Liofilización en Colombia ahora o nunca

1. Principios básicos de criobiología

2. Liofilización

3. Ventajas y desventajas del congelamiento fuera del liofilizador

4. Consejos para cargar el liofilizador

5. Bibliografía

Colombia es un país rico en flora y fauna de la cual en la primera encontramos grandes variedades de frutas, verduras, flores y demás vegetales que, pese a ser cultivados todo el año, presentan problemas en algunos casos por la falta de manejo de postcosecha; su deterioro y su almacenamiento deben darse en condiciones que involucren una cadena de frío, o deben ser transformados inmediatamente.

Está muy claro el tema de que sin ciencia y tecnología Colombia no va para ningún sitio; es así como la liofilización, en un escenario como el nuestro, presenta una extraordinaria alternativa en cuanto al aumento del valor agregado de los productos agropecuarios, con una consecuente prolongación en el tiempo de vida útil de los mismos.

En el país actualmente nos quedamos en el tema de la deshidratación convencional, que si bien es cierto es un extraordinario método, en otras latitudes conocen los otros métodos que son aquellos a los que apuntan el mercado local y el del exterior.

El país cuenta con dos empresas medianamente grandes que le apuntaron al tema de la liofilización, quienes permanecen totalmente colmadas de trabajo en términos que no tienen ya capacidad ociosa y requieren expandirse, y la federación de cafeteros posee los equipos más grandes del mundo dedicados exclusivamente a la producción de café liofilizado.

Se requiere personal capacitado y equipos que sean capaces de transformar el producto fresco inicial en otro de similares características, pero libre de uno de los factores que más permiten la contaminación, que es el agua. Los productos de escasa actividad acuosa tienen unas ventajas comparativas extraordinarias gracias a que se preservan más en el tiempo, no pierden sus propiedades y su peso se reduce de tal forma que, al ser transportado un producto terminado, el precio del flete se reduce en un 90 por ciento, que es aproximadamente la misma reducción que se da en promedio en la mayoría de productos.

Los productos obtenidos por liofilización son limpios porque el método, impuesto por efectos de bajas temperaturas y bajas presiones, permite la asepsia casi completa de estos. Esto, sumado a la liofilización de productos ecológicos, hará que el valor agregado obtenido sea mayor.

Quien sepa liofilizar —liofilización es estar en capacidad de manejar cepas bacterianas, concentrarlas y liofilizarlas especialmente en el manejo de los productos lácteos, biológicos, bacterias, etc., mejorando la calidad de los productos finales— podrá, en el área de biotecnología agrícola, deshidratar semillas, que gracias a su totipotencia al ser hidratadas volverán a activarse. En el área de alimentos la liofilización será útil en la elaboración de productos tales como tratamientos celulares embrionarios, producción de alimentos secos en pasta o en polvo con vida útil de varios años sin perder sus propiedades físicas, químicas, organolépticas y conservando esencialmente sabores, olores y principios activos. En el campo de la farmacología, el estudiante de liofilización estará en capacidad de realizar concentraciones de microorganismos útiles para el ser humano, especialmente en la producción de vacunas, sueros en polvo, etc.

Uno de los problemas que siempre ha preocupado a los investigadores y científicos es la labilidad que presentan gran número de productos biológicos, químicos, alimenticios, etc., que al ser fácilmente desnaturalizables no permiten su conservación sin que sus cualidades originales sean alteradas.

Una serie de factores influyen en la alteración de dichas sustancias, tales como microorganismos, el agua, las enzimas, el oxígeno, la temperatura, etc. Los diferentes procedimientos empleados para la conservación de sustancias lábiles están muy lejos de llegar a la perfección, que sería la supresión de todos los factores externos e internos que las afecten.

El ideal sería poder conservar un producto y encontrarlo absolutamente idéntico en el momento, sea cual sea el tiempo transcurrido; para ello es necesario conservar su integridad física y su composición química de los más mínimos componentes, sino también mantener el reparto inicial de estas sustancias en la masa que los contiene y, en el caso de los tejidos animales o vegetales, respetar escrupulosamente su armoniosa arquitectura celular.

La liofilización es la que nos brinda mayores ventajas en la conservación de los productos lábiles, por lo cual, al someter a un producto a este método, obtenemos las siguientes ventajas.

- La temperatura a la cual es sometido el producto está por debajo de aquella a la que muchas sustancias inestables sufren cambios químicos.

- Debido a la baja temperatura a la que se opera, la pérdida de constituyentes volátiles es mínima.

- Gracias a que todo el proceso se realiza bajo congelamiento total del producto, no se produce formación de espuma ni burbujas, lo que desnaturalizaría las proteínas.

- El soluto permanece uniformemente disperso y distribuido sin sufrir concentración ni tendencia a la coagulación.

- El producto final liofilizado se presenta idéntico al producto que ingresó, salvo ser una estructura presentada como un armazón sólido sumamente poroso, ocupando prácticamente el mismo espacio y volumen; por lo cual este producto queda completamente desmenuzable debido a su estructura porosa libre de agua. Debido a esto la solubilidad es rápida y completa.

- Debido a su mínima actividad acuosa, el producto logra una gran estabilidad difícilmente alcanzada por otro método de desecación.

- No hay cambios enzimáticos en todo el proceso, lo que proporciona, entre otras cosas, una excelente microbiología.

- Otra ventaja enorme es que, dado que la liofilización se realiza bajo vacío todo el tiempo, la cantidad de oxígeno presente es nula, por lo que los constituyentes fácilmente oxidables quedan protegidos.

Esto se resume en una estabilidad óptima, buena y rápida solubilidad, conservación prolongada, rápida disponibilidad de uso, fácil almacenamiento, fletes reducidos, entre otras muchas ventajas.

La liofilización surgió de la necesidad. Fue utilizada hace siglos por incas y vikingos que requerían comida hipercalórica, muy liviana e imputrescible, para sus grandes recorridos y sus incursiones militares.

Los incas aprovechaban el altiplano con sus noches heladas y su insolación diurna para transformar la papa que llevaban en sus mochilas, convirtiéndola en chuno, y la carne de llama en charqui, quienes posiblemente fueron los primeros productos liofilizados de la historia.

Los vikingos, con montañas más bajas y el sol más oblicuo, liofilizaban el arenque con menos perfección. "La nación de Buenos Aires articuló la liofilización: algo que vale la pena conocer", Dr. Agustín Saavedra.

Acercándonos más a nuestros días, los científicos Bordas y d'Arsonval en 1906 en Francia y Shackell, americano, en 1909, descubren la aplicación básica del principio de la sublimación, describiendo un pequeño y elemental aparato de liofilización de laboratorio.

Años más tarde se vio venir la aplicación industrial de la liofilización en los trabajos de Ew. Flosdorf y S. Mudd, que trabajando en la escuela de medicina de Pensilvania liofilizaron los primeros productos para uso clínico a gran escala, principalmente sueros y plasma humano.

Los bancos de sangre americanos empezaron a producir industrialmente plasma humano liofilizado para el ejército debido al éxito de la conservación del plasma por liofilización. Esta técnica se utilizó para la producción de penicilina y diversos antibióticos, enzimas, sueros y vacunas a fin de prolongar su vida terapéutica.

De allí en adelante la evolución de la liofilización ha sido restringida al uso farmacéutico; hace pocas décadas se aplicó al mejoramiento de la solubilidad y a las presentaciones de café en Colombia y Brasil.

Especialmente en Colombia se destaca la familia Forero, quienes conocen los beneficios de los tratamientos celulares embrionarios (pato, cordero, etc.).

Pocas universidades en el país se dan a la tarea de incluir la técnica y pocas personas conocen los productos y mucho menos conocen de qué se trata el proceso y qué ocurre al interior de un equipo.

Estamos hablando de un descubrimiento mas no de una invención; hace más de un siglo y la aplicación y el conocimiento no se ha difundido. Las pocas empresas que existen son millonarias y realmente son proyectos que requieren mucho dinero, pero son altamente realizables.

Años después, ya en los dos mil, en Venezuela se reúnen científicos con un fin filantrópico y crean una sociedad, la ISL-FD, de la cual soy miembro y estoy creando el capítulo colombiano junto con la doctora Ángela Gaviria. Dicha sociedad internacional, con sede actual en los Estados Unidos y cerca de dos mil miembros, desea en la región promover eventos técnicos relacionados con el tema de la liofilización, potenciar programas técnico-científicos en Colombia, incorporar la temática en algún programa educacional, entre otras cosas.

La liofilización, como podemos darnos cuenta, es tan antigua como la tierra misma, descubierta hace cerca de ciento dos años y aún estamos discutiendo si la aplicamos o no.

Para mi juicio es el mejor método de conservación (estabilización) de biológicos.

Actualmente no hay una normativa sobre los productos liofilizados, lo que nos indica que los que trabajemos sobre ella seremos los que impondremos las normas.

Principios básicos de criobiología

Dra. Irene Boiso.

Servicio de medicina de la reproducción. Departamento de obstetricia y ginecología.

Institut Dexeus. Barcelona

El objetivo de la criopreservación es el mantenimiento de la viabilidad y funcionalidad celular.

La criopreservación de material biológico ocurre en solución acuosa con diferentes solutos presentes. Las propiedades fisicoquímicas que rigen los eventos a los cuales está sometida la solución durante la congelación derivan de la concentración de solutos disuelta en ella, siendo el punto de congelación de la solución inversamente proporcional a la concentración de solutos presentes en ella.

Cuando una suspensión celular es enfriada y alcanza entre -5 °C y -10 °C se forman núcleos de hielo distribuidos aleatoriamente en el medio extracelular que darán lugar a regiones en fase cristalina. El hielo del espacio extracelular coexiste con el agua líquida interna de la célula gracias a la membrana que constituye la barrera que detiene la cristalización interna.

Extracelularmente se forma hielo puro dejando los solutos más concentrados en la fracción líquida a medida que el cambio progresa. De esta forma las células deben deshidratarse para mantener el equilibrio osmótico en un medio extracelular cada vez más hipertónico.

Al tener un proceso de enfriamiento programado llegamos al punto eutéctico donde la fase líquida remanente y los solutos solidifican.

Al haber un congelamiento lento se puede presentar el sobreenfriamiento, estado en el que la suspensión alcanza temperaturas por debajo de su punto de cristalización manteniéndose en estado líquido. El agua intracelular sobrenfriada sale en respuesta a la diferencia del potencial de los medios extra e intracelular.

Para evitar daños en el sobreenfriamiento se induce la nucleación de cristales a una temperatura ligeramente superior a la de nucleación espontánea de la solución.

Si la velocidad con la que desciende la temperatura es muy rápida, la célula no alcanza a deshidratarse igual de rápido y puede llegar a la temperatura de nucleación; el agua remanente se congela formando hielo intracelular. Si la velocidad de enfriamiento es muy lenta la deshidratación será extrema, llegando al colapso celular.

Con una velocidad adecuada de enfriamiento la célula se deshidratará y concentrará intracelularmente antes de alcanzar la temperatura de nucleación, de manera que la posibilidad de congelación intracelular y consecuente daño celular se minimizará. Esto daría como resultado una óptima supervivencia celular.

Hablamos de criobiología en liofilización porque las temperaturas a las cuales vamos a trabajar rozan algunas veces las de criocongelación; además cualquier producto que vayamos a estabilizar por este método debe someterse a un precongelamiento que es el paso inicial del proceso de liofilización.

Y es allí donde tener nociones de criobiología nos va a ayudar porque el secreto de la obtención de un buen producto liofilizado es la congelación inicial; además, el producto que vamos a congelar está compuesto por muchas moléculas diferentes que se van a congelar a distintas temperaturas, por lo cual hay que encontrar una que las cobije a todas y de una forma rápida para evitar cristalizaciones, daño celular (en caso de que el producto contenga células), etc.

En la mayoría de los métodos utilizados para deshidratación o desecación de productos interviene el calor, temperaturas que si bien no son excesivas, pueden dar como resultado final algo diferente en su composición respecto a lo que cargamos inicialmente, aunque su aspecto exterior sea el mismo.

Todos los equipos y las técnicas de deshidratación son válidas, pero debemos elegir una que se acomode a nuestras necesidades y a las del producto que queremos obtener.

Al involucrar calor en un proceso alteramos moléculas poniéndolas a vibrar algunas veces muy rápidamente y podemos destruir la arquitectura del producto; esto no estaría tan mal si no destruyéramos su composición química. Para los estudiosos de la química y la bioquímica no es lo mismo una cantidad de aminoácidos sueltos que una proteína completa.

Todas las enzimas son proteínas, pero no todas las proteínas son enzimas, decía un profesor de Los Andes. Pues bien, los aminoácidos libres por sí solos no son proteínas; ocurre que cuando sometemos un producto a temperaturas altas y lo deshidratamos, al no conocer las propiedades térmicas muchas veces estamos rompiendo proteínas en sus componentes, y al terminar el proceso el producto obtenido es otro diferente al que inicialmente cargamos.

Esto no implica que esté hablando mal de los otros métodos de deshidratación, pero evaluemos si queremos tener un estándar de producto al cual le hagamos trazabilidad desde el inicio hasta el consumidor final.

Caemos muchas veces en el error de pensar que todo lo sometido a calor es bueno.

Para quienes quieren atar un proceso productivo a una transformación de producto industrialmente por un método que dé sobre todo estabilidad, hay, para mi entender, dos métodos de los cuales yo defiendo el primero:

1- Liofilización

2- Deshidratación por túnel de secado por microondas al vacío, y la segunda aún en fase experimental (bueno, ya arrancando) la cual nos puede brindar mayor cantidad de producto en menor cantidad de tiempo gracias a ser de carga continua y a tener unos ciclos demasiado cortos. Parece estupendo este método.

Cuando calentamos algo en el microondas nos sorprendemos que los recipientes no se derriten, no se calientan, pero lo que deseamos consumir sale a una temperatura agradable al paladar; ¿por qué ocurre esto?

Ya existen empresas enormes de mucho renombre que están apostando por esta tecnología y han diseñado túneles espectaculares con resultados finales excelentes, a costos menores. GEA Niro y otros ya diseñan estos túneles; pregunto de esto tan bueno, ¿si dan tanto?

Las microondas se introducen en los productos y ponen a vibrar las moléculas, lo que genera el calentamiento, especialmente en los productos de actividades de agua altas, donde el libre camino molecular permite que por el recorrido de estas moléculas vibren, se estrellen y den como resultado un aumento en la temperatura del producto.

El túnel no requiere precongelamiento; es aquí donde yo empezaría desde mi punto de vista a defender mi apreciado método número uno.

Para toda actividad, como lo coloque en los diez mandamientos de las BPM, hay que realizar protocolos de siembra, de cosecha, de postcosecha, de recepción, de precongelamiento, de introducción, de todo; aunque conozco el método del túnel, me quedo corto en el diseño de un protocolo, que me ayuda cada vez más a defender, repito, la liofilización.

La temperatura es la medición del grado de agitación molecular de los cuerpos. La energía interna de un cuerpo aumenta al aumentar su agitación molecular, es decir, su temperatura.

Calor es el paso o tránsito de la energía interna de un cuerpo caliente a uno frío.

Frío es el paso de la energía interna desde un cuerpo más frío a uno más caliente.

Todo se pasa, todo se cede, se pierde, pero no se tiene.

Un cuerpo tiene energía interna, no calor.

El calor y el frío se refieren a cantidad; la temperatura a calidad.

El calor o el frío son una manifestación de la energía y la temperatura es la manifestación de esta forma de energía.

El calor se mide en calorías, siendo una caloría el calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 14,5 °C a 15,5 °C.

El frío se mide en frigorías, siendo la cantidad de calor que es necesario quitar a un gramo para disminuir su temperatura de 1 °C a 0 °C.

Calor sensible es aquel que se da a un cuerpo para que aumente su temperatura, es apreciable en el termómetro.

Calor latente es el calor necesario para transformar un cuerpo de un estado a otro sin modificar su temperatura.

Equilibrio térmico de la materia

Se sabe que el agua necesita calor latente de vaporización para que cambie de un estado líquido al estado gaseoso a una misma temperatura. Este fenómeno continuará hasta que desaparezca la última gota de agua líquida o hasta que el ambiente que la rodea esté saturado con el vapor de agua emitido.

Mientras el ambiente no esté saturado, el líquido se irá evaporando y el calor latente de vaporización lo obtendrá de la temperatura ambiente y del mismo líquido, por lo que la temperatura del mismo disminuirá sensiblemente hasta que el equilibrio térmico sea reestablecido. Para romper este equilibrio es preciso aportar calor exterior al sistema y para acelerar el proceso de vaporización se precisa de un sistema que retire este vapor emitido, siendo todos estos cambios reversibles.

Tensión de vapor.

Toda sustancia líquida tiene la tendencia a pasar al estado de vapor. Esta tendencia viene representada por la tensión de vapor, produciéndose una evaporación en la superficie externa del líquido.

Para una sustancia el valor de la tensión de vapor varía en función de la temperatura y crece al aumentar esta.

La evaporación se convierte en ebullición cuando el aumento de la temperatura provoca que la tensión de vapor llegue a su valor máximo.

Acá vemos el caso del porqué en las cuerdas la ropa se seca, si en ningún momento se ha llegado a la temperatura de ebullición del agua.

A la temperatura de ebullición, la tensión de vapor del líquido es igual a la presión del medio ambiente.

Esta tensión depende de la presión y disminuye con esta, así el agua hierve a menor cantidad de grados en un sitio de mayor altitud.

Una sustancia se encuentra saturada con otra cuando es imposible disolver más cantidad de la segunda en la primera; así el aire, cuando se satura de agua, ya no acepta más cantidad, desprendiéndose el exceso por condensación en forma de agua.

Los principios básicos que regulan la liofilización reposan en el diagrama del punto triple del agua.

El diagrama permite deducir el cambio de los estados del agua de sólido a vapor, sin pasar por el estado líquido. El punto de equilibrio corresponde a las coordenadas de 0,008 °C y 4,6 torr de presión, que es donde coexisten las tres fases en equilibrio.

En la liofilización nos interesan estas tres curvas, ya que en la primera fase el producto se congela, debiéndose evitar su fusión durante todo el proceso ya que instantáneamente y debido al vacío existente el producto se evaporaría. En una segunda fase el producto helado sublima y el vapor de agua emitido se solidifica en la pared del condensador.

Este diagrama se cumple con agua pura y deja de seguirse cuando se trata de un sistema de más de un componente, en el que además de la presión y la temperatura entra en juego la concentración del soluto en relación con el solvente, de tal forma que el punto triple verá desplazado a valores de temperatura y presión inferiores a los del agua pura.

El producto que nosotros vamos a liofilizar corresponde a uno que tiene bastantes componentes; si obtenemos esta gráfica con el agua pura miremos los valores de presión y temperatura en cada uno de estos componentes, por lo que deberíamos obtener varias gráficas por un solo producto.

Vemos acá que es un proceso complejo que implica congelación y tiene bastantes variables, de las cuales mencionamos hasta ahora presión, temperatura y concentración de solutos.

La solución que congela totalmente constituye la mezcla eutéctica y la temperatura a la que se lleva a cabo es el punto eutéctico. La presión del vapor total de un sistema en el que no se ha alcanzado el eutéctico es el resultado de la suma de las presiones parciales de cada uno de los componentes.

Por debajo del eutéctico, cuando ambas sustancias están en estado sólido, cada una conserva su tensión de vapor característica a su temperatura, sin influenciarse mutuamente.

Es indispensable en liofilización, en la que el hielo debe pasar a vapor por sublimación, que se enfríe por debajo del eutéctico para que toda el agua esté totalmente cristalizada y, como segundo requisito, que por aporte externo de calorías se alcance la temperatura correspondiente al punto de fusión, sin antes haber logrado la total sublimación del hielo.

Pero milagrosamente existen sustancias de carga que pueden elevar el punto eutéctico de soluciones que lo tienen muy bajo, con la adición de ciertas sustancias.

Si se pasa de ciertos límites de temperatura y presión se puede provocar fusión intersticial con lo que el producto se desnaturalizará e incluso puede llegar a destruirse completamente.

El secado primario de todo producto a liofilizar debe hacerse en estado sólido exclusivamente por sublimación, que sabemos que es el paso del estado sólido al estado de vapor sin pasar por el estado líquido.

Con el fin de garantizar una perfecta congelación es importante conocer el punto eutéctico de la solución a liofilizar, con ello determinar la temperatura mínima en que todos sus componentes se han congelado totalmente. La temperatura del material congelado tiene que ser controlada cuidadosamente durante la sublimación.

Debemos tener cuidado con el congelamiento porque si de alguna manera quedan líquidos o agua intersticial durante la sublimación puede provocarse lo siguiente:

- Alteración química o enzimática de la sustancia tratada

- Pérdida de agentes aromáticos volátiles debido a evaporación libre

- Pérdida de partículas de polvo seco, arrastradas por el vapor de agua del líquido en ebullición

- Formación de espuma en toda o parte de la masa, cuando la fusión intersticial es grande

Por eso el secado primario debe realizarse en estado sólido, exclusivamente por sublimación.

En frío y con determinados valores de presión un líquido puede hervir desnaturalizando los componentes principales del producto.

Recapitulemos: la liofilización es un método de conservación, deshidratación y estabilización de productos de alguna actividad acuosa por intermedio de temperaturas bajas y vacío.

Esto es lo importante: en ningún momento vamos a someter a nuestro producto, solución, etc., a temperaturas altas que afecten sus componentes, siendo la primera parte de esta liofilización la congelación previa.

Todo liofilizador es un equipo de refrigeración sumado a un equipo de vacío; es recomendable, aparte del liofilizador, tener un equipo de congelación o freezer que llegue a temperaturas inferiores a los cuarenta grados bajo cero y rápidamente, a fin de realizar un precongelamiento excelente, que en sí es quien nos determina la calidad del producto.

Si pensamos en la liofilización de embriones de pato, por ejemplo, cuyo procedimiento tiene una extracción del "feto del animal", una homogenización, una congelación y una posterior liofilización completa, y no congelamos adecuadamente el producto dentro de los viales o frascos, encontraremos al final del proceso unos poros demasiado grandes que, aparte de no permitir la buena rehidratación posterior, darán un producto visualmente defectuoso con una pésima apariencia.

Insisto: es importantísimo la congelación y recomiendo este freezer aparte del liofilizador; además porque en procesos continuos de carga y descarga del equipo permitirán en todo momento ganarle algunas horas al proceso.

Importante:

Determinar por los métodos conocidos el punto eutéctico del producto; sin eso es imposible replicar los procesos, debido a que cada vez que realicemos un batch de producción estamos al final del proceso presentando productos diferentes.

Los métodos más conocidos para la determinación del punto eutéctico son:

- Las medidas de resistividad, que consisten en estudiar las desviaciones de conductividad eléctrica de un sistema durante su congelación y descongelación, ya que la resistencia de una solución acuosa cambia y aumenta a medida que la solución se va enfriando. Aún cuando el producto dé la impresión de estar completamente sólido, la resistencia continúa subiendo al seguir bajando la temperatura. Solamente cuando el producto está completamente solidificado no habrá más cambios en la resistencia y hemos descubierto de esta forma el punto eutéctico de la sustancia o producto a liofilizar.

- Otra forma de hallar el punto eutéctico es el análisis térmico diferencial, que permite conocer la evolución de la temperatura de un sistema complejo durante su congelación y posterior calentamiento, tomando como referencia su disolvente, que generalmente es el agua destilada.

Cuando se use la conductividad o resistividad como medio para examinar las propiedades eléctricas de una solución, debe tenerse cuidado de que la medición sea hecha a una frecuencia igual o mayor de 100 Hz para impedir la polarización de los electrodos.

Solamente habrá posibilidades de reproducción de procesos cuando estemos en capacidad de tener una planta piloto con un pequeño liofilizador, un freezer y un espacio con equipos para que determinemos las propiedades térmicas del producto. Esto no es costoso y, basados en datos seguros que nos va a proporcionar este laboratorio piloto, dediquémonos a pensar en agrandar el proyecto, que obviamente es realizable. Les recomiendo profundizar en el punto triple del agua y en estos métodos de determinación del punto eutéctico.

En una solución precongelada, ubicada en el interior de una cámara a la cual se le efectúa un vacío suficiente para que la presión de esta cámara se mantenga por debajo de la presión saturante del hielo a la temperatura en que se encuentra el producto, se empezará a producir una lenta y segura sublimación del hielo, desprendiéndose vapor de agua.

Esta es la CLAVE DE LA LIOFILIZACIÓN: la sublimación, conocida por todos como el paso de sólido a vapor sin pasar por el estado líquido.

Por esta razón un producto no debe llegar a temperaturas de fusión, y mucho menos se va a desnaturalizar o a perder propiedades, porque todo el proceso es realizado en frío extremo.

Un frío que permite generar unas presiones diferenciales que son las que, en última instancia, van a extraerle el agua al producto.

Mayor será la sublimación del hielo cuando mayor sea la diferencia de presiones entre producto y componentes del equipo.

Para los físicos e ingenieros del ramo es bien conocido que existen tablas en las cuales la temperatura tiene una correspondencia en valores de presión especialmente en micrones, los cuales aparecen en la tabla comparativa de presiones.

Ejemplo

Grados centígrados......Micrones

0 ...........................4579

-1 ..........................4000

-3 ..........................3500

-7 ..........................2500

-65 ........................4

-80 ........................0,4

-100 ......................0,011

1 micrón corresponde a 10 a la menos tres torr.

1 micrón = 0,001 mm Hg.

Estas equivalencias nos permiten conocer al interior del equipo qué ocurre y lo verificamos con los vacuómetros para entender que una presión corresponde a determinada temperatura y viceversa.

De esta forma un operario controla presiones y temperaturas mediante vacuómetros y termocupla, de tal suerte que en ningún momento de la operación se permita llegar producto a presiones o temperaturas críticas.

Como sabemos, la atmósfera es la masa de aire que envuelve la superficie de la Tierra, a causa de su peso (peso por unidad de superficie) sobre la tierra y los objetos que se encuentran en ella.

Al subir (altura en metros sobre el nivel del mar) o separarnos de la superficie terrestre llegamos a niveles de disminución de la presión de aire, hasta llegar a niveles en los que el valor de esta magnitud es prácticamente nulo.

Se calcula que en las zonas más altas del planeta, por cada diez metros de altura la presión disminuye aproximadamente un torr.

Así, si a nivel del mar la presión es de 760 torr, a 600 m es de 707, a 1.000 m es de 674 y a mil kilómetros es de 10 a la menos doce torr.

Vamos viendo que, en la medida en que se entiendan estos conceptos, comprendemos en el caso de los incas cómo la comida se preservaba debido a las alturas, donde a mayor altura, mayor frío y menor presión, lo cual son los dos factores indispensables para que ocurra la sublimación.

Presión absoluta es aquella que parte del cero absoluto (0 mm de Hg).

En la presión relativa el cero se mide a partir del valor de la presión atmosférica; por lo tanto el valor absoluto será -1 atm. Esta presión relativa se usa cuando se manejan gases comprimidos a presiones superiores a la atmosférica.

Vacío.

Debe entenderse como la reducción de la presión atmosférica; se utiliza para su medición las mismas unidades de la presión atmosférica solo que con signo negativo.

La definición académica de vacío es el espacio libre de materia, cosa que no es posible, lo cual llevará a definir en un sentido práctico al vacío como un espacio lleno de un gas a una presión inferior a la presión atmosférica.

El vacío suele dividirse en:

- Vacío grueso o bajo vacío

- Vacío medio, especialmente útil en liofilización, que va entre 1 y 10 a la menos tres torr

- Alto vacío

- Ultra alto vacío

Libre camino molecular

Es la distancia promedio que una molécula puede recorrer antes de chocar con otra, desviándose de su trayectoria a una presión y temperatura determinadas, siendo este libre camino molecular inversamente proporcional a la presión.

La formulación del producto es quizás el paso más importante en el proceso de liofilización.

Existen muchas formulaciones, pero entre ellas hay que hacer énfasis en:

1. Formulaciones que pueden ser liofilizadas fácilmente para producir una pastilla porosa con estabilidad a largo plazo, que tenga el mismo volumen de la formulación congelada.

2. Otras formulaciones con las cuales hay grandes dificultades para producir un producto liofilizado estable, donde la concentración del principio activo es mínima y el soporte de pastilla porosa es mínimo; es muy complicado lograr reproducibilidad.

La cantidad del ingrediente activo de una fórmula puede variar desde tener varios gramos hasta milésimos de gramo, donde se complica la obtención de un producto final; aunque la cantidad del ingrediente activo no implica que el proceso sea reproducible (Jennings, seminario de liofilización 1993).

Algunas fórmulas farmacéuticas y de diagnóstico requieren de un acondicionamiento previo que les brindará una estabilización para la obtención de un buen producto final. En el caso de la liofilización de organismos vivos puede llevar a la desnaturalización y destrucción de la muestra.

Para evitar los daños se introducen en la formulación sustancias de mediano peso molecular de carácter orgánico, como por ejemplo el glicerol y la fructosa, que evitan que las presiones osmóticas dañinas que se generan durante la congelación destruyan la fórmula.

Igual, para proporcionar estabilidad a la fórmula se pueden introducir compuestos inorgánicos cuya aplicación debe ser cuidadosa porque puede alterar el punto eutéctico de la fórmula a liofilizar. Cuando liofilizamos en viales y permitimos una desecación excesiva, el producto final aún en cámara puede desbordarse de los recipientes donde se encuentra, pudiéndose arrastrar ingredientes activos al interior del tubo del vacío, perdiéndose la proporción de la formulación.

En otros casos, como el que nos ocupa, que es el de la sábila, los sólidos totales pueden ser incrementados mediante la adición de agentes de relleno no reactivos que hagan volumen.

El primer paso del proceso de liofilización es establecer una formulación reproducible, es decir, en la cual exista un control cuidadoso sobre la composición química y las concentraciones de los constituyentes activos e inactivos.

La palabra clave en la preparación de un producto a liofilizar es la reproducibilidad. Un producto liofilizado reproducible debe comenzar con una formulación reproducible.

La liofilización puede ser definida como un proceso de estabilización en el cual el material primero es congelado y entonces la concentración del solvente, comúnmente el agua, es reducida mediante sublimación y desorción, a niveles que no sostendrán más el crecimiento biológico o las reacciones químicas (Dr. Thomas Jennings, seminario 1993 ISL-FD).

La liofilización es un proceso de estabilización en el cual la formulación es congelada primeramente, es decir, hay una separación del solvente y los solutos y luego la concentración del solvente, comúnmente el agua, se reduce primero mediante sublimación (secado primario) y después mediante desorción (secado secundario) hasta niveles que no sostendrán más el crecimiento biológico o las reacciones químicas (Dr. Thomas Jennings, seminario 1993 ISL-FD).

OTRA DEFINICIÓN

Por liofilización entendemos la desecación efectuada a baja temperatura de un producto previamente congelado, lográndose la sublimación del hielo bajo vacío. Es, por lo tanto, el paso directo de hielo (sólido) a gas (vapor), sin que en ningún momento aparezca el agua en su estado líquido.

El término liofilización se refiere a una de las propiedades más específicas de los productos secados por esta técnica: la gran avidez por el agua o los solventes que posee el producto seco, formando una estructura sumamente porosa que se rehidrata rápidamente (lyo: solvente; philo: amigo).

A - Cámara

B - Condensador

C - Grupo de vacío

D - Compresor frigorífico

E - Grupo calefactor

El producto «P» congelado previamente es colocado en la cámara de desecación «A», la cual se mantiene a una temperatura «t» inferior a la del punto de congelación del producto. Se efectúa el vacío en la cámara de tal manera que la presión «Po» medida en la cámara sea inferior a la presión «p» del vapor saturante del hielo a la temperatura «t». A partir de este momento se producirá la sublimación lenta del hielo con emisión continuada de vapor. El producto «P» se irá desecando progresivamente.

Para evitar que el vapor de agua contamine el grupo productor del vacío se intercala un condensador «B», mantenido a una temperatura «t"" inferior a «t». Si llamamos «P"» a la presión obtenida en el condensador, el vapor de agua se condensará en la pared del condensador, si la temperatura de este «t"" es tal que la presión de vapor de agua saturante del hielo a la temperatura «t"" es inferior a la presión «p"». Tendremos por lo tanto la relación de presiones: P" menor que Po menor que P.

Las diferentes etapas que nos llevan desde una materia prima generalmente en estado líquido a la obtención de producto final son las siguientes.

- Preparación del material, dependiendo si se lleva a cabo a granel o en dosis unitarias; se requieren recipientes adecuados para las necesidades del proceso, sean viales o bandejas.

En el trabajo a granel utilizamos bandejas en acero inoxidable, no aluminio, de fondo plano y de laterales bajos.

Cuando se trabaja en dosis unitarias se utilizan viales de vidrio tipo I, preferiblemente ámbar en sustancias que reaccionen con la luz, tapones de caucho para liofilización, no los convencionales que no están diseñados para soportar fríos y presiones extremas.

Las operaciones de liofilización deben ser realizadas en sitios de atmósfera controlada, en lo posible con una humedad relativa que no exceda el 40%. Si esto no es posible, hay que retirar la humedad ambiental.

En el caso de la liofilización de líquidos, la velocidad de llenado del vial o de la bandeja debe ser controlada para no permitir que el producto al verterse genere espuma y también con el fin de evitar que las paredes del vial o de la bandeja se impregnen, porque una de las cosas que vende en liofilización es la presentación del producto.

- Congelación

Esta es previa y obligatoria en todo proceso de liofilización. Debe efectuarse en equipos especiales, teniendo en cuenta que si lo realizamos en freezers o congeladores aparte del liofilizador podemos controlar más el proceso y, en el caso de realizar muchos batch de producción al mes, le ganamos tiempo al proceso congelando en otro equipo específico para este trabajo.

La congelación, después de una buena formulación, es la garantía de hacer procesos repetibles; por eso hay que poner especial énfasis en lograrla de la mejor manera.

Cuando necesitamos liofilizar líquidos que en su interior poseen un principio activo que no se homogeniza fácilmente en el solvente, requiere congelarse en agitación, motivo por el cual las congelaciones deben ser de especial cuidado, porque entre otras cosas la presentación final del producto depende de lo bien o mal que se haya congelado.

Ventajas y desventajas del congelamiento fuera del liofilizador

Ventajas

- Permite independizar la congelación de la liofilización.

- Facilita la organización de trabajo en sala estéril, especialmente para operaciones de llenado, independientemente de la duración del proceso.

- Permite mayor rendimiento del liofilizador al introducir en este producto ya congelado, siempre y cuando la velocidad de descongelación del condensador sea rápida para el inicio de una nueva operación.

Desventajas

- El empleo de congeladores independientes posee el inconveniente de implicar una manipulación suplementaria del producto, con los riesgos de fusión parcial durante su traslado, peligro de contaminación y dificultad para manipular las bandejas enfriadas a temperaturas muy bajas.

Consejos para cargar el liofilizador

- Realizarlo de forma escalonada y con intervalos de tiempo a fin de dejar un margen para que se recupere la temperatura de las placas y así obtener un descenso rápido de la temperatura de forma similar en toda la muestra.

- Acelerar la congelación con circulación forzada de aire por ventilación para hacer descender rápidamente la temperatura de la cámara.

Tiempos de congelación

Estos tiempos dependen de:

- Cantidad de producto

- La naturaleza propia del producto

- La concentración del mismo

- Su acondicionamiento

- La temperatura que puede aportar el equipo

- El sistema de transferencia de frío hasta el producto

- Tipos de placas en los equipos

Encontramos placas delgadas que, al ser enfriadas, transmiten al producto las frigorías por radiación térmica.

Otras placas en su interior tienen serpentines de fluido diatérmico y transmiten el frío al producto por contacto.

Papel del vacío

Para la eliminación de las últimas trazas de agua es preciso restablecer un vacío elevado, cerrando la inyección de aire en la cámara, ya que en esta fase no se precisa un gran aporte de calorías y normalmente con las que proporciona la radiación es suficiente; por el contrario, es indispensable que el libre camino medio de las moléculas de agua emitidas por el producto sea lo suficientemente grande para que sean fácilmente eliminadas y alcancen la pared fría del condensador, lo que implica que el vacío sea el máximo posible.

La experiencia demuestra que un vacío del orden de 10-2 torr es suficiente para la mayoría de productos. Un vacío más elevado presenta problemas técnicos constructivos del aparato, muy costosos y correlativos a una temperatura del condensador muy baja; su aplicación por un largo espacio de tiempo puede provocar problemas de retrodifusión del aceite de las bombas de vacío, que puede contaminar el producto ya liofilizado.

La temperatura final admitida por el producto seco acostumbra a ser superior a la temperatura admitida en su fase líquida, por lo que normalmente puede elevarse ésta al valor necesario a fin de reducir el tiempo de secado final. Téngase en cuenta que una temperatura final excesivamente baja puede provocar en el producto seco una rápida absorción de la humedad ambiental de la sala, si ésta no se encuentra bajo condiciones de humedad controlada.

Bibliografía

Manual de liofilización Telstar, año 1970.

Curso de liofilización on line, docente Dr. Jorge Rivera, www.agro20.com.

Seminario de liofilización Dr. Thomas Jennings, año 1993.

Líder técnico en América Latina de liofilización de Cima Industries Inc.

Móvil en Colombia 3112128296

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