Factores que Afectam a Transferência de Calor e Massa em Liofilizadores

Todo o processo de liofilização é essencialmente um processo simultâneo de transferência de calor e massa (vapor de água). As taxas de transferência de calor e de massa afetam conjuntamente a taxa de secagem, influenciando, assim, todo o ciclo de liofilização. Todos os fatores que afetam a transferência de calor e massa afetarão a taxa de secagem. Em síntese, os principais fatores que afetam a transferência de calor e massa nos liofilizadores são:

1. Forma e Composição do Material: Os materiais liofilizados são geralmente classificados como sólidos ou líquidos. A forma dos sólidos e a concentração dos líquidos têm um impacto significativo na taxa de liofilização.

2.º Taxa de pré-congelação: O tamanho dos cristais formados durante a congelação afeta significativamente a taxa de secagem e a taxa de dissolução do produto seco. Os processos de congelação rápida e congelação lenta nos liofilizadores diferem das seguintes formas: a congelação rápida produz cristais de gelo mais pequenos, enquanto a congelação lenta produz cristais maiores. Cristais de gelo maiores promovem a sublimação, enquanto os mais pequenos a dificultam. O congelamento rápido resulta numa baixa taxa de sublimação e numa elevada taxa de dessorção; o congelamento lento resulta numa elevada taxa de sublimação e numa baixa taxa de dessorção.

3.º Quantidade de carga: Durante a liofilização, o material, depois de dispensado nos recipientes, apresenta uma determinada relação entre a área superficial e a espessura. Portanto, a liofilização está relacionada com a quantidade de carga. Menores áreas superficiais e espessuras promovem a sublimação da água, facilitando a liofilização e resultando numa qualidade ideal. Durante a secagem, o peso húmido carregado por unidade de área do tabuleiro é um fator crucial que determina o tempo de secagem. Geralmente, quanto mais fina for a camada de material, mais rápida será a transferência de calor e massa e menor será o tempo de secagem. No entanto, uma camada de material mais fina significa que é seco menos material por lote por unidade de área de liofilização, o que é prejudicial para o aumento do rendimento por unidade de área de liofilização e por unidade de tempo.

4. Pressão da Câmara de Secagem: A pressão no interior da câmara de secagem afeta as taxas de transferência de calor e de massa. Para a transferência de massa, é melhor uma pressão mais baixa, enquanto que para a transferência de calor é melhor uma pressão mais elevada. A taxa de transferência de massa de um liofilizador é determinada principalmente pela temperatura e pressão na interface de sublimação e na superfície da camada de secagem. Para aumentar a taxa de escape do vapor de água da camada de secagem, uma abordagem é aumentar a temperatura da interface de sublimação, aumentando assim a pressão de vapor de água interfacial; outra é aumentar o nível de vácuo na câmara de secagem, reduzindo assim a pressão de vapor na superfície da camada de secagem.

5.º Método de Transferência de Calor: Os liofilizadores podem ser tradicionalmente classificados em: condução, convecção, radiação térmica e aquecimento por meio de micro-ondas. Uma vez que o processo de secagem por sublimação num liofilizador envolve a transferência de calor e massa (vapor de água), o método de transferência de calor utilizado para transferir eficientemente o calor para o material tem um impacto significativo na taxa de secagem do liofilizador.