Secagem - Operações Unitárias

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A secagem é uma operação unitária com objetivo de remover um solvente de um 
sólido através da transferência de calor e massa entre o sólido e o ar de secagem. No 
caso de produtos farmacêuticos, os solventes mais utilizados são a água e álcoois. 
A água pode estar presente em um sólido na forma de água livre e de água ligada. 
A água livre é aquela que está geralmente na superfície do sólido, em sua forma líquida 
e exercendo sua pressão de vapor total, sendo assim, pode ser evaporada com 
facilidade. Já a água ligada se trata da umidade do sólido que pode estar adsorvida na 
superfície ou dentro da estrutura do sólido, sendo impedida de exercer sua pressão de 
vapor, consequentemente é mais difícil de ser evaporada. 
O ar utilizado também possui umidade. O ar é uma solução simples de água e uma 
mistura de gases que segue as regras da maioria das soluções, onde a solubilidade da 
água nos gases depende da temperatura, saturação e precipitação com resfriamento 
(chuva). Então, em uma dada temperatura o ar é capaz de captar água até que ele seja 
saturado (Umidade Relativa - UR 100%). 
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑟 1𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 à 𝑚𝑒𝑠𝑚𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎
 𝑥 100 
O teor de umidade de equilíbrio de um material exposto a um ar úmido pode variar 
de acordo com a umidade relativa e a natureza do sólido, como mostrado no gráfico 
abaixo. Pode-se observar no gráfico que a 20ºC e a uma UR de 75%, um mineral como a 
caulinita terá 1% de água ligada, enquanto um produto com base de amido pode ter 30% 
ou mais. 
 
Determinação da umidade em sólidos 
 
 A medida de umidade por secagem segue a mesma lógica da quantificação da 
perda de água durante a secagem da amostra até peso constante. A medida da umidade 
por secagem em estufa é demorada, com duração média de 6 horas. Porém o tipo de 
estufa utilizada pode otimizar esse tempo, então o tempo para a determinação da 
umidade em ordem decrescente de cada estufa é estufa convencional > estufa com 
ventilação > estufa à vácuo. 
𝑡𝑒𝑜𝑟 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 (%) =
𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑎 𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎 − 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑎 𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎
𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑎 𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎
 
A medida de umidade por secagem por radiação infravermelha é um método mais 
efetivo, pois produz uma penetração do calor dentro da amostra, o que encurta o 
tempo de análise. O equipamento possui uma lâmpada de radiação infravermelha de 250 
a 500 watts, que pode gerar uma temperatura de até 700ºC, em uma balança que faz 
a leitura direta do teor de umidade por diferença de peso. 
 
As micro-ondas são radiações eletromagnéticas não ionizantes que são 
transformadas em calor no interior de materiais dielétricos por um conjunto de 
mecanismos em escala atômica e molecular, entre os quais sobressaem a condução 
iônica e a rotação dipolar. Sendo assim, no processo de secagem com forno de micro-
ondas o principal fenômeno pelo aquecimento e consequente extração da água é a 
rotação dipolar da mesma, conforme demonstrado na figura abaixo. 
 
A determinação da umidade do material por micro-ondas pode ser determinada 
em linha de produção ou em laboratório, conforme figura abaixo: 
 
O dessecador leva a secagem do material pela junção de duas estratégias. A 
primeira é a utilização de vácuo e a outra é a utilização de substância dessecadoras a 
base de sílica. 
 
A destilação é um dos métodos mais antigos, atualmente é menos utilizado, pois 
além de exigir um tempo longo é menos preciso que os demais métodos. O princípio da 
técnica consiste na codestilação da água presente no material utilizando um solvente de 
ponto de ebulição superior ou que seja imiscível em água. 
 Por fim, tem-se o método químico de Karl Fischer, um método titulométrico de 
determinação de água em uma amostra. O método é baseado na reação quantitativa 
de água com uma solução anidra de dióxido de enxofre e iodo, na presença de uma base 
orgânica (imidazol) em metanol. Na presença de água o dióxido de enxofre é oxidado pelo 
iodo levando a uma diminuição na corrente que passa pelo sistema. 
Teoria de secagem 
 Durante o processo de remoção de água de um sólido tem-se uma operação que 
envolve transferência tanto de calor quanto de massa. Então, é necessário que o calor 
seja transferido para o material sólido para que este adquira o calor latente necessário 
para a vaporização da água. Já a transferência de massa ocorre devido a difusão da 
água pelo material sólido até a superfície, com subsequente evaporação da água e 
difusão do vapor resultante para a corrente de ar que passa. 
 O processo de secagem é entendido mais facilmente pensando na formação de um 
filme de líquido na superfície do material a ser seco. A taxa de secagem de um material 
pode ser dada pela razão entre a diferença de teor de umidade (TH) em um determinado 
tempo e é dada em gramas por hora. 
𝑇𝐻 % = 
𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑛𝑎 𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎
𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑎 𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 ú𝑚𝑖𝑑𝑎
 𝑥 100 
A maneira mais adequada de determinar os melhores parâmetros de secagem é 
estudar o comportamento dos sólidos através da relação entre TH e tempo, que gera 
uma curva como a demonstrada abaixo. 
 
Equipamentos de secagem de sólidos 
A escolha do método de secagem deve levar em conta alguns parâmetros: 
 Sensibilidade ao calor do material a ser seco; 
 Características físicas do material; 
 Natureza do líquido a ser removido; 
 Escala da operação (industrial ou laboratorial); 
 Necessidade de assepsia; 
 Fontes de calor disponíveis (a vapor, elétrica). 
Por isso existem diversos tipos de secadores disponíveis no mercado. Os 
equipamentos podem ser classificados se o material permanece estático ao longo da 
secagem ou se são agitados durante o processo. 
 
Os secadores de leito estático são sistemas em que não existe qualquer 
movimento entre as partículas do sólido submetidas à secagem embora exista um 
movimento de todo o material. 
Os secadores de leito móvel são sistemas em que as partículas a secar estão 
parcialmente separadas podendo mover-se uma sobre as outras. O movimento pode 
ser induzido por gravidade ou agitação mecânica. 
Os secadores de leito fluido são sistemas em que as partículas sólidas são 
parcialmente suspensas em uma corrente de gás ascendente. As partículas são elevadas 
caindo então de uma maneira aleatória de modo que a mistura resultando de sólidos e 
o gás se composta como um fluido. 
Os secadores pneumáticos são sistemas em que as partículas a secar são 
penetradas e transportadas por um gás a alta velocidade. 
Secadores de leito estático 
Os secadores de leito estático são aqueles que não promovem movimento ao 
sólido a ser seco. 
 Os secadores de tabuleiro são os mais utilizados nas indústrias farmacêutica, pois 
são simples e de baixo custo. São prateleiras de aço inox que são colocadas em estufas 
com e sem compartimentos. A secagem em tabuleiros é do tipo descontínuo, ou seja, 
por lotes. Este tipo de secagem geralmente é utilizado por diversos motivos, como: 
 Cada lote do material pode ser manuseado como uma entidade individual; 
 O tamanho do lote nas indústrias farmacêuticas é menor (250kg) que das 
indústrias químicas (1000kg); 
 O mesmo equipamento é ajustável para a secagem de uma grande diversidade de 
materiais. 
Os secadores de tabuleiro podem ser classificados em diretos e indiretos. A maioria 
desses secadores é direto, em que o calor fornecido ao sistema é acompanhado por 
uma circulação forçada de grandes volumes de ar quente. Já os secadores de tabuleiro 
indiretos contêm prateleiras aquecidas ou fontes de energia radiante dentro das 
câmaras de secagem para evaporação da umidade à qual é removida posteriormente 
removida por uma bomba a vácuo. 
 Os secadores em túnel são secadores contínuos em que o material a ser seco é 
transportado por uma esteirarolante que passa por um túnel por tempo necessário 
para secagem do material. 
Liofilizadores 
Liofilizadores são equipamentos de secagem de materiais que utilizam o 
fenômeno físico de sublimação para que ocorra a secagem dos materiais, sendo 
amplamente utilizada para produtos farmacêuticos, especialmente para produtos 
termolábeis, como por exemplo, proteínas, microorganismos e derivados de sangue, bem 
como alimentos, utilizados na desidratação de frutas e produção de alimentos sob a 
forma de pós reconstituídos. 
Para que se possa entender o princípio da tecnologia, é necessário voltar aos 
estados físicos da matéria e as mudanças de fases que podem ocorrer. Basicamente, 
os estados físicos clássicos da matéria são sólido, líquido e gasoso, diferentes entre si 
de acordo com a distância entre as partículas, as interações que ocorrem entre elas e 
a mobilidade. Com esses estados da matéria, as transições de fases que podem ocorrer 
são a fusão (mudança do estado sólido para líquido), vaporização (mudança do estado 
líquido para gasoso), condensação (mudança do estado gasoso para líquido), solidificação 
(mudança do estado líquido para sólido), sublimação (mudança do estado sólido para 
gasoso) e ressublimação (mudança do estado gasoso para sólido), conforme a ilustração 
abaixo. Vale ressaltar que as mudanças de fases da matéria dependem de condições de 
temperatura e pressão. 
Para que ocorra a sublimação do líquido que se deseja remover no processo de 
liofilização, é necessário utilizar condições de temperatura e pressão que garantam a 
passagem da matéria do estado sólido para gasoso. Especialmente em relação à água, 
é necessário trabalhar em condições de temperatura e pressão abaixo a do seu ponto 
triplo, que é a condição em que a matéria pode coexistir nas três formas. Sendo assim, 
deve-se utilizar condições de pressão abaixo de 4,579 mmHg (que equivale a 0,006 atm) 
e temperatura abaixo de 0,0098ºC, conforme a ilustração abaixo. 
 
Etapas do processo 
A primeira etapa é o pré-tratamento da amostra, que se dá 
pelo congelamento da formulação em pressão atmosférica em temperatura abaixo do 
ponto eutético (ponto em que as fases sólida e líquida podem coexistir) para garantir 
que não ocorra a fusão, solidificando a formulação e formando cristais do solvente. 
Para pequenos volumes, geralmente utiliza-se congelamento com nitrogênio líquido para 
garantir o congelamento total da formulação. A condição é requerida visto que a 
presença de solutos leva ao abaixamento da temperatura de congelamento comparado 
à água pura. É considerada a etapa crítica do processo, pois problemas relacionados ao 
congelamento podem levar à fusão da formulação no interior do equipamento, levando 
à perda do processo. 
Na etapa de secagem primária o material é submetido a condições controladas 
de temperatura e pressão, capaz de promover a sublimação de cerca de 90% do 
solvente (água, no caso). O material seco, composto dos sólidos presentes na 
formulação líquida originalmente, possui aspecto poroso em virtude da eliminação da 
água presente. A remoção do vapor d’água deve ser feita rapidamente do sistema para 
garantir que a pressão permaneça abaixo da condição do ponto triplo. 
Na terceira etapa, que é a secagem secundária, os parâmetros de temperatura 
(ajuste de temperatura entre 20 e 60ºC) e pressão são ajustados para remoção da 
água ligada por dessorção, tendo como resultado a formação de produto com baixa 
umidade (cerca de 0,5 a 1,0% de umidade residual). 
 
Considerações sobre o processo 
A sublimação é um processo bastante lento, sendo necessário o aumento da área 
superficial e redução da espessura da camada de gelo para acelerar o processo. A 
transferência de massa ocorrerá primeiramente na superfície do material congelado, e 
após no interior. 
Uma das principais dificuldades do sistema é a manutenção de baixas condições 
de pressão (em torno de 0,06 atm). Para contornar isso e garantir que essa condição 
de pressão seja atingida, os equipamentos costumam trabalhar com temperaturas bem 
abaixo da temperatura do ponto triplo da água, geralmente em -40 a -50ºC. 
A ação enzimática é inibida em função das baixas temperaturas empregadas, bem 
como a possibilidade de oxidação, em função da utilização de pressão reduzida (o que 
reduz contato com o ar). 
Os produtos obtidos são leves, porosos e de fácil dissolução/redispersão. 
Entretanto, em função dessas características, tornam-se produtos higroscópicos, 
sendo necessário acondicionamento em recipientes específicos. 
Os equipamentos costumam ter o preço bastante elevado, especialmente em 
função da necessidade de bombas de vácuo. 
Equipamentos 
Os liofilizadores basicamente possuem uma câmara de secagem com fechamento 
hermético, onde as amostras serão inseridas para processo. A câmara estará 
conectada ao condensador, que atua em temperatura entre -30 e -40ºC, onde o vapor 
d’água sublimado do material condensará. O condensador estará ligado à bomba de 
vácuo, parte mais custosa do equipamento, responsável por manter o sistema em 
pressão reduzida. O compressor será responsável pelo resfriamento das serpentinas 
presentes no condensador. 
 
Os liofilizadores de bancada com múltiplas entradas são bastante comuns, 
utilizados em escala laboratorial para secagem de pequenas quantidades de material 
disponibilizadas em frascos separados. Possuem bocais independentes (o número de 
bocais varia de acordo com as especificações do produto), facilitando o manuseio 
conforme a quantidade de amostras a serem utilizadas. 
Uma informação importante é que esses liofilizadores não possuem sistema de 
aquecimento para realização da secagem secundária, sendo necessário acoplar 
equipamento auxiliar a realização desta etapa da secagem. 
Os liofilizadores de bandejas são desenvolvidos para que as amostras a serem 
levadas à secagem sejam introduzidas em badejas no equipamento. Eles estão disponíveis 
para comercialização em escala semi-industrial e industrial, podendo ser utilizados para 
pequenas quantidades de material ou grandes lotes. Podem possuir sistema de secagem 
secundária para melhoria do processo de secagem, bem como outras especificidades, 
como por exemplo sistema de fechamento de vials, descongelamento e limpeza do 
equipamento após o processo de secagem. 
Secadores de leito móvel 
Os secadores de leito móvel são aqueles que permitem que haja um movimento 
entre as partículas dos sólidos a serem secos. 
 Os secadores rápidos de tabuleiros são constituídos de uma prateleira contínua, na 
qual o leito de partículas a secar se desloca. São uma série de tabuleiros anulares, 
giratórios dispostos em uma pilha vertical que rodam em conjunto devagar. O ar 
aquecido circula sobre os tabuleiros com o auxílio de ventoinhas colocadas no centro da 
pilha. O material é transferido de uma prateleira para outra após cada volta até que 
seja descarregado. Como o material está continuamente a ser exposto ao ar renovado 
a taxa de secagem é consideravelmente mais rápida do que nos secadores de túnel. 
Os secadores de bacia são do tipo indiretos que podem funcionar à pressão 
atmosférica ou sob vácuo e são normalmente utilizados para secar lotes pequenos de 
pastas. O secador é constituído de uma bacia pouco funda, revestida, de forma circular, 
com fundo plano e lados verticais. Além disso, possui raspadores rotativos que revolvem 
o material devagar raspando a massa úmida que aderiu a parede. A fonte de calor pode 
ser vapor ou água quente. O material é descarregado por uma portinhola no fundo da 
bacia. 
Secador de leito fluido 
Os secadores de leito fluidizado é formado por um reator onde são adicionadas 
as partículas e uma fonte de gás que entra de baixo para cima passando no meio do 
sólido. Quando o gás atravessa verticalmente pelo meio das partículas em uma 
velocidade acima da velocidade de sedimentação das partículas, os sólidos flutuam 
ficando parcialmente suspensa na corrente de gás. As partículas sólidas sãoapanhadas 
em redemoinhos caindo em um movimento aleatório semelhante a ebulição. 
 Esse tipo de secador apresenta vantagens quanto à eficiência térmica e de tempo, 
entre duas a seis vezes maior que a do secador de tabuleiro. E são amplamente utilizados 
na preparação de granulados pois o secador cria condições uniformes de temperatura, 
composição e dispersão de tamanho das partículas no leito. 
Vantagens 
 A transferência eficiente de calor e massa oferece altas taxas de secagem, de 
modo que os tempos de secagem sejam curtos. Além das vantagens econômicas 
óbvias, reduz-se o problema do calor nos materiais termolábeis. 
 O estado fluidizado do leito garante que a secagem ocorra a partir da superfície 
de todas as partículas individuais. Por isso, a maior parte da secagem ocorre a 
uma taxa constante. 
 A temperatura de um leito fluidizado é uniforme por toda a sua extensão (como 
resultado da turbulência) e pode ser controlada precisamente. 
 A turbulência em um leito fluidizado causa algum atrito à superfície do grânulo. 
Isso produz um produto mais esférico e fluido. 
 O movimento livre de partículas individuais reduz o risco de que materiais solúveis 
migrem durante a secagem (posteriormente neste capítulo). 
 Manter os grânulos separados durante a secagem também reduz os problemas 
de agregação e a necessidade de uma etapa de peneiramento após a secagem. 
 Os recipientes de fluidização podem ser móveis, tornando simples o manuseio e o 
movimento pela área de produção, reduzindo os custos de mão de obra. 
 Os tempos curtos de secagem significam que a unidade tem um alto rendimento 
de produção a partir de um pequeno espaço de planta. 
Desvantagens 
 A turbulência do estado fluidizado pode resultar em atrito excessivo de alguns 
materiais, com dano a alguns grânulos e a produção de muita poeira. 
 Partículas finas podem ser retidas no ar fluidizante e devem ser coletadas por 
sacos de filtro, com cuidado para evitar a segregação e a perda de finos. 
 O movimento vigoroso das partículas no ar quente e seco pode levar à geração 
de cargas de eletricidade estática e convém tomar precauções adequadas. Uma 
mistura de ar com uma poeira fina de materiais orgânicos, como amido e lactose, 
pode explodir violentamente se inflamada por faíscas causadas por cargas 
estáticas. O perigo é maior se o material fluidizado contiver um solvente volátil. O 
aterramento elétrico adequado é essencial e, naturalmente, instalado como 
padrão em todos os secadores modernos. 
Secadores pneumáticos 
O secador por atomização ou aspersão, também chamado de Spray Dryer, 
oferece uma grande área superficial para a transferência de calor e massa, 
pulverizando o líquido em pequenas gotículas. Elas são borrifadas em um jato de ar 
quente circulante, de modo que cada gotícula seca como uma partícula sólida individual. 
Desse modo, a formação de partículas e a secagem ocorrem no único processo. 
 O Spray Dryer é formado pelos seguintes componentes: 
 Suspensão de partículas a serem secas; 
 Bico atomizador; 
 Câmara de secagem; 
 Coletor do pó. 
 As características de cada um destes componentes podem influenciar na taxa de 
secagem, no tamanho da partícula e no tempo de secagem. O processo se inicia na 
composição da suspensão das partículas a serem secas e características como tipo de 
solvente ou mistura de solventes, viscosidade e concentração da suspensão. Esta 
suspensão é bombeada e aspergida por um bico atomizador e tanto a pressão e a vazão 
de aspersão quanto o diâmetro do orifício do bico atomizador podem alterar as 
características do pó e da taxa de secagem. A suspensão é aspergida dentro de uma 
câmara de secagem, onde será seca através de um fluxo de ar quente. A temperatura 
e a velocidade do ar dentro da câmara de secagem também influenciam nas 
características da secagem. Após secas, as partículas são recolhidas para o fundo 
através de um coletor devido a ação da gravidade. 
Vantagens 
 Há milhões de pequenas gotículas, que oferecem uma grande área superficial para 
a transferência de calor e massa, de modo que a evaporação é muito rápida. O 
tempo real de secagem de uma gotícula é apenas uma fração de segundo e o 
tempo total no secador é de apenas alguns segundos. 
 Como a evaporação é muito rápida, as gotículas não alcançam uma temperatura 
alta. A maioria do calor é usada como calor latente de vaporização e a 
temperatura das partículas é mantida baixa por resfriamento evaporativo. 
 A forma característica das partículas possibilita sua compactação de forma 
eficiente e, por isso, proporciona ao produto uma alta densidade bruta. Isso leva 
à dissolução rápida, pela grande área superficial. 
 Desde que um atomizador adequado seja usado, o pó resultante terá um 
tamanho de partícula uniforme e controlável. 
 O produto é fluido, com partículas quase esféricas, e especialmente conveniente 
para a fabricação de comprimidos, já que apresenta excelentes propriedades de 
fluxo e compactação. 
 Em muitos casos, a secagem por atomização aumentará a taxa de dissolução e 
a biodisponibilidade de fármacos pouco solúveis em água. 
 Os custos de mão de obra são baixos, o que resulta em um pó fluido e seco a 
partir de uma solução diluída, em uma única operação, sem manuseio. 
 Pode ser usado como um processo contínuo, se necessário. 
Desvantagens 
 O equipamento é muito volumoso e, com o equipamento auxiliar, caro. 
 A eficiência térmica líquida é bastante baixa, pois o ar ainda deve estar quente o 
suficiente para evitar a condensação de umidade quando ele deixa o secador. Além 
disso, grandes volumes de ar aquecido passam pela câmara sem entrar em 
contato com a partícula e, portanto, não contribuem diretamente para o 
processo de secagem.