Planaridade das prateleiras é uma das partes críticas do sistema de liofilização. Durante o ciclo completo de liofilização, o resfriamento e o aquecimento do produto são realizados através das prateleiras. Seja para frascos ou liofilização a granel, a planaridade da superfície da prateleira tem certo impacto no processo de liofilização.
1 – Principais causas da não planaridade das prateleiras na superfície
Supondo que não haja problemas de qualidade com o aço inoxidável das prateleiras, o principal fator que resulta na não planaridade das prateleiras é o processo de soldagem. As principais razões são (1) o estresse gerado durante a soldagem e (2) a baixa resistência à fadiga térmica.
Entre todas as técnicas de soldagem, a soldagem com pino (Figura 1) é amplamente utilizada, especialmente para equipamentos, devido ao processamento simples e, portanto, ao menor custo. No entanto, a soldagem com pino pode gerar estresse considerável. Durante o uso prolongado, o estresse será liberado, o que pode resultar em deformação das prateleiras, até mesmo vazamento no ponto de soldagem.
O vazamento no ponto de soldagem pode ser evitado utilizando outra técnica de soldagem mais complexa, a brasagem a vácuo (Figura 2). No entanto, como a diferença entre o coeficiente de expansão térmica da solda e do aço inoxidável é bastante grande, a fadiga térmica das prateleiras soldadas via brasagem a vácuo pode ser deficiente. Durante o processo de liofilização, as prateleiras são resfriadas até -40°C e aquecidas até 40°C, podendo chegar a 120°C se o equipamento contar com o processo SIP (Sterilization in Place). Ao passar por essa grande variação de temperatura repetidamente, há uma alta chance de que a camada de solda rache e inche após alguns anos de uso.
A terceira técnica de soldagem é a soldagem por resistência de descarga de capacitor (Figura 3). Essa técnica de soldagem é relativamente complexa e tem altos requisitos para o equipamento de soldagem. No entanto, com essa técnica, o resultado da soldagem é difícil de verificar. Portanto, há um alto risco de defeito na soldagem.
Figura 1: Soldagem com pino
Figura 2: Brasagem a vácuo
Figura 3: Soldagem por resistência de descarga de capacitor
2 – Impacto da planaridade da superfície no processo de liofilização
2.1 Liofilização a granel
Se a planaridade da superfície das prateleiras for deficiente, o impacto na liofilização a granel é maior em comparação à liofilização de frascos.
Durante a secagem primária e secundária, há três vias para a transferência de calor da prateleira para o produto: contato direto, convecção gasosa e radiação. Como há uma lacuna entre o fundo do frasco e a prateleira quando o frasco está sentado sobre ela, a convecção gasosa é a principal via de transferência de calor para a liofilização em frascos. Para a liofilização a granel, a principal via de transferência de calor é o contato direto se o fundo da bandeja e a superfície da prateleira forem perfeitamente planos. No entanto, se a superfície da prateleira não for uniforme, conforme mostrado na Figura 4, a via de transferência de calor será alterada de contato direto para contato direto junto com a convecção gasosa, o que resultará em uma diminuição no coeficiente de transferência de calor da bandeja. Conforme ilustrado na Figura 5, com o aumento da distância entre a bandeja e a prateleira, S, o coeficiente de transferência de calor, α, diminui drasticamente. Supondo que a pressão da câmara de um determinado processo de liofilização seja 0,27 mbar, o coeficiente de transferência de calor em S=0 mm, 0,5 mm, 1,0 mm e 2,0 mm pode ser calculado com os dados do estudo anterior. A Figura 6 indica que, à medida que S aumenta para 1 mm, o coeficiente de transferência de calor é inferior a 50% daquele em S=0.
Uma consequência da diminuição do coeficiente de transferência de calor é a extensão do tempo de secagem primária. Deve-se notar que o valor do coeficiente de transferência de calor em S=0,5 mm, 1,0 mm e 2,0 mm calculado na Figura 6 está sob a suposição de que o fundo da bandeja não tem contato algum com a prateleira, o que obviamente não acontece na realidade. Para realizar o cálculo em uma condição mais próxima da realidade, supomos que 30% da área do fundo da bandeja não tem contato com a superfície da prateleira e as condições da secagem primária são: (1) temperatura da prateleira=0°C, (2) pressão da câmara=0,27 mbar, (3) teor de sólidos totais=2%, (4) tempo de secagem primária=135 horas. A Figura 7 mostra os resultados calculados usando modelagem matemática. Comparado com S=0 mm, à medida que a distância entre o fundo da bandeja e a superfície da prateleira aumenta para 0,5 mm, 1,0 mm e 2,0 mm, o tempo de secagem primária se estende em 11%, 15% e 33%, respectivamente. O aumento no tempo de secagem primária pode resultar em maior custo de produção. Além disso, se não houver um método adequado para determinar o ponto final da secagem primária, o aumento no tempo de secagem primária também pode resultar no derretimento do produto e na rejeição de todo o lote, se a diminuição da taxa de secagem primária for negligenciada.
2.2 Liofilização de frascos
Na liofilização de frascos, os frascos são colocados individualmente sobre a prateleira; portanto, a não planaridade das prateleiras tem menos impacto na transferência de calor em comparação à liofilização a granel. No entanto, se o problema de não planaridade da superfície for grave, os frascos podem tombar durante o carregamento e descarregamento.
3 – Resumo
A prateleira é uma das partes mais importantes do liofilizador, e sua planaridade de superfície tem impacto direto no processo de liofilização e na qualidade do produto. Mesmo uma variação de milímetros pode causar sérios problemas. Portanto, é essencial escolher uma técnica de soldagem adequada para o acabamento das prateleiras.
Figura 4: Bandeja em uma prateleira irregular
Figura 5: Impacto da distância entre o fundo da bandeja e a superfície da prateleira (s) e pressão sobre o coeficiente de transferência de calor (α)
Figura 6: Impacto da distância entre o fundo da bandeja e a superfície da prateleira (s) no coeficiente de transferência de calor (α)
Figura 7: Impacto da distância entre o fundo da bandeja e a superfície da prateleira (s) no coeficiente de transferência de calor (α) e tempo de secagem primária