A câmara de condensação é o componente mais crítico de um liofilizador. Na liofilização, é o condensador que remove o vapor de água da câmara de secagem. Portanto, o condensador também é conhecido como a “bomba de vapor de água”. O design e o desempenho do condensador têm um efeito direto na transferência de vapor de água durante a liofilização e podem impactar parâmetros críticos como a temperatura do produto e a pressão da câmara e, além disso, podem afetar os atributos de qualidade do produto.
Este artigo dará uma visão geral dos fatores importantes do desenho de um condensador e o efeito do projeto do condensador no processo de liofilização.
Resistência ao Fluxo de Vapor de Água durante a Liofilização
O transporte do vapor de água da interface de sublimação ao condensador pode encontrar as seguintes resistências:
- Resistência da camada de produto já seco
- Resistência do batoque
- Resistência do duto que conecta a câmara de secagem à camara de condensação
- Resistência ao transporte de vapor de água no condensador e conversão em gelo
- Resistência do sistema de refrigeração para remoção de calor da dessublimação do vapor de água
Entre as resistências mencionadas acima, a resistência da camada de produto já seco é geralmente a maior e pode ser de 80% a 90% do total da resistência ao fluxo de vapor de água, definindo assim o tempo de secagem primária e a temperatura do produto durante a secagem primária. Assim, os estudos normalmente se concentram na resistência da camada de produto seco. Entretanto, a capacidade do condensador para capturar o vapor de água (ou seja, resistências (3), (4) e (5)) também pode afetar significativamente o processo de liofilização e a qualidade final do produto. Se o vapor de água não puder ser removido da câmara de secagem ou se o condensador estiver sobrecarregado, a pressão da câmara pode aumentar rapidamente.
As Consequências da Perda de Controle da Pressão da Câmara
Se a pressão da câmara desviar do ponto de ajuste e aumentar rapidamente, isso pode resultar nas seguintes consequências:
- O processo pode ser considerado como falho, uma vez que a câmara é considerada um dos parâmetros críticos do processo.
- O aumento da pressão da câmara pode levar ao aumento da transferência de calor da prateleira para o frasco e à diminuição do “efeito de resfriamento” da sublimação. Ambos os efeitos podem causar um aumento perceptível na temperatura do produto e possível encolhimento e até mesmo colapso do produto final.
- Se a perda do controle da pressão da câmara for resultado da sobrecarga do condensador, uma grande quantidade de vapor de água pode entrar na bomba de vácuo e causar danos à bomba a longo prazo.
A figura ilustra as resistências ao fluxo de vapor de água durante a liofilização. Essas resistências incluem: (1) a camada de produto seco, (2) o batoque, (3) o duto que conecta a câmara de secagem ao condensador, (4) o transporte do vapor de água no condensador e sua conversão em gelo, e (5) o sistema de refrigeração responsável por remover o calor da dessublimação do vapor de água. Cada uma dessas resistências pode impactar o processo de liofilização e a qualidade do produto final.
Requisitos para o Design de um Condensador Ideal
Para garantir uma remoção eficiente do vapor de água, o design do condensador deve atender aos seguintes requisitos:
- Geometria do Duto: A geometria do duto que conecta a câmara de secagem ao condensador deve ser capaz de permitir o transporte de grande quantidade de vapor de água. O diâmetro do duto deve ser calculado cuidadosamente e garantir que a velocidade do fluxo de vapor de água no duto seja inferior a 100 m/s. A proporção ideal entre o comprimento e o diâmetro do duto é de cerca de 1,6.
- Área de Superfície da Serpentina: A área de superfície da serpentina deve ser suficientemente grande para garantir que a camada de gelo na serpentina seja fina. Com o aumento da espessura da camada de gelo, a superfície da camada de gelo fica mais quente do que a serpentina, retardando assim a conversão de vapor de água em gelo.
- Diferença de Temperatura na Serpentina: A diferença de temperatura entre a entrada e a saída da serpentina deve ser pequena para garantir uma condensação uniforme de gelo em toda a superfície das bobinas.
- Conexão da Bomba de Vácuo: A bomba de vácuo deve ser conectada ao liofilizador na posição mais baixa do condensador. Os gases permanentes, como oxigênio e nitrogênio, não condensam na temperatura de trabalho do condensador e se concentram no fundo do condensador. Se tais gases preencherem o condensador, a taxa de dessublimação diminuirá e o vapor de água tenderá a ser convertido em gelo semelhante à neve. Esse gelo tem menor condutividade térmica comparado ao gelo sólido e liso e pode resultar em uma dessublimação ou condensação mais lenta do vapor de água.
Em resumo, o projeto do condensador de gelo afeta tanto a qualidade do produto quanto a saúde geral do sistema de liofilização. Um condensador de gelo projetado de forma eficiente é essencial para um ciclo de liofilização bem-sucedido e para alcançar a melhor qualidade do produto.
Este conteúdo foi traduzido de: Effect of the Design of the Ice Condenser on the Product Quality during Freeze-Drying