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PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS INDUSTRIAIS I - Introdução Você já imaginou como são feitos os medicamentos que estão em sua casa, nas prateleiras das farmácias ou nos hospitais? Temos medicamentos na forma de pó, comprimidos, líquidos, drágeas, supositórios e demais formas. Por quê cada uma dessas formas foi criada desse modo e não de outro? Como são feitas? Quais as vantagens e desvantagens de cada forma? Podemos melhorar o que já existe? Podemos desenvolver novas formas? Antes de chegar às respostas a todas essas perguntas e muitas outras que podemos formular, é necessário conhecer melhor os princípios físico- químicos envolvidos nos materiais e processos industriais desta área de conhecimento. É comum encontrar os alunos com cara de espanto, assustados, desesperados, e isso somente de ouvir o nome “FÍSICO-QUÍMICA”. Se já parece ser difícil aprender física ou química sozinhos, o que dizer dos dois juntos!!! Industrial então?!!! A primeira idéia a surgir nas mentes dos alunos ao ouvir a menção dessa matéria é: Cálculos, cálculos e mais cálculos!!! Socooooooooooorro!!! Para seu alívio, o ideal dessa matéria não é torná-los especialistas em físico-química, ou mesmo fazer com que vocês resolvam problemas que utilizem uma página inteira de cálculos. A intenção é apresentar os princípios físico-químicos envolvidos nos principais processos farmacêuticos, sua teoria e a aplicação prática. Para melhor orientar nossos estudos, vamos primeiramente listar os assuntos que estaremos abordando, apresentando uma breve definição de cada um. Reologia Nesse tema será estudado o comportamento dos fluídos líquidos. Operações Unitárias na Indústria Farmacêutica Esse assunto abordará alguns dos processos industriais mais utilizados na indústria farmacêutica de modo a favorecer a compreensão do aluno quanto a quando e porquê selecionar o processo, qual é o mais indicado para cada tipo de produção. 1) Filtração 2) Centrifugação 3) Moagem e Granulometria 4) Secagem 5) Liofilização 6) Destilação 7) Agitação 8) Aeração Controle ambiental Exercícios 1) Entre os processos acima citados, qual deles é utilizado para a obtenção de água na qualidade adequada para a produção de medicamentos injetáveis? 2) Dentre os processos acima citados, quais deles podem ser utilizados para aumentar a durabilidade de alimentos? Respostas: Filtração Secagem e liofilização II - Reologia O termo reologia é de origem grega, composto pelas palavras rheo, que significa fluxo ou escoamento, e logos, que significa conhecimento, ou seja, reologia é a área da ciência que estuda o comportamento dos fluidos. Mas o que são fluidos? Fluido é tudo que possa fluir, escoar. O primeiro pensamento para um exemplo de fluido é um líquido. Está correto, porém sólidos também podem fluir. Quem já não viu uma ampulheta?!!! E não são somente eles, pois os gases também fluem, apenas é mais difícil de ver, porém sentimos e podemos ver o seu efeito, por exemplo, o vento. Mas qual é a importância em conhecer o comportamento dos fluidos? 1) Otimizar o processo de mistura das matérias primas utilizadas na fabricação dos fármacos, promovendo melhoria na qualidade do produto final. 2) Entender como ocorrerá o envasamento dos fármacos de forma a evitar perdas. 3) Produzir embalagens adequadas aos fármacos nelas contidos, ajustando seu formato e bocal de saída para facilitar sua utilização. 4) Compreender como ocorre a aplicação dos fármacos, seu transporte e absorção, liberação, etc, de forma a desenvolver fármacos mais adequados às necessidades dos usuários. No nosso caso, em razão da maior aplicação, nos concentraremos no estudo da reologia dos líquidos. Para compreender o comportamento dos fluidos, primeiramente devemos conhecer a viscosidade dos fluidos e seu comportamento em relação à tensão aplicada sobre esses. Para verificar a viscosidade de um fluido é utilizado um viscosímetro. Existem diversos tipos de viscosímetros, onde os mais conhecidos são o viscosímetro rotacional, mais conhecido como Brookfield e o copo Ford. Veja fotos abaixo. Viscosímetro Brookfield Copo Ford Embora não seja um viscosímetro de grande precisão, é muito utilizado pela rapidez dos resultados em produtos que não necessitam de grande precisão nos resultados. Muito utilizado no controle de qualidade na fabricação de tintas para esmalte de unha, shampoos, condicionadores de cabelo, sabonetes líquidos, xaropes, entre outros. Exercícios: 1) Por quê é importante verificar a viscosidade de um colírio para tratamento de afecções oftalmicas? 2) Qual é a importância em estudar a viscosidade de um creme dental? Respostas: Se o colírio tiver viscosidade muito alta poderá causar desconforto em seu uso no período diurno (entenda-se por período de vigília, ou seja, acordado), podendo inclusive reduzir a capacidade de visão. Se tiver viscosidade muito baixa, poderá escorrer facilmente, deixando pouco princípio ativo em contato com a área a tratar. Se este tiver viscosidade muito baixa, deixará de ser um creme e passará a ser chamado de loção ou solução, entre outros. Se a viscosidade for muito alta, poderá apresentar dificuldade para a sua retirada da “bisnaga”, levando o consumidor a pensar em trocar ou efetivamente realizar a troca de marca. III - Comportamentos reológicos Entre os diversos comportamentos reológicos, estudaremos os mais importantes na área farmacêutica. 1) Independentes do tempo a. Fluidos Newtonianos Nesses fluidos verifica-se proporcionalidade entre tensão de corte e gradiente de corte. A tensão de corte é diretamente proporcional à deformação. Apresentam viscosidade constante. Aaaaaã? Como assim? É mais fácil entender pelos exemplos: água, ar. Essa característica reologica é importante para medicamentos injetáveis, medicamentos de administração via oral que necessitem chegar rapidamente ao sistema digestivo para sua absorção ou que devam deixar o mínimo de resíduos no trajeto, pois muitos medicamentos podem ser irritantes para a mucosa bucal. b. Fluidos plásticos São fluidos que necessitam de tensão mínima para que ocorra deformação plástica. Ou seja, não escorrem pela ação da gravidade, é necessário uma força maior para que sejam deformados. A deformação se torna permanente e o material adquire novo formato. Cuidado para não confundir com sólidos plásticos. Exemplos desses fluidos são: purê de batata, alguns tipos de bala, supositórios. Essa característica é importante onde se deseja grande controle da quantidade de material a depositar em uma superfície, por exemplo, ao deslizar o batom nos lábios, é deixada somente a quantidade desejada e somente onde é necessário. Também importante quando o medicamento deva apresentar pouca ou nenhuma deformação durante a utilização, como é o caso do supositório. c. Viscoelásticos São fluidos que necessitam de tensão mínima para que ocorra deformação elástica. Ou seja, não escorrem pela ação da gravidade, é necessário uma força maior para que sejam deformados, porém, desde que não haja ruptura do material, ele retorna ao formato anterior à aplicação da força. Cuidado para não confundir com sólidos elásticos. Exemplos: gelatinas, balas de goma, mousses, pastilhas para tratamento de garganta, supositórios. Tanto fluidos plásticos quanto os viscoeláticos podem ser utilizados comobase para liberação prolongada de medicamentos, como é o caso das pastilhas para tratamento de garganta. 2) Dependentes do tempo a. Pseudoplásticos O nome já dá uma dica, são falsos fluidos plásticos. Parecem sólicos, mas quando submetidos à uma tensão de cisalhamento, além de sofrerem deformação, sua viscosidade diminui. Quando cessada a tensão, a viscosidade volta imediatamente ao valor inicial. Um ótimo exemplo é o gel para cabelos. Quando parado dentro do frasco, aparente ter viscosidade muito alta, mas quando aplicada força sobre este, ele facilmente desliza, permitindo fácil aplicação, fácil espalhamento. São bases importantes para a produção de cremes ou pomadas de fácil espalhamento, mas que não escorrem. Devido a essas características, a velocidade das reações químicas nesse tipo de fluido é menor quando comparada à uma base newtoniana com o mesmo solvente (por exemplo a água). A secagem desse material é mais lenta também comparando com os newtonianos, o que permite maior tempo de ação ao medicamento até que ocorra a secagem, aumentando assim o tempo necessário entre as reaplicações do medicamento. b. Tixotrópicos Semelhantes aos pseudoplásticos, diferindo apenas pelo tempo que demoram para retornar à viscosidade inicial, que não é imediato. Gel de pectina é um bom exemplo. Podem substituir bases pseudoplásticas na maior parte das aplicações, tendo restrição somente onde o escoamento que possa ocorrer seja inadequado às necessidades. c. Dilatantes Quando submetidos à uma tensão de cisalhamento, sua viscosidade aumenta. Quando cessada a tensão, a viscosidade volta imediatamente ao valor inicial. Comportamento contrário ao dos pseudoplásticos. Para ver um exemplo doméstico, basta misturar água com amido de milho em grande concentração, até que a mistura fique parecida com um creme de leite. São aplicados em formulações de esfoliantes. d. Reopéticos Quando submetidos à uma tensão de cisalhamento, sua viscosidade aumenta. Quando cessada a tensão, a viscosidade leva um tempo para retornar ao valor inicial. O exemplo mais comum é o sangue. Exercícios 1) Qual comportamento reológico é mais indicado para o soro fisiológico a ser administrado diretamente na veia de um paciente internado em um hospital? 2) Gel para cabelos é preparado com fluidos pseudoplásticos. Fluidos dilatantes não são indicados para essa aplicação. Por quê? Respostas? Fluido newtoniano. Sua aplicação seria difícil, pois ao aplicar tensão sua viscosidade aumentaria, podendo causar desconforto ou mesmo lesões. Quando cessada a tensão sua viscosidade diminui, podendo escorrer. IV - OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA FARMACÊUTICA Nesse assunto serão abordados os princípios físico-químicos envolvidos em alguns dos métodos e processos mais utilizados na indústria farmacêutica, os quais são denominados “OPERAÇÕES UNITÁRIAS”. Para o farmacêutico, é importante conhecer os processos, como estes ocorrem e quando devem ser utilizados, pois assim ele poderá decidir corretamente. Inicialmente, veremos processos de separação de materiais. O primeiro processo que veremos será a FILTRAÇÃO. No passado, a filtração era um processo utilizado na separação de misturas entre líquidos e sólidos insolúveis nesse meio, por exemplo, água e areia. Mais tarde, passou a ser utilizada também na separação entre líquidos parcialmente miscíveis de diferentes viscosidades, como a separação da nata e leite, ou seja, separação de separação de misturas heterogêneas. Atualmente, já é possível a separação de misturas homogêneas, como retirar os sais minerais, ou melhor, retirar íons da água, toxinas solúveis em água, etc. Enfim, desde que exista um filtro adequado e que seja tecnicamente e economicamente viável adequar as condições do processo, é possível a separação de qualquer tipo de mistura por meio de filtração. Apesar de possível, nem sempre é o método utilizado, pois em muitos casos outros métodos podem ser mais rápidos e/ou econômicos que a filtração. O primeiro passo para entender a filtração é conhecer os elementos filtrantes. Os elementos filtrantes podem ser de superfície (filtro de papel, tecidos...) ou de profundidade (caixa com areia...). Podem ser constituídos de qualquer tipo de material sólido. A seguir, listaremos alguns dos materiais utilizados como elementos filtrantes e suas principais aplicações. Materiais cerâmicos – Caixa de areia para retirada de sólidos insolúveis da água, corpos cerâmicos porosos, fibras de vidro para filtração de soluções ácidas ou corrosivas... Materiais metálicos – Filtração de líquidos e gases aquecidos acima de 100 ºC feitos com placas perfuradas, tecidos metálicos... Materiais poliméricos – São os materiais mais utilizados para a filtração (mais conhecidos como plásticos, embora nem todos os polímeros sejam plásticos, por exemplo borrachas, fibras celulósicas...) podendo ser preparados na forma de: o particulados em caixas como filtros de profundidade; o fibras desorientadas ou semi-orientadas em falso tecido (também conhecido como “tecido não tecido” e “feltro”) compondo os usuais “saches” para chá, ou o material que entra em contato com a pele em absorventes femininos e fradas descartáveis, geotêxteis para a construção de estradas... o filtros de papel; o tecidos filtrantes; o placas porosas, como a usada nas popularmente denominadas “velas para filtro doméstico”; o membranas semipermeáveis o filtros catalisadores; o outros É comum o uso de combinação de elementos filtrantes, onde cada um realiza parte da filtração de acordo com suas propriedades físicas. Um bom exemplo é o filtro doméstico, onde existe um cartucho poroso de material cerâmico ou polimérico e dentro deste está confinado carvão ativado. A parte externa impede a passagem de partículas insolúveis, enquanto que o carvão ativado retém as toxinas presentes na água. O material que mais recebe processos de filtração no mundo é a água, seja para consumo pessoal ou para uso industrial. A pureza da água é que define seu uso final. Por exemplo, a água usada para beber, a qual, embora seja adequada para esse uso, sendo considerada com “água potável”, não pode ser utilizada para medicamentos injetáveis, pois nesta existem contaminantes que não são prejudiciais quando ingeridos, porém, em contato direto em nossa corrente sanguínea, poderão causar graves doenças e até resultar em morte. Por sua vez, o uso da água adequada para a produção de medicamentos não é adequado para a ingestão, para “matar a sede”, pois nesta estão ausentes íons necessários à nossa sobrevivência. A água é a mesma, porém a quantidade de contaminantes (que podem ser desejados ou não), ou seja, a pureza desta é o que define a indicação para cada aplicação. Exercícios: 1 – Pesquise qual tipo de filtração é indicada para a produção de água a ser utilizada na produção de medicamentos injetáveis. 2 – Como você montaria um filtro rudimentar, com materiais encontrados em casa, para filtrar água de um rio “barrento”, para que esta possa ser utilizada na lavagem de roupas? Respostas: 1 – Filtro para ultrafiltração por osmose reversa. 2 – Utilizaria uma caixa com três camadas, usualmente denominada “caixa de areia”. A primeira camada, acima de todas, com pedras de dimensão aproximada à pedra britada utilizada em construções. A segunda camada com pedriscos, como os utilizados como enfeites de vasos. A próxima camada com areia. A seguir, um tecido para evitarque a areia passe para a próxima camada, a qual será de pedras de dimensões aproximadas às pedras britadas utilizadas em construções, cuja função é de drenagem. Abaixo de tudo, deve haver um orifício para a passagem da água filtrada, lembrando que deve ser colocada uma tela que impeça a passagem das pedras, porém não da água. A água assim filtrada deve permanecer descansando em um reservatório por um dia para que as partículas menores que passaram pelo filtro possam decantar. Não utilizar a água que está no fundo do reservatório. V - PROCESSOS DE FILTRAÇÃO Neste capítulo serão apresentados diversos meios filtrantes e suas principais aplicações. Os filtros são classificados em: 1) Filtro de superfície Enquanto o líquido atravessa o elemento filtrante pelos seus poros ou orifícios, elementos de dimensões maiores que a passagem ficam retidos na superfície deste. Peneira granulométrica 2) Filtro de profundidade Nesse tipo de filtração, as partículas sólidas podem ficar na superfície ou penetram no corpo do elemento filtrante até certo ponto, ficando retidas nos poros ou “caminhos” entre as partículas componentes desse sistema. Camada com pedras Camada com pedriscos Camada com areia 3) Filtro à vácuo É utilizado um meio filtrante em suporte específico para uso de uma bomba de vácuo de forma a succionar (aspirar) o líquido a filtrar. Muito utilizado, porém não é adequado para produção e separação de precipitados ou para filtração esterilizante. Os sistemas filtrantes mais importantes na área farmacêutica são: 4) Filtro prensa Trata-se de um filtro composto por placas filtrantes, geralmente de tecidos. Esse tipo de filtro é versátil, de alta capacidade produtiva. É indicado para filtração de líquidos que apresentem grande quantidade de partículas ou fibras, os quais, quando filtrados em filtros tradicionais (como peneiras) podem entupir rapidamente perdendo capacidade produtiva. Fonte: www.bomax.com.br 5) Filtro de cartucho Trata-se de uma capsula que contém em seu interior um meio filtrante. Comparativamente com outros sistemas, este tipo de filtro obtém o maior rendimento relativo ao seu tamanho. Exemplos de filtro de cartucho são a “vela” utilizada no filtro de água doméstico, filtro de óleo, ar e combustíveis para automóveis etc. 6) Filtro de membrana Nesse tipo de filtro, o qual utiliza uma membrana semi-permeável, pode-se realizar a microfiltração e a ultrafiltração. O que diferencia a microfiltração da ultrafiltração é o fato de que enquanto a microfiltração separa da água ou outro meio líquido partículas do tamanho de bactérias, na ultrafiltração são separadas moléculas ou mesmo íons. É um dos métodos mais importantes no controle de qualidade final de medicamentos, pois é possível eliminar contaminações químicas e biológicas com este método. Tanto a água utilizada para a produção quanto soluções medicamentosas produzidas com essa água podem passar por microfiltração de modo a garantir que os mesmos apresentem apenas o que se deseja, reduzindo ao máximo a possibilidade de contaminações presentes no produto final. 7) Filtração por adsorção É importante indicar esse tipo de filtração, onde são utilizados materiais adsorventes como o carvão ativado e argilas organofílicas. Esses materiais apresentam como principal aplicação a retenção de materiais orgânicos que podem causar gosto, odor e alteração de coloração em água e óleos vegetais. O nome mais utilizado quando é aplicado esse tipo de material é a clarificação. No tratamento de água, o carvão ativado é utilizado para a retirada de toxinas orgânicas presentes nesta devido à ação de microorganismos. A argila organofílica é utilizada por exemplo na clarificação de óleos vegetais. Exercícios 1) Na produção de óleo de soja é realizada a clarificação, porém o mesmo não ocorre na produção de azeite de oliva extra virgem. Por quê? 2) Porquê em muitas “donas de casa” colocam um pedaço de carvão dentro da geladeira ou freezer? Respostas: 1) Se for realizada a clarificação com argila organofílica no azeite, este perderá seus atrativos, que são a cor, o sabor e o odor característicos, consequentemente passará a parecer como um óleo de soja, sem o sabor desejado. 2) Porque o carvão, embora não seja ativado, também realiza adsorção e ajuda a reduzir os odores causados pela degradação de carnes ou outros alimentos no interior da geladeira. VI - PROCESSOS DE CENTRIFUGAÇÃO A centrifugação é um processo de separação física de materiais onde a força centrífuga transmitida pela rotação de um tambor, cilindro ou outro recipiente em torno de um eixo simula a gravidade, porém em sentido contrário, ou seja, enquanto a gravidade atrai a matéria para o centro do eixo, a força centrífuga empurra a matéria no sentido contrário. É fácil imaginar a ação de uma centrífuga, pois temos em nossas casas um equipamento com função centrífuga: a lavadora de roupas!!! Suspensões de partículas em líquidos tendem a separar devido à ação da gravidade, devido à diferença de densidade entre os componentes da mistura. Tome como exemplo um suco de laranja. Se você preparar um suco de laranja e depositá-lo em um copo, permanecendo na mesma posição sem que seja misturado ou deslocado, após uma hora você verá que haverá decantação, ou seja, pode-se distinguir fases com diferentes teores de sólidos em suspensão. Quanto maior o tempo, maior será a separação. Pensando nessa propriedade, por que não “dar uma ajudinha” à mãe natureza?!!! Quanto maior a velocidade do eixo, maior será a força centrífuga aplicada sobre os materiais, consequentemente, temos simulação de gravidade amplificada, dessa forma, misturas heterogêneas são separadas pela ação da centrífuga, a qual, comparativamente, “acelera” a ação da gravidade, diminuindo o tempo para que ocorra a separação. Como visto acima, para que ocorra a separação por centrifugação, é necessário que haja diferença de densidade entre os elementos presentes numa mistura. Mas não é só isso. A centrífuga também deve fornecer ao sistema força suficiente para promover a movimentação das partículas pelo meio líquido. Como assim??????? Lembrando o que foi visto nos primeiros capítulos, temos líquidos com viscosidades diferentes, e, quanto maior for a viscosidade de um líquido, mais difícil será a movimentação de partículas por esse líquido. Tome como exemplo um copo com água e um copo com mel. Se jogarmos um clip metálico na água este irá rapidamente para o fundo. Se for feito o mesmo no mel, o clip levará mais tempo para chegar ao fundo, se chegar!!! Isso nos leva a pensar: se o líquido for mais viscoso, a centrífuga deverá fornecer mais energia ao sistema, ou seja, deverá ser mais rápida para promover a separação. Também podemos pensar o seguinte: quanto maior for a velocidade ou o “RPM”, rotações por minuto, da centrífuga, mais energia esta fornece ao sistema, portanto menor será o tempo de separação. Mas cuidado!!! Não é bem assim, pois os materiais que compõe uma mistura líquida podem ser sensíveis à ação mecânica e sofrer ruptura. Veja o exemplo de glóbulos vermelhos no sangue. Sendo células, são como pequenas cápsulas com líquidos em seu interior. Se essas cápsulas receberem muita energia, poderão se romper, e, apesar de ocorrer a sedimentação dos glóbulos vermelhos, a ruptura desses poderá resultar em falsos resultados, indicando,por exemplo, uma quantidade excessiva de glóbulos vermelhos “mortos”. Sim, estarão mortos, porém pela ação indevida nos procedimentos da análise, o que poderá levar a um diagnóstico equivocado. As centrífugas também podem ser utilizadas na separação de líquidos imiscíveis, por exemplo, emulsões. Quando agitamos dois líquidos imiscíveis, como água e óleo de soja, as duas fases tendem a formar gotículas, o que é denominado emulsão. Ao parar a agitação, as gotículas de cada material tendem a se unir, coalescer, promovendo a separação das fases. Para aumentar a estabilidade de uma emulsão é utilizado um componente denominado emulsificante, o qual age como uma “ponte” entre os líquidos imiscíveis, no nosso exemplo, óleo e água. O emulsificante, para aumentar a estabilidade da emulsão deve evitar que ocorra encontro entre as gotículas do mesmo líquido. Para tal, ele “empresta” sua polaridade As gotículas do óleo, que é um líquido apolar, passam a apresentar polaridade em sua superfície. Como gotículas de polaridade igual se repelem, a emulsão passa a apresentar maior estabilidade. Para promover a separação dessa mistura, a centrífuga deve, devido à viscosidade, fornecer força suficiente para que as gotículas possam se encontrar. Além dessa força, deve também fornecer força maior que a força de repulsão entre as gotículas, de forma a promover a coalescência entre as gotículas, separando as fases. Portanto, não é só “acelerar até o fundo”!!! Antes de realizar a centrifugação, devemos conhecer o que será separado e seus componentes. Exercícios 1) Cite um tipo de análise laboratorial para nossos fluidos corporais onde são utilizadas centrífugas. 2) Por quê em nossas casas a lavadora de roupas apresenta a função centrifugação? Respostas: 1. Hemosedimentação. 2. Para reduzir a quantidade de água na roupa, acelerando o processo de secagem. VII - PROCESSOS DE CENTRIFUGAÇÃO As centrífugas são de dois tipos básicos: de refugo e de sedimentação Nas centrífugas de refugo existe um retículo que age como filtro, o qual impede a passagem de partículas de acordo com o diâmetro destas, porém não dos líquidos, os quais podem sair da centrífuga em movimento, juntamente com as partículas menores que as áreas de passagem. Esse é o caso da função centrífuga das lavadoras de roupas. Nas centrífugas de sedimentação não há retículo que permita a passagem dos líquidos. Toda mistura permanece dentro do cesto da centrífuga, ocorrendo a separação por sedimentação. Quanto ao tipo de construção do equipamento, podemos agrupar as centrífugas em: 1) Separadores líquido-líquido São centrífugas de câmara tubular e de câmera e disco. Centrífugas câmera e disco, ver figura 01, são utilizadas no beneficiamento do leite na separação do creme de leite, refino de óleos vegetais e animais, assim como na clarificação de sucos de frutas. Figura 01 – Centrífuga de câmara e disco Figura 02 – Centrífuga tubular As de câmara tubular, ver ao lado, figura 02, também denominadas Sharples, tem aplicação na separação de gorduras animais e de óleos vegetais, ou na clarificação de sucos de frutas. 2) Clarificadoras centrífugas e para lodos São empregadas na clarificação de líquidos com pequena concentração de sólidos em suspensão. Ver figura 03. São utilizadas na separação de gorduras animais e de óleos vegetais, ou na clarificação de sucos de frutas e cervejas, separação da água e amido de milho, trigo e arroz. Figura 03 – centrífuga clarificadora 3) Centrífugas de cesto filtrante Esse tipo de centrífuga apresenta o cesto com um elemento filtrante (ver figura 04), ou seja, age como um filtro. São utilizados na separação de partículas sólidas relativamente grandes, como o bagaço de frutas nos sucos industrializados, separação da gordura e do soro de queijos, impurezas de óleos vegetais etc. A lavadora de roupas apresenta cesto filtrante adequado para separar a solução ou emulsão aquosa da roupa. Esse tipo de centrifugação é denominado hidroextração, o qual é um processo que visa a retirada do excesso de água do elemento principal sólido. Figura 04 – Cestos filtrantes para centrífugas Exercícios: 1) Qual tipo de centrífuga deve ser utilizada para a análise de sangue? 2) Por quê são utilizadas centrífugas de cesto filtrante para a produção de sucos integral de frutas? Respostas Centrífuga de sedimentação Para a retirada dos sólidos presentes, ou seja, do “bagaço” e sementes das frutas. VIII - MOAGEM O processo de moagem visa a redução do tamanho de partículas sólidas. Mas por quê reduzir o tamanho das partículas? Em um material sólido, considerando como referencial uma massa fixa m, quanto mais ele for dividido, ou seja, quanto menor o tamanho das partículas que compõe a massa, maior será a área de contato entre o sólido e o ambiente que o cerca. A partir dessa informação, podemos concluir: Na produção de medicamentos, são realizadas misturas em fase aquosa. A água é o meio solvente mais utilizado nas reações químicas. A velocidade de reação química entre componentes de uma reação é dependente da área de contato, sendo que quanto maior a área de contato entre os reagentes, maior será a velocidade da reação. Ou seja, quanto menor o tamanho das partículas, maior será a velocidade de reação química. Em suspensões de partículas em meio líquido, quanto maior a área de contato entre o sólido e o meio líquido, maior será o atrito entre os dois. Dessa forma, a movimentação da partícula no meio líquido será dificultada, e, consequentemente, será necessário maior tempo para que ocorra a decantação, portanto, aumentando a estabilidade da suspensão. Ou seja, quanto menor o tamanho das partículas, maior será a estabilidade de uma suspensão. Em aerossóis, quanto menor o tamanho das partículas, maior será a área da superfície de cobertura, ou seja, é necessária menor quantidade do material para que cubra a mesma área quando comparado com partículas maiores. Na secagem de granulados, quanto menor a partícula, maior será a velocidade da secagem. Como o nome já indica, o processo de moagem é realizado por equipamentos denominados moinhos. Para a realização da moagem, os moinhos utilizam forças mecânicas de compressão, impacto e cisalhamento (corte). As forças de compressão são utilizadas na ruptura grosseira de materiais de ruptura frágil, duros. As de impacto também são utilizadas para materiais de ruptura frágil. Já as forças de cisalhamento são utilizadas para reduzir as dimensões de materiais dúcteis, ou seja, que se dobram com o impacto, ou esmagam quando sofrem compressão, porém não se esfarelam. Existem diversos tipos de moinhos, entre eles: 1) Moinho triturador – Utilizado para redução de dimensões de materiais de ruptura frágil. É uma redução grosseira, geralmente necessitando de outros processos de moagem para chegar às dimensões desejadas. Moinho de discos Geralmente usado para moagem de granulação fina, são pequenos e de difícil regulagem. Moinho de impacto tipo rotor de pás (martelos ou facas) – Produzem um material mais fino que o moinho de rolos. Normalmente os moinhos de facas e martelos apresentam melhores resultados do que os de disco para este fim. 2) Moinho de bolas – mais utilizado quando o material a moer é termosensível. É um moinho de baixa produtividade. Moinho secador – Utilizado tanto para a moagem por impacto quanto para a secagem do material moido. Moinho agitador – Tritura por compressão e mistura o material. É usual para triturar e misturar materiais que sofrerão posterior processo de compressão em molde como na fabricação de comprimidos ou placas cerâmicas. Moinho de rolos – Semelhante a uma máquina de preparo de massas para macarrão caseiro ou massas de pastel. Mais utilizado na moagem de café para uso caseiro, fornece um produto de textura uniforme. Para moagem do café torrado destinado à extração de pó solúvel, o moinho de rolos é o mais indicado, sendo também utilizados os moinhos de facas e martelos e os de disco. Exercícios: Qual tipo de moagem é mais adequada para a moagem de açúcar? Resposta: Moagem de impacto ou de compressão. Qual é o tipo de moagem mais indicado para a moagem de folhas verdes? Resposta: Moagem de cisalhamento. IX - SEPARAÇÃO E CLASSIFICAÇÃO GRANULOMÉTRICA Na produção de medicamentos, cosméticos ou alimentos são infinitas as matérias primas utilizadas, e a cada dia surgem mais. Entre estas, a forma de apresentação pode ser como materiais particulados sólidos ou na forma líquida. Nesta aula vamos estudar os materiais sólidos. Os particulados utilizados são de tamanhos diversos, podendo ser em pó ou em pedaços (partes de vegetais ou “pedras”). Estes particulados devem ser separados para os mais diversos processos posteriores, podendo ser para simples embalagem ou para reações químicas. Temos duas funções para esta separação: separar e descartar contaminações (ex: retirar pequenas pedras de arroz); classificar e separar os diversos tamanhos de grãos de um produto encontrados num mesmo lote. Muitos dos insumos são apresentados em grãos disformes com grande variação de tamanho, denominada variação granulométrica. Os produtos devem ser separados com a finalidade de homogeneizar a apresentação destes, seja para simples efeito visual ou por razões técnicas (grãos de tamanhos diferentes apresentam velocidades de reação químicas diferentes). Em muitos casos, a separação é realizada em sequência a um processo de fragmentação. É utilizado um elemento filtrante acoplado a um moinho, permitindo a saída apenas dos grãos menores que a área de passagem do elemento filtrante. O nome usualmente utilizado para este processo é tamização. Na classificação granulométrica, o que é utilizado na separação e classificação dos particulados também é denominado elemento filtrante. Como visto anteriormente, entre outras, uma das razões para a realização da separação e classificação granulométrica reside no fato de que quanto menor a partícula utilizada nos seus processos, maior será a velocidade de reação química, pois maior é a área superficial de reação. Deste modo, pode-se retirar mais facilmente os princípios ativos que se deseja e também promover maior velocidade de absorção destes no organismo. O mesmo se aplica na indústria alimentícia, porém com ressalvas, pois há casos onde não se deseja um particulado micrométrico, mas um particulado de tamanho milimétrico. Deve-se ressaltar a importância de se estudar as características do material a fragmentar e separar antes de realizar a operação, pois ocorrem casos onde o processo de fragmentação pode causar alterações indesejáveis. A homogenidade fornecida pelo processo também é de suma importância, pois desta forma podemos aumentar o rendimento dos processos e melhoria da qualidade do produto final. Os elementos filtrantes geralmente são apresentados na forma de tecidos, que podem ser poliméricos ou metálicos. No caso dos elementos filtrantes de tecidos, são quatro os meios de controle do elemento filtrante: 1) Diâmetro do fio: Deve ser escolhido de forma a suportar o esforço físico e caráter químico do material a separar. 2) Tamanho de abertura: Definido como diâmetro de abertura, deve ser escolhido de acordo as dimensões do que se quer separar. 3) N° de malhas por cm (ou por polegada) linear: Determina a área de passagem e tamanho de abertura. 4) Área de passagem: Determina a velocidade de separação (rendimento) do processo. Quando esses elementos são fixos em aros, são chamados de tâmises ou peneiras granulométricas. As peneiras granulométricas também podem ser utilizadas na separação líquido-sólido. Há casos onde, pelas características do material a separar, ocorre a necessidade de separação em meio líquido, ou o material vem apresentado neste meio. Nestes casos, além dos elementos já mencionados, é utilizado também o filtro-prensa. Exercícios: 1) Qual é a diferença entre o açúcar refinado e o açúcar cristal utilizados no nosso dia a dia? 2) Por quê o açúcar refinado dissolve mais rapidamente em relação ao açúcar cristal? Respostas 1. O tamanho do grão. 2. Porque os grãos de açúcar refinado são menores, portanto a área de superfície total é maior. X - SEPARAÇÃO E CLASSIFICAÇÃO GRANULOMÉTRICA Como visto na aula anterior, é importante a realização da separação e classificação granulométrica. Mas por quê? Qual é a influência? Vamos tomar como exemplo a produção de alimentos enlatados. Muitos deles são frutos cortados ao meio, por exemplo, pêssegos. Os pêssegos são de diversos tamanhos, com diâmetro de 5 cm até 12 cm. Como poderemos embalar pêssegos em calda de 12 cm de diâmetro em latas com 10 cm de diâmetro? O pêssego não caberá. Portanto, os fabricantes realizam a classificação granulométrica dos pêssegos, selecionando os pêssegos de dimensões adequadas às embalagens nas quais estes serão depositados. Outro exemplo é o açúcar, onde diversas qualidades de açúcar são produzidas num único processo, sendo posteriormente realizada a separação dos grãos de acordo com suas dimensões, gerando assim os diversos nomes comerciais com o refinado, o cristal, o açúcar de confeiteiro etc. Apesar de ser o mesmo açúcar, mas com grãos de tamanhos diferentes, tipo tem aplicações diferentes. Por exemplo, imagine o doce denominado “beijinho” que usualmente é recoberto com açúcar cristal, sendo produzido com açúcar refinado ou de confeiteiro. A alteração das dimensões do açúcar promove alteração da textura deste ao tocar na boca e língua, alterando a sensação final. Na produção de comprimidos é de extrema importância a separação e classificação granulométrica, pois grãos de tamanhos diferentes ocupam volumes diferentes. Desta forma, para garantir a regularidade da massa final dos comprimidos, deve ser controlada a qualidade dos grãos utilizados na produção dos comprimidos, sendo que a simples troca de matéria prima com grãos de dimensões diferentes do habitual levam à produção de comprimidos com massas maiores ou menores. O mesmo se aplica na produção industrial de cápsulas. Na produção de medicamentos na forma de suspensões a classificação granulométrica também é imprescindível. Sabemos que quanto menor o tamanho das partículas, maior é a área superficial total. Por conseqüência, maior será o atrito entre as partículas e o meio líquido. Se a força de atrito for igual ou maior que a força da gravidade, as partículas permanecem onde estiverem no fluido, não afundando. Se a força de atrito for menor, porém muito próxima da força da gravidade, as partículas afundam, porém demoram. Quanto maior for essa diferença, maior será a velocidade de sedimentação das partículas. Portanto, ao produzir suspensões medicamentosas, é interessante que sejam selecionadas as menores partículas disponíveis, promovendo assim maior estabilidadeàs suspensões. A vantagem de promover essa estabilidade é que assim aumentamos a regularidade de concentração das partículas em suspensão, evitando, por exemplo, que uma pessoa retire quantidades diferentes de princípios ativos a cada dosagem. Na produção de capsulas, é importante a seleção de partículas de acordo com seu tamanho, pois a velocidade de dissolução ou de reação química dessas no nosso organismo depende de suas dimensões. Partículas maiores demoram mais para dissolver ou reagir. Por consequência, a biodisponibilidade é diretamente proporcional ao tamanho das partículas. Exercícios: 1) O que pode acontecer se não for realizado o controle granulométrico em materiais utilizados na produção de suspensões medicamentosas? 2) Ao preparar medicamentos em cápsulas, você pode optar por utilizar um princípio ativo com partículas de 1 mm ou de 0.01 mm. Qual dessas você escolheria como as mais adequadas? Por quê? Respostas 1) Poderemos ter parte das partículas em suspensão e parte destas depositadas no fundo do frasco, levando a dosagens irregulares. 2) As partículas mais adequadas são as menores, de 0.01 mm, pois para o preparo de cápsulas temos outros materiais, os denominados “qsp”, que são utilizados para preencher os espaços. Se forem utilizadas partículas grandes será maior a probabilidade da ocorrência de cápsulas com quantidades diferentes de P.A., influindo diretamente na regularidade do lote. XI - SECAGEM Após a produção de medicamentos ou alimentos, estes apresentam durabilidade de acordo com suas características físico químicas ou presença de contaminantes. É fácil verificar em qualquer farmácia ou mercado que os materiais apresentados na forma sólida apresentam prazo da validade maior quando comparados com os mesmos na forma líquida. Por quê essa diferença? A presença de umidade, ou melhor, água, pode favorecer a atividade química ou biológica nesses materiais. É fácil verificar a presença de bolor em pães de forma que fiquem armazenados em locais ao sol. O calor promove evaporação da umidade presente no pão, a qual, por não ter por onde sair devido à embalagem estar fechada se condensa na embalagem, molhando a superfície do pão. A proporção de umidade nessa superfície agora é grande o suficiente para permitir o rápido crescimento de fungos. Lembrando: a umidade que permitiu o crescimento de fungos era a umidade do pão, a mesma que conferia maciez ao pão, a qual, quando devidamente distribuída, não causa problemas, ao contrário, confere a qualidade desejada de maciez, porém, quando concentrada na superfície, favoreceu a atividade microbiológica. Portanto, a água, quando presente em quantidade adequada, não causa problemas ou demora mais para permitir o crescimento microbiológico. Quanto maior a presença de água nos materiais, maior será a atividade química e/ou biológica. Em razão desse fator, torna-se necessária a retirada do excesso de água ou de toda a água dos materiais, de forma a conferir maior prazo de validade nestes. Mas não é apenas na atividade química e microbiológica que a água atua. Como já comentado, a água altera a textura dos materiais. O exemplo dado do pão, caso este fique totalmente seco passará a apresentar textura rígida e quebradiça. Ou seja, a água, nesse caso, a água atua como um “amaciante” para o pão. Um biscoito é crocante quando a quantidade de água neste é extremamente pequena, mas, quando o teor de umidade no biscoito é maior que o ideal ele fica murcho. Lembrando de uma propaganda que dizia “é fresquinho por que vende mais ou vende mais por que é fresquinho?”, agora vocês podem dizer que “é fresquinho porque está sequinho”. Como a água altera a textura dos alimentos, esta também altera o gosto e o sabor dos alimentos, pois altera a sensação do alimento ao tocar o interior da boca, principalmente a língua. A retirada de água dos alimentos também altera a concentração de açúcares e ácidos presentes. Frutas secas são em geral mais doces e ácidas que as mesmas antes da secagem. A retirada de água também altera o volume dos materiais. Tomemos como exemplo sucos de frutas. Se for retirado, por exemplo, 80% do total da água presente, estaremos produzindo suco de frutas concentrado. O volume do concentrado ocupará aproximadamente 20% do volume de um litro de suco de laranja, economizando espaço de armazenagem e em custos de transporte. Porém, o processo de secagem também envolve custo. Se estiver sendo avaliado somente o custo final, para pequenas distâncias o custo de secagem é maior que a economia com o transporte, porém a longas distâncias esse custo poderá ser viável. Mas não podemos esquecer que a secagem aumenta a validade, altera o sabor, gosto e textura dos alimentos. Tal alteração pode e é desejada pelo mercado consumidor, gerando novos produtos, os quais, apesar de mais caros tem seu público consumidor. O controle do teor de umidade nos alimentos e medicamentos é particularmente importante na produção de comprimidos e cápsulas. A água solubiliza os componentes de um comprimido e esse efeito é desejado para que este se dissolva para ser absorvido pelo nosso organismo. Se o material utilizado para a fabricação do comprimido estiver totalmente seco, isento de umidade, não será viável a compactação, pois esse “esfarela”, ou seja, fica quebradiço. Mas, se houver na superfície dos grãos componentes do comprimido água suficiente para ionizar apenas a superfície, ao compactar os grãos, na interface dos grãos haverá pontos de adesão onde os grãos se fundem. Portanto, se houver água suficiente para promover pontos de adesão em quantidade adequada, o comprimido apresentará coesão para a embalagem, transporte e armazenamento. Caso a quantidade seja superior ao desejado, o comprimido poderá fica “melado”, pois grande parte de suas partículas estará solubilizada, e, ao invés de conferir coesão, a água, ou melhor, a solução formada atuará como lubrificante, facilitando a movimentação das partículas. Além de impedir a coesão das partículas, a água em excesso permitirá maior atividade química e biológica, inviabilizando o produto. Em resumo, a presença de água pode ser favorável ou desfavorável, dependendo da qualidade desejada no produto e da quantidade de água presente. Para realizar o controle da quantidade de água presente nos materiais é utilizado um método de secagem. Podemos utilizar como definição: Secagem é uma operação unitária utilizada para promover a retirada de um líquido de um material Vale reforçar que veremos os processos industriais de secagem por evaporação, portanto, de líquidos voláteis. Exercícios: 1) Por quê pão francês ao sair do forno tem o miolo macio e a casca crocante? 2) Um pão francês fresco, quente, crocante por fora e macio por dentro, se for embalado em sacola plástica fechada não demora mais que dois minutos para ficar murcho. Por quê? Respostas 1) Porque o miolo é úmido e a casca está seca, com pouca umidade. 2) Porque a água que estava no miolo quente evaporou, saindo do pão. Como a embalagem está fechada, o vapor formado não tem por onde sair, condensando na embalagem. A casca do pão em contato com a embalagem absorve a água e murcha. XII - PROCESSO DE SECAGEM - ESTUFAS Pois bem, vimos na aula anterior que a secagem é um método de retirada de líquidos de um material. Usualmente, associamos a retirada de água, mas pode ser qualquer tipo de líquido. Mas como retirar a água? Vamos inicialmente listar os métodos conhecidos em nossas casas, como a secagem ao ar, por exemplo, roupas estendidas sobrecordas (varal) e a secagem de transferência por contato. Como exemplo a secagem de pratos com um “pano de pratos”. No entanto, embora com esses métodos seja realizada secagem, os mesmos não apresentam produtividade necessária e também permitem facilmente que ocorra contaminação dos materiais. A seguir são apresentados métodos industriais. 1) Secagem por evaporação mediante uso de fonte de calor. Um bom exemplo é o uso de fornos ou estufas. Esse método também é utilizado e, nossas casas. As estufas se tratam de caixas com uma fonte de calor, as quais acumulam o calor em seu interior. Podem ser descontínuas ou contínuas. Utilizam diversas fontes de calor, como a luz solar (esse tipo não é de uso industrial), energia elétrica convertida em calor (resistências elétricas, lâmpadas incandescentes, lâmpadas de radiação infravermelha, microondas), fogo direto e fogo indireto. As mais confiáveis e fáceis de controlar são as elétricas de resistências. Estufas descontínuas são como o forno de suas casas, onde o material a secar permanece um período de tempo no interior da estufa até a secagem desejada, entrando e saindo pela mesma porta, geralmente permanecendo parado em seu interior. JUNG FORNOS INDUSTRIAIS Estufas contínuas são dotadas de esteiras transportadoras, onde o material a secar entra por um lado da estufa e sai do outro. São equipamentos de grande produtividade utilizados preferencialmente 24 horas por dia em razão de economia energética. Existem também variações das estufas, as quais merecem capítulo à parte. Passaremos agora para métodos não tão conhecidos, mais utilizados nas indústrias. 2) Secagem por evaporação mediante pressão reduzida, geralmente com uma fonte de calor para acelerar o processo. 3) Secagem por sublimação. Esse método é mais conhecido como liofilização (em inglês é denominado “freeze drying”), e, devido à sua importância e complexidade, será assunto de um capítulo em separado. Exercícios: 1) Por quê estufas contínuas não são adequadas ao uso em laboratórios de desenvolvimento de novos produtos? 2) Pesquisando na internet junto aos fabricantes de estufas, responda quais são as fontes de calor mais utilizadas em estufas industriais? Respostas 1. Porque são de alta produção e laboratórios de desenvolvimento de novos produtos visam pequenas produções. 2. Resistências elétricas e fogo (direto e indireto). XIII - PROCESSO DE SECAGEM – SPRAY DRYING E LEITO FLUIDIZADO Como tudo evolui, as estufas também evoluíram para novos formatos. Essas variações levaram a processos de secagem mais eficientes e adequados a certos tipos de materiais. Entre os avanços, encontramos dois principais: spray drying e leito fluidizado Spray drying ou secagem por pulverização é um processo de secagem que consiste em pulverizar o produto (que pode ser uma solução, emulsão ou uma suspensão) dentro de uma câmara submetida a uma corrente de gás quente promovendo a evaporação dos solventes, geralmente água, obtendo-se separação ultra-rápida dos materiais sólidos (solubilizados ou não) contidos no meio líquido. O material seco é coletado na forma final em pó, evitando processos posteriores de moagem e separação granulométrica. A degradação aos materiais durante o processo é pequena, porém existe e deve-se evitar esse método para produtos termolábeis, exceto no caso em que a temperatura do ar interno seja inferior ao limite de resistência térmica do material. Esse tipo de secador pode ser de caráter laboratorial, ou seja, pequena escala, ou de grande produção, da ordem de toneladas por hora. Inicialmente foi utilizado na secagem de ovos, evoluindo posteriormente para secagem de leite e sabão em pó. Atualmente são infinitas as opções e a cada dia surgem novos produtos com secagem que utilize esse método. Uma grande vantagem desse método é que pode-se obter partículas de dimensões micrométricas (são encontradas comercialmente partículas de até 5 microns de diâmetro médio) sem a necessidade de moagem, com grande regularidade de diâmetro médio. Também podemos utilizar esse método na fabricação de microcápsulas e microesferas, materiais de última geração. Leito fluidizado (ou leito fluido) é gerado pela passagem de um gás através de uma camada contendo um determinado produto a secar. Esse produto, geralmente granulado, é mantido em suspensão (“flutuando no ar”) pela velocidade do gás, sendo intensamente misturado. Verifica-se que é um método muito parecido com o spray drying, diferindo quanto ao material a secar, o qual deve ser uma suspensão, e quanto à velocidade do fluxo gasoso, onde no caso do spray driyng a velocidade é inferior ao leito fluidizado. Nesse processo não são obtidas partículas tão pequenas quanto pelo spray driyng, sendo que seu produto final é virtualmente isento de pó. É um equipamento de grande produtividade, de alimentação contínua. Ao lado vocês podem ver uma imagem representando o esquema básico de um secador de leito fluidizado. É um equipamento simples, que, segundo alguns profissionais da área, trata-se de um grande “secador de cabelos”, ou uma “pipoqueira de ar quente”. Eles não deixam de estar certos, pois o equipamento apresenta a mesma configuração básica. Entrada de ar quente Saída do ar úmido Alimentação Saída de produto seco grade Utilizando canos de PVC, telas de arame e um secador de cabelos para fornecer o ar quente, é possível montar um equipamento desses em casa para a secagem de ervas aromáticas ou condimentos. Como nesse caso a intenção não é alta produção, recomenda-se montar um equipamento descontínuo, onde a entrada de alimentação e a saída do produto seco não são necessárias. Sugere-se também instalar outra grade na parte superior, na saída de ar úmido para evitar a perda do produto. Exercícios: 1) Utilizando seus conhecimentos de química e física, responda por quê a secagem por spray drying fornece partículas extremamente pequenas? 2) Qual tipo de equipamento de secagem industrial é mais indicado para a produção de materiais granulados isentos de pó? Respostas 1) Ao realizar a secagem de uma solução, o líquido evapora e o sólido permanece no equipamento. As gotas formadas pelo spray, ou seja, pulverizadas, são extremamente pequenas. Com a secagem destas, o sólido formado é ainda menor. 2) Leito fluidizado. XIV - PROCESSO DE SECAGEM – LIOFILIZAÇÃO O último processo de secagem que veremos é a LIOFILIZAÇÃO. É um método de secagem realizado em temperaturas abaixo de 0 ºC, o qual utiliza o fenômeno da sublimação da água, ou seja, após congelamento do material úmido, por processo físico-químico a água neste contida na forma de gelo evapora sem antes derreter, não passa pelo estado líquido. Os exemplos mais comuns de sublimação são a “bolinha de naftalina” e o “gelo seco”. Mas isso é possível??? Gelo de água vaporizar sem derreter??? Sim, é possível e é utilizado. Mas para entender como isso ocorre com a água, vamos antes conhecer um gráfico denominado DIAGRAMA DE FASES DA ÁGUA. Este gráfico permiteverificar o estado físico da água em qualquer condição de temperatura e pressão. Observando o gráfico, podemos verificar facilmente que na pressão atmosférica ao nível do mar, 1 atm ou 760 mmHg, a água congela a 0 ºC e ferve a 100 ºC. A liofilização se divide em três etapas: congelamento do material; sublimação da água sob pressão reduzida; remoção da água incongelável por dessorsão, ou seja, secagem sob pressão reduzida. No diagrama de fases apresentado, a linha vermelha indica as condições aproximadas que devem ser seguidas para a realização da liofilização. Partindo de um material a secar que esteja à temperatura de 30 ºC, no ponto A. O primeiro passo é realizar o congelamento do material. Deve-se observar que para alguns materiais, pouco importa a forma de congelamento, porém para materiais vegetais ou animais que contenham células ou mesmo para outros tipos de materiais que possam conter bolsas, vesículas ou qualquer Temperatura (ºC) Pressão (mmHg) Fase sólida Fase líquida Fase gasosa 0 100 760 A B C D - 40 - 20 30 1,5 outro tipo de capsula, é importantíssimo realizar o congelamento de forma extremamente rápida para evitar o rompimento desses elementos. Com o congelamento, após atingir a temperatura no ponto B, o material deve ser levado ao liofilizador. O liofilizador trata-se de um compartimento, caixa, com isolamento térmico, dotado de sistema de refrigeração que deve atingir pelo menos a temperatura de – 40 ºC. Sua estrutura é robusta para que possa resistir à ação de uma bomba de vácuo. Com o material a liofilizar dentro da cabine de liofilização e a porta deste equipamento devidamente fechada, é acionado o motor da bomba de vácuo, que deverá permanecer ligada até que a pressão do ambiente interno do liofilizador chegue à pressão inferior a 4,58 mmHg (mais usual encontrar valores aproximados de 1 mmHg a 1,5 mmHg), no ponto C, quando a bomba de vácuo deverá ser desligada. No ponto C inicia-se o fornecimento de calor por meio de um aquecedor instalado no interior da câmara de liofilização, próxima ao material a liofilizar. Verificar que somente a região do material a liofilizar é aquecida. Quando a temperatura ultrapassa a curva de sublimação, indo do ponto C ao ponto D, é iniciada a evaporação da água congelada, ou seja, ocorre sublimação. Porém, o vapor gerado pode subir a pressão interna, impedindo a liofilização. Para evitar que isso ocorra, utiliza-se um condensador (que pode estar localizado no interior da câmara de liofilização, nas paredes internas) operando em temperatura inferior à do produto a liofilizar (geralmente abaixo de – 40 ºC), onde se retém a água evaporada. O material deve ser mantido no estado sólido durante todo o processo, tudo deve permanecer abaixo das temperaturas eutéticas e de colapso (fornecidas em literatura ou por meio experimental). A câmara de secagem deve permanecer sob pressão reduzida durante todo o processo. Note-se que os valores indicados podem variar de acordo com o equipamento utilizado e o material a secar. Mas por quê realizar esse processo difícil, lento e caro? Como visto anteriormente, é realizada a secagem para a retirada da água presente em alimentos ou medicamentos, total ou parcialmente, para evitar o crescimento microbilológico ou reações químicas. Se esse processo for realizado em materiais termo-resistentes, não há problemas em utilizar um dos processos anteriormente comentados. Porém, se for utilizada uma estufa na temperatura de 60 ºC para a secagem, por exemplo de carnes, frutos ou verduras, ocorrerá degradação desses alimentos e haverá alteração no gosto, sabor, textura, etc. Se esse tipo de secagem for realizada em certos medicamentos denominados termolábeis, ou seja, sensíveis à ação do calor, estes serão facilmente alterados, perdendo sua eficácia. Em razão da liofilização ser um processo de secagem com temperaturas inferiores a 0 ºC, não ocorrerá esse tipo de perda. Entre os processos de secagem industrial, a liofilização é o processo que mais conserva as propriedades dos alimentos e medicamentos. Não se pode dizer que não possam ocorrer perdas pela liofilização, pois outros líquidos voláteis, como certos óleos essenciais, podem também evaporar durante o processo. É cada vez mais comum encontrar produtos liofilizados, como frutos fatiados “crocantes” em saquinhos vendidos nos mercados, misturas para sopas, preparados em pó para suco, antibióticos, vacinas etc. Exercícios: 1) Qual processo é o mais indicado para a secagem de medicamentos que contenham materiais biológicos, como a saccharomices boulardii? 2) Por que a liofilização é indicada para a secagem de materiais enzimáticos? Respostas 1. Liofilização. 2. Porque não atinge a temperatura de degradação das enzimas, 60 ºC XV - DESTILAÇÃO Quem já não ouviu falar em destilados, como cachaça, vodka e outras bebidas alcoólicas? E o que isso tem a ver com a área da Farmácia? Bem, muitos medicamentos utilizam álcool etílico como solvente ou como reagente. Mas não é só isso. É possível extrair princípios ativos de plantas e/ou purificá-los por meio de destilação. A destilação é um processo que utiliza a propriedade de alguns materiais de evaporar e condensar sem alterar sua composição química. São materiais que evaporam sem degradar. Exemplos desse comportamento são a água, álcool, gasolina, óleos essenciais etc. Mas devemos enfatizar que, embora não degradem, no caso de contato com fogo, alguns deles podem reagir com o oxigênio e queimar, portanto não podemos aplicar fogo diretamente ao material. A destilação trata-se de um conjunto de operações cuja finalidade é separar as substâncias voláteis das não voláteis, ou separar os constituintes de uma mistura líquida com mais de um componente volátil, cujos componentes tenham temperaturas de ebulição diferentes. Temos quatro tipos de destilação: 1) Destilação simples Ao aquecer uma mistura líquida, o vapor originado pela ebulição dessa mistura é conduzido por um condensador onde é condensado e conduzido a um novo recipiente. A separação mediante esse processo não é completa, a não ser que os componentes tenham pontos de ebulição muito afastados ou um deles não seja volátil. Apesar disso, esse método é muito utilizado, tanto em laboratórios como na indústria, sempre que não seja necessária uma separação absoluta dos constituintes da mistura a destilar ou quando se pretende separar um líquido dos produtos não voláteis nele dissolvidos. É muito utilizado na destilação de água e bebidas alcoólicas. São vários os tipos de aparelhos para fazer uma destilação simples. São compostos essencialmente de um recipiente onde é promovida a vaporização do líquido mais volátil, que é conduzido até o condensador. A figura ao lado mostra um exemplo de aparelho de destilação simples utilizado para obtenção de água destilada. 2) Destilação fracionada Quando temos mais de um componente volátil em uma mistura, onde a temperatura de ebulição destes não é tão distante, a destilação simples não apresenta eficiência. Uma forma de aumentar a eficiência foi pela alteração do coletor dos vapores, onde este é denominado coluna de destilação. Com esse tipo de destilação é possível separar diversos tipos de componentes em um único processo, onde os diversos componentes ou frações com diferentes composições ou concentrações podem ser coletados e conduzidos diretamente da coluna de fracionamento até o recipiente de armazenamento. Para esse tipo dedestilação é utilizado um balão de destilação (também denominado alambique ou refervedor), uma coluna de destilação, um condensador e um receptor. A mistura a ser purificada é colocada no efervedor para aquecimento. O vapor quente gerado é conduzido pela coluna, onde resfria ao longo desta e acaba por condensar-se. O líquido condensado escorre para baixo pela coluna, em direção à fonte de calor. Mais vapor sobe continuamente pela coluna,encontrando-se com o líquido, perdendo energia para o líquido. Parte desse líquido que recebe o calor do vapor ascendente torna a vaporizar-se. A certa altura, um pouco acima da condensação anterior, condensador Entrada de água de resfriamento Saída da água de resfriamento Material destilado Mistura a destilar o vapor torna a condensar-se e escorrer para baixo. Este ciclo de vaporização e condensação ocorre repetidas vezes ao longo de toda a altura da coluna. Vários obstáculos são colocados dentro da coluna de destilação como ilustrado na figura ao lado, de modo a retirar energia dos vapores ascendentes. Em razão desta perda de energia, os vapores mais energéticos, que estão mais próximos de sua temperatura de ebulição, sobem mais alto pela coluna. Esse tipo de processo é muito comum na destilação de petróleo. Exercícios: 1) Misturas heterogêneas (como água e areia, ou água e óleo de soja, por exemplo) não são separadas por destilação. Pense nos métodos vistos até agora e tente responder por quê? 2) Álcool etílico para uso hospitalar ou como combustível é produzido por qual tipo de destilação? Por quê? Dica: pesquise qual é a temperatura de ebulição do álcool e da água. Respostas Porque misturas heterogêneas podem ser separadas por centrifugação ou filtração, por exemplo, processos mais rápidos e baratos que a destilação. Destilação fracionada. As temperaturas de ebulição do álcool e da água são muito próximas e a destilação simples não apresenta a eficiência desejada. XVI - DESTILAÇÃO – PRESSÃO REDUZIDA E ARRASTE A VAPOR 3) Destilação sob pressão reduzida (à vácuo) Por vezes, temos misturas onde a temperatura de ebulição de dois componentes é igual ou muito próxima na pressão ambiente. Quando isso ocorre, mesmo a destilação fracionada apresenta baixa eficiência. Nesse caso pode-se utilizar a pressão reduzida, que nada mais é que acoplar uma bomba de vácuo ao equipamento de destilação, reduzindo a pressão do sistema de destilação. A redução da pressão acelera ou mesmo viabiliza separações desses tipos de mistura por destilação. Mas como a redução de pressão do destilador pode acelerar o processo? Lembrando do diagrama de fases da água visto na aula de liofilização, aproveitamos para informar que todas as substâncias apresentam seu próprio diagrama de fases. Vamos utilizar o diagrama de fases da água com sobreposição de um diagrama de fases de outro material B no mesmo gráfico, assim temos que na pressão ao nível do mar, 760 mmHg, os dois componentes fervem a 100 ºC e congelam a 0 ºC. Pressão (mmHg) Temperatura (ºC) 100 0 760 B água Ao ligar a bomba de vácuo e reduzir a pressão para P1 menor que 760 mmHg, ocorre alteração na temperatura de ebulição dos componentes, onde a temperatura de ebulição da água passa a ser T1 menor que 100 ºC, e a temperatura de ebulição do componente B passa a ser T2 menor que T1. Verifica- se então que a temperatura de ebulição da água e do componente B não são mais iguais. Devido a essa propriedade agora é possível separar por destilação a mistura apresentada. O mesmo ocorre em casos onde a temperatura de ebulição é muito próxima, sendo uma importante ferramenta. Também pode ser utilizado esse sistema em casos onde uma ou mais substâncias de uma mistura a destilar sofre degradação térmica em temperaturas acima de, por exemplo, 60 ºC, o que limita a temperatura de processo a valores abaixo deste, geralmente 5 ºC abaixo do limite de degradação, e, destilação realizada nessa temperatura na pressão atmosférica igual ou próxima à pressão ao nível do mar é muito lenta. Com a redução da pressão na destilação pode-se acelerar esse processo de destilação. P1 < 760 T2 < T1 < 100 ºC T1 < 100 ºC 4) Destilação por arraste de vapor Trata-se de uma destilação de mistura de substâncias imiscíveis, composta por compostos orgânicos e água. A destilação por arraste a vapor pode ser utilizada nos seguintes casos: 1) Quando o intuito é separar ou purificar uma substância que apresente ponto de ebulição alto e/ou risco de decomposição; 2) Na separação ou purificação de substâncias contaminadas com impurezas resinosas; 3) Para retirar solventes com elevado ponto de ebulição, quando em solução existe uma substância não volátil; 4) Para separar substâncias pouco miscíveis em água cuja pressão de vapor seja próxima a da água a 100°C, o que é muito importante para as substâncias que se decompõem nestas temperaturas. Nesse tipo de destilação, a água é aquecida num recipiente e o vapor produzido é direcionado para um outro recipiente, onde se encontra o material vegetal que contem o componente que se quer obter. O calor do vapor faz com que as paredes celulares que retém esse componente volátil se abram, liberando-o. Ao receber o calor proveniente do vapor de água, o componente aquece e atinge energia suficiente para evaporar, acompanhando o vapor de água em direção ao condensador. Após a condensação, os condensados formados, de água e do outro componente, são conduzidos a um recipiente. Se o componente não for miscível em água, inicialmente a mistura apresenta-se leitosa, pois é uma emulsão instável, porém, com o tempo, a água se separa do outro componente, apresentando duas fases bem definidas, sendo agora possível separar os dois com facilidade. Um exemplo de uso desse tipo de destilação é a extração de óleo essencial de cravo da índia. Como curiosidade, esse óleo além de aromático apresenta propriedades bactericidas, fungicidas e também é um anestésico, que ainda é utilizado por dentistas, mesmo com todo o avanço de novas tecnologias de produção de anestésicos. Exercícios: 1) Qual tipo de destilação é indicada na separação de óleos essenciais onde não se deseja contaminação de outros componentes presentes em plantas? 2) Como podemos destilar solventes que contenham substâncias não voláteis dissolvidas que podem ser degradadas em temperaturas maiores que 60 ºC? Dica: pesquise qual é a temperatura de ebulição do álcool e da água. Respostas Destilação por arraste de vapor. Pela destilação sob pressão reduzida. XVII - AGITAÇÃO Após todos os processos vistos nas aulas anteriores, onde foram vistos diversas formas de obtenção, extração, redução de tamanho de partículas e separação, agora vamos misturar tudo. Isso mesmo, MISTURAR tudo!!! Podemos listar algumas das funções da agitação: 1) Homogeneização 2) Acelerar troca de calor 3) Separação 4) Promover e/ou acelerar reações químicas 5) Aeração Vamos entender como cada um dos itens acima promove vantagens ou desvantagens, iniciando pela homogeneização. Os processo vistos nas aulas anteriores, na maioria dos casos, visam a obtenção de matéria prima necessária à produção dos fármacos, cosméticos e alimentos. Após a obtenção das matérias primas e sua devida análise, separação, classificação e pesagem, essas são misturadas de acordo com suas propriedadese com o que se deseja obter. Em alguns casos, a mistura é muito fácil, que pode ocorrer quase que por si só, porém, muitas vezes, é necessário o uso de equipamentos para promover a mistura de forma mais adequada e rápida. Mas por quê? Para o preparo de comprimidos, temos o princípio ativo, P.A., que é misturado com diversos componentes denominados “qsp”, quantidade suficiente para, cujas qualidades serão vistas oportunamente em suas aulas de farmacotécnica. Se a mistura do P.A. com o “qsp” não for adequada, poderemos produzir comprimidos sem P.A., ou mesmo produzir comprimidos com excesso de P.A.. Em ambos casos a pessoa ou animal que irá ingerir esse comprimido poderá vir a ter problemas sérios em decorrência da mistura inadequada. O mesmo vale para a produção de cápsulas, saches e outras formas sólidas. Da mesma forma que para formas sólidas, nas formas líquidas a mistura também deve ser adequada de forma a dissolver completamente os materiais solúveis no meio solvente, geralmente água. Também temos medicamentos na forma de suspensões ou de emulsões, cujos componentes devem ser devidamente dispersos no sistema líquido base. No caso de troca de calor, vamos tomar como exemplo um caso doméstico. Se alguém lhe oferecer um copo de café muito quente, a primeira reação é misturar o café com a colher que acompanha a xícara. A mistura acelera o resfriamento do café. Do mesmo modo, é comum encontrar mães agitando refrigerantes com uma colher, na tentativa de “tirar o frio”! Vamos aproveitar para corrigir essa frase que nos é comum em nosso dia a dia, pois não podemos “tirar o frio”, mas aquecer o refrigerante. Além de ajudar no aquecimento do refrigerante, é também promovida a saída mais rápida do gás carbônico presente no refrigerante, ou seja, a agitação também pode promover ou acelerar a separação de materiais. Na separação granulométrica já vista nas aulas 9 e 10, onde é utilizado um equipamento vibratório, este nada mais é que um agitador, o qual acelera o processo de separação. No caso de reações químicas, tomemos como exemplo a simples mistura de açúcar em um copo de água. Se a água estiver quente, a dissolução do açúcar é rápida e em quase todos os casos dispensa agitação, mas, se a água estiver fria, é comum encontrar um pouco de cristais de açúcar no fundo do copo. Para promover a dissolução completa podemos agitar com uma colher e o restante do açúcar dissolve. Então, se aplicar esse princípio em misturas de reagentes, esses poderão dissolver mais facilmente no meio líquido. Dessa forma, também facilitamos o encontro dos reagentes para que possa ocorrer a reação química entre estes, pois parados, os componentes não se encontrarão, porém, em movimento, ou seja, durante a agitação, a probabilidade do encontro entre os componentes é grande, mas não podemos esquecer que ainda existe possibilidade do encontro não ocorrer, por isso temos o termo “rendimento” ou “grau de conversão” de uma reação química, termos utilizados para indicar a porcentagem de componentes que reagiram. Todos já tiveram contato com um liquidificador. Se você preencher o copo do liquidificador com 500 ml de água e ligar o motor deste, a água rapidamente ficará translúcida, não estará mais transparente, isso em razão de que agora a água estar cheia de bolhas de ar que foi introduzido nesta pelo agitador do liquidificador. Portanto, a agitação também pode promover aeração. Exercícios: 1) Por quê utilizamos agitação com colher para misturar chocolate em pó no leite? 2) Por quê a agitação aumenta a velocidade das reações químicas? Dica: pesquise qual é a temperatura de ebulição do álcool e da água. Respostas 1) Para promover e/ou acelerar a dissolução do chocolate no leite. 2) Porque promove ou aumenta a probabilidade do encontro dos reagentes. XVIII – AGITAÇÃO - PROCESSOS Agora que já sabemos porque agitar, vamos ver como agitar. Temos diversas formas de agitação e agitadores. Podemos agitar simplesmente promovendo vibrações, por meio de um agitador, girando um cilindro com o material a agitar e diversas outras formas de agitação. Vamos ver um pouco sobre os agitadores mecânicos. Temos inicialmente o agitador eletromecânico, agitador elétrico, agitador com moto-redutor mecânico ou o agitador pneumático. Todos esses agitadores são utilizados para processos industriais, sendo projetados para onde se necessita de agitação, mistura, homogeneização, cisalhamento de partículas sólidas, entre outros processos. São projetados para diversas densidades, viscosidades, soluções alcalinas ou ácidas, sendo desenvolvidos de acordo com a necessidade do produto e/ou do processo. O misturador horizontal é utilizado para mistura de materiais de alta viscosidade. Pode-se ver nos detalhes internos que trata-se de um reservatório tipo tanque com um eixo helicoidal que promove a mistura. Também para massas viscosas, temos o misturador basculante, muito conhecido pelo seu uso na construção civil para mistura de cimento, porém também pode ser utilizado para a área farmacêutica ou alimentícia, principalmente na produção e/ou obtenção de matéria prima. O misturador planetário é muito semelhante à “batedeira” que nossas mães utilizam para preparo de massas de bolos. Na indústria é utilizado também para essa função, a diferença é que é mais robusto pois suporta massas maiores, pois enquanto em casa são preparadas massas de até 2 kg, na indústria são preparados mais de 50 kg por lote. É utilizado para massas viscosas como massa de pão. O misturador tamboreador rotativo, ou de cilindro, é um misturador de processo lento, utilizado principalmente onde a matéria prima é termo-sensível ou deve sofrer moagem durante a mistura. Para isso, basta introduzir esferas de material cerâmico de alta dureza e densidade. Nas indústrias, é comum o uso de linhas de tanques misturadores. Os tanques agitadores misturadores, adequados para a mistura de líquidos, podem ser apresentados com diversos tipos de hastes misturadoras, cada qual com suas características específicas, as quais variam quanto à eficiência de mistura de acordo com o tipo de fluido. São adequadas para agitar, dispersar, dissolver, homogeneizar, promover suspensão de sólidos, aerar etc. Os misturadores em Y e em V apresentados acima são modelos de laboratório. Os mesmos são produzidos em tamanhos diversos para uso industrial. São adequados para misturas de materiais granulados ou em pó secos. Muito úteis no preparo de misturas para a produção de cápsulas e comprimidos. Temos também os separadores vibratórios, muito importantes na produção de materiais granulados ou “em pó”, como farinha de trigo, amido, açúcar refinado, óxido de alumínio, abrasivos etc. Além desses agitadores e misturadores podem ser encontrados infinitos outros modelos, cada qual mais adequado a uma função. Para a escolha do misturador adequado, é sempre importante conhecer bem o que será misturado e sempre consultar um especialista em máquinas de mistura. Exercícios: 1) Misturadores em V ou Y são adequados ao preparo de misturas para a produção de cápsulas. Pode ser utilizado o misturador planetário para a mesma função? Dica: Observe os detalhes do equipamento quanto à entrada de material e se existem tampas. 2) O separador vibratório é utilizado para a separação de grãos de acordo com o tamanho destes. Pode ser utilizado para separação de misturas de grãos
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