Trabalho sobre liofilização

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UNIVERISDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
CURSO DE FARMÁCIA
DISCIPLINA DE FUNDAMENTOS DE OPERAÇÕES UNITÁRIAS
LIOFILIZAÇÃO
Alieni Bitencourt, Thamile Caetano e Yasmin Sudatti
Santa Maria, julho de 2018.
NO QUE CONSISTE O PROCESSO:
	A liofilização, conhecida também por outras nomenclaturas como criodesidratação ou criosecagem, é um sistema diferenciado de desidratação de produtos, uma vez que ocorre em condições especiais de pressão e temperatura, possibilitando que a água previamente congelada (estado sólido) passe diretamente ao estado gasoso (sem passar pelo estado líquido), ou seja, a mudança de estado físico ocorre por sublimação. Tal como a evaporação, a sublimação ocorre quando a molécula ganha energia suficiente para se desprender das outras em seu redor. Para isto faz-se necessário que a zona da temperatura de sublimação seja abaixo do ponto triplo (o ponto triplo da água acontece a 639,95 Pa e 273,15K). A água ou solução aquosa existente no produto que pretende-se sublimar deve estar na fase sólida; a maioria dos liofilizadores trabalham com dez graus Celsius negativos ou a uma pressão absoluta de aproximadamente 266,65 Pa. 
 Historicamente, o primeiro produto liofilizado, de forma adequada, foi o vírus da raiva, em 1911. Hoje em dia, são rotineiramente liofilizadas grandes variedades de substâncias, tais como: alimentos, antibióticos, anticoagulantes, bactérias, vírus, enzimas, hormônios, e frações de sangue. 
	Na área de alimentos, podemos citar como exemplo de produtos que passam pelo processo de liofilização: matérias-primas alimentares, bebidas, bem como alimentos prontos, uma vez que por fazer parte do processo de estabilização dos alimentos no geral, a substância é primeiramente congelada e, depois, a quantidade de solvente é reduzida por sublimação seguida da dessorção, com o objetivo de garantir que não haja apoio para o crescimento biológico ou reações químicas. Como tal, eles podem ser preservados em um estado de armazenamento permanente e serem posteriormente reconstituídos substituindo a água.
	 Sem dúvida, o maior destaque foi durante o programa Apollo da NASA, que impulsionou as pesquisas básicas para elucidação dos mecanismos de liofilização de alimentos. Os produtos tecnológicos existentes atualmente foram desenvolvidos a partir dos fundamentos adquiridos nestas pesquisas.
	 
PROCESSO CONTÍNUO/BATELADA:
 
 Liofilizadores que operam em processo de batelada envolvem a produção ou o processamento de produtos em bateladas finitas, ao invés de ser um processo contínuo de produção. Neste processo, uma dada quantidade de material é processada através de passos unitários, cada passo sendo completado antes de passar para o seguinte. A entrada do material em batelada é feita por quantidades discretas de modo descontínuo. Essas bateladas podem ser medidas em litros, galões, quilogramas, etc e são utilizados em produtos farmacêuticos, alimentos e bebidas e especialidades químicas.
	Produção de bateladas é uma ferramenta flexível, permitindo a produção de múltiplos produtos em uma mesma linha de produção. A automação de batelada deve ser um processo detalhado com a correta quantidade de ingredientes, a fim de criar a qualidade dos produtos, para posteriormente estar apta a recomeçar o processo e configurar um produto completamente diferente, utilizando diferentes ingredientes e passos do processamento. Uma batelada tem características específicas, tais como seu tamanho, peso, cor, matérias primas, aditivos, catalisadores, etc. Consistência e repetibilidade diante de múltiplas bateladas são críticos, juntamente com a manutenção e backup de diversas “receitas” utilizadas para criar variações de produtos. O sistema de refrigeração opera normalmente com amônia. O aquecimento da corrente a vácuo proporciona diversas vantagens como o alto calor latente de condensação e o controle da temperatura pela pressão (Mujundar, 2006). Conforme se aumenta o volume da produção, aumenta-se apenas o comprimento do túnel e introduz-se nova bomba de vácuo. Este equipamento utiliza ciclos de pressão que traz em vantagens suficientes para compensar o alto custo do equipamento.
 Liofilizadores contínuo, são uteis quando a matéria prima entra num lado do sistema e o produto final sai do outro, continuamente por isso são de fácil controle, requerem menor mão-de-obra e supervisão. Neste processo o termo contínuo significa um período de tempo relativamente longo, medido em horas, em dias e até em meses dependendo do processo. As indústrias petroquímicas, cimenteiras, siderúrgicas, papel e celulose são exemplos de processos contínuos. As paradas totais dos processos contínuos se realizam em intervalos de um ano ou mais. Um processo contínuo pode levar até vários dias para entrar em regime estável e permanente de produção. O uso é muito interessante para estruturas que trabalham com um único produto ou que a alimentação provém de processo contínuo. Estes secadores contínuos são mais econômicos que os secadores em batelada.
APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA FARMACÊUTICA
	No final dos anos 70, a liofilização era frequentemente utilizada para taxidermia, conservação de alimentos, conservação de peças e artefatos em museus, porém pouco utilizado na produção farmacêutica por ser considerado um processo lento e caro.
	Entretanto, atualmente é utilizado na indústria farmacêutica e alimentícia como em processos de: desidratação de produtos termos sensíveis como antibióticos, vitaminas, enzimas; culturas microbianas usadas em fermentações industriais; na prevenção de coagulação de hemoderivados, lácteos, etc.
	Exemplos de produtos liofilizados são: antibióticos, bactérias, soros, vacinas, medicamentos para diagnóstico, produtos contendo proteínas, células e tecidos e produtos químicos. 
	De maneira geral o processo de liofilização consiste-se em três etapas:
- CONGELAMENTO:
	O produto a ser liofilizado é congelado em temperatura adequada para cristalizar o produto líquido, sendo considerada uma etapa de grande importância e interesse. Nela, efetua-se a primeira modificação no produto e condicionam-se todas as etapas seguintes/sucessivas. Tem uma grande influência sobre a qualidade do produto final e no tempo que será necessário para secar o material. Nesta fase cada núcleo cristalino formado durante o curso do congelamento inicial, torna-se o centro onde as moléculas de água convergem da vizinhança.
	Segundo ADAMIEC et al. (1995), um congelamento lento (10-1000C/min) é prejudicial para as células porque propicia a formação de grandes cristais de gelo que após a sublimação da água ou da substância aquosa podem causar prejuízos mecânicos à estrutura das células como a membrana plasmática. O congelamento “ultraswift“ (10000C/min) é resultado de uma queda brusca de pressão ou temperatura. Em conseqüência desta espécie de choque pequenos cristais de gelo são formados e distribuídos uniformemente sem afetar a estrutura das células. Este tipo de congelamento não só facilita o processo tecnológico como intensifica a desidratação. O congelamento “ultraswift” ou auto congelamento é indicado nos casos em que os materiais têm baixa umidade. Para materiais com alta umidade faz-se, primeiramente, um congelamento inicial.
- SECAGEM PRIMÁRIA:
	 Neste estágio, a água congelada é removida por sublimação, e conforme o gelo sublima, formam-se poros no interior do produto que está sendo secado. Durante este estágio alguma umidade na camada de secagem pode dessorver. O processo de dessorção na camada de secagem pode afetar a quantidade de calor que chega na interface da sublimação, e, isto pode afetar a velocidade da sublimação na interface. O vapor d’água produzido pela sublimação da água congelada e pela dessorção da umidade na camada de secagem durante o estágio primário (maior quantidade de remoção de água duranteeste estágio é através da sublimação da água congelada), é transportado por difusão e fluxo convectivo através dos poros da estrutura de poros da camada de secagem. Este vapor d’água é dirigido para a câmara de secagem do liofilizador. O objetivo na secagem primária é achar condições de operação para a liofilização minimizando a duração deste estágio pela maximização da velocidade de remoção de vapor d’ água na interface. A remoção do vapor de água durante a sublimação pode fazer-se por bombeamento direto, passagem do vapor d’água através de agentes fixadores ou condensação a baixa temperatura. 
- SECAGEM SECUNDÁRIA: 
	No estágio de secagem secundária se refere à remoção da umidade sublimada do produto requerido. A taxa de remoção de vapor sublimado é uma parte importante do processo de liofilização. O estágio secundário de secagem na liofilização começa, teoricamente, quando todo o gelo foi removido por sublimação. De acordo com ADAMIEC et al. (1995) a adsorção do vapor d’água em adsorventes dentro da câmara de secagem , ou contato direto do adsorvente com o material secado é um dos métodos promissores desta área. O objetivo deste estágio é encontrar as condições de operação que minimizam a duração deste estágio sem perder em termos de estabilidade de estrutura e estabilidade química do produto, proporcionando uma concentração de umidade desejável na qual não se tenha problemas com armazenagem. As estabilidades estruturais e químicas são funções da temperatura e da concentração de umidade. 
	Para melhor compreensão a figura 1, abaixo, explica de maneira ilustrativa a ordem dos compartimentos do liofilizador acima citados:
Figura 1: Funcionamento do liofilizador. 
	As condições em que o processo ocorre determinarão a qualidade do produto liofilizado. O resultado final é um produto com uma estrutura porosa livre de umidade e capaz de ser reconstituída pela simples adição de água. Desta forma, os produtos liofilizados não sofrem alterações de tamanho, textura, cor, sabor, aroma, teor de vitaminas, sais minerais, proteínas, etc. e, quando conservados adequadamente, mesmo em temperatura ambiente, resistem intactos por muitos anos. 
	Produtos liofilizados têm baixo peso, – a maioria dos produtos naturais possui mais de 80% de água, se conservam mesmo a temperatura ambiente e, quando reconstituídos, retomam suas propriedades originais como nenhum outro produto desidratado, demonstrando assim sua importância na utilização em escala industrial. 
EQUIPAMENTOS/FABRICANTES
	Dentre os componentes básicos de um liofilizador podemos citar: câmara para secagem a vácuo (onde fica o material a ser liofilizado), sistema de vácuo, sistema de aquecimento e sistema para remoção de vapor (condensador, dessecador). Apresenta duas câmaras principais, uma onde encontram-se as prateleiras que é aonde irá o produto que será liofilizado e a outra que possui serpentinas de refrigeração sendo que é para onde a água irá quando abaixar a pressão.
A cinética do processo de liofilização é determinada pelo transporte interno de calor do material secado e umidade sublimada na forma de vapor e também pelo transporte de vapor na superfície do material. Se a água for colocada numa câmara de vácuo, conectada a uma bomba de grande capacidade e a concentração de moléculas acima da superfície do líquido for reduzida por bombeamento, a chance das moléculas que deixaram a superfície do líquido retornarem é muito pequena. Isto pode ser percebido a partir do fato de que se uma molécula não retorna, seu calor latente de vaporização se perde e a temperatura do líquido cai. Peneiras moleculares, zeólitos ou cerâmicas podem ser recomendados para adsorção do vapor d’água, porque a atividade de adsorção destes nas condições da liofilização não decai com o aumento da temperatura devido ao calor de adsorção.
Portanto as exigências básicas para o processo de liofilização são uma câmara de vácuo, uma bomba para remover o ar e o vapor d’água, e um sistema para repor o calor latente perdido.			
 	Conforme figura 2, podemos visualizar melhor os compartimentos básicos de um liofilizador: 
 
Figura 2: Compartimentos básicos de um liofilizador.
	Dentre os diversos tipos de liofilizadores, podemos citar os que seguem abaixo assim como os que envolvem o processo continuo e batelada:
	-Liofilizador tipo bandeja: é o mais utilizado. Existem dois tipos principais que diferem de acordo com o condensador utilizado. Os condensadores podem ser colocados dentro da câmara, ou o condensador localiza-se numa câmara separada conectada por tubos. Este tipo de equipamento proporciona dificuldades em trabalhar com produtos farmacêuticos, como ampicilina, devido à dificuldade em manter o produto estéril. Porém possui a vantagem de ser mais econômico no que diz respeito à energia. 
	-Liofilização por micro-ondas: Tem como desvantagens o alto valor com relação ao preço desta forma de energia, é de difícil controle porque a água tem constante dielétrica maior que a do gelo e qualquer ponto onde tenha ocorrido fusão do gelo ocorre perda de calor, além de não existir este tipo de secador disponível em escala industrial.
	A figura 3 e 4, nos demonstra de forma ilustrativa os diversos tipos de liofilizadores:
a) Liofilizadores de bancada:
Figura 3: Liofilizador de bancada 
b) Liofilizadores industriais:
Figura 4: Liofilizador industrial
CONCLUSÃO
	Portanto, o processo de liofilização leva vantagem no que toca ao acondicionamento dos produtos, pois ao contrário da refrigeração, não exige o recurso a ventiladores (de compressores, condensadores e evaporadores) e, portanto, não há gastos acrescidos de energia eléctrica, havendo apenas e só o consumo relativo à iluminação aém do mais é necessário somente uma pessoa para operar a máquina e outra para supervisionar, controlar as operações de fornecimento, entre outras tarefas. Porém, a mesma é dispendiosa devido aos longos tempos de secagem envolvidos, o que tem impedido a aplicação da técnica de secagem a materiais a granel
	No entanto, por todas as razões apontadas no decorrer do trabalho (oferecimento de conservação de alimentos em quase sua totalidade a temperatura ambiente; produção de medicamentos, etc), a refrigeração continua e continuará a ser a tecnologia de processamento de produtos mais utilizada, pelo menos, a nível alimentar e tende a crescer cada vez a nível de industrial de medicamentos.
BIBLIOGRAFIA:
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BOSS, Edinara; Modelagem e otimização do processo de liofilização: aplicação para leite desnatado e café solúvel; Universidade Estadual de Campinas; 2004.; Data de acesso: 15/07/2018.
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O que é Liofilização? ; Disponível em: http://www.liotop.com.br/o-que-e-liofilizacao/; Data de acesso: 13/07/2018.
Princípios Básicos da Liofilização Farmacêutica; Disponível em: https://www.gea.com/pt/stories/freeze-drying-fundamentals.jsp; Data de acesso: 12/07/2018.