Aula desidrataçãoliofilização

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Operações Unitárias na Área Farmacêutica
Desidratação e liofilização
Profa. Andreza Angélica Ferreira
ALM030
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Tópicos
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 Desidratação x liofilização
 Fundamentos da desidratação por ar quente
 Curva de secagem/desidratação
 Principais equipamentos desidratdores/secadores
 Fundamentos da liofilização
 Equipamentos liofilizadores
 Artigo científico
DESIDRATAÇÃO x LIOFILIZAÇÃO
 Operações unitárias pela qual se elimina água (transferência de 
massa) ou outro solvente presente em material sólido, pastoso 
ou líquido, pela transferência de calor em condições 
perfeitamente controladas ou não. 
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DESIDRATAÇÃO x LIOFILIZAÇÃO
 Desidratação: eliminação de água (solvente) por evaporação
pelo emprego de ar quente
LÍQUIDO para GASOSO
 Liofilização: eliminação de água (solvente) por sublimação pelo
emprego de frio e vácuo
SÓLIDO para GASOSO
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DESIDRATAÇÃO x LIOFILIZAÇÃO
 VANTAGENS
• Melhorar a estabilidade;
• Aumentar a conservação;
• Minimizar a multiplicação microbiana;
• Reduzir a velocidade de reações de decomposição química, microbiológica
e enzimática;
• Reduzir peso e volume;
• Facilitar a utilização e o transporte;
• Facilitar a elaboração posterior;
• Aumento na biodisponibilidade de ativos;
• Aumento da solubilidade do material;
• Reduzir a reatividade química da água remanescente devido à redução da
Atividade de água (Aw) do produto.
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Atividade de água – Aw (definição)
 Aw:
 Exprime a quantidade de água livre
 Relação entre a pressão de vapor da água na solução
(P) dividida pela pressão da água pura a mesma
temperatura (P0)
Aw = P
P0
Aw água pura = 1
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Atividade de água – Aw
 Quantifica o grau de ligação da água contida no produto e,
consequentemente, sua disponibilidade para agir como um
solvente e participar das transformações químicas, bioquímicas
e microbiológicas – água livre;
 Micro-organismos necessitam de água para se multiplicarem!
 A água total presente em um produto, nem sempre se encontra
disponível (água ligada);
 Atividade de água = estabilidade do produto
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DESIDRATAÇÃO x LIOFILIZAÇÃO
 DESVANTAGENS – desidratação 
• Perda de atividade enzimática – uso de enzimas liofilizadas
• Degradação e perda de compostos termosensíveis e/ou voláteis – Vitamina C
• Oxidação de lipídios – vitaminas lipossolúveis, fármacos ricos em substâncias
fenólicas, compostos poliinsaturados, leite em pó integral
 DESVANTAGENS – liofilização
• Alto custo operacional e de investimento
• Processo longo
• Em muitos casos, os custos inviabilizam o processo
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Secagem/Desidratação – aplicações 
 Sais efervescentes, aspirina, pós, ácido ascórbico;
 Indústria farmacêutica: preparo de granulados (comprimidos e
cápsulas);
• Comprimidos e cápsulas desidratados representam cerca de 80% dos
medicamentos comercializados no mundo
 Incorporação de extratos secos na formulação para produção de
pomadas e cosméticos
 Pós para produção de colorantes de cabelo
 Chás, fitoterápicos
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Secagem/Desidratação
Remoção de líquido de um material pela aplicação de calor, sendo realizada 
pela transferência do líquido (massa) de uma superfície para uma fase gasosa 
insaturada.
• A transferência de calor por convecção é o meio mais utilizado na desidratação
comercial, em que um fluxo de ar aquecido passa através da camada do
produto
• A umidade migra do interior para a superfície do produto, de onde se evapora
para o ambiente
• Ar de secagem conduz calor para o produto e absorve umidade do produto: Tª
moderadamente alta, Baixa UR, Alta velocidade
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Fundamentos da desidratação
o Transferência de calor
 Calor sensível: para aquecer e aumentar Tª do produto
 Calor latente: vaporização da água contida no produto 
o Transferência de massa
 Difusão da água no produto (pressão de vapor deve ser superior à pressão 
atmosférica) – saída de umidade
 Difusão do vapor na corrente de ar
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Fundamentos da Desidratação
Transferência de energia na forma de calor do ar para o produto e 
uma transferência de água (massa) do produto para o ar
PRODUTO
Transferência de água Ar de secagem
Transferência de energia em 
forma de calor
200°C
1554 Pa
0,1% UR
Ar em contato com o produto 
40°C
9583 Pa
100% UR
Adaptado SCHUCK, 2010
Baixa UR do ar
Tª moderadamente alta do ar
Alta velocidade do ar
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Umidade relativa do ar
 Relaciona-se com a pressão de vapor;
 Expressa em %;
 Indica a quantidade de água que pode ser absorvida pelo
ar de secagem;
 Dada pela expressão:
Onde:
UR = umidade relativa do ar a uma dada temperatura
P1 = pressão parcial de vapor no ar a uma dada temperatura
P0 = pressão de vapor no ar saturado a mesma temperatura
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Temperatura do ar 
 Deve-se manter moderadamente alta para gerar um
gradiente (diferença) de temperatura e pressão entre o
produto e o ar
 Quanto mais alta a temperatura do ar, menor a umidade
relativa: ideal para manter a insaturação do ar de secagem e
eficiência do processo
 Atenção!!! Temperaturas muito altas podem comprometer a
qualidade do produto!!!
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Velocidade do ar 
 A camada limite entre o ar e o produto atua como uma barreira
tanto para a transferência de calor quanto para a remoção de
vapor de água
 A espessura da camada limite é determinada pela velocidade do
ar = eficiência de secagem
 Baixa velocidade do ar = maior espessura da camada limite =
reduz coeficiente de transferência de calor e a taxa de remoção
de vapor de água
 Maior velocidade do ar = menor espessura da camada limite =
maior taxa de secagem
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Trajetória do vapor de água durante a secagem
camada 
limite
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Fatores que afetam a velocidade de secagem
o VELOCIDADE DO AR
 O ar em movimento (velocidade) recebe a umidade vinda da
superfície do produto  impede a criação de uma atmosfera
saturada;
 Quanto > a velocidade do ar, > a velocidade de desidratação;
 Risco: endurecimento superficial devido a velocidade de evaporação
superficial ser superior à velocidade de difusão da umidade do
interior do produto.
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Fatores que afetam a velocidade de secagem
o ÁREA SUPERFICIAL
 A subdivisão do produto acelera a transferência de calor e de massa;
 Maior área superficial: Proporciona > superfície em contato com o
meio aquecedor e > superfície da qual pode-se liberar umidade;
 Partículas menores ou camadas mais finas: reduzem a distância que
o calor tem que percorrer até o centro do produto e que a umidade
tem que percorrer para alcançar a superfície.
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Fatores que afetam a velocidade de secagem
o TEMPERATURA
 Quanto > a diferença de temperatura entre o meio de aquecimento e
o produto, > será a velocidade de transferência de calor do produto;
 A medida que a água é liberada do produto na forma de vapor, este
deve ser removido para evitar saturação da atmosfera (diferença de
Tª) – caso contrário, reduz a velocidade de secagem.
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Fatores que afetam a velocidade de secagem
o TEOR DE UMIDADE DO AR
 Quanto < a UR, > a velocidade de desidratação;
 O teor de UR do ar determina o conteúdo de umidade final no produto e
influencia na Aw;
 Produtos com baixa Aw tendem a absorver mais umidade em ambientes
com UR alta;
 Umidade relativa de equilíbrio: característica para cada produto e depende
da temperatura e umidade do ar – ambiente de estocagem, embalagem
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Fatores que afetam a velocidade de secagem
o TEMPO E TEMPERATURA
 Deve-se otimizar a velocidade máxima de desidratação e a
qualidade do produto;
 O tempo deve ser em função do tipo do produto e da
quantidade a desidratar;
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Fatores que afetam a velocidade de secagem
 Tempo curto e temperatura alta:
• formação de camada dura na superfície com alteração de cor, sabor,
textura e alteração no princípio ativo
• dificuldade de reidratação.
 Tempo longo e temperatura baixa:
• pode ocorrer contaminação microbiana
• o produto pode não atingir o nível de desidratação desejado.
 Temperatura crítica:
• Temperatura máxima que o produto pode suportar sem perdercaracterísticas desejáveis
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Curvas de desidratação de sólido úmido em ar com temperatura e 
pressão constantes
FASE A-B: Período de estabilização, superfície
do produto é aquecida (período de taxa 
constante)
FASE B-C: Período de velocidade constante
continua até que um teor de umidade crítico é 
alcançado
FASE C-D: Período de desidratação em
velocidade decrescente (período de taxa 
decrescente) – produto em equilíbrio com ar de 
secagem
tc: teor crítico de umidade
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Secagem x concentração
 SECAGEM: remoção quase que total da água
 CONCENTRAÇÃO: remoção de parte da água (1/3 ou 2/3):
• Etapa prévia antes da secagem
• Mudança de textura (xaropes)
• Economia na embalagem, transporte e armazenamento
• Economia de energia, eficiência do processo
• Aumentar a conservação pela diminuição da Aw
• Pode ser feita na forma de:
• Vapor: evaporação
• Gelo: crioconcentração
• Líquido: ultrafiltração e osmose inversa
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Remoção de água em sólidos (sem aquecimento)
 COMPRESSÃO: de um sólido para remover líquidos
 EXTRAÇÃO: de líquido de um sólido pelo uso de solvente
 ADSORÇÃO: de água de um solvente pelo uso de dessecantes
(cloreto de cálcio anidro)
 Remoção de umidade de um sólido pela colocação em um
recipiente fechado contendo material que remova umidade
(sílica)
Os métodos de desidratação utilizados em maior escala são os que tem 
como base a exposição do alimento a uma corrente de ar aquecida, sendo 
que a transferência de calor do ar para o alimento se dá basicamente por 
convecção. 
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Equipamentos – secadores (classificação)
• Método de aquecimento (direto ou indireto)
• DIRETO: material é exposto diretamente ao ar quente;
equipamentos mais simples e baratos; menor possibilidade de
superaquecimento; eficiência térmica é menor. Ex.: secadores de
bandeja, túnel ou esteira.
• INDIRETO: calor é transmitido por superfície metálica aquecida;
maior eficiência; risco de superaquecimento. Ex.: secador de
tambor. Outros: micro-ondas ou radiação por infravermelho
• Operação à vácuo ou a pressão atmosférica
• Fluxo de carga (contínuos ou batelada)
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Secador de leito estático
• Secadores de bandeja ou estufa
• Tipo de secador mais simples, baixo custo
• Câmara com várias bandejas sobrepostas
• Difícil uniformidade de secagem – o ar abosrve umidade e altera a
T°C a medida que circula pelas bandejas
• Troca de posição das badejas
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Secador de leito estático
• Secadores de bandeja
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Secador de leito estático
• Secadores de túnel e de esteira
• Foram criados a partir da modificação dos secadores tipo bandeja
para operação em modo contínuo
• Bandejas são dispostas sobre estantes adaptadas a um sistema de
movimento
• O fluxo de ar pode ser paralelo ou contracorrente
• Comprimento é variável
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Secador de leito estático
• Secadores de túnel e de esteira
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Secadores de túnel e de esteira
Secador de leito estático
• Secadores de túnel e de esteira
• Secadores de esteira são variantes dos secadores de túnel
• Produto é depositado sobre uma esteira
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Secador de leito fluidizado
• Secadores de leito fluidizado
• Processo de fluidização
• Leito de material particulado comporta-se como fluido quando
submetido ao escoamento de um líquido ou gás por meio das
partículas – Ar de secagem fluidifica as partículas presentes no
material
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Secadores de leito fluidizado
Secadores de leito com movimento
• Secadores rotatório
• Operação contínua, aquecimento direto ou indireto
• Cilíndricos, ligeiramente inclinados com lento movimento giratório
• Adequado para materiais com partículas que tendem a aglomerar
– produção de xarope
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Secadores de leito com movimento
• Secadores de tambor
• Secadores indiretos (vapor de água), apropriados para pastas
• Um ou mais cilíndros (tambores) metálicos e ocos – tambor gira
enquanto produto desidrata;
• Transferência de calor por condução - O produto úmido é
distribuído sob a forma de película sobre a superfície metálica
aquecida
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Secadores pneumáticos
• Spray dryer ou atomizador
• As partículas são circundadas por uma corrente de ar em alta
velocidade, resultando em tempos de secagem muito curtos
• O fluido concentrado (40 a 60% de umidade) é pulverizado dentro
da câmara de secagem em milhões de micro-gotas formando finas
gotículas que posteriormente são aspergidas dentro de uma
corrente de ar quente a 150 a 300°C.
• Fluxo de ar é co-corrente (paralelo) ou contra-corrente com o
produto inserido na câmara de secagem
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Spray dryer ou atomizador
.
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A rápida evaporação da água permite manter baixa a
temperatura das partículas de modo que a alta temperatura do
ar de secagem não afete o produto.
Spray dryer
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Co-corrente: fluxo de ar no mesmo sentido de 
alimentação do produto
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Secador solar
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Secador solar
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 A liofilizaçãoou criodesidratação ou ainda,
criosecagem, é um processo diferenciado de 
desidratação de produtos, pois 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.
Liofilização
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CONGELAMENTO
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DESIDRATAÇÃO
Liofilização –etapas
e atividades
 Processo de desidratação sob condições de vácuo
• 1. Congelamento (fase crítica - reações químicas
biológicas –menos 0°C)
• 2. Desidratação primária (90% da água livre é eliminada – produto
com 15% de umidade)
• 3. Desidratação secundária (10% da água ligada é eliminada –
produto desidratado até 2% de umidade)
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1.Congelamento
 Formação de núcleos de cristais de gelo
• A água circundante é fixada ao redor dos locais de nucleação,
resultando em cristais de diferentes tamanhos e formas – nucleação
heterogênea.
• A velocidade de congelamento, a composição do produto de base, o
teor de água, a viscosidade do líquido e a presença de substâncias
não-cristalizadas determinam a forma e tamanho do cristal, e
influenciam o processo de sublimação.
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Congelamento rápidoCongelamento rápido
Congelamento lento
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2. Desidratação primária
 Apóso congelamento do produto, reduz-se apressão abaixo de 600 Pa, e
fornece-se o calor latente de sublimação do gelo – água é removida por
sublimação que ocorre sob vácuo e com a adição de calor
 É necessário fornecer mais calor ao produto para iniciar a desidratação
secundária
 Atemperatura e pressão devem ser mantidas abaixo do ponto triplo da água
para evitar que o gelo sefunda
 Ao passo que o gelo sublima, a temperatura da superfície do produto começa
aaumentar enquanto o interior permanece congelado e frio
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2. Desidratação primária
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 Avelocidade de desidratação (primária) é lenta, cerca de 1,5 kg de água m-
2.h-1, podendo levar de 6 a 10 horas, até reduzir o conteúdo de água a 15 %
de umidade.
 O final da desidratação primária pode ser constatado pelo aumento da
temperatura do produto num valor próximo ao do ambiente ou pela
observação visual quando desaparece a interface entre camada seca e
camada congelada
 Em produtos muito sensíveis ao calor e cultivos microbianos o usual são
temperaturas superficiais de 20 a30°Ce pressões inferiores a13 Pa
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3. Desidratação secundária
 Também chamada de dessorção, ocorre depois que todo gelo já foi eliminado do
produto, mas o produto continua retendo certa quantidade de águalíquida
 Para obtenção de um produto estável, o conteúdo de umidade deve ser reduzido
acerca de 2 a8 %(água ligada)
 Este resultado pode ser obtido se o produto parcialmente seco permanecer no
liofilizador por cerca de 2 a 6 horas e for aquecido até 20 a 60 °C(dependendo do
produto), mantendo-se o vácuo, assim ocorre a evaporação de grande parte da
água residual
 Outra possibilidade é a finalização por outro método de secagem, em decorrênciadoselevados custosdo processode liofilização.
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3. Desidratação secundária
 Ao término da desidratação antes da retirada do produto da câmara,
deve haver a introdução de um gás inerte, em geral utiliza-se o
nitrogênio, para rompimento do vácuo, pois seocorrer àentrada de ar na
câmaraos produtos imediatamente absorveriam umidade.
 O tempo desta etapa é cerca de 30 a 50 %do tempo gasto com a etapa
anterior
 Dependendo do produto o processo completo pode durar até 48-72
horas
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TADINI et al., 2016
 Os equipamentos de liofilização comercias são constituídos 
pelas seguintes partes:
• 1. Câmara de vácuo ou sublimação: local onde fica a amostra a
ser
desidratada –diminuir a pressão para não ocorrer a fusão do gelo
• 2. Bomba de vácuo e motor elétrico acoplado a um compressor
responsável pela baixa pressão dentro da câmera de sublimação
podendo também funcionar de forma inversa aumentando a
pressão dentro do sistema;
• 3. Sistema de refrigeração (condensador);
• 4. Coletor de vapor é o sistema responsável por coleta toda água 
proveniente da amostra.
Liofilizador
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TADINI et al., 2016
 Diferenciam-se pelo modo como se proporciona calor para a
superfície do produto (condução e radiação –comerciais)
 O aquecimento por convecção, que se dá por diferença de
densidade de um fluido não é usado porque o aquecimento
ocorre dentro da câmara de vácuo, e no vácuo não ocorre a
movimentação por diferença dedensidade
 Atualmente também se utiliza a liofilização por micro-ondas
ou radiação infravermelha
Equipamentos – liofilizadores
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Liofilizadores de contato
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Liofilizadores de contato
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3466
Liofilizadores de micro-ondas
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MP alto valor 
comercial ou 
muito 
sensíveis ao 
calor
Câmara de 
Vácuo
Alto custo
Batelada
Longo tempo
Sistema de 
refrigeração
Desvantagens da liofilização
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 Produção de refeições instantâneas (vegetais, carne, peixe), assim
como na preparação de fruta para uso emcereais
 Preservação de proteínas e enzimas
 Na indústria farmacêutica esta técnica permite preservar
hormônios, medicamentos injetáveis, vacinas, plasma sanguíneo,
tecidos humanos para transplantes, cultivos de bactérias evírus...
Aplicações
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• Tempo 0 – Não houve perda de viabilidade das amostras em SD (109 UFC.g-1)
• Amostras em SD mantiveram 109 UFC.g-1 ao longo de 60 dias de estocagem (p>0,05) à 
4 °C e 20 °C
• Houve perda de viabilidade das amostras liofilizadas (107 UFC.g-1) após 60 dias 
• Manutenção das propriedades probióticas e acidificação em leite das amostras em SD
Recapitulando...
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 Desidratação x liofilização 
 Desidratação: envolve ar quente; evaporação
 Liofilização: congelamento e desidratação do material; 
sublimação
 Mais estudos ainda precisam ser realizados para melhor 
comparar as diferentes técnicas de 
desidratação/liofilização