1) 
congelamento do produto e (2) secagem do produto por sublimação do gelo 
sob condições de pressão reduzida. A etapa de secagem (sublimação) 
propriamente dita ocorre em duas etapas, estágios de secagem primário e 
secundário. No estágio primário, a água é removida por sublimação e no 
estágio secundário ocorre a vaporização das moléculas da água contidas na 
fase líquida não congelada. 
 Esta técnica de secagem foi introduzida na década de 1940, sendo 
atualmente considerada um método atrativo para estender a vida de prateleira 
de alimentos. Diversas são as vantagens da liofilização, desde que bem 
executada, em relação a outras técnicas de secagens. Uma destas vantagens 
é o fato da estrutura original do alimento ser mantida mais próxima do produto 
liofilizado, desde que a temperatura na liofilização não seja alta (superior à 
temperatura de colapso). Estas vantagens devem-se ao fato das mudanças 
estruturais e de composição devido à mobilidade da fase líquida aquosa serem 
evitadas, tais como o encolhimento e a formação de carapaça rígida na 
superfície. Na liofilização a retenção de flavor é excelente. A ausência de ar 
durante o processamento, aliada à baixa temperatura de processamento, 
previne a deterioração devido à oxidação ou modificações químicas do produto. 
A secagem a baixas temperaturas (menores que a temperatura ambiente) 
permite que produtos que decompõem ou sofrem mudanças na estrutura, 
textura, aparência e/ou flavor, como uma conseqüência de altas temperaturas, 
possam ser secas sob vácuo com um mínimo de danos, além de não favorecer 
a maioria dos processos degradativos, tais como escurecimento enzimático, 
deteriorações de proteínas e reações enzimáticas. 
Mesmo tendo os produtos liofilizados qualidade superior a de produtos 
secos por outras técnicas, a liofilização é pouco aplicada devido ao seu 
elevado custo (o dobro de secadores de esteira a vácuo e aproximadamente 
cinco vezes o de produtos obtidos por spray drier). A aplicação da liofilização é 
restrita a produtos de elevado valor, alta qualidade, itens do tipo gourmet e 
especialmente para produtos sensíveis ao calor e de baixo peso. Como 
exemplo de aplicações tem-se o café instantâneo e preparações de enzimas 
ativas (por exemplo, cultura de queijos), uma vez que o calor inativa estas 
enzimas e a liofilização mantém sua atividade original. 
Como a liofilização é um processo muito caro, é importante reduzir ao 
máximo o tempo de secagem. Assim, para um produto líquido existe interesse 
em que a quantidade de água a ser eliminada seja mínima e, por isso, 
geralmente é realizada uma pré-concentração da solução líquida, como o 
emprego da crioconcentração de um extrato de café ou suco de fruta. Deve-se 
ter cuidado na seleção da técnica para proceder à pré-concentração, devendo 
esta não ter um efeito deletério sobre a qualidade do produto. No caso de um 
produto sólido, pode diminuir-se o tempo de secagem dividindo-se seu volume 
(cortando, raspando, triturando, etc.) com a finalidade de aumentar a superfície 
de transferência de massa e de calor. 
 Etapas da liofilização 
1) Congelamento. 
Com o objetivo de produzir uma estrutura porosa fina em alimentos 
liofilizados, muitos cristais de gelo pequenos devem ser formados, em geral, 
antes da secagem. Normalmente, uma técnica de congelamento rápido é 
empregada para alimentos sólidos, tais como imersão em nitrogênio líquido ou 
exposição a CO2. Liofilizadores de pratos podem ser empregados para sólidos 
de formas tipo tijolo uniformes. Liofilizadores de jatos de ar são suficientes 
para sólidos pequenos ou seções finas do produto. Alimentos líquidos podem 
ser congelados num freezer de tambor. 
O ideal é que o alimento seja congelado na sua condição de 
maximamente concentrado por congelamento, caracterizado pela temperatura 
de transição vítrea (
´
gT
) e concentração 
´
gW
 (ver Figura ), o que, em geral, 
obtém-se com um congelamento lento. Neste ponto, tem-se a formação do 
maior volume de gelo (máxima formação de gelo) e a solução remanescente 
não congelada tem o menor teor de umidade possível, 
´
gW
. Nesta condição 
tem-se a maior remoção possível de água por sublimação do gelo puro. 
A rede de cristais formada durante o congelamento é importante para 
as etapas de secagem primária e secundária. Em alimentos líquidos, a rede de 
cristais de gelo que é formada depende da tecnologia de congelamento 
empregada. Congelamento lento resulta em cristais de gelo grandes, que estão 
em contato um com outro em vários pontos. Na sublimação, este deixa uma 
rede de canais de poros, através do qual o vapor pode facilmente difundir. Em 
alimentos sólidos e alimentos com uma estrutura celular ou géis, os cristais 
individuais estão separados um do outro, e não se forma a rede porosa. Neste 
caso, o vapor de água deve difundir através da estrutura sólida do alimento e a 
secagem ocorre em tempos significativamente maiores. Se o congelamento é 
muito rápido, contudo, ruptura por tensão pode ocorrer. Isto abre canais para 
difusão do vapor dentro do alimento seco, mas pode também influenciar 
negativamente as características do produto final. Então, o processo de 
congelamento é uma parte importante da liofilização, desde que afeta a taxa 
das etapas subseqüentes e influencia a qualidade do produto final. 
 
 
 
 
Figura 2 Trajetória do processamento ótimo de liofilização ilustrado num 
diagrama de estado. 
 
A Figura ilustra as etapas da liofilização no diagrama de estado. O 
produto, inicialmente no ponto A, deve ser resfriado até o ponto B, no qual tem-
se o início do congelamento. Devido ao efeito da concentração da solução não 
congelada e do abaixamento do ponto de congelamento durante o 
congelamento, este ocorre na trajetória BC. O ponto C, para um produto 
maximamente concentrado por congelamento, corresponde a 
´
gT
 e 
´
gW
. No 
ponto C, o gelo é removido por sublimação (etapa de secagem primária), 
sendo, mantendo–se a temperatura constante, neste processo. A trajetória C-D 
corresponde à secagem secundária, que deve ser executada de modo que o 
produto permaneça durante este percurso no estado vítreo. 
 
2) Secagem primária 
O processo de secagem envolve o abaixamento da pressão para 
permitir a sublimação do gelo, como ilustra a Figura , sendo necessário um 
fornecimento cuidadoso de calor. Um elevado “vácuo” (pressão absoluta baixa) 
é desejado na liofilização para aumentar a taxa de sublimação. A pressão de 
vapor sobre o gelo diminui quando a temperatura diminui. Assim, pressões 
baixas são necessárias, a fim de obter a sublimação das moléculas do gelo. 
Valores de pressões da ordem de 1 a 2 mm Hg são necessários na liofilização 
de alimentos 
A fim de que a sublimação ocorra, calor deve ser fornecido para suprir o 
calor latente de sublimação. Este calor deve ser adicionado cuidadosamente, 
de tal modo que não ocorra a elevação da temperatura do produto acimada 
temperatura de fusão. O calor geralmente é fornecido por alguma combinação 
de condução e radiação (ver Figura 3). Um modo comum de fornecer calor é 
pelo suprimento de energia por um prato no qual o alimento está colocado 
(aquecimento por condução), enquanto também proporciona uma fonte de 
radiação acima do produto. Outras variações deste arranjo têm sido estudadas 
e empregadas em equipamentos industriais. 
 
Figura 3 Modelo de um liofilizador utilizando transferência de calor por 
condução (da temperatura do prato controlada) e radiação (de um aquecedor 
por radiação) (Heldman & Hartel, 1997). 
 
 
A radiação microondas tem sido testada para aquecer o produto 
congelado uniformemente, em vez de apenas nas superfícies do topo ou do 
fundo. Contudo, ao empregar microondas, cuidados devem ser tomados para 
prevenir aquecimento excessivo do produto. Deste modo, a tecnologia de 
microondas não é freqüentemente empregada em liofilizadores. 
 Durante a fase primária da liofilização, a frente com gelo recua no 
alimento quando a secagem ocorre. Esta fronteira entre o produto congelado e 
o produto seco é chamada de frente de liofilização, que é melhor representada 
por uma zona de transição difusa entre o produto congelado e o produto seco, 
como ilustrado na Figura . Independentemente da natureza exata desta frente 
de sublimação, calor deve ser transferido para dentro do produto para esta 
frente para promover a sublimação, e vapor de água deve então ser removido 
por transferência de massa através do produto seco. 
 
 
Figura 4 Gradientes de umidade prováveis na frente de sublimação durante a 
liofilização (Heldman & Hartel, 1997). 
 
 Desde que nem toda a água do alimento pode ser cristalizada, a 
secagem primária apenas diminui o teor de umidade até uma certa extensão, 
dada pela intersecção da linhas de depressão do ponto de congelamento e 
transição vítrea a 
´
gT
 e 
´
gW
 ou 
gT
 e 
gW
 se o produto não foi maximamente 
concentrado por congelamento (ver Figura ). Em geral, o teor de umidade de 
alimentos liofilizados pode ser reduzido de 15% a 20% no estágio primário pela 
remoção da água dos cristais de gelo por sublimação. 
 
3) Secagem secundária 
Uma vez que todo gelo é sublimado do alimento congelado, inicia-se o 
processo de secagem secundária. Calor é continuamente adicionado, mas a 
uma taxa mais lenta, uma vez que a perda de umidade ocorre por difusão das 
moléculas de água para fora matriz liofilizada. O cuidadoso controle do calor 
fornecido é crítico no estágio da secagem secundária, de tal modo que a 
temperatura do produto não aumente acima de um ponto no qual o produto 
torna-se instável, temperatura esta denominada de temperatura de colapso. 
Novamente, calor é fornecido, em geral, no fundo do alimento por condução e 
no topo do alimento por radiação. A superfície do produto entra no estágio de 
secagem secundário, enquanto no centro do alimento ainda ocorre a 
sublimação do gelo do estágio primário de secagem. 
Diversas mudanças podem ocorrer no produto durante o estágio 
secundário de secagem da liofilização. Rápido fornecimento de calor faz com 
que a temperatura do produto exceda sua temperatura de colapso. Esta é 
definida como o ponto onde o produto torna-se suficientemente capaz de fluir, 
que é o colapso da estrutura. O colapso é caracterizado pela matriz não 
suportar seu próprio peso. Durante o colapso, as bolsas formadas nas regiões 
onde os cristais de gelo tinham sublimado, desaparecem quando o alimento flui 
lentamente nestas regiões. Este fenômeno faz com que os produtos liofilizados 
tenham elevadas densidades e reduzam sua capacidade para reidratar-se com 
a adição de água. As temperaturas de colapso de alguns produtos estão na 
Tabela 1. 
 
Tabela 1 Temperaturas de colapso de alguns produtos alimentícios (Heldman & 
Hartel, 1997). 
 
Alimento Temperatura de 
colapso ( C) 
Alimento Temperatura de 
colapso ( C) 
Sucos de frutas -37 a –43 Batata -12 
Morango -35 a –41 Sorvete -31 a –33 
Maçã -41 a –42 Queijo Cheddar -24 
Tomate -41 Peixe -6 a –12 
Bife -12 
 
 
Para otimizar o processo de liofilização, as condições do processo 
devem ser escolhidas de modo que produzam a trajetória apresentada na 
Figura . O congelamento deve produzir uma máxima formação de gelo, se 
possível, e a temperatura durante o estágio de secagem primário deve 
permanecer abaixo da temperatura de transição vítrea. Durante o estágio de 
secagem secundário, temperatura e teor de umidade devem ser controlados, 
como ilustrado na Figura , de tal modo que a temperatura esteja sempre 
levemente abaixo da temperatura de transição vítrea para o teor de umidade 
naquele tempo de processo. Se a temperatura excede a temperatura de 
transição vítrea, o produto está susceptível à ocorrência do colapso. Se o 
colapso ocorre durante a liofilização, ambas a temperatura de aquecimento e 
pressão dentro da câmara devem ser diminuídas para reduzir a temperatura do 
produto abaixo da temperatura de colapso. 
Diversos pesquisadores citam que a temperatura de colapso é 10 a 20 
C acima da temperatura de transição vítrea de um produto. 
 
 Equipamentos 
 A remoção do vapor da câmara de secagem é o processo mais caro da 
liofilização, e a viabilidade da liofilização é, muitas vezes, dependente desta 
etapa. Água é removida por uma bomba de vácuo ou um ejetor de vapor, que 
também serve para manter a pressão baixa na câmara de secagem. Um 
sistema coletor de vapor é colocado entre a câmara de secagem e a bomba de 
vácuo ou injetor de vapor. O sistema coletor de vapor tem superfícies 
refrigeradas e o vapor condensa no coletor (condensador) quando entra em 
contato com as superfícies deste. O condensador coleta os vapores quando 
saem do liofilizador com o objetivo de aumentar a eficiência e prevenir 
obstrução da bomba de vácuo. 
Existem no mercado modelos de liofilizadores que operam em batelada 
e em modo contínuo. Dos liofilizadores que operam em batelada, muitos 
envolvem pré-congelamento do material a ser seco, seguido pela secagem a 
vácuo com transferência de calor por condução e/ou radiante, quebra do vácuo 
com nitrogênio e embalagem em ambientes com nível de umidade relativa 
baixa. Alguns modelos de liofilizadores não possuem o sistema para o pré-
congelamento do material, devendo este ser previamente congelado antes de 
colocar-se no liofilizador.