Cómo perfeccionar el proceso de liofilización
La importancia del secado por aspersión. En su última publicación, Bart se enfoca en un método diferente que se usa para eliminar la humedad de un producto.
Habiendo discutido previamente las numerosas aplicaciones y la importancia del secado por aspersión, me gustaría tomarme el tiempo para enfocarme en un método diferente que se usa para eliminar la humedad de un producto. El secado por aspersión consiste en atomizar un producto en una fina niebla de pequeñas gotas; estos se exponen al aire caliente en una cámara que evapora rápidamente el contenido de agua, dejando un polvo seco. Un método un poco más complejo para eliminar la humedad es la liofilización. La liofilización implica congelar el producto y reducir la presión circundante; esto permite que el agua congelada dentro del material se sublime, lo que significa que pasa directamente de un estado sólido a gaseoso. Numerosos factores influyen en este proceso y afectan la calidad del producto final. Entonces, si desea saber cómo lograr los mejores resultados de liofilización posibles o desea obtener más información sobre el proceso.
Finalmente, el sol brilla aquí en Suiza, un país famoso por sus picos nevados. Estaba con unos amigos el fin de semana cuando la temperatura alcanzó los 26°C, lo que significaba que necesitábamos algo que nos ayudara a refrescarnos. Uno de mis amigos amablemente compró un poco de cerveza, pero no se había guardado en el refrigerador y necesitaba enfriarse. Al ser un grupo competitivo, discutimos formas de reducir rápidamente la temperatura de la cerveza. Hubo varias sugerencias, desde sensatas hasta ridículas. Decidimos probar cada uno nuestro método, y el ganador pudo disfrutar primero de una cerveza fría y disfrutar de la gloria de haber burlado al resto del grupo. Decidimos 6°C como la temperatura óptima y probamos nuestras teorías.
La primera idea fue poner la botella de cerveza en el congelador; mi amigo pensó que estábamos pensando demasiado en la tarea, y era mejor mantenerlo simple: ¡ponga la cerveza donde esté fría! Una de las ideas más descabelladas fue enfriar la cerveza con aire comprimido; el pensamiento fue del estilo de "Una vez me golpeé el dedo con aire comprimido de una lata, y se formó hielo en mi dedo y lo congelé; seguramente esto puede congelar una botella de cerveza más rápido que un congelador". Fueron a buscar una lata de aire comprimido al garaje. La siguiente idea tenía un buen pensamiento que la respaldaba. La idea era envolver la cerveza en una toalla de papel húmeda antes de ponerla en el congelador para aprovechar un proceso llamado enfriamiento por evaporación. A medida que el agua de la toalla se evapora, el proceso de evaporación requiere calor que se extrae de la botella de cerveza, enfriándola más rápido. Era el momento de mi sugerencia y decidí poner mi botella de cerveza en un balde de agua helada y agregar sal al agua. Todos retiramos las tapas de nuestras botellas de cerveza para poder probar la temperatura de la cerveza a intervalos regulares, luego comenzamos nuestros procesos simultáneamente. Entonces todos nos reímos de nuestro amigo que decidió usar gas comprimido. Rociaron el fondo de la botella creando una niebla congelada blanca localizada, luego siguieron moviendo la botella, tratando de enfriar todo; de vez en cuando, congelaban su dedo, para nuestra diversión. A intervalos regulares, verificamos la temperatura de nuestras cervezas y comenzó a ser evidente qué método funcionaba mejor. Siendo una persona muy modesta a la que no le gusta presumir, me quedé callada cuando se hizo evidente que mi método era el mejor, y cuando mi cerveza fue la primera en alcanzar los 6°C, ciertamente no señalé y me reí de todo mi amigos y burlarse de ellos y sus métodos inferiores, sin importar lo que hayas escuchado! Obviamente, mis años de experiencia en laboratorios me ayudaron a obtener una ventaja. Sabía que el agua aumentaría el área de superficie en contacto con la botella ayudando al enfriamiento. La comprensión del efecto del área superficial también se ha utilizado para aumentar la velocidad del proceso de liofilización.
La sublimación ocurre en la superficie de la muestra y el proceso se vuelve más difícil a medida que el frente de sublimación se mueve hacia abajo a través de la muestra, ya que las moléculas de agua ahora deben atravesar el producto ya seco (la "torta") antes de salir de la matriz. Esto condujo al desarrollo de la liofilización múltiple, una técnica que mejora el proceso al aumentar el área superficial. Incluso la liofilización en viales se puede acelerar utilizando recipientes más grandes que aumentan el área de superficie, lo que permite que se liberen más moléculas de agua de la matriz. Si los líquidos se van a secar en matraces en una capa de más de 1 o 2 cm de espesor, entonces sería beneficiosa la "congelación de cáscara", en la que el producto se congela bajo rotación en un baño de enfriamiento. El baño rotatorio extiende una fina capa de la muestra sobre la pared del matraz, aumentando la superficie disponible para la sublimación, reduciendo así el tiempo de secado del producto. Las tasas de sublimación se pueden duplicar utilizando la congelación en cáscara en lugar de la congelación a granel.
“La sublimación ocurre en la superficie de la muestra, y el proceso se vuelve más difícil a medida que el frente de sublimación se mueve hacia abajo a través de la muestra, ya que las moléculas de agua ahora deben atravesar el producto ya seco (la “torta”) antes de salir de la matriz”.
La velocidad de enfriamiento es otro factor importante en el proceso de liofilización. Cuando intentaba enfriar mi botella de cerveza, sabía que la sal reduciría el punto de congelación. El punto de congelación del agua es 0°C; sin embargo, con una solución de sal al 20 %, es de alrededor de -16 °C. Esto aumenta la velocidad a la que se derrite el hielo, absorbiendo el calor de su entorno, en este caso, de la botella de cerveza. Ansiosos por disfrutar nuestras cervezas, queríamos que se enfriaran lo más rápido posible pero no hasta el punto en que se congelaran. Sin embargo, en el caso de muestras liofilizadas, el estado de congelación de una muestra es muy importante para el resultado de la liofilización. La mayoría de los productos líquidos se congelan formando cristales, y la velocidad de enfriamiento influye en el tamaño y la forma de estos cristales. El enfriamiento rápido produce pequeños cristales de hielo y el enfriamiento más lento crea cristales más grandes. Como ya mencioné, el proceso de sublimación se vuelve más difícil con el tiempo ya que las moléculas de agua necesitan escapar del producto ya seco. Los cristales grandes facilitan el proceso de sublimación al crear una estructura más abierta con canales menos restrictivos en la matriz. Sin embargo, la congelación lenta puede dañar ciertos productos biológicos, ya que los cristales grandes pueden dañar las células y la desnaturalización inducida en la superficie puede dañar las proteínas. Los cristales pequeños son útiles para conservar estructuras para ser examinadas microscópicamente; sin embargo, son difíciles de congelar en seco debido a las rutas de vapor más estrechas. La congelación óptima requiere lograr un equilibrio entre estos factores para secar rápidamente pero sin dañar la muestra.
El enfriamiento rápido produce pequeños cristales de hielo y el enfriamiento más lento crea cristales más grandes: los cristales grandes facilitan el proceso de sublimación al crear una estructura más abierta con canales menos restrictivos en la matriz. Sin embargo, la congelación lenta puede causar daños a ciertos productos biológicos.
Por lo tanto, la velocidad es importante, pero también lo es garantizar que la muestra se congele adecuadamente, lo que requiere un análisis de las temperaturas críticas del producto. Los materiales deben solidificarse adecuadamente; de lo contrario, el vacío aplicado durante el secado primario hará que cualquier producto descongelado hierva y dañe la muestra. Las formulaciones se componen de mezclas eutécticas o amorfas, que tienden a congelarse de diferentes maneras. Las mezclas eutécticas se congelan a temperaturas más bajas que el agua que las rodea; por lo tanto, el agua se congelará primero, pero la sustancia restante permanecerá líquida. La temperatura a la que toda la sustancia se congela correctamente se denomina temperatura eutéctica y es la temperatura crítica que puede soportar la formulación. Las mezclas eutécticas se dañarán si se aplica vacío a una formulación congelada de manera incompleta.
Los materiales deben solidificarse adecuadamente; de lo contrario, el vacío aplicado durante el secado primario hará que cualquier producto descongelado hierva y dañe la muestra.
Las mezclas amorfas forman un estado vítreo cuando se congelan, y la formulación se vuelve más viscosa a medida que se enfría y finalmente se congela hasta convertirse en un sólido vítreo en el punto de transición vítrea. En cuanto a la estabilidad, el punto crítico para las mezclas amorfas es la temperatura de colapso en estado congelado, que suele ser ligeramente inferior al punto de transición vítrea. Dichos productos son difíciles de liofilizar. Como estoy seguro de que ahora sabe, la liofilización no es tan sencilla como parece. Es importante comprender la naturaleza de la muestra y el efecto de varios factores que influyen en el proceso de secado para garantizar la calidad del producto final y la reproducibilidad del método aplicado. Espero que esta guía lo ayude a comprender mejor el proceso y mejorar la calidad de su proceso de liofilización.
Denoulet Bart
Texto extraído del Blog de Bart de BUCHI. Para mas información acceda al Blog original haciendo clic aquí
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