El proceso de liofilización es esencialmente un proceso simultáneo de transferencia de calor y masa (vapor de agua). Las tasas de transferencia de calor y masa afectan conjuntamente la velocidad de secado, influyendo así en todo el ciclo de liofilización. Todos los factores que afectan la transferencia de calor y masa influyen en la velocidad de secado. En resumen, los principales factores que afectan la transferencia de calor y masa en los liofilizadores son:
1. Forma y composición del material: Los materiales liofilizados se clasifican generalmente como sólidos o líquidos. La forma de los sólidos y la concentración de los líquidos tienen un impacto significativo en la velocidad de liofilización.
2. Velocidad de precongelación: El tamaño de los cristales formados durante la congelación afecta significativamente la velocidad de secado y la velocidad de disolución del producto seco. Los procesos de congelación rápida y lenta en liofilizadores difieren en lo siguiente: la congelación rápida produce cristales de hielo más pequeños, mientras que la congelación lenta produce cristales más grandes. Los cristales de hielo más grandes favorecen la sublimación, mientras que los más pequeños la dificultan. La congelación rápida resulta en una baja velocidad de sublimación y una rápida velocidad de desorción; la congelación lenta resulta en una rápida velocidad de sublimación y una lenta velocidad de desorción.
3. Cantidad de carga: Durante la liofilización, el material, una vez dispensado en los recipientes, tiene una determinada relación entre superficie y espesor. Por lo tanto, la liofilización está relacionada con la cantidad de carga. Una menor superficie y espesor favorecen la sublimación del agua, lo que facilita la liofilización y da como resultado una calidad óptima. Durante el secado, el peso húmedo cargado por unidad de superficie de la bandeja es un factor crucial que determina el tiempo de secado. Generalmente, cuanto más delgada sea la pila de material, más rápida será la transferencia de calor y masa, y menor será el tiempo de secado. Sin embargo, una pila de material más delgada implica que se seca menos material por lote por unidad de área de liofilización, lo cual perjudica el aumento del rendimiento por unidad de área de liofilización y por unidad de tiempo.
4. Presión de la cámara de secado: La presión dentro de la cámara de secado afecta las tasas de transferencia de calor y masa. Para la transferencia de masa, una presión menor es mejor, mientras que para la transferencia de calor, una presión mayor es mejor. La tasa de transferencia de masa de un liofilizador está determinada principalmente por la temperatura y la presión en la interfaz de sublimación y la superficie de la capa de secado. Para aumentar la tasa de escape de vapor de agua de la capa de secado, una estrategia es aumentar la temperatura de la interfaz de sublimación, incrementando así la presión de vapor de agua interfacial; otra es aumentar el nivel de vacío en la cámara de secado, reduciendo así la presión de vapor en la superficie de la capa de secado.
5. Método de transferencia de calor: Los liofilizadores se pueden clasificar tradicionalmente en: conducción, convección, radiación térmica y calentamiento por medio (calentamiento por microondas). Dado que el proceso de secado por sublimación en un liofilizador implica la transferencia de calor y masa (vapor de agua), el método de transferencia de calor utilizado para transferir eficientemente el calor al material tiene un impacto significativo en la velocidad de secado del liofilizador.
