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UNIVERSIDADE PAULISTA
INSTITUTO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE
FARMÁCIA
FÍSICA
LIOFILIZAÇÃO
Orientador: Professora Mestre
Sabrina
ALESSANDRA SANTOS PEREIRA A63678-1
ALLAN GOUVEA VIEIRA A61279-3
UESLEY BRITO DOS SANTOS A62IFF-8
FM3P41
SANTOSCAMPUS RANGEL
MAIO/2011
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................pag. 03
2 LIOFILIZAÇÃO .................................................pag. 04
3 FUNDAMENTOS DA LIOFILIZAÇÃO .......................................pag. 04
4 LIOFILIZADOR ...........................................................pag. 05
5 ETAPAS DO PROCESSO DE LIOFILIZAÇÃO ...................................pag. 06
5.1 Congelamento ............................................................pag. 06
5.2 Secagem primária ............................................................pag. 08
5.3 Secagem secundária ............................................................pag. 08
6 ALTERAÇÕES ESTRUTURAIS ...........................................................pag. 09
6.1 Transição vítrea ......................................................................................pag. 10
7 EXCIPIENTES ............................................................pag. 12
8 VANTAGENS DA LIOFILIZAÇÃO .......................................pag. 13
9 DESVANTAGENS DA LIOFILIZAÇÃO .......................................pag. 13
10 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................pag. 14
11 BIBLIOGRAFIA .................................................pag. 15
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1 – INTRODUÇÃO
A liofilização pode ser definida como processo de secagem de uma
substância congelada no qual a maior parte de água é removida diretamente por
sublimação, sem passar pelo estado líquido.
O material é mantido congelado do início ao fim do processo, mantendo os
constituintes originais e a forma estrutural inicial. O produto filizado tem aparência
porosa, podendo ser reconstituído imediatamente à forma original, pela adição de
água. O tempo de vida útil é elevado se comparado a um produto não liofilizado.
Com a quantidade de água do material é reduzida, diminui-se a possibilidade de
ocorrerem reações de oxidação ou ação enzimática.
O primeiro produto a ser liofilizado foi o vírus da raiva, em 1911. Durante a
Segunda Guerra Mundial a liofilização atingiu processo industrial devido à elevada
necessidade de por plasma sangüíneo. Além disso, a tecnologia também avançou
com o desenvolvimento nos projetos espaciais, quando liofilizou alimentos para
astronautas da NASA.
Muitos produtos atualmente são liofilizados, incluindo desde antibióticos,
anticoagulantes, enzimas, hormônios até frações de sangue. Na indústria
farmacêutica, a utilização mais direta está relacionada à produção de injetáveis. Em
biotecnologia, o uso de microorganismos e proteínas recombinantes e
nanopartículas tornaram a liofilização um processo comum. Costuma-se também
liofilizar bactérias vírus para manutenção de sua viabilidade e uso após longos
períodos de armazenamento. (Revista Fármaco e Medicamentos, 2000)
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2 – LIOFILIZAÇÃO
A liofilização é um processo de remoção da maior parte da água contida num
material por sublimação. Sendo a concentração da solução, em termos de sólidos
solúveis, maior que 1%, o produto seco terá o mesmo volume da solução o que
permite obter-se produtos de baixa densidade aparente.
A liofilização divide-se em três etapas: na primeira o material é congelado, a
seguir a água é sublimada sob pressão reduzida, e numa terceira etapa, a água
incongelável é removida por dessorção.
A liofilização, por ser um processo realizado em baixas temperaturas, é o
método de escolha para se conservar substâncias termolábeis. Entretanto, o
sucesso de uma liofilização decorre não do fato da secagem ocorrer a baixas
temperaturas, mas sim dela ocorrer no estado sólido. Na otimização de uma
liofilização deve-se manter o produto no estado sólido durante as três fases de
liofilização (Prof. Ronaldo Nogueira M. Pitombo, 2005).
3 – FUNDAMENTOS
A Liofilização só pode ocorrer quando a temperatura e a pressão parcial do
vapor da água forem inferiores às do ponto triplo da água (610 Pa à temperatura de
0,01 ºC, para a água pura.
Diagrama de fases da água.
Fonte: Prof. Ronaldo Nogueira M. Pitombo, 2005.
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De acordo com o diagrama de fases da água, o ponto T é chamado de ponto
triplo da água, localizado nas ordenadas onde a pressão é de 4,58mmHG e a
temperatura é de 0ºC. Neste ponto, as três fases da água (sólida, líquida e gasosa)
estão em equilíbrio, ou seja, coexistem. Qualquer variação nestes parâmetros
desloca equilíbrio para uma mudança de fase do sistema. Se for fornecido calor ao
sistema em pressão superior a 4,58mmHg, a água contida nos sistemas será
transformada em líquido, passando posteriormente a vapor. Toda vez que for
fornecido calor a um material – congelado a temperatura inferior a 0°C – à pressão
inferior de 4,58mmHg, a água contida no material, sublimará, sem passar pelo
estado líquido.
No caso de aplicações farmacêuticas, sabe-se que a maioria das soluções e
suspensões utilizadas possui sais dissolvidos em sua composição, os quais
diminuem a temperatura de congelamento dos preparados farmacêuticos. Esta
temperatura em que uma solução ou suspensão é congelada chama-se temperatura
eutética. Desta forma, cada produto em específico possui uma temperatura eutética,
muitas vezes inferior a 0°C. (Prof. Ronaldo Nogueira M. Pitombo, 2005).
4 – LIOFILIZADOR
A liofilização consiste de um processo que envolve a transferência de calor e
de massa, promovidos pelo gradiente de temperatura e de pressão de vapor,
respectivamente.
O liofilizador faz parte da 3ª Geração de secadores, que tem como principal
vantagem a manutenção dos compostos voláteis e das características
organolépticas dos produtos, muitas vezes prejudicados pela ação dos secadores
tradicionais, que trabalham em temperaturas elevadas. Desta forma, a liofilização
oferece produtos de alta qualidade, podendo-se trabalhar também com produtos
termolábeis.
Os aparelhos de liofilização consistem basicamente de: (a) uma câmara de
secagem, onde é colocado o material, e que deve ser resistente ao vácuo; (b) um
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condensador; (c) bomba de vácuo; e (d) sistema de vácuo para fechamento dos
frascos.
Com o passar do tempo, os vapores gerados aumentariam a pressão da
câmara, o que faria com que a água não fosse mais sublimada. É necessário que o
condensador opere em temperatura inferior ao produto congelado para que haja o
gradiente de temperatura e a água seja transferida ao condensador.
Liofilizador
Fonte: Prof. Ronaldo Nogueira M. Pitombo, 2005.
5- ETAPAS DO PROCESSO DE LIOFILIZAÇÃO
5.1 – Congelamento
Realizado em freezers ou ultra-freezes e deve ser rápido, para a formação de
muitos cristais de pequenas dimensões. Cristais grandes podem danificar o material.
O congelamento total só ocorre abaixo do ponto eutético de cada solução,
dependendo então da composição de material. O congelamento adequado evita a
formação de espuma durante a aplicação do vácuo. A velocidade de congelamento
também é importante. O congelamento rápido produz cristais de gelo muito
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pequenos que ajudam a manter as características estruturais, mas, dificultam o fluxo
de vapor para fora da matriz.
Durante o congelamento de uma solução, a água transforma-se em gelo, num
variado, porém alto grau de pureza. Portanto, os constituintes não aquosos são
concentrados em uma pequena quantidade de água, resultando em alterações
significativas das propriedades da fase não congelada (ph, acidez titulável, força
iônica, viscosidade, ponto de congelamento, tensão superficial e interfacial, além do
potencial de óxido-redução). Gases dissolvidos, como o oxigênio O2e dióxido de
carbono CO2podem ser expelidos da solução. A estrutura da água e interação soluto
água podem ser alteradas.
Como resultado do congelamento, pode haver a formação de misturas
eutéticas, ou precipitados amorfos. Pode ainda ocorrer a desidratação de material
insolúvel e coalescência de gotas de líquidos imiscíveis. Além disso,
macromoléculas são aproximadas favorecendo a interação.
A intensidade dessas alterações varia em função do material, bem como da
velocidade do congelamento.
As curvas de resfriamento e congelamento, observadas na prática, são
frequentemente chamadas de “velocidade de congelamento”.
Alguns autores estabeleceram escalas de velocidade de congelamento, em
graus Celsius por segundo:
Velocidade C/s.
muito lento ............................. abaixo de 0,01 °C/s
lento........................................ de 0,01 a 0,06 °C/s
rápido...................................... de 0,06 a 50 °C/s
super-rápido........................... acima de 50 °C/s
Fonte: Prof. Ronaldo Nogueira M. Pitombo, 2005.
Outros preferem exprimir a velocidade e congelamento em termos de
profundidade de congelamento num dado intervalo de tempo. Em velocidade de
congelamento entre 0,5 e 1 mm por minuto, ou pouco mais, o gelo que se separa de
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uma solução eutética tende a formar cristais, na forma de agulhas, na direção em
que o procedimento progride.
Essa cristalização direcional está ausente tanto em baixas quanto em muito
altas velocidades de congelamento, bem como em soluções de concentração igual
ou maior que a concentração eutética.
5.2 – Secagem primária
Coloca-se o produto na câmara e após estabilização aplica-se vácuo para
iniciar a sublimação. Nesta etapa, o vapor formado deve ser retirado praticamente
ao mesmo tempo em que é formado na câmara para evitar-se o aumento de pressão
do sistema. O calor aqui fornecido deve ser apenas suficiente para gerar o calor
latente de sublimação. A velocidade de secagem na liofilização é lente, sendo em
média de 0,5mm a 1,0mm de profundidade/h ou de 0,001 a 0,06 °C/s, eliminando
cerca de 90% de água do produto.
5.3 – Secagem secundária
A secagem secundária irá reduzir a quantidade de água resídua através da
aplicação de calor, sob vácuo sem afetar a estrutura do material e deixando a
umidade em torno de 1%. Neste ponto a secagem deve ser rápida para não danificar
o produto. Os frascos são então fechados.
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Estrutura do processo de liofilização
Fonte: Prof. Ronaldo Nogueira M. Pitombo, 2005.
6 – ALTERAÇÕES ESTRUTURAIS
Em qualquer fase da liofilização o produto deve ser mantido abaixo de certa
temperatura limite, chamada de “temperatura de colapso”. O colapso é uma
alteração estrutural perceptível como um encolhimento radial da matriz sólida do
liofilizado. A causa desse encolhimento é atribuída a uma redução da viscosidade.
Os valores limites que suportam a matriz sólida são 107 a 1010 cp. O colapso é um
resultado de um sólido amorfo sofrer um fluxo viscoso.
A temperatura de colapso diminui com o aumento do teor da umidade.
Solutos de baixo peso molecular possuem menor temperatura de colapso.
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6.1 – Transição vítrea
Colapso e transição vítrea de polímeros amorfos são fenomenologicamente
eventos similares.
Transição vítrea é a passagem de um líquido para o estado sólido sem
mudança de fase. Quando um polímero no estado vítreo é aquecido, seu volume
específico aumenta com velocidade constante. A certa temperatura de transição
vítrea, essa velocidade aumenta levando a uma descontinuidade na curva de
expansão de volume.
Abaixo da temperatura de transição, o polímero exibe um comportamento
semelhante ao vidro; elevando-se a temperatura a valores acima da transição vítrea,
o polímero amolece comportando-se como borracha; prosseguindo o aquecimento, a
“borracha” é gradualmente convertida numa goma, e, finalmente transforma-se num
líquido.
Transição vítrea é um fenômeno reversível enquanto o colapso de uma matriz
liofilizada é irreversível.
A temperatura de transição vítrea é dependente do teor de diluentes da
mesma maneira que a umidade afeta o colapso.
Estudos sobre o efeito da quebra de pontes de hidrogênio sobre a resistência
mecânica de materiais celulósicos estabelecem que a relação entre o logaritmo do
módulo de Yong (valor que mede a deformação elástica; no caso de materiais
celulósicos está relacionado ao número de pontes de hidrogênio, por unidade de
volume) e o teor de umidade é linear. A reta sofre uma mudança de inclinação
quando atinge o teor de umidade correspondente a camada monomolecular da água
(valor monocamada B.E.T.). Neste caso, a adição de uma molécula de água leva ao
rompimento de uma ligação de uma ponte de hidrogênio. Toda via, quando o teor da
umidade é maior que o valor da monocamada, rompem-se múltiplas ligações de
ponte de hidrogênio.
O logaritmo da temperatura de colapso versus teor da umidade também é
uma relação linear, sofrendo mudança de inclinação no valor da monocamada. Por
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analogia, supõe-se que a temperatura de colapso e o módulo de Yong avaliam
forças estruturais equivalentes devido as ponte de hidrogênio. Portanto, o colapso
pode ser associado à quebra de ligações por ponte de hidrogênio. Em liofilizados, a
retenção de moléculas de baixo peso molecular, mesmo aquelas que tenham
pressão de vapor maior que a pressão de vapor da água, é devida a difusão seletiva
da água através da matriz liofilizada, ou seja: nas condições de uma liofilização, o
coeficiente de difusão das moléculas voláteis é muito menor que o da água.
Em escala macromolecular, a retenção de voláteis ocorre pelo aprisionamento de
moléculas em microregiões da matriz liofilizada.
O processo de alojamento dos voláteis em microregiões se inicia com o
congelamento da solução. Os voláteis são retidos na matriz suporte de liofilização
antes da sublimação do gelo. Quando soluções de compostos orgânicos, como por
exemplos, açúcares, são resfriadas, a etapa de nucleação de cristais de soluto é
com frequencia inibida, não havendo portanto uma formação de mistura eutética
sólida. Continuando o resfriamento, mais gelo puro é formado deixando uma solução
cada vez concentrada. Finalmente, devida à alta concentração de soluto e baixa
temperatura, as forças intermoleculares dentro da solução tornam-se tão grandes
que ela sofre uma transição vítrea, solidificando-se no estado amorfo.
A capacidade de substâncias amorfas reterem outras moléculas é conseqüência da
existência de volume livre nesses sólidos. O estado cristalino, por causa do seu
limitado volume livre, é incapaz de acomodar impurezas em sua estrutura.
Cristalização sucessiva é técnica conhecida para purificação das substâncias.
Além da retenção de voláteis, a liofilização pode encapsular gorduras, evitando sua
oxidação.
Compostos voláteis retidos em uma matriz sólida liofilizada não são removidos
mesmo que ela seja pulverizada e a seguir colocada em ambientes com pressão
reduzida. No entanto, ocorre eliminação de voláteis quando a matriz entra em
colapso.
Emulsões liofilizadas de óleo em soluções de gorduras, lavadas com hexano para
eliminação do óleo superficial, demonstraram não sofrem oxidação. Quando essas
emulsões são colapsadas pela adição de água, a oxidação se inicia imediatamente.
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Portanto, o encapsulamento, tanto de voláteis como de gordura, depende da
integridade da estrutura liofilizada.
Recentemente, prepararam-se vesículas de lecitina para o encapsulamento de
pepsina lisosima por liofilização.
Uma matriz liofilizada, além de entrar em colapso, pode recristalizar-se. A
perda de voláteis e a oxidação de gorduras retidas na matriz ocorrem mais
rapidamente quando a estrutura e torna cristalina, do que quando ela está na
condição de colapsada.
O colapso não é um fenômeno tudo
ou nada. Ao contrário, uma vez iniciado, ele pode ser interrompido ou continuar em
um maior grau em função da temperatura. O grau de colapso não é um fenômeno
dependente do tempo
7 – EXCIPIENTES
Os excipientes são farmacologicamente inertes e, muitas vezes utilizados
em produtos a serem liofilizados com dois propósitos principais:
- Facilitar a forma do preparo, da matriz do produto;
- Tornar isotônico o produto.
É preciso, fornecer calor, sem descongelar o produto e é preciso haver
diferença de pressão de vapor entre o produto congelado e o condensador para que
haja transferência de massa da câmara para o condensador (Teoria e prática na
farmacêutica, 2001).
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8 – VANTAGENS DA LIOFILIZAÇÃO
As principais vantagens da liofilização são:
- a secagem é realizada a baixa temperatura, podendo ser aplicada a produto
termolábeis além de reduzir a ocorrência de reações de oxidação e hidrólise;
- a solução mantém-se congelada durante todo o processo, o que garante
manter sua matriz estrutural, e deixar o material leve e poroso e de fácil dissolução;
- reduz a perda de voláteis de nutrientes, reduz a ação de enzimas e a
desnaturação protéica.
- manutenção das características sensoriais: o sabor, o odor e o aroma dos
produtos não são alterados pela liofilização, pois os componentes que conferem tais
características são termolábeis e, não havendo aplicação de calor, são mantidas no
processo.
9 – DESVANTAGENS DA LIOFILIZAÇÃO
As principais desvantagens da liofilização são:
- a porosidade, a solubilidade e o grau de secagem fazem com que o material
seja muito higroscópico;
- o processo é lento, podendo demorar até 48 horas, dependendo do tamanho
do lote e das unidades a serem liofilizadas, aumentando o custo do processo (M.
Aulton, 2005)
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10 – CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os liofilizadores são equipamentos que desidratam (secam) produtos congela-
dos - fazem a sublimação do gelo no qual foi transformado o solvente (geralmente
água) contido no produto que está sendo processado. Para que ocorra a sublimação
do gelo - não a evaporação da água como acontece nos processos tradicionais - o
material previamente congelado deve permanecer neste estado e inerte durante
quase toda fase da secagem. Isso só ocorrerá sob vácuo e se o equipamento tiver
um condensador adequadamente configurado, potente e adequado.
Pelo fato dos produtos liofilizados não apresentarem alterações quando estoca-
dos por longo período de tempo, a liofilização é muito utilizada pelas indústrias far-
macêuticas e cada dia mais vem sendo empregada em rações animais e produtos
semi-prontos para os mercados mais exigentes. A liofilização também está sendo
primordial nas produções industriais de fermentos, vitaminas, fungos, enzimas, so-
ros, vacinas, bactérias, vírus, etc.
Além de essenciais em instituições de pesquisas, os liofilizadores são empre-
gados em controles de qualidade e estão se tornando quase que obrigatórios em
bancos de sangue para preservação de hemoderivados, bancos de tecidos e de os-
sos e nas produções de próteses e/ou peças ortopédicas e ortodônticas naturais pa-
ra implantes.
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11 – BIBLIOGRAFIA
1 – FERRAZ, H. G., Princípios da liofilização de medicamentos, Revista Fármaco e
Medicamentos, v.6, Setembro/Outubro de 2000, p.30-35.
2 – PITOMBO, R. N. M., Liofilização. In: Purificação de produtos biotecnológicos,
PESSOA JR. A., KILIKIAN, B. V. EDS., São Paulo: Editora Manole, 2005, Cap. 17,
p.332-348.
3 – AULTON, M., Secagem, In Delianeamento de formas farmacêuticas, AULTON,
M. E., 2ª Ed., Porto Alegre: Editora Artmed, 2005. Cap. 26, p.396-399.
4 – RANKELL, A. S., LIEBERMAN, H. A., SCHIFFMAN, R. F., Secagem. In:
LANCHMAN, L., LIBBERMAN, H. A., KANIG, J. L., Teoria e prática na farmacêutica,
Ed. Fundação Calouste Gulbenkian, 2001, cap. 3, p.108-111.
5 - ESAC - Escola Superior Agrária de Coimbra http://www.esac.pt/noronha
acessado em 07/05/2011
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