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Teórica 3.Liofilización
¿Qué es la liofilización?Es una forma de secar un producto abajas temperaturas sin el deterioroque produciría el calentamiento.
Por medio de la liofilización sepueden preservar muchos tiposde productos biológicos porperíodos prolongados sin dañoen la calidad o viabilidad.
primero se congela la parte acuosadel sistema que se desea liofilizar y, aesa baja temperatura que impidecambios químicos de deterioro, se lasomete a un alto vacío, sublimando elagua desde el estado sólido al estadogaseoso, sin pasar por el estadolíquido.
Vitrificaciónporliofilización
Antecedentes(oficiales para el mundo occidental)1900. Descubridor: Altman, desarrollo: Gersh.1930. Sólo una curiosidad de laboratorio.1945. Liofilización de plasma humano EUA,Francia, R.U.Sir Ernst Boris Chain premio Nobelpreservación de penicilinaCharles Merieux estabilización de vacunas
Antecedentes globalesLos incas emplearon esta tecnologíamuchos siglos atrás para secar carnecongelada empleando la energíaradiante del sol y la baja presión de lasalturas del altiplano andino.
¿Para qué liofilizamos?Hay dos aplicaciones generales delsecado por liofilización: preservación o estabilización deproductos alimenticios de alto valoragregado, biológicos o farmacéuticos. producción de estructuras porosasdefinidas o superficies internas talescomo esponjas de colágeno,catalizadores, etc.
Aplicaciones de la liofilización:sangre, plasma, suero, soluciones de hormonas, productosfarmacúticos, alimentos e ingredientes.Materiales especiales para transplantes, como arterias, piely huesos.Células que deben permanecer vivas largos períodos. Estoincluye bacterias, virus y levaduras, pero no células demamíferos.La liofilización se emplea para la preservación debiomateriales debido al hecho de que en el productoobtenido está inhibido el crecimiento de microorganismosy de reacciones químicas de deterioro.El proceso facilita la distribución y almacenamiento ya queno es necesario mantener la cadena de frío.El producto obtenido es fácil de rehidratar.
Diferencias con otras formas desecado:La movilidad del agua y los solutosdurante el procesoLa temperatura: en liofilización -30 C, ensecado entre 50 y 100 C.
Esto determina: Estabilidad química durante elproceso Generación de una estructuraadecuada. Características de rehidrataciónadecuadas.
La liofilización es un proceso queinvolucra tres etapas: Congelación: la mayor parte del agua seconvierte en hielo. Sublimación: el hielo pasa a estado vapor. Desorción: Casi toda el agua no congelable seconvierte en vapor y se remueve.
Liofilización en batchLiofilizacióncontínua
Los estados de agregación del agua:Diagrama de fases.Los diagramas de fases muestran en forma simplelas regiones de presión y temperatura en las quepredomina cada fase como también las zonasdonde coexisten en equilibrio dos o tres fases(punto triple).El diagrama denota la presión ejercida por lasmoléculas de agua a una dada temperatura.
La energía intermolecular determina los cambiosenergéticos en las transiciones de fase.Varios cambios en el estado del agua sonimportantes en la liofilización:Uno es la congelación del agua (líquido/sólido)Otro es sublimación (sólido/vapor).La transferencia de energía requerida para loscambios es distinta:Para congelar 1g de agua se requiere extraer 80cal. Mientras que para sublimar hielo se requiereaportar 680 cal.
Diagrama termodinámico delaguaCongelaciónSecado poraire calienteSecado al vacíoPuntoTripleSecado porcongelación
Presión de aire adistintasaltitudes
Si vemos el diagrama de fases del aguael punto triple está a 4,6 TorrLas aplicaciones comerciales emplean100 mTorr o 0,1333 mBar, claramente que la P de aire en los Andes.¿Cómo podían liofilizar los Incas?
Ojo: a 0 C el punto de 100% R.H. es 5,3 Torr(7,067 mBar), y la H.R. tiene que estar pordebajo de 86,4% a 0 C para que comience lasublimación.Por esto, la condición de sublimación debe ser“una reducción en la presión parcial de agua demanera que sea sustancialmente menor que lapresión de saturación a la dada temperatura”.Esta condición usualmente se alcanza bajandola P, pero sólo es necesario disminuir la PV deagua para alcanzar el requerimiento.
Para una velocidad adecuada de sublimación, lapv de H2O tiene que ser 200 mTorr (0.2 Torr).Durante la sublimación en una cámara evacuadala pv total (100%) está dada por las moléculas deagua.Entonces si la P en el manómetro es 200 mTorr,esa es la pv de agua. Es sólo alrededor de 22veces menor que la pv de la atmósfera.
Como generalmente la congelación de aguaocurre a presión atmosférica, la temperaturadel cambio de fase del estado líquido sería elpunto de congelación de agua (0 C) si setratara de agua pura, pero la presencia desólidos afecta la temperatura a la cualocurrirá la congelación.Además del diagrama P, T analizado para elagua pura, nos interesa el diagramatemperatura-composición a presiónatmosférica (diagrama T-X a 1013 hPa) .
Ciclo de liofilización:Preparación del material. Congelación (todos los fluidos se solidifican:pueden ser cristalinos, amorfos o vítreos). Se genera unred compleja de hielo, que puede estar embebida enestructuras vítreas o permanecer asociada a estructurasintersticiales. Ojo con estrés mecánico por expansiónvolumétrica. Se realiza en ciclos de enfriamiento/calent. Sublimación: secado primario. El materialcongelado se coloca al vacío. Debe haber un balanceadecuado entre el calor que se le provee (transf. de calor)y el agua que sublima (transf. de masa) para que no hayacolapso. Desafío: entregar energía en el vacío.Importante ajustar la presión para manejar la posibilidadde sublimación.
Ciclo de liofilización: Desorción: secado secundario (comienzacuando se ha sublimado todo el hielo). Para cadaproducto se establece un rango de contenido deagua remanente. Acondicionamiento final: para extarerlo de lacámara: cuidados con el aire que ingresa,humedad ambiente, luz, oxígeno, sellado. Reconstitución del producto: temperatura ysolvente, procedimiento.
Ejemplo de un programa para liofilización deinyectables.
Permite calcular la pv de agua sobre hielo. H depende de T en la Fig. está para T -40 C(tabla).
Los parámetros del material y del procesodeterminan que una liofilización seaexitosa.Las propiedades termoquímicas ytermomecánicas de los materialessolubles amorfos forman la base de undiseño efectivo de formulación y lasaproximaciones coordinadas para laformulación y el desarrollo de procesopermiten alcanzar óptimos resultadoscon un mínimo de prueba-error.
Equivalencias de unidades de presión
Para que ocurra sublimación en la interfaseentre la capa congelada la energía requeridapara la transformación sólido-vapor debe sertransportada a través de la muestra hasta lainterfase. Esto requiere gradientes detemperatura, cuya magnitud dependerá de lasresistencias al transporte de calor presentesen el producto.La capa congelada tiene mucho menorresistencia al transporte de calor que la capaseca y por lo tanto se requiere mucho menorgradiente de temperatura a través de la capacongelada que a través de la capa seca.
Análisis del comportamientoen congelación.Microbalanza
Segregación de hielo y concentradodurante la liofilización desoluciones.Regiones de sólidos concentradosCristales de hieloRed de huecos interconectadaQueda una matriz porosa luego de la remoción de hielo por sublimación
La congelación causa la microseparación deuna solución acuosa en una mezcla de agujasde hielo y sólidos cristalinos o solución amorfaconcentrada, en la que permanecen lassustancias activas.Aguja de hieloMatrizconcentradaSección ideal de un líquido congeladoMicroestructura unidireccional.
En la cámara de vacío se entrega el calorlatente para que ocurra la sublimación:Flujo radianteVaporsublimanteCapa secaFrente dehieloZonacongeladaPrimero sublima el hielo cerca de la superficie,dejando un frente uniforme de hielo a cierto niveldentro del material.
La región por debajo del frente de hielo esla zona congelada. El calor de sublimaciónse entrega al frente de hielo porconducción a través de la capa seca.CapilarvacíohieloSolución concentradaamorfa/cristalesEl vaporsublimado deja elfrente de hielo através de loscapilares quedejan las agujasde hielosublimadopreviamente.La superficie externa del material debe mantenersepor debajo de la temperatura del frente de hielo paraque ocurra esta transferencia de calor.
La velocidad de secado está limitada por lavelocidad a la cual el vapor puede difundir delfrente de hielo. Elevando la temperatura del frentede hielo aumenta la velocidad de transferencia demasa, pero esto está limitado por una temperaturacrítica del material, por encima de la cual loscapilares se estrangulan:T Tc
Capa secahielohieloCapacong.A través de la matrizA través de canalesRepresentación de distintas formas de flujode vapor en la liofilizaciónCapa secaCapacong.hieloA través de grietashieloColapso en el frente de hielo
Efecto del contenido inicial de sólidosSolución deproteína 10%Solución demanitol 5%Si el contenido de sólidos es bajo ( 2%) elproducto seco no es mecánicamente estable
La temperatura de colapso de la muestra (Tc) esel punto en el cual el ablandamiento progresacausando colapso estructural de la torta secada,un fenómeno que puede estudiarse pormicroscopía de liofilización (FDM).Para un sistema que cristaliza el colapso ocurrecuando se excede el menor punto eutéctico defusión (Teu).Para un sistema que no cristaliza la Tc estádeterminada por la temperatura de transiciónvítrea del sistema (Tg).
Cristalizacióngranular.No cristalinaCon sembrado de cristalesDistinta estructura de un producto, de acuerdocon las condiciones de cirstalización.
Colapso durante el secado primario. Se empleó una solución15% de LMOX (latamoxef) y una temperatura de estante de40 C, con vacío de 10Pa en la cámara
Controlador termoeléctrico paraliofilización microscópicaPermite la observación directa del eutéctico.
Avance del frentede hielo en elsecado primario
Transporte de calorDesde la fuente de calor a la superficie serealiza por radiación.Desde la superficie hasta la interfase a travésde la capa seca ocurre principalmente porconducción.A través de la capa congelada ocurre porconducción.Desde la fuente de calor hasta la capacongelada depende del diseño, puede ser porconducción.
Pasar a Pa!
El flujo de vapor de agua es impedido por tresbarreras de resistencia: Resistencia de la capa seca del producto Resistencia de los viales semitapados Resistencia de la cámara.
La relación entre flujo de calor y diferencia detemperatura puede describirse por uncoeficiente de transferencia de calor delvial que tiene contribuciones de tresmecanismos paralelos: Conducción directa del estante al vial através de los puntos de contacto directo Conducción a través del vapor entre elfondo del vial y el estante, y Flujo de calor radiante.
Acoplamiento de transportes decalor y masaComo todo el vapor que se forma,determinado por el transporte de calor, debeser extraído, la presión de agua en lainterfase se establecerá a un nivel relativo alla presión del condensador .De esta manera, el transporte de masaresultante desde la interfase balancea lavelocidad de formación de vapor determinadopor el transporte de calor.
Transporte de calor y de masa enla liofilizaciónVeloc. de transporte Área*fuerza impulsora/resistencias
ECUACIONESSuposiciones: Ts (Tº de la superficie sólido) permanececonstante. Material se seca por un lado. T calor interior sólidos Vapor de agua Todo el calor se vaconduccióndifusiónλ
Capa secaCapa congeladaCapa seca
1.- Transferencia de masa (vapor de agua)proveniente del frente de sublimación, pordifusión (removida por el condensador).b es la permeabilidad de la capa seca con respecto al transporte de vapor (kg/m.s.Pa)
2.- Transferencia de calor por conducción.
En condiciones de estado estacionario
(si el secado procede por ambas caras es (e/2)
El tiempo del secado primario puede expresarsetambién en función de la diferencia de presión devapor de agua en la interfase hielo/capa seca y lapresión de vapor de agua en la superficie de la capasecab.(pi - ps)(si el secado procede por ambas caras es (e/2)
Por lo tanto el tiempo de secado dependede las siguientes variables:Máxima temperatura permisible, TsContenidos de agua inicial y final Xo, XeEntalpía de sublimación, λEspesor de la muestra, eConductividad térmica de la capa seca, Kd
Para un dado producto distribuido en viales eltiempo del secado primario puedeminimizarse haciendo la diferencia detemperatura entre el estante y el hielo lo másgrande posible.El control de la temperatura de los estanteses lenta por que la capacidad calorífica delmedio de transmisión es grande.Es más fácil controlar la presión.
La temperatura del hielo está determinadapor interacciones entre la temperatura de lasuperficie, la presión de la cámara y laspropiedades de la capa seca, k.La temperatura de la capa congelada debemantenerse por debajo de una T crítica quedepende de la naturaleza del producto.
Secado secundario Involucra la remoción del agua remanente en elproducto, que no se separó como hielo durantela congelación de y por lo tanto no sublimó. Es difícil transferir energía en una matrizporosa colocada al vacío, ya que se comportacomo un material insuflado perfecto. Por lo tanto, el secado secundario lleva tantotiempo como la etapa del secado primario,aunque durante esta etapa se separa muchomenos agua.
Al final del proceso de sublimación el agua puedeestar: Retenida en capilares Adsorbida a grupos polaresDebido a su baja presión de vapor se elimina condificultad.Generalmente:Se aumenta la temperatura hasta el límitetolerable del producto secoO se genera alto vacío alrededor del producto.
1. Disminución de la temperatura del condensadorEj de -50 C (0,04 mbar) a -80 C (0,0005mbar)Esta disminución de presión es relativamentepequeña cuando se la compara con la presión desaturación de agua en la muestra (0,023 mbar a20 C). Mientras una disminución de presión en elcondensador parecería permitir una menorpresión de vapor de agua, casi no tiene efecto.
2. Aumento de la temperaturra de la muestraEj de -20 C a 30 Cresulta en un aumento de la presión de saturaciónde 23,3 mbar a 42,3 mbar, lo que significa casi eldoble de gradiente.En este caso hay que tener en cuentaconsideraciones de estabilidad mecánica y químicade las muestras.
Debe encontrarse un compromiso ya queel material poroso es aislante, muy altovacío provoca un gradiente detemperatura muy alto entre la superficiey el centro y una temperatura lo másuniforme posible asegura una desorciónmás pareja.
Aspectos que deben considerarse:1. Diagramas de estado suplementados.2. Congelación.3. El proceso.4. Caracterización del producto: sorciónde agua y de nitrógeno.5. La estabilidad del producto.
El agua y los sólidos del materialdeterminan cómo se va a comportar lamuestra durante el proceso.A través de diagramas de estadosuplementados se pueden seleccionarcondiciones de proceso (incluyendocongelación) o establecerformulaciones óptimas.La estabilidad del producto dependerá detodas las consideraciones previas.
Efecto de excipientesHormona de crec. Humano (hGH); 1 mes a 40 C.hGH/Gly/Man 1:1:1; hGh/Dextrano 40 1:6Buffer fosfato (Na) pH 7,4; 15% de hGHCont inicial de agua 1%Reacción: oxidación de metionina y deamidaciónde aspargina
Los estados de agregación del agua: Diagrama de fases. Los diagramas de fases muestran en forma simple las regiones de presión y temperatura en las que predomina cada fase como también las zonas donde coexisten en equilibrio dos o tres fases (punto triple). El diagrama denota la presión ejercida por las moléculas de agua a una dada .
