Esta guía sobre la liofilización contiene datos sobre el trasfondo, consejos prácticos y ejemplos de aplicación que le ofrecen la información necesaria para una correcta liofilización en el laboratorio. Con el Lyovapor™, BUCHI le ofrece el primer liofilizador de laboratorio con capacidad ilimitada y uso extremadamente sencillo con Infinite-Technology™ y Infinite-Control™. Obtenga más información sobre la liofilización y benefíciese de la experiencia del líder en el mercado de los sistemas de evaporación para laboratorio.

Asesor sobre liofilización Conceptos básicos y aplicaciones

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Asesor sobre liofilizaciónConceptos básicos y aplicaciones

La liofilización es el proceso más suave para el secado de diversos tipos de materiales perecederos. El principio de la liofilización se basa en la transición directa de una substancia de estado sólido a estado gaseoso, lo que se denomina sublimación. Primero el producto se congela y, a continuación, se seca mediante sublimación en un entorno de presión reducida. La presión baja permite la conversión directa del disolvente congelado en vapor. En la mayoría de las aplicaciones de liofilización, el disolvente que debe eliminarse del producto es agua. No obstante, es posible utilizar, en cierta medida, otros disolventes como el etanol.

La liofilización sirve principalmente para la conservación de materiales delicados sujetos a la degradación o la descomposición. La estabilidad de los productos se incrementa drásticamente reduciendo su contenido de agua, debido a la relación directa existente entre la presencia de agua y la actividad biológica y química, que son responsables principalmente de la degradación de los productos. En comparación con otros métodos de deshidratación, la liofilización provoca menos daños en los productos e impide que el material encoja o se aglomere (figura  1). Los métodos de conservación habituales emplean temperaturas elevadas que afectan a la forma y el color del producto, así como a su sabor, aroma y contenido nutricional. La liofilización es un proceso muy suave y especialmente apto para productos sensibles al calor y de alto valor. La liofilización se aplica en

áreas muy diversas con objetivos distintos, como puede ser la conservación de las características de los productos (por ejemplo, en la industria farmacéutica) o de formas iniciales (arqueología o flores) o el mantenimiento de los productos para su uso posterior (como en el caso de las frutas del yogur).

El proceso de congelación inicial genera cristales de hielo dentro y sobre la superficie del producto. Al convertirse en hielo, las moléculas de agua se bloquean y componen una red bien definida (figura 2). Cuando las moléculas de agua se subliman a partir del producto, dejan poros y huecos dentro de este, lo que afecta a su forma y estructura. En consecuencia, la rehidratación del producto es un proceso rápido y sencillo, una característica especialmente importante en el caso de las aplicaciones farmacéuticas. Los productos liofilizados pueden durar muchos años a temperatura ambiental, siempre que estén bien sellados y protegidos contra la humedad y el oxígeno.

Sublimación: de estado sólido a estado gaseoso La sublimación es la transición directa de una sustancia de la fase sólida a la fase gaseosa, sin pasar por la fase líquida. La sublimación sólo puede producirse con baja presión y a baja temperatura. Las condiciones ideales para la liofilización dependen en gran medida de la muestra que se vaya a liofilizar, así como del disolvente que se vaya a eliminar del producto. Siendo el agua el principal disolvente, los

Figura 1: En los métodos de conservación comunes se apli-ca calor al producto, lo que provoca cambios estructurales y pérdida de color, sabor y aroma, así como del contenido nutricional (p. ej., vitaminas).

Figura 2: En la liofilización, el hielo se convierte directamente en vapor de agua mediante sublimación, lo que permite mantener la estructura y las características del producto. La liofilización es un proceso muy suave.

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tres estados correspondientes son hielo, agua y vapor de agua. La liofilización se basa fundamentalmente en el diagrama de fases (figura 3). En el diagrama de fases se muestran los tres estados físicos del agua según la presión y la temperatura. Las transiciones entre fases se producen en las líneas que separan cada uno de los estados, denominadas fronteras entre fases. Tal y como se ilustra en la figura 3, el agua pasa por todos los estados físicos (sólido, líquido y gaseoso) siempre que la presión predominante esté por encima de 6,11 mbar. A 6,11 mbar exactamente, coexisten los tres estados (punto triple) y por debajo de 6,11 mbar el agua únicamente existe como hielo o vapor de agua. A menudo, los productos que se van a liofilizar están en estado líquido. Teniendo en cuenta el diagrama de fases, el proceso de liofilización tiene lugar a través de dos cambios entre fases, primero a la fase sólida y posteriormente a la fase gaseosa (flecha roja). Para que tenga lugar la sublimación una vez que el producto esté totalmente congelado, la presión deberá ser inferior al punto triple, como se muestra en la figura 3.

Presión y temperatura Los parámetros fundamentales de la liofilización son la presión y la temperatura. Normalmente, el proceso de liofilización engloba tres fases: congelación,

secado primario y secado secundario. Cada paso del proceso tiene requisitos distintos en lo que se refiere a la presión y la temperatura. Primero, el producto se congela a una temperatura lo suficientemente baja para garantizar que lo haga completamente (figura 3, punto A). La fase de congelación se analiza de forma más detallada en el apartado siguiente. Para la fase de secado primario, es necesario que existan unas condiciones para una sublimación eficiente. Al mismo tiempo, es esencial conservar las características del producto garantizando que su temperatura se mantenga por debajo de una temperatura distinta, la denominada temperatura crítica. Por encima de esta temperatura, la estructura del producto se colapsa haciendo que este encoja o se agriete. Lo ideal es que la liofilización se lleve a cabo a temperaturas justo por debajo de la temperatura crítica. La presión de la cámara de secado se reduce para activar el proceso de secado. Las lecturas de la temperatura y la presión predominantes se sitúan ahora por debajo del punto triple (figura 3, punto B).

La sublimación genera vapor de agua en la cámara de secado. Si no se extrae del sistema, el vapor de agua se equilibra y dejan de sublimarse las partículas de hielo. Las partículas de vapor se eliminan a través de un condensador de hielo, una

Figura 3: Diagrama de fase del agua en función de la presión y la temperatura. Todos los estados coexisten en el punto triple. La liofilización se produce por debajo del punto triple y requiere de baja presión y baja temperatura.

Pre

sión

Temperatura

0,00611 bar

1 bar

221 bar

0 °C 100 °C 374 °C

Gaseoso

Punto triple

Líquido

Punto crítico

A

C B

Sólido

-60 -50 -40 -30

6

5

4

3

2

1

TEMPERATURE [˚C]

VAP

OR

PR

ES

SU

RE

[mba

r]

-20 -10 0

∆p1

∆p2

∆T = 20˚C∆T = 20˚C B

A

a

b

b

b

b

c

c

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cubeta de enfriamiento que funciona a temperaturas muy inferiores a la temperatura crítica del producto (figura 3, punto C). La presión del vapor resultante de la baja temperatura del condensador de hielo es, en consecuencia, inferior a la presión del vapor del producto, lo que, como es natural, lleva a las moléculas de agua hacia el condensador de hielo. De esta forma, el vapor de agua, así como otros gases condensables, se congela en el colector de hielo y produce hielo.

El índice de sublimación hace referencia a la diferencia existente entre las presiones del vapor; por

un lado, la presión del vapor sobre el producto y, por otro lado, la presión del vapor sobre el condensador de hielo. Generalmente, cuanto mayor sea esta diferencia, más rápida será la sublimación. Al mismo tiempo, cuanto más se acerque la temperatura del producto al punto triple, mayor será la diferencia de presión. Por ejemplo, la figura 5 ilustra que la combinación A (producto a –5 °C, condensador de hielo a –25 °C) da lugar a una mayor diferencia que la combinación B (producto a –25 °C, condensador de hielo a –45 °C). Por eso, lo más práctico es trabajar lo más cerca posible del punto triple.

El calor como fuerza motrizLa sublimación es un proceso endométrico que requiere de energía en forma de calor. En consecuencia, el producto sometido a sublimación expulsa calor, y finalmente se enfriaría si el calor requerido no se suministra de otra forma. Como ya se ha indicado, cuanto más elevada sea la temperatura mayor será la diferencia de presión, y de esta forma se obtendrá un proceso de sublimación más eficiente. La aplicación adicional de calor impulsa la sublimación de calor y representa el factor clave de la liofilización.

Los métodos de transferencia del calor incluyen la conducción, la convección y la radiación (figura 4). La

Figura 5: Ejemplo de variaciones en la velocidad de sublimación.

Figura 4: Existen distintas formas de transferencia del calor: la conducción (a), la convección (b) y la radiación (c). Mediante el uso de estantes calentados, el calor se desplaza directamente a través de la superficie por conducción, mientras que el calor ambiental también se transfiere por convección y radiación. Las aplicaciones con colector aplican el calor del entorno solamente.

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Componentes principales de un liofilizador

Cámara de secadoPara la colocación de las muestras (p. ej., en viales o bandejas)

Ruta del vaporEl vapor de agua pasa a una presión del vapor más baja

Unidad de controlRegulación de la presión y la temperatura

Condensador de hieloEl vapor de agua genera hielo y se agrega en el condensador

Bomba de vacíoMantiene una presión del sistema muy baja

conducción directa de calor se aplica en el secado en estantes con capacidad de autocalentamiento. La convección y la radiación son importantes en lo que se refiere a la aplicación indirecta de calor del entorno. En el secado con colector, el calor se suministra íntegramente a través del calor ambiental, en forma de convección y radiación. En el secado en estantes, el principal método de transferencia es la conducción térmica; no obstante, los efectos de la convección y la radiación son notables y deben tenerse en cuenta, sobre todo en el caso de las muestras situadas cerca del límite de la cámara de secado.

Es necesario vigilar adecuadamente la cantidad de calor añadida al sistema, ya que la temperatura del producto puede aumentar pero no debe

superar la temperatura crítica. La cantidad de calor requerida depende del volumen y de la disposición del producto, así como del vaso utilizado. El calentamiento de los estantes permite efectuar un control preciso de la aplicación de calor con un gradiente y una temperatura programada definidos. Sin embargo, el secado con colector ofrece un control limitado en lo que se refiere a la aplicación de calor.

Configuración del liofilizador Los principales componentes de un liofilizador son la cámara de secado o los accesorios de secado específicos, la bomba de vacío y el condensador de hielo. La muestra que se va a liofilizar se coloca en un sistema de estantes en el interior de la cámara de secado o bien en matraces individuales que se

Freezing Primary Drying Secondary Drying

Shelf

ProductProduct & shelf

1 – 5%5 – 10%> 80%

Condenser Condenser

Pressure

Tem

pera

ture

Pre

ssur

e

Time

AB

C

Water content

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Infinite-Control™ Esta característica ofrece un control máximo del Lyovapor™ en el instrumento, en cualquier estación de trabajo conectada, así como en dispositivos móviles. El control del proceso en tiempo real, el registro de datos y los informes personalizados ofrecen una comodidad máxima en cualquier momento. La app específica permite realizar un control a distancia, así como la recepción de información instantánea a través de alertas.

Infinite-Technology™ El Lyovapor™ L-300 es el primer liofilizador con doble condensador de capacidad ilimitada para escala de laboratorio. Está equipado con dos condensadores que recogen el hielo de forma alterna y eliminan el hielo acumulado de forma automática. El sistema alterna automáticamente entre los dos condensadores tras un tiempo definido. Mientras el condensador frío recoge hielo, se aplica una limpieza de vapor higiénico automática al condensador cargado, para que esté preparado para volver a funcionar. Este concepto de alternancia permite el funcionamiento continuo del sistema con volúmenes de hielo ilimitados, lo que evita las interrupciones para descongelar el condensador de hielo.

instalan en el colector. La bomba de vacío se conecta a la cámara de secado a través del condensador de hielo y se encarga de evacuar la cámara de secado. Además, la bomba de vacío sirve para eliminar todos los gases no condensables no agregados al condensador de hielo.

La función principal del condensador de hielo consiste en recolectar el vapor de agua y el resto de gases condensables. Las moléculas de agua se dirigen de forma natural al condensador de hielo, impulsadas por la diferencia existente en la presión del vapor. La temperatura del condensador de hielo debe ser considerablemente inferior a la temperatura del producto congelado; es decir, mínimo 15 °C más baja. Por lo tanto, la temperatura de funcionamiento del Lyovapor™ L-200 de –55 °C es idónea para la mayoría de las aplicaciones. El uso de disolventes orgánicos en lugar de agua requiere temperaturas todavía más bajas para garantizar la extracción de las partículas sublimadas. Por este motivo, el Lyovapor™ L-300 puede enfriar hasta –105  °C. De manera adicional, un sistema de control adecuado contribuye a regular la presión y el calor. Los sistemas de control pueden ser desde básicos hasta muy avanzados. El Infinite Control™ de BUCHI ofrece prestaciones sin precedentes y que van mucho más allá del control de la presión y la temperatura.

Figura 6: El proceso de liofilización abarca tres fases principales: congelación, secado primario y secado secundario. El con-tenido de agua inicial se reduce a más del 95 %.

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Vista global del procesoLos pasos principales del proceso de liofilización son la congelación, el secado primario y el secado secundario (figura 6). La congelación se lleva a cabo en un congelador, en nitrógeno líquido o a través de un baño a baja temperatura. La temperatura de congelación escogida debe ser inferior al punto crítico (temperatura eutéctica o punto de transición vítrea) de la formulación, con el fin de garantizar la congelación total de la muestra (figuras  3 y  6, punto A). Una vez finalizada la congelación externa, el liofilizador estará preparado para el funcionamiento activando la refrigeración del condensador (figuras 3 y 6, punto C).

Una vez finalizada la congelación, las muestras se colocan en la cámara de secado o bien los vasos que contienen las muestras se instalan en los puertos del colector. A continuación, se evacúa la cámara de secado y se aplican los ajustes de vacío específicos para la aplicación. Si se utilizan estantes calentados, la temperatura de estos se elevará dando lugar a un incremento de la temperatura del producto. No obstante, la temperatura del producto deberá mantenerse por debajo de la temperatura crítica (figura 3 y 6, punto B). El proceso de sublimación ya se habrá activado. A continuación se describirá más detalladamente cada paso del proceso de liofilización.

Congelación La mayoría de los productos líquidos o fórmulas se congelan formando cristales de hielo. El tamaño y la forma de los cristales de hielo depende de la velocidad de refrigeración y determina la capacidad de liofilización; una refrigeración rápida provoca

unos cristales de hielo pequeños, mientras que una refrigeración más lenta provoca unos cristales de hielo de mayor tamaño. En lo que respecta a la liofilización, los cristales de hielo pequeños son más difíciles de eliminar del producto que los grandes. No obstante, la temperatura de congelación de una fórmula la determinan sus características y su composición.

Por lo general, las fórmulas se pueden congelar de dos formas distintas; las mezclas eutécticas contienen sustancias que se congelan a temperaturas inferiores a las del agua que las rodea. Al congelar una mezcla eutéctica, el agua es la primera en separarse de las sustancias y se congela convirtiéndose en hielo. Es posible que ahora la fórmula parezca congelada, pero las demás substancias seguirán siendo líquidas. Forman áreas concentradas que se congelarán a una temperatura inferior al punto de congelación del agua. La temperatura a la que se congelan correctamente todos los componentes de la mezcla se denomina temperatura eutéctica. Se trata de la temperatura crítica de la fórmula y de la temperatura máxima que la fórmula puede soportar durante el proceso de liofilización. La aplicación de vacío a una mezcla eutéctica no congelada del todo puede provocar la destrucción del producto, ya que los componentes no congelados se expanden si se someten a vacío.

La otra clase es la de las mezclas amorfas, que forman estados vítreos si se congelan. Con la disminución de la temperatura, la fórmula se hace más y más viscosa y finalmente se congela y se convierte en un sólido vítreo en el punto de transición vítrea. En el caso de los productos amorfos, el punto crítico en cuanto a estabilidad se denomina temperatura de colapso. Normalmente, la temperatura de colapso es ligeramente inferior al punto de transición vítrea. Los productos amorfos suelen ser muy difíciles de liofilizar.

Secado primario La primera fase de secado elimina el volumen de agua del producto. Ahora es necesario controlar cuidadosamente la temperatura del producto y la aplicación de calor. La temperatura ideal del producto debe ser lo más alta posible para maximizar la diferencia de la presión del vapor, y al mismo tiempo debe ser inferior a la temperatura crítica del producto

Figura 7: Un frente de sublimación bien definido se desplaza a través del producto de arriba abajo.

Frente de sublimación

Muestra secada(“torta”)

Muestra congelada

a b c d e

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para preservar la congelación. Mediante el uso de estantes calentados, la temperatura programada se alcanza lentamente a la velocidad de calentamiento definida. La medición simultánea de la temperatura real del producto permite detectar el punto final del secado primario. En el apartado posterior se ofrece más información sobre la detección del punto final.

Secado secundario Al finalizar la fase de secado primario, se habrá eliminado la mayor parte del agua. El contenido de humedad residual del producto será ahora del 5 – 10 %, debido al agua ligada a la matriz. En esta fase ya no quedará hielo. El paso de secado secundario elimina las moléculas de agua adsorbidas mediante desorción. Para lograr las condiciones ideales para la desorción, se requiere la mínima presión posible y un aumento adicional de la temperatura de los estantes. Una vez más, es necesario tener en cuenta la estabilidad del producto para escoger la temperatura de los estantes. El secado secundario normalmente se prolonga durante periodos más cortos. Al final del secado secundario, el contenido de humedad del producto será del 1 – 5 % aproximadamente.

Detección del punto final¿Cómo saber si se han completado el secado primario y secundario? Existen diversas formas fiables de detectar el punto final del ciclo de secado primario. A continuación se describen los tres métodos de liofilización más comúnmente utilizados, todos ellos disponibles con el Lyovapor™ L-300.

Prueba de diferencia de temperaturaEsta prueba se utiliza con estantes calentados donde la temperatura del producto aumenta gradualmente hacia la temperatura programada del estante durante el secado primario. Debido al calentamiento a través de la bandeja adyacente, la temperatura del producto aumenta al mismo tiempo. No obstante, la temperatura del producto siempre es más baja que la temperatura del estante, ya que la sublimación retira energía del producto. Una vez sublimadas todas las moléculas de agua, la temperatura del producto converge hacia la temperatura del estante, lo que indica el punto final del proceso. La temperatura del producto se mide colocando termopares en el producto, mientras que la temperatura del estante se establece en el método.

Prueba de aumento de presiónSiempre y cuando haya sublimación, se creará vapor de agua. Al cerrar la salida de la cámara de secado, se impide que el vapor de agua se desplace al condensador de hielo. En consecuencia, la presión de la cámara de secado aumentará en caso de que aún haya hielo sometido a sublimación, y se mantendrá sin cambios si ha finalizado el secado primario.

Prueba de diferencia de presiónLa medición comparativa de la presión con dos tipos de sondas distintas es otro método fiable para la detección del punto final. Mientras que la sonda de presión capacitativa mide la presión absoluta

Figura 8: Gama de accesorios de secado de BUCHI: (a) cámara de secado con estantes calentados y sistema de tapones (b) cámara de secado con estantes calentados (c) cámara de secado con conexiones de colector y estantes no calentados (d) cámara de secado con estantes no calentados y (e) colector.

a b c d ea) b) c) d) e)

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independientemente de la composición del gas, la sonda Pirani se calibra para un gas específico, principalmente N2. Dado que la presencia de vapor de agua afecta a la señal de la sonda de presión Pirani pero no a la otra, las señales serán distintas siempre que se cree vapor de agua. El punto final del secado primario tiene lugar una vez que las dos señales convergen.

Eficiencia de secado La velocidad de secado a la que se liofilizan determinados productos dependerá de distintos factores, siendo la presión y la temperatura los elementos clave. Sin embargo, el propio producto también desempeña un papel importante, especialmente el volumen del producto que se va a liofilizar, así como el tipo de disposición del producto. Generalmente, cuanto mayor sea la superficie en relación con el volumen, más rápido se secará el producto. Una superficie de gran tamaño hace que salga de la matriz un mayor número de moléculas de agua. Por lo tanto, en las aplicaciones con colector puede ser práctico utilizar la congelación de la corteza, en la cual se crean capas finas de producto girando los matraces con un baño a baja temperatura.

Por otro lado, los viales deben llenarse con cuidado para las aplicaciones de liofilización; la profundidad

de llenado ideal es de 1  cm aproximadamente o 2  cm como máximo. Teniendo en cuenta que la sublimación se produce en la superficie, el secado comienza en la parte superior del producto, formándose una capa en la que actualmente se está produciendo el secado. Durante el proceso de secado, este frente de sublimación bien definido se desplaza de la parte superior del producto a la inferior (figura 7). Aunque el secado es eficiente al principio del proceso, se va haciendo difícil a medida que el frente de sublimación se va desplazando hacia abajo. Las moléculas de agua sublimadas deben atravesar después el producto secado (la “torta”) antes de salir de la matriz. La aplicación de calor ayuda a superar estas circunstancias de dificultad.

Configuraciones de la cámara de secado Los requisitos del producto final determinarán la selección de la configuración de la cámara de secado adecuada. Cada configuración tiene fines específicos, con sus ventajas y limitaciones correspondientes. A continuación se exponen los enfoques más utilizados.

Secado con colectoresDiversos tipos de matraces (así como viales o ampollas) se instalan en cada uno de los puertos del colector. Por lo tanto, cada vaso está conectado

Figura 9: El tapón se coloca suelto sobre el vial (a), lo que permite que las partículas del disolvente salgan del vial (b). La bande-ja adyacente se desplaza hacia abajo (c) presiona el tapón al interior del vial (d), cerrando el vial (e).

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individualmente a la cámara de secado mediante válvulas independientes. Esto permite conectar distintos matraces con contenidos diversos cada vez y llevar a cabo la liofilización sin interrupciones con el Lyovapor™ L-300. El secado con colector permite que trabajen al mismo tiempo varios usuarios con el mismo instrumento. Los productos se congelan en los matraces por medio de un congelador o un baño a baja temperatura. Una vez instalado en el puerto del colector, el vacío se aplica rápidamente. La energía necesaria para impulsar el proceso la suministra el calor ambiental, con lo que la aplicación de calor es difícil de controlar.

Secado en estantesLos distintos estantes de la cámara de secado pueden alojar numerosos viales llenos del producto o porciones de sólidos directamente colocadas sobre ellos. Los productos se pueden congelar en los estantes utilizando un congelador. Una vez finalizado el proceso de congelación, los estantes se colocan en la cámara de secado. La posterior evacuación de la cámara de secado inicia el proceso de liofilización. Los estantes calentados permiten efectuar un control preciso del calor introducido, al tiempo que los termopares del producto supervisan la temperatura de este y garantizan que no se supere la temperatura de colapso. Por lo general, todos los viales o porciones del producto dispersos en el estante reciben un tratamiento igual en lo que respecta a la presión y el calor recibidos. Sin embargo, pueden producirse pequeños efectos locales debido a la convección y al calor radiante, sobre todo en las muestras de las regiones periféricas con respecto al centro del estante. El secado en lotes de viales facilita el cierre interior en un entorno uniforme (taponado, siguiente apartado).

Combinación de secado con colector y secado en estantesLos usuarios de ambos métodos también pueden optar por una solución combinada con varios estantes y una serie de puertos de colector en la parte superior.

Taponado convenienteLos productos liofilizados son higroscópicos y se desestabilizan si se exponen a humedad u oxígeno. En consecuencia, su aislamiento adecuado del entorno es esencial para el almacenaje del producto

liofilizado. El embalaje debe ser impermeable a la humedad y al aire. El proceso de cierre debe tener lugar en una atmósfera libre de humedad y oxígeno y, por tanto, lo ideal es que se produzca en vacío, como en el caso del proceso de liofilización. Teniendo en cuenta que los lotes de viales se liofilizan en la cámara de secado, esto exige que los viales se cierren en el interior de la cámara de secado sin interacción con el exterior.

El taponado interno se consigue mediante el sistema de taponado Lyovapor™ y el uso de viales con tapones específicos para la liofilización. Los tapones con muescas se colocan sueltos en los viales antes de la liofilización (figura  9, a). Debido al diseño con muescas, el disolvente puede sublimarse con suavidad y puede salir libremente del vial durante el proceso de liofilización (figura 9, b). Una vez finalizado el proceso de secado, se utiliza el accesorio de taponado instalado en la parte superior de la cámara de secado. Al girar los mangos, los estantes se desplazan hacia abajo y se acercan unos a otros (figura 9, c). De esta forma, cada tapón se presiona contra el vial correspondiente, cerrándolo de forma automática (figura 9, d). Los estantes se desplazan hacia arriba con los viales herméticamente cerrados con tan solo invertir el proceso (figura 9, e).

Es posible que las condiciones de vacío no sean ideales para determinados productos liofilizados o contenedores, por ejemplo, si se utiliza una jeringa para rehidratar el material. En estos casos, se recomienda llenar el volumen vacío con un gas inerte, como puede ser el nitrógeno, antes del cierre. El rellenado con un gas ultrapuro adecuado se puede realizar de forma automática con el Lyovapor™.

En las siguientes páginas se presenta una serie de aplicaciones de liofilización. Los productos liofilizados incluyen muestras de gran valor en la industria alimentaria (trufas), manitol, una muestra que suele ser desafiante, y la liofilización de plantas utilizadas en la medicina tradicional china.

Resumen de las aplicacionesLiofilización

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Nota abreviada n.º 254/2017Lyovapor™ L-200: Liofilización de rodajas de plátano fresco

IntroducciónLa liofilización es una forma de secado suave que se puede utilizar para preservar alimentos sin modificar su aspecto o gusto.

El proceso de liofilización incluye la congelación de la muestra del alimento y la posterior aplicación de un vacío suave a la muestra congelada. En estas condiciones, el agua de los alimentos se sublima y, en consecuencia, la muestra se seca.

En las aplicaciones de la industria alimentaria, la liofilización se utiliza habitualmente para producir el café instantáneo y secar y conservar las frutas, verduras o hierbas [1].

ExperimentalEl plátano se ha cortado en trozos de 5 mm de grosor aproximadamente. Se han colocado once rodajas de plátano sobre la bandeja de acero inoxidable (figura 1) y, a continuación, se han congelado durante la noche en un congelador a –40 °C.

Después de 24 horas de congelación, las rodajas de plátano se han trasladado con la bandeja al Lyovapor™ L-200 para su liofilización. La temperatura del propio estante se ha seleccionado de forma que no supere los 25 °C al final del secado primario y del secado secundario (valor nominal de temperatura). Si desea más información sobre la secuencia de secado, véase la referencia [2].

Una vez transcurrido el proceso de secado del plátano (véase la figura 2), se ha analizado el contenido de humedad residual de tres de las rodajas con una balanza de humedad con lámpara halógena calentada a 110 °C. Para ello, las muestras se han molido en un mortero y se han trasladado al analizador de humedad dentro de un plazo de 30 segundos. El criterio de apagado hace referencia a un cambio no superior a 1 mg/140 s.

Resultados y debateLas figuras 1 y 2 muestran la bandeja de acero con las rodajas de plátano antes y después del proceso de liofilización respectivamente. Todas las rodajas de plátano mostraban una estructura y un aspecto liofilizado homogéneo. No se ha observado ningún cambio en el tamaño o la morfología durante el secado.

Para determinar la eficiencia de secado del Lyovapor™ L-200, se ha analizado el contenido de humedad residual de tres rodajas de plátano con un analizador de humedad halógeno. Los resultados de las mediciones del contenido de humedad y la eficiencia de secado se muestran en la tabla 1.

El contenido inicial de agua del plátano era del 76,97 ± 1,24 % (n=3). Por lo tanto, la aplicación del método de liofilización descrito en el Lyovapor™ ha provocado una eliminación de agua del ≥ 95,92 %.

Figura 1: Bandeja con rodajas de plátano recién cortadas. Figura 2: Bandeja con rodajas de plátano después de la liofilización.

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Roda-ja de plátano

Peso de la muestra liofi-lizada [g]

Peso de la muestra seca-da con luz ha-lógena [g]

Contenido de hume-dad [%]

1 0,606 0,587 3,14

2 0,843 0,818 2,97

3 0,794 0,770 3,02

En general, la aplicación del proceso de liofilización en alimentos, como las rodajas de plátano, ofrece las siguientes ventajas e inconvenientes [3]:

Ventajas• El proceso a baja temperatura y baja presión

hace de la liofilización una forma eficaz de conservar el color, el olor, el sabor y los nutrientes sensibles al calor de los alimentos.

• Impide el endurecimiento de la superficie de los alimentos.

• Los alimentos liofilizados son porosos y fáciles de rehidratar y/o disolver. Se puede consumir directamente o tras la rehidratación.

• Dado que los alimentos liofilizados contienen muy poca humedad, su densidad es relativamente baja y su transporte resulta sencillo. Los alimentos liofilizados se pueden conservar a temperatura ambiental durante periodos prolongados y el coste de transportarlos es mucho menor que el de los alimentos congelados.

• No se añaden aditivos al alimento durante el proceso de liofilización.

Inconvenientes• Si se exponen directamente a aire, los alimentos

liofilizados se rehidratarán rápidamente, lo que provocará que se deterioren.

• Los productos liofilizados deben envasarse al vacío o con nitrógeno al vacío y el embalaje debe ser impermeable al vapor del agua.

• Durante el proceso de transporte y venta, la estructura porosa y suelta de los alimentos liofilizados puede producir que se desmenucen o reduzcan a polvo con cierta facilidad.

• La liofilización es un proceso que consume tiempo y energía y que eleva los costes de producción.

ConclusionesEl Lyovapor™ L-200 ha permitido lograr una elevada eficiencia de secado extrayendo el agua de un plátano. En resumen, el Lyovapor™ L-200 permite liofilizar frutas, como rodajas de plátano.

Referencias[1] G. W. Oetjen; Freeze-Drying; Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (liofilización; enciclopedia de química industrial de Ullmann), 2004.[2] Nota de aplicación, 254/2016 Lyophilisation of fresh banana slices (liofilización de rodajas de plátano fresco).[3] H. Tse-Chao Hua, L. Bao-Lin, Z. Hua; Freeze-Drying of Pharmaceutical and Food Products (liofilización de alimentos y productos farmacéuticos), 2010.

Tabla 1: Resultados del análisis de la humedad residual tras la liofilización con el Lyovapor™ L-200.

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Nota abreviada n.º 269/2017: Lyovapor™ L-200 ProLiofilización de trozos de trufa fresca

IntroducciónLas trufas son productos con un tiempo de conservación limitado y sus propiedades sensoriales se pierden rápidamente. Por eso, estos hongos tan caros pierden valor en pocos días. La pérdida de los compuestos volátiles, la oxidación y las reacciones enzimáticas constituyen un problema considerable durante su almacenamiento. Además, el perfil del aroma normalmente se modifica como consecuencia de los procesos a alta temperatura o las reacciones enzimáticas.

La liofilización de los hongos impide la pérdida y la degradación de los compuestos volátiles debido a las bajas temperaturas aplicadas durante el secado. Se mantiene el perfil aromático de las trufas. Las trufas liofilizadas se pueden rehidratar o utilizar directamente en seco [1].

ExperimentalLa trufa de verano fresca se ha cortado en pedazos de 1 mm de grosor aproximadamente (figura 1). Las rodajas se han colocado en la bandeja de acero inoxidable y se han congelado durante 24 horas en un congelador a –24 °C.

Después de 24 horas de congelación, las rodajas de trufa se han trasladado con la bandeja al Lyovapor™ L-200 para su liofilización en la cámara de secado cúbica y en una atmósfera con temperatura ambiente. La temperatura del propio estante se ha

seleccionado de forma que no supere los 20 y los 25 °C al final del secado primario y secundario (valor nominal de temperatura) respectivamente. Si desea más información sobre la secuencia de secado, véase la referencia [2].

Después del secado de la trufa (véase la figura 2), se ha analizado la humedad residual de las cinco rodajas de trufa con una balanza de humedad con lámpara halógena calentada a 110 °C. Para ello, las muestras se han transferido al analizador de humedad inmediatamente después de retirar la trufa liofilizada del Lyovapor™. El criterio de apagado del analizador de humedad hace referencia a un cambio no superior a 1 mg/140 s.

Resultados y debateLas figuras 1 y 2 muestran la bandeja con las rodajas de trufa antes y después del proceso de liofilización respectivamente. Todos los trozos de trufa han adquirido una estructura y aspecto liofilizado homogéneo. No se ha observado ningún cambio en el tamaño o la morfología durante el secado.

Para determinar la eficiencia de secado del LyovaporTM L-200, se ha analizado el contenido de humedad residual de cinco rodajas de trufa utilizando un analizador de humedad halógeno. Los resultados del contenido de humedad medido se muestran en la tabla 1.

Figura 1: Bandeja con rodajas de trufa recién cortadas. Figura 2: Bandeja con rodajas de trufa tras el proceso de liofilización.

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Peda-zo de trufa

Peso de la muestra liofi-lizada [g]

Peso de la muestra seca-da con luz ha-lógena [g]

Contenido de hume-dad [%]

1 0,187 0,179 4,28

2 0,119 0,115 3,36

3 0,165 0,161 2,42

4 0,211 0,204 3,32

5 0,153 0,147 3,92

Todas las muestras analizadas presentan una humedad del 3,46 ± 0,63 % tras el proceso de liofilización. El contenido inicial de agua de la trufa de verano era del 66,33 ± 0,94 % (n=3). Por lo tanto, la aplicación del método de liofilización descrito en el Lyovapor™ L-200 ha provocado una eliminación media de agua del 94,78 %. Con una eliminación de agua del 80 % aproximadamente, la trufa liofilizada ofrece un tiempo de conservación de más de 24 meses [3]. En general, la aplicación del proceso de liofilización en alimentos, como las rodajas de trufa, ofrece las siguientes ventajas e inconvenientes [4]:

Ventajas• El proceso a baja temperatura y baja presión

hace de la liofilización una forma eficaz de conservar el color, el olor, el sabor y los nutrientes sensibles al calor de los alimentos.

• Impide el endurecimiento de la superficie de los alimentos.

• Los alimentos liofilizados son porosos y fáciles de rehidratar y/o disolver. Se puede consumir directamente o tras la rehidratación.

• Dado que los alimentos liofilizados contienen muy poca humedad, su densidad es relativamente baja y su transporte resulta sencillo. Los alimentos liofilizados se pueden conservar a temperatura ambiental durante periodos prolongados y el coste de transportarlos es mucho menor que el de los alimentos congelados.

• No se añaden aditivos al alimento durante el proceso de liofilización

Inconvenientes• Si se exponen directamente al aire, los alimentos

liofilizados se rehidratan rápidamente, haciendo que se deterioren.

• Los productos liofilizados deben envasarse al vacío o con nitrógeno al vacío y el embalaje debe ser impermeable al vapor del agua.

• Durante el proceso de transporte y venta, la estructura porosa y suelta de los alimentos liofilizados puede producir que se desmenucen o reduzcan a polvo con cierta facilidad.

• La liofilización es un proceso que consume tiempo y energía y que eleva los costes de la producción.

ConclusionesLas trufas liofilizadas constituyen una alternativa prometedora a las trufas frescas de temporada, ya que los sabores, los aromas y el contenido nutricional se mantienen prácticamente sin cambios en comparación con otras técnicas de secado [1, 3, 5].

Con el Lyovapor™ L-200, se ha alcanzado una alta eficiencia de secado para la eliminación del agua. En resumen, el Lyovapor™ L-200 permite liofilizar muestras de hongos, como unas rodajas de trufas.

Referencias[1] I. Palacios, E. Guillamón, A. García-Lafuente, A. Villares; Effects of Freeze-Drying Treatment on the Aromatic Profile of Tuber spp. Truffles (efectos de los tratamientos de liofilización sobre el perfil aromático de los tubérculos, spp. trufas). Journal of Food Processing and Preservation (diario sobre la conservación y el procesamiento de alimentos), volumen 38, edición 3, páginas 768–773 (2014).[2] Nota de aplicación, 269/2016 Lyophilisation of truffle (liofilización de trufas).[3] http://www.tartuflanghe.com/en/tartufo-bianco/dehydratedwhite-truffle[4] H. Tse-Chao Hua, L. Bao-Lin, Z. Hua; Freeze-Drying of Pharmaceutical and Food Products, Woodhead Publishing Series in Food Science, Technology and Nutrition (liofilización de alimentos y productos farmacéuticos, publicaciones Woodhead sobre ciencia y tecnología de los alimentos y nutrición), páginas 141–169 (2010).[5] https://www.sialparis.com/Catalogue/Catalogue-Sial-Paris-2016/Products-list/freeze-dried-truffles-GEOOFOODSITALIAN-TRUFFLES

Tabla 1: Resultados del análisis de la humedad residual tras la liofilización con el Lyovapor™ L-200.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9

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Nota abreviada n.º 256/2017: Lyovapor™ L-200 ProLiofilización de manitol y soluciones de NaCl en viales de suero

IntroducciónEn esta nota de aplicación se han empleado cloruro de sodio (NaCl) y manitol para experimentos de liofilización. La estructura de cristal inequívoca del NaCl hace de esta sal un compuesto modelo. En cambio, el manitol es conocido por cristalizarse en distintos polimorfos [1] y puede formar hidratos [2].

Pese a ello, el manitol es el agente de carga más comúnmente utilizado para las fórmulas farmacéuticas liofilizadas.

ExperimentalSe han trasladado 3 ml de soluciones de NaCl o manitol acuoso del 5 % (50 g/L) a viales con una pipeta volumétrica (70 viales de cada solución). A continuación, las muestras se han congelado durante la noche en un congelador a –40 °C, sobre una bandeja de acero inoxidable.

Después de 24 horas de congelación, los viales se han trasladado en la bandeja de acero al Lyovapor™ L-200 para la liofilización. La temperatura de colapso se ha configurado en 30 °C. Para fórmulas desconocidas, se recomienda calcular la temperatura de colapso utilizando un microscopio de liofilización. Además, es posible programar un margen de temperatura de seguridad para proteger la muestra contra el colapso.

La temperatura del propio estante se ha seleccionado de forma que no supere los 20 °C al final del secado primario y los 25 °C al final del secado secundario. Si desea más información sobre la secuencia de secado, véase la referencia 3.

Tras el proceso de secado, se ha analizado el contenido de humedad residual de nueve muestras de manitol y NaCl, situadas dentro del diámetro del estante, con una balanza de humedad con lámpara halógena calentada a 110 °C. Para ello, las muestras se han molido en un mortero y se han trasladado al analizador de humedad dentro de un plazo de 30 segundos.

Resultados y debate En la figura 1 se muestran los viales con manitol puro situados dentro del diámetro del estante. Por lo general, todos los viales contienen una torta de NaCl o manitol liofilizado homogénea.

Para determinar la eficiencia de secado del Lyovapor™ L-200, se ha analizado el contenido de humedad residual de nueve muestras de manitol situadas dentro del diámetro de la bandeja con un analizador de humedad halógeno. Los resultados del contenido de humedad residual medido se muestran en la tabla 1.

Las muestras de manitol, con independencia de su ubicación en el estante, contienen una humedad de menos del 2,0 % tras el proceso de liofilización.

Figura 1: Estante de acero con las muestras liofilizadas. Figura 2: Muestras de manitol liofilizadas para el análisis de la humedad residual.

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Vial Peso de la muestra lio-filizada [g]

Peso de la muestra se-cada halóge-na [g]

Hume-dad resi-dual [%]

Eficien-cia de secado [%]

1 0,107 0,105 1,87 98,13

2 0,100 0,098 2,00 98,00

3 0,113 0,112 0,88 99,12

4 0,122 0,121 0,82 99,18

5 0,111 0,110 0,90 99,10

6 0,116 0,115 0,86 99,14

7 0,121 0,120 0,83 99,17

8 0,108 0,107 0,93 99,07

9 0,116 0,114 1,72 98,28

Observamos que las muestras de manitol ubicadas en el centro del estante contienen una humedad residual ligeramente inferior a la de las muestras colocadas en el radio exterior del estante. Este patrón no se ha observado en el caso del NaCl. El contenido de humedad residual del NaCl varía de manera aleatoria entre el 0,79 y el 1,59 %. Este hecho podría ser indicio de que durante el proceso de congelación la fracción de hidrato de manitol formada es mayor en la zona exterior del estante que en el interior de este. Además, es probable que se adsorba algo de agua en la muestra durante la preparación para el análisis de humedad residual. Por lo tanto, es probable que la eficiencia de secado sea incluso superior a la señalada. Las estrategias para eliminar más humedad incluyen i) aumentar el tiempo de secado, ii) incrementar la temperatura durante el secado secundario y iii) el recocido [2].

ConclusionesCon el Lyovapor™ L-200 se ha alcanzado una alta eficiencia de secado para la eliminación del agua de una fórmula modelo de manitol y una solución de NaCl. En el caso de ambos compuestos, la torta secada presenta un aspecto uniforme y no se han observado tortas deformadas.

Referencias[1] Kim, A.I; Akers, M.J.; Nail, S.L. J. Pharm. Sci. 1998, 87 (8), 931-935. [2] Yu, L.; Milton, N.; Groleau, E.G.; Mishra, D.S.; Vansickle, R.E. J. Pharm. Sci. 1998, 88 (2), 196-198. [3] Nota de aplicación de BUCHI, 256/2017

Tabla 1: Resultados del análisis de la humedad residual tras liofilizar soluciones de manitol con el Lyovapor™ L-200.

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Nota abreviada n.º 270/2017: Lyovapor™ L-200 ProLiofilización de decocciones de la medicina tradicional china

IntroducciónLos remedios de la medicina tradicional china (MTC) suelen prepararse mediante la maceración y la ebullición en agua. Este proceso se denomina decocción. Mediante la decocción, se extraen de las plantas compuestos beneficiosos para la salud. Si no se administran directamente, estos extractos se pueden conservar durante un tiempo superior gracias a la liofilización.

En esta nota abreviada ponemos de relieve el procedimiento de liofilización de Tianma Gouteng Yin (TGY) como decocción modelo de la MTC. El TGY es un medicamento muy utilizado aplicado al tratamiento de los síntomas de la enfermedad de Parkinson. Recientemente se ha observado que esta decocción de la MTC tiene efectos neuroprotectores en animales y modelos de célula de EP [1].

ExperimentalEquipos: ∙ BUCHI Lyovapor™ L-200 Pro ∙ Software BUCHI Lyovapor™ ∙ Congelador –24 °C, Bauknecht ∙ Bandeja de acero inoxidable ∙ BUCHI Rotavapor® R-300, sistema Rotavapor®

Dynamic

Muestra: ∙ Mezcla de TGY preparada por St. Peter

Apotheke, Zúrich, Suiza.

Una dosis para humanos de TGY1 contiene Gastrodiae Rhizoma (Tianma) 9 g, Uncaria Ramulus Cum Uncis (Gouteng) 12 g, Haliotidis Concha (Shijueming) 18 g, Gardeniae Fructus (Zhizi) 9  g, Scutellariae Radix (Huangqin) 9 g, Cyathulae Radix (Chuanniuxi) 12 g, Eucommiae Cortex (Duzhong) 9 g, Leonuri Herba (Yimucao) 9 g, Taxilli Herba (Sangjisheng) 9 g, Polygoni Multiflori Caulis (Shouwuteng) 9 g, Poria (Fuling) 9 g.

Resultados La muestra de TGY se ha extraído, concentrado y liofilizado. En la parte superior de la figura 1 aparece la muestra durante el proceso de liofilización. En la parte inferior de figura 1 aparece el producto liofilizado en una bandeja de acero inoxidable.

Se ve claramente cómo el producto tiene una estructura altamente porosa. Gracias a la preparación de esta estructura, las dosis de la MTC se pueden rehidratar fácilmente y disolverse de forma instantánea. Se puede consumir directamente o tras la rehidratación. Los compuestos beneficiosos para la salud se preservan durante la liofilización [1].

Además, las decocciones de la MTC así preparadas ofrecen un tiempo de conservación prolongado en envases al vacío o con nitrógeno al vacío.

Figura 1: Estante de acero con extracto de TGY durante el proceso de liofilización en el LyovaporTM L-200 Pro.

Figura 2: Muestra de TGY secada, donde se aprecia una estructura porosa.

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ConclusiónLa liofilización es un método adecuado para la preparación de decocciones de MTC, con un tiempo de conservación prolongado y con un uso sencillo mediante rehidratación. En este caso, hemos secado una dosis para uso en personas de una muestra de Tinma Gouteng Yin, con efectos neuroprotectores en modelos in-vitro e in-vivo de la enfermedad de Parkinson.

Gracias al suave proceso de preparación, mediante el uso de una combinación de extracción, concentración y liofilización, se preservan los compuestos beneficiosos para la salud de este medicamento. A través de este proceso, las dosis de la MTC se hacen duraderas y ofrecen una disponibilidad inmediata.

Referencias[1] Liu L.-F. et al. Nature Scientific Reports (informes científicos sobre la naturaleza), 5, 16862, 2015.

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