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TCNICA FARMACUTICA E FARMCIA GALNICA I Volume

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Prembulo

Circunstncias vrias concorreram para que fosse ganhando corpo a ideia de escrever este livro sobre Tcnica Farmacutica e Farmcia Galnica. E como era por demais sensvel a falta de um ic\lo no nosso prprio idioma sobre estas disciplinas basilares do curriculum cios estudos farmacuticos, no quisemos esquivar-nos, uma vez equacionada a possibilidade da sua publicaro, a tentar converter em realidade um to aliciante projecto. Por is.so, assegurada a sua edio plos competentes servios da benemrita Fundao Calouste Gulbenkian, lanmo-nos. entusiasticamente, na realizaro da tarefa que nos propusramos levar a cabo. guiados pela ideia de sermos tileis aos estudantes e aos nossos colegas. No entanto, se bem que ao iniciarmos a feitura deste livro tivssetnos a conscincia das dificuldades com que iramos deparar, a verdade que elas se revelaram, medida que prosseguia o trabalho, bem custosas de tornear. De facto, os assuntos relacionados com a Tcnica Farmacutica e a Farmcia Galnica so hoje Io vastos e multiformes que se tornou, em certos casos, extremamente difcil concaten-los de modo a dar-lhes uma forma harmoniosa e equilibrada. Poder ta/v: parecer que a obra agora apresentada se In um tatuo extensa e excessivamente pormenorizada em certos captulos. A razo disso filia-se, porem, f i o carcter que pretendemos emprestar a este livro, que foi escrito com a dupla finalidade de servir de texto a estudantes e poder, simultaneamente, interessar aos ps-gradtiados. Exactamente por causa da sua vastido e variedade dos tpicos nele tratados, admitimos, francamente, que este livro no fera sado to perfeito quanto desejvamos que ele se apresentasse. Por isso, .sero bem acolhidas todas as crticas e sugestes tendentes a aperfeiolo, se algum dia viermos a ter oportunidade para o fazer. -m>s particularmente graio reconhecer, neste momento, que um dos principais motivos que nos levou a escrever este manual foi o caloroso incitamento que alguns categorizados colegas nos dispensaram, fcsie fado contribuiu para que nunca nos sentssemos desamparados e se no fosse os estmulos deles recebidos, a ajuda que nos

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deram e os sbios conselhos que nos prodigalizaram talvez no tivssemos hegado ao fim. E se apesar de tudo alguma deficincia houver que apontar nas pginas que se seguem, a culpa exclusivamente nossa, que no soubemos apreender convenientemente aquilo que outros nos transmitiram correctamente. Resta-nos agradecer a todos quantos directa ou indirectamente concorreram, de algum modo, para tornar possvel a concretizao desta obra. Um imperativo de conscincia impe-nos, contudo, que individualizemos algums agradecimentos. Assim, confessamo-nos particularmente gratos ao E\mo. Senhor Professor Dr. Jos Vale Serrano, que gentilmente se dignou discutir alguns captulos deste livro e cujas sugestes e elevado esprito crtico muito contriburam para o melhorar em vrios aspectos. Tambm ao Exmo. Senhor Professor Dr. Carlos Ramalho desejamos agradecer o ter amavelmente acedido a apreciar o captulo sobre Esterilizao. Aos nossos colegas Exmos. Senhores Doutores Alusio Marques Leal, Alfredo do Amaral e Albuquerque e Alberto Roque da Silva queremos, do mesmo modo, patentear a nossa gratido pela prestimosa ajuda que nos dispensaram. igualmente agradecemos ao Exmo. Senhor Doutor Rui Morgado a sua valiosa colaborao, a qual, entre outros aspectos, nos foi particularmente til na compilao e ordenao das gravuras que ilustram o texto. E tambm com o maior prazer que registamos a amvel anuncia de Wulkex ao pedido para que nos fosse permitida a utilizao de vrias gravuras do seu catlogo de instrumentos de vidro para laboratrio, o mesmo acontecendo com a firma Emlio de Azevedo Campos, Lda., que com a melhor vontade nos cedeu fotografias de alguns aparelhos de marcas por si representadas. E porque os ltimos no so, necessariamente, os menos importantes, queremos terminar expressando o nosso reconhecido agradecimento Fundao Calousle Gulbcn-kian, sem cujo decisivo apoio este livro talvez nunca viesse a ser publicado. Porto, Setembro de 7967.

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I PARTE TCNICA FARMACUTICA

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2 Operaes farmacuticas de uso geral

Como o seu nome indica, consideram-se neste grupo as operaes incaractersticas do ponto de vista farmacutico mas correntemente praticadas em todos os laboratrios, como a pesagem e a medio de volumes de lquidos .

2.1.

PESAGEM

Pode di/,er-se que a pesagem a operao mais vulgarmente executada na preparao de formas farmacuticas. Tanto a teoria da pesagem como a dos instrumentos utilizados para a sua execuo so estudadas, com o devido pormenor, nos cursos de Fsica, motivo por que nos dispensamos de lhes fazer aqui qualquer referencia. Entretanto, lembramos que, por imposio legal, o farmacutico deve possuir, no seu laboratrio, uma balana de preciso e uma balana ordinria ou de Roberval.

2.1.1.

BALANAS DE PRECISO

As balanas de preciso destinam-se pesagem rigorosa de substncias prescritas em pequenas quantidades c podem ser dos mais variados modelos e sensibilidades utilizando-se hoje correntemente as balanas monopralo sensveis a 0,1 mg. As balanas ordinrias, muitas delas sucessoras da clssica balana de ROBIRVAL, so tambm de diversos tipos, desde as que utili/.am massas marcadas e possuem um ou dois pratos, at s que constituem alavancas interfixas de braos desiguais c de dimenses variveis em que o equilbrio conseguido pelo deslocamento de uma massa de peso fixo. Destinam-se pesagem de quantidades de substncias que podem oscilar entre algumas fraces do grama e vrios kg de peso. A sua sensibilidade , na maior parte das vezes, da ordem de 0,1 a 0,2 g

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2.1.2.

PESOS

Na maioria dos pases vigora o sistema mtrico decimal, cuja unidade fundamental o kg, com os seus mltiplos e submltiplos. Acontece que na Inglaterra e nos Estados Unidos o sistema decimal tem sido facultativo, ulili/undo-se ainda hoje os pesos usados no comrcio em geral ou em Farmcia, designando-se estes ltimos por por pesos, apotecrios. l ' m a v/ que lais pesos figuram nos livros sobre Farmcia Gal nica originrios daqueles pases, julgamos conveniente indicar a correspondncia dos diversos pesos apotecrios e o seu valor em g, a qua l dada na Tabela I. Tabela I. Pesos apotecrios /'*.,, Sinthvh Corresporinci* 1 'tlor cm '|o tuho u-locado na pane sii|>erioi direita do vaso. caniio a essncia no lundu deste. () aparelho di- D I S M V K I is e Mi KI > e uma moddicai,ao dos \ a s o s t lo i e nt i n o s clssicos. disiinoiii[idii se destes pela pari K u landade de apresentai diia^- inhuladura-.. uma superioi e ouha mleiioi i f j j j . I 4i. O desnlado e iccehido no disposiii\o alu\es do tunil de ponta huen ai neule r e e u i \ a * l a e a essncia, separando-se da as.Mia. I k a a

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sobrenadar esta. que vai sendo descarregada da proveta pelo sifo. Logo que a essncia atinja o pequeno tubo, situado na parte superior esquerda do aparelho, sai para o exterior, o que permite recolh-la medida que se separa, evitando-se, assim, a substituio do vaso quando estiver cheio, como acontece com os recipientes florentnos.

4.2.1.5.

Por funis ou ampolas de decantao So instrumentos de vidro, de forma varivel, como mostra a Fig. 15, e que servem, exclusivamente, para separar lquidos imiscveis. Estes aparelhos tm um orifcio na parte superior, por onde se introduzem os lquidos, o qual fechado por uma rolha de vidro. Deste modo, torna--se possvel agitar os lquidos neles contidos, operao esta muito utilizada quando se pretende extrair um slido de uma soluo por um outro solvente. Aps repouso, as duas fases lquidas separam-se por ordem das respectivas densidades, podendo, ento, decantar-se, facilmente, a camada debaixo, para o que basta retirar a rolha da ampola e abrir a torneira existente na parte inferior desta, deixando escorrer o lquido at que a superfcie de separao das duas fases atinja o orifcio de sada.

Fig. 15. Ampolas de decantao

4.2.2.

EXPRESSO

uma operao destinada a separar de um corpo slido ou de consistncia mole os lquidos nele existentes. Em geral, pratica-se com o fim de aproveitar os lquidos separados, rejeitando-se, quase sempre, a parte slida, que se designa por marco ou resduo. A expresso frequentemente utilizada nos laboratrios farmacuticos e na indstria, podendo representar a operao principal, como na preparao dos sucos vegetais e leos. Muitas vezes, porm, reveste-se do carcter de operao acessria, sendo empregue como tal quando se faz uma soluo extractiva, para se recuperar parte do lquido que fica sempre a embeber o corpo submetido extraco. Trata-se de uma operao puramente mecnica, em que se submete o produto a espremer a uma presso que obrigue os lquidos nele contidos a flurem para o exterior. Naturalmente que a maior ou menor facilidade com que um corpo cede os lquidos

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que constituem os respectivos sucos celulares depende da sua textura e, por conseguinte, o grau de compresso a aplicar para se conseguir uma expresso conveniente depender da natureza do material a tratar. Deste modo, de esperar que as substncias polposas ou moles e os vegetais herbceos, dada a relativa fragilidade das suas paredes celulares, no necessitem de ser sujeitos a to fortes presses como os produtos de textura compacta para cederem os lquidos que contm. A expresso , em regra, praticada a frio, devendo, em casos especiais, ser feita em aparelhos aquecidos, e, alm disso, pode ser executada manualmente ou por meio de prensas.

4.2.2.1. Expresso manual Este processo pode apresentar duas variantes, consistindo a primeira em esmagar a substncia a espremer com a mo. Aplica-se a casos muito restritos, como na preparao de sucos de amoras e groselhas, sendo estes frutos transformados numa pasta por presso manual, completando-se depois a expresso por um processo mecnico. A segunda variante consiste em encerrar o material num tecido apropriado, aplicando-se, seguidamente, uma toro progressiva nas extremidades daquele, o que obriga o lquido a abandonar o slido e escorrer para o exterior do invlucro de pano, sendo recebido num recipiente colocado por baixo. Se bem que este processo de expresso no possa ser considerado to eficiente como os que utilizam as prensas, c, no entanto, bastante utilizado como operao acessria na preparao de solues extractivas. Na realidade, sempre que se submete um produto vegetal a uma extraco com um solvente, completada a operao apenas se obtm uma fraco do volume de lquido inicialmente adicionado droga, pois, encontrando-se esta mais ou menos seca, fixa, por embcbio das suas clulas, uma parte importante do solvente. Tal facto resultaria num prejuzo considervel se nos limitssemos a aproveitar o lquido que sobrenada o slido e desprezssemos aquela parte que fica retida pelas partculas da substncia extrada. Esse o motivo porque a preparao de qualquer soluo extractiva, seja um decocto, macerado ou tintura, deve ser sempre completada com a expresso do marco, islo , da parte da droga submetida ao processo extractivo e que no foi dissolvida, a fim de se recuperar o lquido por ela retido. Esta operao pode ser feita vantajosamente por meios mecnicos, mas no caso de preparaes em muito pequena escala, em que o marco a espremer pesa, no mximo, algumas dezenas de gramas, evidente que o processo de mais fcil e prtica execuo , precisamente, a expresso manual por toro.

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4.2.2.2. Expresso mecnica Exceptuando o caso de o resduo a espremer ser diminuto, a expresso deve ser feita por um processo mecnico, o qual mais eficiente e origina maior quantidade de lquido. Os aparelhos utilizados na expresso mecnica so chamados prensas* das quais existem numerosos modelos, adequados a cada caso, permitindo operar a frio ou a quente e capazes de exercerem, por vezes, presses m u i t o considerveis, e que se podem dividir em dois lipos distintos: as prensas de parafuso e as prensas hidrulicas.

4.2.2.2.1. Prensas de parafuso A prensa de COLLAS (Fig. 16) representa o tipo mais simples de prensa de parafuso, tendo sido muito utilizada na oficina farmacutica. constituda por dois cilindros concntricos apoiados num suporte, sendo o interior perfurado e de dimetro menor que o situado externamente. O parafuso que exerce a presso termina por um disco justo ao cilindro interior, sendo aquele obrigado a subir ou descer ao longo da prensa conforme o movimento que se imprime ao volante que acciona o parafuso. A substncia a espremer envolvida num tecido resistente, a fim de evitar que a presso exercida force as partculas a passarem atravs dos orifcios do cilindro perfurado c. eventualmente, os obstruam, sendo ento colocada no cilindro interno. Feito isto, desce-se o disco accionando o volante da prensa, de modo que a presso exercida sobre a substncia v aumentando progressivamente e actue de modo uniforme Fig. 16. Prensa de COLLAS sobre toda a superfcie do corpo a espremer, o qu al deve ser disposto na prensa em camadas uniformes que ocupem todo o cilindro. A medida que a presso vai actuando, o lquido escorre para o espado entre os dois cilindros e sai pelo bico da prensa, sendo recolhido n u m vaso colocado por baixo deste. A Fig. 17 mostra um outro modelo de prensa de parafuso, mais poderoso do que o anteriormente descrito. A diferena fundamental entre estes dois aparelhos reside na circunstncia de a prensa de dupla ai\o (Fig. 17) ter uma roda dentada acopulada ao parafuso. Assim, quando este atinge o fim do seu curso e j no desce mais por aco do volante, pode aplicar-se uma presso suplementar movendo a manivela lateral, que, fazendo girar a roda dentada soldada ao parafuso, obriga este a deslocar-se para baixo, aumentando, por isso, a presso anteriormente exercida sobre o material colocado na

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Existe um outro modelo de prensa, denominado prensa diferencial de dupla aco (Fig. 18), que permite obter presses ainda mais elevadas do que as fornecidas pela prensa de dupla aco, com a vantagem de o seu accionamento exigir um esforo menor ao operador. O material a espremer colocado dentro de um saco de tecido resistente e posto no cilindro perfurado. A presso inicial aplicada por uma alavanca de ferro que encaixa na cabea do parafuso A e se move para trs e para a frente. Cada movimento na direco do operador faz girar o parafuso e obriga a descer o disco a ele ligado na extremidade inferior, mantendo-se a presso assim aplicada durante o recuo da alavanca, graas a um dispositivo de roda livre. Flg. 17. Prensa de parafuso de dupla aco Quando se verifique que no h mais aumento de presso por accionamento da alavanca como atrs se descreve, esta retirada da posio inicial A, colocada conforme se v na Fig. 18 e novamente accionada para trs e para diante, conseguindo-se, deste modo, um aprecivel aumcnlo da fora aplicada sobre o material. Acabada a operao, querendo subir o parafuso para poder retirar o produto espremido e colocar outra carga na prensa, removem-se as peas de ao terminadas em forma de cunha (B) que se projectam sobre a superfcie do anel que rodeia o parafuso A, rodam-se e tornam-se a colocar nos respectivos orifcios, Como as cunhas terminais destas peas ficam, agora, colocadas ao contrrio, quando se puxa a alavanca na direco do operador o anel funciona como roda livre, mas ao fazer-se o movimento oposto o parafuso anda para cima e, portanto, a presso diminui. Qualquer que seja o lipo de prensa de parafuso considerado, h certos pormenores de construo a respeitar paru que o aparelho funcione eficientemente. Assim, de mencionar que a rosca do parafuso deve apresentar as superfcies das espirais superior e inferior paralelas e no convergentes e terminando em Fig. 18. Prensa diferencial de dupla ponta aguada, como acontece nos parafusos vulgares. Alm aco disso, o bloco da prensa no deve estar ligado extremidade do parafuso, para que aquela se mantenha imvel quanto este accionado, e as partes interiores do aparelho sero estanhadas ou de ao inoxidvel para evitar reaces com os taninos e cidos porventura existentes no material a espremer. necessrio, ainda, que o parafuso exera a presso bem no centro do disco terminal, a f i m de se evitar que o aparelho sofra avarias.

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4.2.2.2.2.

Prensas hidrulicas

As prensas deste tipo apenas so usadas em instalaes escala industrial, podendo espremer uma grande quantidade de material com a maior eficincia c um dispndio mnimo de trabalho, baseando-se o seu funcionamento na perteita elasticidade dos lquidos, expressa pelo conhecido princpio de Pascal. Nestas circunstncias, quando dois cilindros A e B, contendo um fluido qualquer ('), esto ligados por um tubo (Fig. 19). toda a presso exercida sobre a superfcie do lquido em A transmitida integralmente e em todas as direces ao lquido encerrado no (ubo de ligao e, desle, ao lquido no cilindro 6. Se os dois cilindros tiverem a mesma seco, evidente que a (ora ou presso aplicada em A ser a mesma que se transmitir a B: admitamos, porm, que o cilindro B icm uma rea da base t O vezes superior de A. Sendo a presso, como se sabe, a fora exercida por unidade de superfcie, fcil se torna concluir que a tora que se exerce em A se toma, efectivamente, 10 ve/es superior em fl. O mecanismo que opera estas prensas esi representado na Fig. 19. Fa/endo subir o pisto em A por aco da respectiva alavanca, o leo aspirado do reservatrio f atravs da vlvula C. que impede, depois, que o leo volte para trs. O abaixamento do pisto fora o leo a passar para o cilindro fi, sendo impossvel o seu retrocesso merc da vlvula D. Operando a alavanca, o leo continuamente bombeado para B, o que obriga o pislo H a Fig. 19. Diagrama de uma prensa hidrulica subir, comprimindo o material colocado na plataforma G contra o anteparo /. Terminada a operao, diminui--se a presso na prensa abrindo-se uma torneira, o que faz com que o leo abandone o cilindro B e retome para o reservatrio /' e, como consequncia disto, o pisto H descer ate atingir o seu curso mais baixo. No mercado encontram-se vrios modelos destas prensas, usadas, principalmente, na preparao industrial de leos obtidos por expresso de frutos ou sementes. Uns e outros so previamente esmagados em moinhos de rns ou rolos, colocando-se, ento, a massa assim obtida em seiras de cairo, as quais so, depois, empilhadas na prensa e convenientemente espremidas. C) O fluido geralmente usado nestas prensas um leo. que serve de lubrificante e transmissor da presso.

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Dadas as suas dimenses e capacidade, estes tipos de prensas raramente so utilizados para espremer os marcos resultantes das solues extractivas farmacuticas. No entanto, existe um moi>'o de prensa para trabalho em pequena escala, prprio para espremer as drogas util/adas na preparao de tinturas, o qual incorpora o princpio do parafuso e da prensa hidrulica. Uma prensa deste tipo est representada na r Fig. 20. O material a espremc L colocado no c ili n dro perfurado, fazendo-se descer o disco compressor da extremidade do parafuso accionando o volante. A presso adicional necessria para a expresso com pleta do marco aplicada movendo as alavancas situadas direita, que, por sua vez, fazem girar outro parafuso, o qual aplica uma presso ao lquido encer rado no pequeno e estreito cilindro inferior, em cujo interior existe um pisto. Como o cilindro perfurado ende se colocou a droga nasce na extremidade supe rior do pisto, este, ao subir, comprime a substncia centra o disco ligado ao parafuso e, assim, se realiza Fjg_ 20 Prensa para {inturas acco_ uma expresso bastante eficiente. nada por parafuso e presso hidrulica

4.2.2.3. Prtica da expresso Na expresso mecnica de qualquer substncia devem respeitar-se certas condies para que a operao se realize com o mximo rendimento e os lquidos espremidos no sejam alterados. So os seguintes os principais factores a que se deve atender ao praticar uma expresso: 1) E necessrio que o material de que fabricada a prensa .seja compatvel com a substncia a espremer. Deste modo, deve ter-se em considerao que o ferro reage com os taninos existentes em muitos vegetais, e nesse caso impe-se a utilizao de prensas estanhadas ('} ou esmaltadas. No caso da preparao de sucos acentuadamente cidos recomenda-se empregar prensas de ao inoxidvel. 2) O material herbceo deve ser submetido a uma contuso prvia, a fim de se fenderem as respectivas paredes celulares, o que facilita a expresso. Feito isto, pode ser colocado directamente na prensa, no necessitando ser envolvido em tela. 3) Toda a substncia a espremer que esteja reduzida a p deve ser envolvida num tecid resistente e s ento colocada na prensa, procurando-se, com isto, evitar a obstruo dos orifcios do cilindro interno do aparelho plos fragmentos do produto sujeito operao. C) No devem utilizar-se com algumas drogas, como as amoras.

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4) A substncia deve ser colocada na prensa de modo a formar uma camada un iforme, isto . lendo igual espessura em toda a superfcie do cilindro. 5) A presso deve ser aplicada lenia e progressivamente, de modo a evita r que o tecido envolvente do material a espremer se rompa. 6) A presso deve ser uniforme e intermitente, s se aplicando nova fora depois de ter cessado o escoamento do liquido libertado pela presso anterior. 7) Ao atingir-se o limite da presso dada pelo aparelho, deve deixar-se este em repouso durante algum tempo, mas manlcndo-se a presso, para se oblcr o mximo de rendimento cm lquido. 8) Tratando-se de materiais que originem sucos viscosos, deve misturar-se-lhes uma substncia slida, como pulha cortada e lavada ou casca de arroz, o que facilita o escoamento dos sucos com tais caracterslicas. 9) Quando a substncia que se prelende obler por expresso slida temperatura ambiente no local onde se pratica a operao, necessrio u t i l i / a r prensas com pralos e disco compressor convenientemente aquecidos, para que ela funda e possa escorrer livremente.

4.2.3.

CENTRIFUGAO

um operao destinada a separar slidos de lquidos ou lquidos no mi.scveis. Efectua-se utilizando aparelhos especiais as centrfugas que fazem a separao, por meio de fora centrfuga, de duas ou mais substncias de densidades diferentes, devendo uma delas ser. necessariamente, um lquido. A centrifugao pode ser praticada com u fim de se isolar um slido em suspenso num lquido, operao correntemente praticada nos laboratrios de anlises bioqumicas para se conseguir, por exemplo, um sedimento de urina. Outras vezes execu Ia-se para se obter um lquido lmpido, quando a filtrao atravs de papel ou de outra membrana porosa no aplicvel, devido ao facto de o slido a separar, por ser de natureza gotnosa ou gelatinosa, obstruir os poros da superfcie filtrante. A cenirifugaco til i/a-se, ainda, para desfazer emulses tantas vezes formadas durante os processos de extraco.

4.2.3.1.

Tipos de centrfugas

As centrfugas de laboratrio so. em regra, accionadas por um motor elctrico, colocado na base, donde emerge um eixo vertical sobre o qual assentam os vrios tipos de cabea ou rotor, que est montado dentro de uma caixa metlica fechada. Fsla tem. habitualmente, uma lampa na parte superior e constitui um dispositivo destinado a proteger o operador contra os fragmentos de vidro, resultantes do estilhaamento dos

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tubos, ou de metal, provenientes da prpria centrfuga, caso esta se avarie quando em funcionamento. As ccnirfugas so fabricadas em diversos tamanhos, desde os modelos laboratoriais, cujos tubos comportam no mximo cerca de 200 ml, at aos grandes modelos utilizados na indstria. As centrfugas usadas nos laboratrios podem ser equipadas com trs tipos de cabea. O modelo mais vulgar o de cabea vertical, representado na Fig. 21, em que os tubos de vidro so colocados em suportes metlicos, tendo no fundo uma almofada de borracha, estando aqueles soldados a gonzos que se apoiam sobre ranhuras abertas no rolor. Como o centro de gravidade est situado abaixo dos gonzos, os tubos mantm-se verticais quando a centrfuga est em repouso, mas logo que o rotor comece a girar vo-se movendo sobre os gonzos, at atingirem a horizontalidade, retomando a Flg. 21. Centrfuga de cabea primeira posio logo que a centrfuga pare. O material a separar obrigado, nestas centrfugas, a atravessar a camada lquida em toda a sua extenso at atingir o fundo do tubo, onde se deposita. Em resultado disto, h um aumento de concentrao de partculas slidas prximo do fundo durante a centrifugao, de que resulta uma certa interferncia recproca entre elas. Estes factos representam outros tantos defei tos inerentes a este tipo de centrfugas, o que torna, por vezes, a sedimentao do slido incompleta, se bem que uma centrifugao longa e feita a alta velocidade possa, em certos casos, remover os inconvenientes apontados. Por outro lado, as centrfugas de cabea vertical apresentam a vantagem de perFig. 22. Centrfuga com cabea cnica mitirem o uso de tubos gradua dos, prprios para a medio do volume dos sedimentos obtidos, pois estes depositam-se regularmente no fundo dos tubos. Outro tipo de centrfuga o de cabea angular ou cnica, no qual o rotor um tronco de cone com orifcios onde encaixam os suportes metlicos para os tubos, os quais formam, geralmente, um ngulo de 45-50 com o eixo do aparelho. Nestas centrfugas (Fig. 22) os tubos mantm sempre a posio angular, sendo possvel

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obter-se com elas maiores velocidades do que com as do modelo anterior, resultando da urna melhor sedimentao. Alm disso, cm v/ de as partculas atravessarem iodo o comprimento do tubo para sedimentarem, como acontece com y s cent rfugas de cabea vertical, deslocam-se neste caso segundo um ngulo de 45-5(1", chovam contra as paredes do tubo e descem para o fundo, como Super,ic'.e se mostra na Fig. 23. Uma v/ que o trajecto u\/re rota atravs do lquido menor c a resistncia ao Camr.ho atrito das partculas sobre as paredes do tubo . seguido pela geralmente, pequena, a sedimentao torna-se mais fcil e rpida. este. alis, o mol ho por Ui.pert.ci que alguns slidos loculentos e tin;unente e livre ern repouso divididos, dificilmente sedimentveis numa centrfuga de cabea vertical. depositam sem dificuldade quando submetidos Seaim.ertj ern ngulo centrifugao n u m rotor angular. Hste tipo de aparelho no serve, contudo, para a medio volumtrica dos Fig. 23. Sedimentao numa centrfuga de cabea sedimentos, pois estes. c'imo a |-ig. 13 cnica mostra, depositam-se formando uni ngulo com o eivo do lubo. O terceiro tipo c representado pelas centrfugas de cesto (Fig. 2 4 ) . usadas, sobretudo, para separar os c ristai s das respectivas guas-mes, servindo ainda para os secar. O cesto constitudo por um recipiente cilndrico, geralmente perfurado, que roda dentro de uma cmara onde se j u n t a o lquido separado, que depois retirado para o exterior atravs cio tubo lateral que se s i t u a , no caso da Fig. 25. na parte direita do aparelho. A fim de se reter o slido no interior do cesto, este deve ser previamente forrado com papel d filtro. rede de arame de malhas muito apertadas ou qualquer outro material adequado. Fstas centrfugas, no entanto, s trabalham bem com sedimentos cristalinos cujas partculas tenham dimenses ra/.oveis. Na realidade, se o produto a sedimentar c de nature/a gelatinosa, depressa obstruir os poros do material filtrante q u e t e n h a sido utilizado para forrar o cesto, de modo que a filtrao, a partir de cerlo Fig. 24. Centrfuga de csio momento, retardada ou cessa por completo. Em casos destes deve usar-se um csio sem orifcios, como o da Fig. 25. A suspenso a ee n t ri f ug a r introduzida lenta mas continuamente pela parte i n t e r i o r do cesto, deslocando-se as partculas slidas para a perif eria , onde se depositam sobre as

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paredes, fluindo o lquido lmpido pela parte superior para a cmara de drenagem. Quando a camada do sedimento depositado sobre as paredes do csio atinge propores considerveis, o liquido comea a sair turvo e, nessa altura, necessrio interromper a centrifugao e proceder limpeza do aparelho. Por vezes, utilizam-se centrfugas especiais. Assim, emprega-se uma centrfuga aquecida para clarificar lquidos viscosos ou quando a substncia que se pretende separar tem um ponto de fuso superior temperatura ambiente, como acontece com a gordura do leile, cuja dosagem se faz centrifu-gando a quente aquele Sada do lquido produto, depois de tratado com cido sulfrico. Existem tambm centrfugas Sedimento refrigeradas que se utilizam para centrifugar produtos biolgicos, operando-se a temperaturas capazes de inibirem as aces enzimticas susceptveis de alterarem os referidos produtos. Estes aparelhos servem, ainda, para separar substncias que apenas se mantm slidas a baixas lemperaturas ou para obter os produtos formados numa cristalizao fraccionada a diferentes temperaturas, como, por exemplo, no Fifl. 25. Sedimentao numa centrfuga de caso das protenas do soro sanguneo. O cesto no perfurado processo de arrefecimento mais vulgarmente usado nestas mquinas um sistema de compresso e expanso, estando a serpentina de evaporao colocada no interior do aparelho. A Fig. 26 representa o diagrama de uma supercentrfuga SHARPLES, tipo centrfuga contnua, que serve para separar slidos de lquidos e desfazer emulses. Esta centrfuga, ao contrrio do que usual, movida por um motor colocado na parte superior, verificando-se a separao na parte mvel, espcie de panela, que esl suspensa do eixo ligado ao motor. O material a centrifugar entra pela parte inferior do aparelho e emerge da parte superior deste. Durante o trajecto ao longo da cmara de separao o material submetido a uma fora centrfuga relativa da ordem de 62 000 G, de modo que, ao atingir a sada, deu-se a sedimentao das partculas que estavam em suspenso. As ultracentrfugas constituem um outro tipo de centrfuga especial que se caracteriza pelas altas velocidades que capaz de desenvolver. De facto, tais mquinas, que em geral esto equipadas com um rotor relativamente pequeno, podem

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atingir mais de 100000 r.p.in, c exercem foras da ordem de l milho de G. So, por isso, usadas na investigao de colides e para determinar o tamanho das partculas e o peso molecular de certos compostos, como as protenas e cidos nuclcicos, por observao directa ou indirecta do ritmo de separao das partculas em soluo ou em suspenso. i ir; s=>i Motor i i j j j S i . . ^ 4.2.3.2. Clculo da fora centrfuga desenvolvida por uma centrifugadora Passados em revista os principais tipos de centrfugas utilizadas no trabalho laboratorial, consideremos, agora, algun s aspectos tericos da forca centrfuga que constitui, no fundo, o princpio sobre que se baseiam as mquinas que acabmos de descrever. Numa imagem bastante simples, poderemos di/er que a fora - Suporte tntrada centrfuga representada por um peso fixado na extremidade de um fio do lquido girando volta de um eixo. Ela iguala a fora, dirigida para fora do crculo descrito na sua rotao, que o peso exerce sobre o tio , enquanto LI fora centrpeta, que se lhe ope, corresponde Fig. 26. Diagrama de uma supercenlrfuga fora que o fio exerce sobre o mesmo peso puxando-o para dentro e o Sharples mantm na sua trajectria circular. A fora centrfuga pode ser expressa em termos de m l t i p l o s da fora gravitacional. G, e actua sempre ern direco perpendicular ao e i x o de rotao. No caso de este ser vertical, como acontece nas centrfugas de laboratrio, o peso do corpo que gira torna-se insignificante quando a fora centrfuga relativa igual ou superior 25 G. De facto, nestas condies o vector resultante da tora c e n t r fu g a q u e p u x a o corpo para fora c o peso de \ g, actuando para baixo, eq uiv ale nte a 25,09 g ou 25,02 G, o que corresponde apenas a um acrscimo de 0.08% sobre a fora centrfuga, tomada isoladamente. Ora, como as centrfugas usadas desenvolvem sempre toras centrfugas relativas muito superiores a 25 G, na prtica s se consideram aquelas, despre/ando-se o efeito do peso do corpo, uma vc?. que quanto maior for a fora centrfuga desenvolvida pela mquina m u i s o vector se aproxima da normal ao eixo de rotao (Fig. 27). A fora centrfuga pode calcular-se a partir da expresso:F = R @2 (1)

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em que F a fora centrfuga, M a massa do corpo rolante, (O a velocidade angular, e r representa a distncia que vai do eixo de rotao ao centro de gravidade do corpo. Fazendo as necessrias substituies, a equao (1) pode transformar-se nesta outra: F' =0,00001117 M r N2 (2) representando F' a fora centrfuga total, expressa em G, M a massa do corpo rolante, em g, N a velocidade de rotao em revolues por minuto, tendo r o significado acima referido.

aio de rotao

Fora centrfuga =25 25 g a = 2 3' ____ Vector = 25,02 g

G =

Fig. 27.

Fora centrfuga

Muitas vezes usa-se uma oulra grandeza chamada fora centrfuga relativa (F. C. R.), a qual se define como o nmero de gravidade G que aclua sobre uma massa girando volla de um eixo num determinado raio e velocidade. A fora centrfuga relativa pode ser calculada a partir da equao (2), desde que se tome para valor de M a unidade. Assim lemos que: F. C. R. = 0,00001117 r N2 (3) Dado que a F. C. R. apenas depende do raio e da velocidade da centrfuga, Iodas as partculas, qualquer que seja a sua forma, massa e densidade, tero, necessariamente, a mesma F. C. R., sem que isso queira significar que depositaro todas ao mesmo lempo. Na realidade, admilindo que elas parlem Iodas do mesmo ponlo, as de maior densidade sero as primeiras a sedimenlar, j que a fora cenlrfuga lolal depende da massa das partculas em causa. O conhecimento exacto do valor da F. C. R. necessrio para se conseguir a sedimenlao de uma determinada suspenso um elemento da maior importncia para que a operao possa ser executada por oulros operadores sem qualquer dificuldade de maior. A Fig. 28 iluslra o modo como se determina a F. C. R. e, como se v, pode lomar-se como valor do raio de rotao a distncia que vai do eixo da centrfuga

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superfcie livre do lquido contido no tubo ou a que vai desde o referido eixo ao fundo do mesmo. Deste modo, sabendo-se que a suspenso em causa sedimenta a uma velocidade tal que origina uma fora centrfuga relativa de 491 G superfcie livre do lquido ou de 894 G no fundo do tubo, qualquer outro operador pode conseguir o mesmo desde que mea as distncias indicadas na Fig. 28, bastando, depois, calcular a velocidade que se deve imprimir centrfuga para atingir os valores de F. C. R. indicados.

No fundo do tubo F. C. R. = 0.0001117 X 20 X [2.000)* = 894 G

A superfcie livra do liquidoF.C. R. = 0,0001117 X 11 X (2.000)2 = 491 G

Fig. 28. Determinao da fora centrfuga relativa

4.2.3.3. Presso centrfugaPor vezes acontece que os tubos utilizados numa centrifugao rebentam. Este fenmeno devido presso que o lquido exerce sobre qualquer ponto das paredes do recipiente que o contm. Em repouso, esta presso, designada por presso hidrosttica, numericamente igual ao produto da densidade do lquido pela altura da camada lquida medida desde a sua superfcie livre at ao ponto considerado (?=hxd), e o seu valor no justifica, por si s, o estilhaamento dos tubos de vidro tantas vezes usados no decurso de uma centrifugao. No caso. porm, de o lquido girar a altas velocidades, a presso exercida em qualquer ponto do tubo estar grandemente aumentada devido forca centrfuga desenvolvida pela mquina e deve ser designada, mais propriamente, por presso centrfuga (P. C.). A presso centrfuga igual presso hidrosttica multiplicada pela fora centrfuga relativa (3), tomando-se para o seu clculo, neste caso, como valor de r a distncia que vai desde o centro de rotao at metade da altura do lquido nos tubos de centrifugao. Um exemplo numrico ajudar-nos- a fazer uma ideia da magnitude que a presso centrfuga pode atingir.

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Suponhamos que num tubo de centrifugao se colocava uma urina de densidade 1,015, de modo a atingir a altura de 6 cm. Nestas circunstncias, a presso hidrosttica exercida pelo lquido em causa sobre o fundo do tubo seria: P = h x d = 6 x 1,015-6,09 g. cnr2 Ao pretendermos centrifugar esta urina, o tubo em questo foi colocado numa centrfuga em que a distncia do eixo de rotao ao fundo do tubo era de 12 cm e a que se imprimiu uma velocidade de 3000 r.p.m. Como nas condies operatrias a distncia do eixo de rotao ao centro da coluna de lquido, C, c igual a 9 cm, a F. C. R. desenvolvida, calculada pela equao (3), ser: F. C. /?. = 0,00001117x9x(3000) 2 = 905 G Deste modo, a presso centrfuga a que est sujeito o fundo do tubo PC = P x F C. R. = 6,09 x 905 = 5511 g. cnr2 no devendo causar estranheza, portanto, que um tubo de vidro possa rebentar durante a operao, dada a fora que se exerce sobre o seu fundo. evidente que se podem utilizar tubos feitos de material mais resistente que o vidro, fabricando-se tubos metlicos e de plstico para serem empregados nas centrifugaes. No entanto, relativamente fcil contrabalanar a presso exercida no interior de um tubo de centrifugao e evitar, deste modo, o seu estilhaamento. Para isso, basta encher o espao entre o tubo de vidro e o suporte metlico com um lquido apropriado, o qual exercer ento uma presso centrfuga dirigida do exterior para o interior do tubo, capaz de anular em parte a presso interna. Retomando o exemplo da Fig. 29, admitamos que colocvamos gua dentro do suporte metlico, de modo a obtermos uma camada com a altura de 5,5 cm. Nestas condies, a presso hidrosttica exercida por esta sobre o fundo do tubo de vidro era P = h.d = 5,5 g. cm-2 Por outro lado, sendo r =12-2,75-9,25 a F. C. R. que se desenvolve ser F. C. R. -0,00001117 x 9,25 x (3000)2= 930 G Deste modo, a presso centrfuga exercida pela gua sobre o fundo de vidro ser 5,5x930 G = 5115 g. crrr2

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Dado que a presso centrfuga no interior do tubo de vidro . como vimos, de 5511 g. c m e existe agora uma outra, exercida de tora para dentro, de 5115 g. cm"2, o vidro fica apenas sujeito a uma presso de 3% g. cm 2, por ele perfeitamente suportada. - 6 crn 1 2 cm c , t Superfcie livre do liquido Tubo de t - 5.5 cm X K \ \ i . Suporte metlico

Fig. 29.

Fora centrfuga e presso hidrostlica

No exemplo dado o lquido usado para encher o espao entre o suporte e o tubo foi a gua, mas em alguns casos ter que usar-se um lquido mais denso, como a glicerina ou o elilenoglicoi. evidente que a escolha do fluido a u l i l i / a r nesta espcie de almofadagem dos tubos de centrifugao depender" da densidade do produto a centrifugar, pois quanto maior ela for, mais elevada ter que ser lambem a densidade do lquido exterior para que a presso .seja reduzida a um valor compatvel com a resistncia do tubo. Alis, mesmo possvel conseguir-se que as presses no interior e no exterior do tubo sejam perfeitamente iguais e, neste caso, aquele flutuar dentro do suporte metlico, o que representa a condio ideal para se reali/ar uma centrifugao.

4.2.3.4 Indicadores de velocidade As cenrifugadoras tm sempre um disposilivo acopulado que permite determinar o nmero de revolues a que giram, pois s assim possvel podermos calcular a fora centrfuga por elas desenvolvida. Em certos modelos o indicador de velocidade est montado na lampa da caixa metlica que encerra o rotor, sendo constitudo por um mostrador lendo inscrita uma escala sobre a qual se move uma agulha. Esta, por sua v/, est ligada a uma mola ou a uma haste metlica que se projecta para o interior da mquina, encaixando a respectiva extremidade na parte superior do eixo do rotor, estando a lampa fechada. Deste modo, quando a centrfuga est a trabalhar, a agulha roda solidariamente

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cem o seu eixo e marca na escala o nmero de revolues por minuto a que ela gira. Noutros modelos o indicador de velocidade um tubo de vidro, cheio, ate certa altura, de lquido, tendo gravados traos sobre os quais esto inscritos vrios nmeros. Quando a centrfuga est parada, a superfcie livre do lquido corresponde ao zero da escala e dispe-se horizontalmente, mas logo que a mquina entre em movimento o lquido toma a forma de um parabolide de revoluo cujo vrtice desce medida que a velocidade aumenta. A posio do vrtice sobre a escala gravada nos tubos indicar, deste modo, o nmero de rotaes que a centrfuga est dando em determinado momento. Estes indicadores baseiam-se, portanto, na altura que a parbola descrita pelo lquido encerrado dentro do tubo de vidro atinge estando este em movimento, conforme est indicado na Fig. 30. Suponhamos, ento, que temos um recipiente cilndrico, cheio de lquido at certa altura, c rodando Fig. 30. Indicador de volta de um eixo cenlral com velocidade uniforme. Nestas condies, a velo-cidadde de unia superfcie livre do lquido, que em repouso c horizontal, toma a forma de centrfuga um parabolide de revoluo cuja altura pode ser calculada pela relao

h=

2g

(4)

em que v a velocidade linear do cilindro sua periferia c # a acelerao da gravidade; por sua vez ou v - 2 TC r x r.p.m./60 v = 0,1047xrxr.p.m. (5)

E de notar que a altura, hr da parbola acima da superfcie livre do lquido cm repouso, igual a hr que representa a distncia desse mesmo ponto ao vrtice da parbola. Portanto, l h^h^ h (6) * 2 Sendo a altura da parbola, /;, independente da natureza do lquido, especialmente da respectiva densidade, e apenas dependente da velocidade perifrica, pode tomar-se, por conseguinte, essa altura como indicador das velocidades atingidas pelas centrfugas, desde que os seus eixos estejam na posio vertical. Assim, para se graduar um indi-

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cador de velocidade deste tipo basta conhecer-se o raio do tubo para calcularmos a velocidade linear periferia e, a partir desse valor, a altura da parbola. Imaginemos que se pretendia marcar um tubo com 0,6 cm de dimetro para indicar velocidades compreendidas entre 500 e 3000 revolues por minuto. O zero da escala corresponde, como j se disse, superfcie livre do lquido em repouso; para obter a marca correspondente a 500 r. p. m. calcula-sc, em primeiro lugar, a velocidade linear perifrica correspondente a esta rotao pela frmula (6): v -0,1047 x 0,3 x 500 =15,7 cm. s~' A altura total da parbola ser, de acordo com a equao (4) (15 J)2 h = = 0,125 cm 2x980 mas como o vrtice apenas cai abaixo da superfcie livre em repouso metade d*i altura total da parbola, isto , h2 (Fig. 30), a distncia a que ele baixa quando o cilindro gire a 500 r.p.m. ser, evidentemente, igual a 0,625 mm. Deste modo, marcar-se- no tubo de vidro um trao distante 0,625 mm da superfcie livre do lquido em repouso, o qual indicar 500 r.p.m., Procedendo a clculos idnticos, verificar-se- que a distncia de 2,52 mm corresponde a 1000 r.p.m., 5,7 mm a 1500 r.p.m., 10,1 mm a 2000 r.p.m., 15,7 mm a 2500 r.p.m. e 22,7 mm a 3000 r.p.m.

4.2.3.5. Prtica da centrifugao A primeira operao a fazer para se proceder a uma centrifugao consiste em carregar os tubos com o material a centrifugar, devendo tomar-sc a precauo de que os tubos que iro trabalhar em posio oposta tenham a mesma massa total (massa do tubo + material a centrifugar). Esta precauo torna-se indispensvel para evitar avarias graves da mquina no decurso da centrifugao, as quais podem chegar mesmo sua destruio. Com efeito, sendo a fora centrfuga funo no s da velocidade angular mas, tambm, da massa do corpo que se encontra animado de movimento circular (equao (1)), poder acontecer que se produzam valores da citada fora acenluadamente desiguais em tubos colocados em posio oposta. O resultado deste fenmeno seria a existncia no de um movimento de rotao do eixo da centrfuga mas de um movimento de translao que conduziria, fatalmente, sua rotura, com todas as consequncias que so fceis de imaginar. Para se equilibrar dois tubos basta p-los um ao lado do outro e ench-los at mesma altura, desde que a sua capacidade no exceda 20 ml. Uma vez colocados os

63

tubos nus suportes metlicos, conveniente encher com gua ou outro lquido apropriado o espao entre o suporte e a parede do tubo. sempre que a c ent rifuga o se faa a 2000 r. /j. m. ou mais. para contrabalanar a presso c e nt r f u g a sobre o interior dos tubos. Utilizando tuhos de capacidade superior a 5U ml necessrio usar um processo mais rigoroso para avaliar a quantidade de suspenso a verter em cada par de tuhos. Em geral, tratando-se de centrfugas de cabea vertical, aconselha-se colocar s tubos, encaixados nos respectivos suportes, nos pratos de uma balana, vertendo em cada um a suspenso, at se obter igualdade de peso dos dois conjuntos. Outras ve/cs co locam--se apenas os tubos de vidro dentro de dois copos dispostos nos pratos de uma balana, que se equilibra, procedendo-se, ento, como no caso anterior. Alem disso, trabalhando com tubos desta capacidade, c sempre recomendvel proceder sua almofadagem com gua ou outro lquido, independentemente da velocidade que se imprime centrfuga. Uma vez colocados os tubos na centrfuga, esta fechada, iniciando-se. assim, a operao propriamente dita. Para isso, liga-se, em primeiro lugar, a mquina corrente elctrica, devendo u restato que comanda a velocidade do rotor estar na posio correspondente ao zero. A velocidade da centrfuga deve ser aumentada, depois, gradualmente, at atingir o valor pretendido, sendo necessrio, porm, nunca ultrapassar o limite marcado pelo fabricante do aparelho, sob risco de se provocar a quebra de qualquer pea metlica e originar acidentes graves se uma delas for lanada para fora da mquina, dada a considervel fora com que actuaria sobre qualquer obstculo com que colidisse. Temi i nada a centrifugao necessrio parar a centrfuga, diminuindo-se a velocidade mmVo iggfmj.sf/mnfr, para evitar que o lquido redemoinhe dentro dos tubos e levante o sedimento formado durante a centrifugao. Este pormenor deve ser sempre respeitado se se quiser obter um lquido perfeitamente lmpido, mas deve ser especialmente observado sempre que o sedimento no fique bem comprimido contra o l und o do tubo, o que acontece quando de natureza flocosa ou constitudo por partculas muito leves que tm tendncia para se disseminar no lquido ao menor movimento. Os pormenores que acabmos de descrever d i/e m respeito apenas s centrfugas de c) International Critica! Tables. Vol. [, McGraw-Hill, New York, 1926, pg. 63 (2) Houben, Die Methoden der Organischen Chemie, Vol. I Thieme, Leip/ig, 1925, pg. 1926.

178

6.1.2.2.2.

Refrigerao por calor de vaporizao

A absoro de calor provocada pela evaporao de um lquido de baixo ponto de ebulio pode ser aproveitada para se obter um arrefecimento. Operando sob presso reduzida, obtm-se temperaturas consideravelmente abaixo dos pontos de ebulio dos lquidos. O mesmo efeito conseguido fazendo borbulhar gases, como o ar, o hidrognio ou o azoto, no lquido a evaporar, pois, deste modo, a presso parcial do lquido reduzida superfcie obtendo-se uma evaporao mais rpida e temperaturas mais baixas. Como o ar pode formar misturas explosivas com materiais facilmente inflamveis, tais como o ter sulfrico, o sulfurcto de carbono, os cloretos de metilo e de etilo e, ainda, com hidrocarbonetos, o seu uso pode tornar-se perigoso, recomendando-se a sua substituio por outro gs, como o anidrido carbnico. A evaporao parcial do solvente por suco um dos processos utilizados para arrefecer uma soluo. Tambm um dos meios de controlar a temperatura de uma reaco exotrmica consiste em promover a evaporao parcial de um dos reagentes ou de um solvente inerte, na presena do qual a reaco possa ser levada a efeito. Desde que o ritmo de evaporao do referido solvente seja mantido adequadamente, , assim, possvel manter a temperatura da reaco no valor desejado. Desde que a reaco seja praticada presso atmosfrica, deve escolher-se um lquido cujo ponto de ebulio corresponda temperatura da mistura reagente, podendo, evidentemente, utilizar-se um lquido de ponto de ebulio mais elevado se a reaco for executada sob presso re duzida, j -i;-;.. . ; - . ... . - -'.";;.. /' ''.. A refrigerao mecnica tambm se baseia no calor de vaporizao de um lquido. Na realidade, os aparelhos de refrigerao operam, em geral, segundo um ciclo de compresso-descompresso. Nestas mquinas, uni determinado fluido sujeito a uma compresso tal que se condensa e se torna lquido quando arrefecido por gua ou pelo ar circundante. O gs liquefeito lanado, depois, atravs de uma vlvula, numa serpentina, onde a presso mais baixa, Esta sbita descompresso provoca a vaporizao do lquido circulando na referida serpentina, fazendo-se tal evaporao custa do calor absorvido do meio ambiente, que assim arrefecido. Os vapores formados so aspirados depois para o compressor e sujeitos a nova compresso, iniciando-se, deste modo, um outro ciclo. A amnia a substncia geralmente usada nas mquinas maiores, empregando-se outros gases, como o diclorodifluormetano (Freon 12, por exemplo), nos frigorficos menores.

6.1.2.2.3.

Refrigerao por calor de sublimao

' O anidrido carbnico slido, tambm conhecido por neve carbnica ou gelo seco, pode ser usado como refrigerante quando se pretendem temperaturas inferiores s J obtidas com o gelo vulgar. A temperatura normal de sublimao da neve carbnica *

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de -78,5C, mas essa temperatura pode ser ainda mais baixa se a sublimao for executada a presso reduzida. Por outro lado, o emprego da neve carbnica em pequenos fragmentos provoca a sua sublimao mais rapidamente e origina temperaturas inferiores ao seu ponto de sublimao normal, sendo possvel, deste modo, obter-se uma temperatura volta de -95,5C. O anidrido carbnico slido pode ser utilizado, isoladamente, como refrigerante. Todavia, como a transferncia de calor ter que ser feita, neste caso, atravs de uma camada gasosa de CO,, os coeficientes de transferncia sero baixos em tais condies. Por este motivo, o gelo seco quase sempre usado em mistura com um produto orgnico de baixo ponto de congelao, como o ter sulfrico, a acetona ou o tolueno, oblendo-se, deste modo, temperaturas vizinhas de -100C e, o que mais imporlantc, boas transferncias de calor entre o corpo a arrefecer e a mistura refrigerante. 6.1.2.2.4. Refrigerao por calor de dissoluo Desde que no se disponha de gelo, relativamente fcil obter um abaixamento de temperatura por efeito da absoro de calor registada durante a dissoluo de sais. Vrios sais orgnicos e inorgnicos absorvem aprecivel quantidade de calor ao dissolverem-se, provocando, por vezes, um acentuado arrefecimento. Em geral, utilizam-se os sais minerais para esse fim, pois so mais baratos e provocam maior abaixamento de temperatura. Na Tabela XVI indicamos as temperaturas obtidas com a dissoluo de certos compostos. Tabela XVI. Arrefecimento provocado pela dissoluo de sais 1) Substncia dissolvida em 100 partes de gua a 15 "C Temperatura aps dissoluo ("C)

Partes em peso

14 ........................................ A1K(SO4)2,12H2O .......................................... 14 36.......................................... NaCl .............................................................. 13 12.......................................... K,SO4 .......................................................... 12 75.......................................... a presso correspondente ao vazio limite dado pela mquina em B, o vapor condensar-se- a se a temperatura T for tal que a presso do vapor de gua saturante do gelo a essa mesma temperatura seja inferior a pti. Desta maneira, o gelo destilar sob a forma de vapor em A e ir depositar-se superfcie do condensador B,

220

dependendo, como evidente, o fluxo de vapor entre A e B das tempcralura^ / e T a que estas duas partes do aparelho so mantidas, pois quanto mais afastadas elas estiverem mais rpido ser esse fluxo.

Prgduto congelad o \

Fig. 133.

Esquema de um aparelho de liofilzao

No entanto, a presso no interior do aparelho que condiciona o regime de circulao do vapor dentro daquele. Assim, desde que a presso se mantenha relativamente elevada (1/10 a 1/100 de mm de Hg), o percurso mdio livre das molculas de gua pequeno em relao distncia que separa o condensador do material, e, nestas condies, o vapor circula em regime difuso. Quando, porm, o vazio inferior a IO"1 mm de Hg, o percurso mdio livre das molculas de gua torna-se igual ou superior distncia que separa o condensador do malerial a sublimar e ento o fluxo do tipo molecular.

6.4.7.1.

Emisso de vapor

Como se depreende do que acabmos de dizer, o mecanismo ntimo da liofiliza-o resumese a sublimar o gelo resultante da congelao do material a dessecar e, para isso, necessrio criar as condies para que se estabelea uma corrente contnua de vapor desde a superfcie do produto, encerrado na cmara A, at ao condensador, situado em B (Fig. 133).

221

Acontece, no entanto, que esta emisso contnua de vapor superfcie dos cristais de gelo provoca dois fenmenos trmicos distintos; Por um lado, a vaporizao origina um arrefecimento continuo das superfcies emissoras de vapor e, por outro, exige que o meio ambiente periferia do produto mantido a uma temperatura fixa t. fornea a este uma quantidade constante de calor. Na realidade, se admitirmos que o contacto trmico entre o material congelado e o meio que o rodeia perfeito, de tal modo que esse material esteja referida temperatura t, toma-se necessrio, para que esta se mantenha sem variao, que se fornea continuamente ao meio que circunda o material a secar uma certa quantidade de calor para compensar o arrefecimento devido sublimao do gelo. S assim possvel, como se compreende, manter em equilbrio a temperatura do produto a liotlizar com a do meio ambiente, estando calculado que a quantidade de calor a fornecer, correspondente ao calor de sublimao do gelo, de 672 calorias por grama de gua temperatura de -30"C. Isto significa, por conseguinte, que a sublimao do gelo apenas se dar a uma velocidade razovel se o produto a liofilizar for convenientemente aquecido. Este aquecimento constitui, como bvio, um dos pontos cruciais e mais delicados de todo o processo da liofilizao propriamente dita, e a ele voltaremos mais adiante; todavia, antes de o abordarmos mais pormenorizadamente parece-nos aconselhvel passar em revista outros factos ligados sublimao. Assim, mesmo que as condies de temperatura a que o espcime se encontre sejam as consideradas ptimas, preciso no perder de vista que o vapor que abandona a interfase material-atmosfcra confinante ter que percorrer uma certa distncia at chegar ao condensador e que durante este percurso alguns obstculos se opem sua marcha, sendo uns representados pelo prprio material e outros devidos ao aparelho. Vejamos em que consistem.

6.4.7.1.1.

Resistncia oposta pelo espcime

Ao iniciar-se a liofilizao, os cristais de gelo situados periferia do material sublimam facilmente, pois o produto no ope qualquer resistncia libertao de vapor. v A medida, porm, que a dessecao prossegue, vai-se formando uma crosta de material seco superfcie do produto congelado, de modo que a interfase de sublimao, definida como sendo a Unha que separa a parte interna da camada exsicada da parte externa da massa congelada (ver Fig. 133, pg. 220) vai-se situando a uma profundidade cada vez maior, pois, como evidente, a espessura da referida crosta aumenta medida que a liofilizao prossegue. Deste modo, quando um cristal de gelo sublima na interfase, o vapor formado ter que atravessar toda a camada seca que se lhe sobrepe at chegar ao exterior. Segundo STEPHESON, este fluxo de vapor praticamente perpendicular interfase de sublimao

222

e a sua marcha ao longo do material a liofilizar faz-se atravs dos espaos deixados livres pela sublimao das sucessivas camadas de gelo. Ora, como tais espaos apresentam nas suas paredes pequenssimas solues de continuidade, a camada dessecada fica atravessada por uma rede de estreitos canalculos comunicando uns com os outros, a qual constitui a via de sada para o exterior do vapor resultante da sublimao dos cristais de gelo superfcie da interfase. claro que esta travessia que o vapor obrigado a fazer para atingir o exterior poder realizar-se com maior ou -menor facilidade e isso que representa a resistncia do espcime emisso do vapor, definindo-a GERSH e STEPHHSON como o inverso da probabilidade para que uma molcula de gua emitida por um cristal de gelo atinja a superfcie exterior antes que seja fixada de novo sobre outro cristal. So vrios os factores que podem condicionar a resistncia do espcime, como a forma dos cristais de gelo, a disposio das misturas eutcticas e suas linhas de fractura. Tambm a espessura da camada exsicada desempenha um papel a considerar, tendo-se verificado ainda que, para espessuras iguais, a forma da referida camada tambm um elemento a ter em conta, sendo a forma esfrica a mais permevel. Por outro lado, o regime de circulao do vapor no interior da substncia seca tambm condiciona a resistncia por ela oposta. Assim, no regime difuso, prprio dos produtos congelados a temperaturas medianamente baixas, tendo originado cristais de apreciveis dimenses, o percurso mdio livre das molculas de gua pequeno em relao com os espaos intercristalinos, e a resistncia oferecida pelo material ser, em tais condies, fraca. Tratandose, porm, de um regime de circulao molecular, o produto j ope aprecivel resistncia emisso de vapor, pois neste caso o percurso mdio livre das molculas muito grande em relao aos interstcios que separam os cristais. o que acontece com as solues congeladas a baixa temperatura, que originam uma rede microcristalina de estrutura muito fina.

6.4.7.1.2.

Resistncia oposta pelo aparelho

A aparelhagem utilizada na liofilizao pode oferecer, igualmente, uma certa resistncia sublimao do gelo, a qual depende, sobretudo, do volume de vapor emitido e do tipo de circulao deste. Desde que o fluxo do vapor seja do tipo difusivo, a resistncia oposta pelo aparelho ser tanto mais fraca quanto menor a distncia que separa a superfcie de condensao do produto a sublimar e quanto maior a diferena de presses s respectivas superfcies. O regime difuso prevalece desde a presso atmosfrica normal at presso de IO"1 mm de Hg, representando, portanto, o tipo mais generalizado de circulao de vapor na liofilizao, e como o percurso mdio livre das molculas que lhe est associado pequeno, a presena de quantidades considerveis de ar residual pode aumentar as dificuldades de circulao do vapor. Por esse motivo, o vazio primrio deve ser

223

levado a um grau tal que o ar dentro do aparelho seja eliminado o mais possvel e, por outro lado, da maior importncia que no existam estrangulamentos entre a cmara e o condensador. Esta caracterstica assume um interesse especial quando o fluxo de vapor abundante, pois nesta eventualidade tais estrangulamentos oferecem uma acentuada resistncia passagem daquele. Quando a liofilizao se faz a presses da ordem de K)-4 mm de Hg o fluxo de vapor passa a ser do tipo molecular e a resistncia oferecida pelo aparelho depende neste caso, principalmenle, da sua forma geomtrica. Isto verifica-se nas liofilizaes executadas a lemperaturas muito baixas, circunstncia em que a dessecao sempre bastante lenta. Por isso, o desenho da aparelhagem desempenha, nestas circunstncias, um papel preponderante, devendo esta ser concebida de modo que as molculas de vapor que deixem o produto atinjam a superfcie de condensao directamente, ou, quando muito, aps uma ou duas reflexes sobre as paredes do aparelho.

6.4.7.2. Aquecimento do material congelado Acabmos de passar em revista alguns dos factores que podem contrariar, em certa medida, a emisso de vapor superfcie dos cristais de gelo e j ento tivemos oportunidade de salientar a necessidade de fornecer uma certa quantidade de calor ao produto a sublimar. De facto, as condies cm que se processa a liofilizao devem assegurar um perfeito equilbrio entre a presso e a temperatura a que a operao c executada, pois de outro modo esta ser extraordinariamente demorada. Com efeito, a velocidade de sublimao do gelo ser tanto maior quanto mais baixa for a presso a que se opere e mais elevada a temperatura a que estiver o material a dessecar, e, por este motivo, quando a liofilizao for realizada a baixa temperatura a sublimao s se verifica criando no aparelho um vazio muito pronunciado. Entretanto, na prtica recorre-se quase sempre ao aquecimento do material congelado para apressar a sublimao do gelo, mas tal aquecimento ter que ser feito em condies perfeitamente controladas, sob pena de conduzir a resultados desastrosos. Na realidade, a quantidade de calor a fornecer deve ser tal que nunca, em qualquer momento da operao, provoque a fuso dos eutticos presentes no produto congelado, e, por outro lado, ter que fornecer as calorias necessrias para a sublimao do gelo. Daqui se torna evidente que os fenmenos ligados referida sublimao constituem o fulcro central da liofilizao, podendo representar-se o processo de sublimao pela seguinte equao: dQ dm O

= Csub, dt dt

224

em que Q a quantidade de calor necessria para sublimar a massa m no tempo t e Cub! (calor de sublimao) uma conslanle, expressa em caloria. g~', que se calcula pela equao de CLAPEYRON: T dp / (2) J dt l

a qual estabelece a relao entre a temperatura T, a. presso do vapor saturante p e as massas especficas do vapor e do slido, respectivamente \ivap e |l.r/, sendo ./ o equivalente mecnico da caloria. Como vimos ao descrever a marcha da emisso do vapor (pg. 220), medida que o gelo sublimado o material a dessecar cobre-se de uma crosta mais ou menos espessa de material exsicado, percorrido por uma rede de canalculos comunicando entre si, de modo que a nterfase de sublimao se vai situando cada vez mais no interior da massa. Considerando para uma rea unitria da interfase de sublimao um canalculo a ela perpendicular, atravs do qual se d o fluxo de vapor, esse canalculo corresponder aos espaos deixados livres plos cristais de gelo, que se pode admitir serem cbicos e todos de iguais dimenses. Representemos por A a rea da face dos referidos cubos e por a a rea total das solues de continuidade existentes nas respectivas paredes que, como vimos, constituem a via de escape do vapor. Ora a teoria clssica dos gases prev a seguinte relao para a massa de vapor que passa atravs de um orifcio, de um ambiente para o outro, na unidade de tempo (CHAMPIONe DAVY): dm s (/?,-/?,) (3) dt (2 n RT) cm que s a rea da abertura atravs da qual flui o vapor,/?! e p,, so, respectivamente, as presses interna e externa, T a temperatura e K a constante dos gases perfeitos. No caso que nos interessa s = a/A; p} = pf, ou seja, a presso do vapor na interfase de sublimao; p, = p^ sendo p^ a presso superfcie externa. Teremos ento: dm * dt a P -p (4) A (2 TT RT)1

s

equao que exprime a quantidade de vapor que flui da massa a sublimar por unidade de tempo temperatura T. Para que o ritmo da emisso de vapor no sofra flutuaes apreciveis necessrio, portanto, que a interfase de sublimao, cuja localizao, como j dissemos, varia no decurso da secagem, receba do exterior uma quantidade de calor que a mantenha a

225

uma temperatura constante. Ao discutirmos este assunto teoricamente partimos da premissa de que o contacto temi io entre a fonte de calor c o material era perlei to. mas na realidade as coisas passam-se de modo diferente, o que torna o aquecimento do material um dos pontos mais delicados da liofilizao. De facto, acontece que, na prtica, o calor fornecido ao material tem que atravessar uma serie de camadas possuindo condutibi l idades trmicas diferentes, at atingir a superfcie de evaporao, por vezes situada bem no interior do produlo a secar. E como este geralmente acondicionado cm frascos, cujas paredes podem apresentar uma espessura muito varivel, compreende-se como difcil fazer chegar ao local exacto a quantidade de calor necessria para a boa sublimaro do gelo. Acontece ainda que em vrios modelos de liofilizadores de tipo industrial o fundo dos recipientes o nico ponto em contacto com a superfcie de aquecimento. Em tais aparelhos loma-sc necessrio que as superfcies de aquecimento estejam a temperaturas relativamente elevadas para aquecerem convenientemente a /ona de sublimaro. Daqui resulta que o material congelado situado no fundo do frasco, se estiver em contacto directo com a fonte de calor, corre o risco de ser aquecido a uma temperatura superior da /ona de eutexia e sofrer fenmenos de fuso. Um processo de aquecimento semelhante ao que acabamos de referir provoca, necessariamente, gradientes trmicos variveis conforme se trate da interfase de sublimao, da parte j seca ou da massa ainda congelada. Estas variaes de temperatura podem, contudo, anular-sc em parte se o calor fornecido for muito uniforme e regularmente distribudo ao longo da superfcie de aquecimento, sendo ento de esperar que se possa estabelecer um regime de equilbrio entre a fonte de calor e o material. que nas condies de vazio existentes no interior da cmara de secagem a transferncia de calor fax-se, principalmente, por radiao, o que, sem dvida, assegura uma maior uniformidade de distribuiro de calorias do elemento de aquecimento para o produto a lioflizar. Mas mesmo que se tenha atingido esse desiderato, o problema no fica complc* tamente resolvido. Lembremos, mais uma vez, que a quantidade de calor fornecida ao produto congelado deve ser tal que nunca provoque a fuso das misturas eutticas nele existentes. Ora. o nico processo de evitar que tal se verifique consiste em regular, com preciso, a intensidade do aquecimento, a qual no pode ser constante medida que o gelo sublime. Este pormenor do aquecimento pode ser resolvido numa base emprica, fazendo-se a sublimao a uma temperatura vizinha de -4()"C, a qual suficiente para evitar os fenmenos de fuso. Fntrctanto. conhecida a temperatura de cristalizao total do produto a liofili/ar, pode e deve adoptar-se uma soluo mais racional e mais rentvel, ou seja, a de aquecer o produto temperatura mais elevada possvel mas sempre abaixo do respectivo pomo de eutexia, pois deste modo obter-se- a secagem mais rapidamente. claro que este procedimento s c vivel controlando-se a temperatura do produto durante a liofili/ao, para o que existem, alias, vrios processos. Alguns deles medem

226

directamente a temperatura da substncia custa de pares termoelctricos ou de termmetros de resistncia de platina, ao passo que outros, como o proposto por NEUMAXN, determinam-na indirectamente por intermdio do valor da presso do vapor saturante no interior da cmara de secagem. Se bem que estes mtodos de controlo da temperatura permitam regular o aquecimento de modo a tirar dele todo o partido possvel e conduzam a bons resultados prticos, por vezes a determinao da temperatura do produto congelado no suficiente para se obter um conhecimento seguro das variaes de estrutura que nele se podem registar. Na realidade, acontece, entre outros fenmenos, que os efeitos trmicos ligados fuso parcial dos eutticos tm uma amplitude to fraca que no permitem a deteco de um princpio de fuso e por isso procuraram-se outros mtodos que garantissem um controlo mais perfeito da operao. Um destes mtodos, da autoria de REY, baseia-se no aumento considervel da resistividade elctrica do produto dessecado em comparao com a do produto congelado. Utilizando-se clulas especiais, introduzidas nos recipientes em que se procede liofilizao, vai-se registando o aumento da resistividade medida que a secagem progride, sendo possvel revelar, instantaneamente, o incio de um fenmeno de fuso. Em tal eventualidade, a resistncia elctrica do produto diminui vertiginosamente e permite intervir a tempo de evitar um acidente de fabricao. Deste modo, consegue--se regular automaticamente a liofilizao, pois o aquecimento ou arrefecimento do produio c comandado directamente pela observao da variao da sua resistividade. No dizer do seu autor, tal mtodo de controlo, alm de garantir uma segurana absoluta no decurso da liofilizao, pois com ele afastam-se os riscos de fuso, toma possvel aumentar o rendimento c a produtividade da instalao, uma vez que permite o emprego de fontes' de calor mais intensas, o que abrevia a durao da sublimao.

6.4.7.3. Condies de vazio O grau de vazio conseguido num liofilizador um dos elementos da maior importncia para que a sublimao do gelo decorra com o xito pretendido e isto por vrios motivos, como passaremos a expor. Em primeiro lugar, recordemos que a sublimao s pode realizar-se abaixo do ponto triplo, o qual, como j dissemos, corresponde temperatura de 0,0098C e presso de 4,58 mm de Hg, o que obriga, implicitamente, a trabalhar a uma presso consideravelmentc inferior presso atmosfrica normal. Por outro lado, o vapor formado durante a sublimao do gelo ter que ser evacuado do aparelho, pois, se assim no se fizesse, este ficaria, a breve trecho, saturado de vapor de gua, o que se traduziria na impossibilidade de se conseguir sublimar mais gelo a partir do momento em que isso se verificasse.

227

Acontece, ainda, que a velocidade de sublimao depende, como intuitivo, das diferenas de presso do vapor saturante superfcie do gelo e da presso existente na atmosfera com ele confinanle. Isto mostra a necessidade imperiosa de se promover a aspirao do vapor resultante da sublimao para que esta se processe a uma velocidade razovel, a qual ser tanto maior quanto menor for a presso no interior do liollizador. Acontece, ainda, que as molculas de vapor que abandonam o material congelado podem ser reenviadas para a superfcie de sublimao se colidirem umas com as outras ou com partculas de ar existentes no aparelho. Ora, a distncia mdia percorrida por uma molcula sem que se registe qualquer choque, denominada percurso mdio livre, uma funo da presso a que o sistema se encontra, como se pode ver na Tabela XXI.

Tabela XXI. Vazio fraco Limites de presso em mm de Hg N. de partculas por cm3 N." de choques por cm3 de parede (por s) Distncia do percurso mdio livre (cm) 760-1 IO19- IO16 1023-102U

Diferentes limites de vazio Vazio mdio 1-10-' . IO16- IO 1 3 IO20- IO17 10^-5 Alto vazio io- - io3 6

Ultra- vazio IO 6 - 10" IO 1 0 - IO5 K)14- 10" 5000-10*

IO1 M O1" 1017-1014 5-5000

10*-10"3

No vazio fraco o caminho percorrido de um milsimo a um milionsimo de cm e as molculas, por consequncia, chocam quase sempre entre si e muito raramente contra as paredes. Num regime de vazio mdio o percurso mdio livre da ordem de 5 cm a IO/4 cm e, nestas condies, as molculas tanto colidem umas com as outras como contra as paredes, enquanto que no alto vazio os choques esto praticamente limitados aos que se registam entre as paredes e as molculas. Pelo que acabmos de dizer, compreende-se como um vazio poderoso, actuando sobre mltiplos factores, influencia de modo decisivo a liofilizao, motivo por que os dispositivos de vcuo acopulados aos liofilizadores tm merecido a maior ateno por parte dos seus construtores. (') Segundo W. FRANK, L verre dans l'industrie u vide pouse, Schott Information, caderno 3/ 1966, pg. 12. Dado no conhecermos termos portugueses para todas as designaes adoptadas pelo autor para caracterizar os diferentes graus de va?.io, traduzimo-las do seguinte modo: Vide grossier, vide fin, vide pouss e vide utra-pouss, respectivamente por vazio fraco, vazio mdio, alto vazio e ultra

228

Na realidade, as bombas de vazio usadas na liofilizao devem satisfazer a certos requisitos e, assim, exige-se-lhes que sejam capazes de promoverem o vazio requerido num tempo relativamente curto, geralmente trs a oito minutos, a fim de evitar que o produto pr-congelado funda. Alm disso, estas bombas devem manter essa presso cm presena do vapor formado dentro do aparelho, da humidade e dos vapores contaminan-tes. Deste modo, para que a bombagem se faa em boas condies, a sua tubagem dever ser curta e ter um dimetro apropriado. Como, por outro lado, aps ter-se realizado o vcuo inicial a bomba ter que evacuar, principalmente, vapor de gua, este, como veremos mais adiante, poder ser absorvido por produtos qumicos ou condensado sobre uma superfcie arrefecida, o que melhora extraordinariamente as condies de sublimao. O vazio dado pelas mquinas utilizadas na liofilizao sempre poderoso e vai, em regra, dede l mm de Hg a 0,01 mm de Hg e a sua capacidade de aspirao pode variar desde 0,1 l/s at cerca de 10000 l/s nas bombas de difuso com quatro e cinco andares.

6.4.7.3.1.

Bombas rotativas

Uma vez que as bombas de mbolo do vazios muito limitados, as mquinas utilizadas nos liofilizadores so, essencialmente, de dois tipos: bombas rotativas e de difuso. As primeiras (Fig. 134) trabalham com leo dotado de tenso de vapor muito baixa e so constitudas por uma cavidade metlica cilndrica A, existindo no interior desta um rotor B, tambm cilndrico, montado excentricamente em relao cavidade A. O rotor, que accionado electricamente, aspira em cada rotao uma determinada quantidade de vapor, a qual expelida para o exterior atravs do leo, C. Entretanto, se o leo da mquina for contaminado pela humidade ou por vapores orgnicos, o vazio mximo por ela originado baixar acentuadamente e, em certos casos, poder mesmo no ullrapassr mais que alguns mm apenas. Em geral, o leo lubrificante no contaminado por gases permanentes mas somenle quando se faz a bombagem de vapores condensveis, empregando-se diversos meios para evitar os inconvenientes resultantes de tal condensao. Assim, wn dos dispositivos utilizados para esse fim o da comporia ou lastro de ar, o qual consiste num orifcio de abertura regulvel, permitindo a entrada de uma quantidade controlada de ar na bomba. Daqui resulta que a presso no interior desta passa a igualar a presso atmosfrica antes que o vapor de gua nela presente atinja a saturao e se condense. O ar admitido na bomba do lado da compresso, antes que esta se inicie, o que lhe permite aspirar vapores condensveis sem contaminarem o leo. O vazio mximo dado por uma determinada bomba pode ser melhorado se a ligarmos em srie com uma outra, mais pequena. Deste modo, nenhuma delas

229

trabalha em regime correspondente ao va/io extremo e presso atmosfrica, pois a bomba mais rpida funciona, nestas condies, entre o vazio extremo e uma presso intermdia, ao passo que a outra trabalha entre esta presso e a presso atmosfrica. Existem no mercado bombas rotativas de dois andares, podendo, como dissemos, utilizar-se duas delas ligadas em srie, bastanto apenas que a bomba directamente ligada ao sistema a evacuar possua grande velocidade de aspirao, podendo a outra ter uma capaci dade dez vezes menor. Alm de permitirem um vazio maior, estas bombas de dois andares so menos susceptveis aos efeitos da con taminao do leo, que nelas aparecem mais tarde e so de menor importncia, pois a segunda bomba que os sofrer e estano est directamente ligada ao sistema a aspirar. Fig. 134. Bomba rotativa (esquema)

6.4.7.3.2.

Bombas de difuso

As bombas de difuso do um vazio mais elevado do que o obtido com as bombas rotativas e esto indicadas para as liofilizaes feitas roda de 40"C. Como se sabe, quando uma corrente de ar atinge o orifcio de um tubo aberto, cuja outra extremidade est mergulhada num lquido voltil, o lquido ou os respectivos vapores so aspirados no tubo e arrastados pelo jacto de ar. este, de facto, o princpio sobre que se baseiam as bombas de difuso, que podem trabalhar com mercrio, um leo apropriado ou silicone, mantido numa caldeira situada na base da mquina, a qual evacuada presso de l mm de Hg por meio de uma bomba rotativa {Fig. 135 A) . O vapor formado na caldeira sobe a grande velocidade pelo tubo vertical, emerge na extremidade deste e deflectido para baixo por uma pea em forma de cone. A parte cimeira da bomba est ligada ao sistema mantido no vazio pela bomba rotativa e as partculas de ar que nele ainda existam difundem pela bomba c so arrastadas pelo jacto de vapor. Este, ao descer, condensado sobre a parede da bomba arrefecida por gua ou por ar e as molclas so aspiradas pela bomba rotativa. O jacto, a* descer, arrasta consigo as molculas de vapor e impede que elas penetrem no sistema. Estas bombas de difuso podem ser compostas de vrios andares, em geral cinco no mximo, o que lhes aumenta a sua estabilidade e lhes permite suportar um vazio

230

primrio menos elevado. A sua velocidade de aspirao muito grande, da ordem de 1.000 l/s para uma bomba com 20 cm de dimetro. Os fluidos utilizados nestas mquinas de vazio devem ter uma baixa tenso de vapor temperatura da gua de refrigerao, uma boa estabilidade trmica e resistirem oxidao, sendo os mais utilizados os pertencentes ao grupo dos Aroclors.

1.o andar Anel de guarda Circuito de arrefecimento Mquina de 2. andar vcuo Aquecimento preliminar A. Corte esquemtico 3-andar

Fig. 135. Bomba de difuso. A, cone esquemtico. B, bomba de difuso de 4 andares com um dbito de 12 000 l/s. esquerda v-se o injector e os seus 4 andares

Estas bombas de difuso apenas so postas a trabalhar depois de nelas se ter feito um vazio apropriado custa de uma bomba rotativa, a qual igualmente usada para se obter um pr-vazio no sistema a liofilizar. Existe ainda um tipo especial de bomba de difuso modificada, conhecida por bomba BOOSTER, cujo rendimento extraordinrio, pelo que tais mquinas so muito adequadas para a liofilizao.

6.4.8.

CONDENSAO

J atrs dissemos que as bombas utilizadas na iiofilizao devem ser dotadas de grande capacidade de aspirao. No entanto, por maior que seja essa capacidade, no existe nenhum modelo de bomba capaz de aspirar directamente a humidade existente num liofilizador sem que trabalhe associada a um exsicante qumico ou a um condensador refrigerado. Na realidade, dada a presso extremamente baixa a que os aparelhos funcionam, os fluidos neles contidos ocupam um volume muito grande, acontecendo, por exemplo, que um g de gua ocupa cerca de 10 m3 presso de 10~' mm de Hg, estando calculado que uma bomba com a capacidade de 1500 l/min leva entre 5 e 10 horas para secar 100 ml de soluo.

231

E por este motivo que os lioflizadores esto equipados com um sistema de arrefecimento, mantjdo a uma temperatura inferior do material congelado, o qual promover a fixao do vapor de gua resultante da sublimao, condensando-o sob a forma de gelo. Como seria de esperar, a sublimao s se verifica quando a tenso do vapor saturado superfcie do gelo no material a lofilizar seja superior tenso do vapor ao nvel da superfcie condensante. Isto constitui o que FLOSDORF designou por motor da lifliztio, Por outro lado, a intensidade do fluxo de sublimado directamente proporcional diferena de tenses de vapor existentes superfcie do corpo a sublimar e do condensador e inversamente proporcional resistncia oposta passagem do vapor pelo espcime e o aparelho, como j atrs dissemos. Desta maneira, obrigatrio que o condensador esteja a uma temperatura mais baixa que o produto a sublimar (cerca de 20"C menos), oscilando essa temperatura, na prtica, entre -40C e 60C. A utilizao destas temperaturas accntuadamentc baixas torna-se necessria porque ao fim de certo tempo o condensador fica envolvido por uma espessa camada de gelo. Ora, como se ignora de que modo se processa a transferncia de calor atravs desta camada, c prefervel actuar com uma certa margem de segurana e trabalhar com o condensador a uma temperatura cerca de 10 a 15C inferior temperatura teoricamente calculada.

6.4.9.

SECAGEM SECUNDARIA

Quando a maior parte da gua que se encontrava sob a forma de gelo tiver sido retirada por sublimao e uma vez que a presso no interior do aparelho se mantenha baixa, , ento, possvel aquecer o material progressivamente at temperatura ordinria. No decurso desta segunda fase da liofilizao a gua que ainda resta no material est ligada por fenmenos de adsoro c evapora-se directamente, condensando--se sob a forma de gelo no condensador. Se a primeira fase da operao tiver sido suficientemente prolongada, o material apenas contm nesta altura quantidades insignificantes de vapor e desde que o vcuo seja suficiente a desidratao completa-se ao fim de algumas horas. Entretanto, se se quiser um produto muito seco, com menos de 1% de humidade, esta secagem secundria deve prolongar-se durante 10 a 12 horas a um vazio de l a 5 x IO"-1 mm de Hg, ligandose ento a cmara de secagem directamente bomba, aps ter-se interrompido a sua comunicao com o condensador. Durante esta fase o produto continua a ser aquecido, se bem que na maioria das vezes a temperatura no deva ultrapassar 40C. Actualmente, porm, a tendncia geral a de efectuar a secagem secundria fora do liofilizador propriamente dito, submetendo-se o material a secar, colocado em recintos fechados, a um vazio moderado, em presena de uma substncia exsicante e temperatura ambiente.

232

Em qualquer dos casos, islo , no fim da liofilizao ou da secagem secundria, uma vez terminada a operao, necessrio interromper o vcuo e restabelecer a presso no interior do aparelho. Para isso, admlc-sc nele ar ou . mais vulgarmente, um gs inerte, como o azoto ou o anidrido carbnico, o qual deve estar perfeitamente seco e, por vezes, ser esterilizado.

6.4.10.

ASPECTOS PRTICOS DA LIOFILIZAO

Nos captulos anteriores procuramos dar uma ideia, do ponto de vista terico, de alguns fenmenos basilares que intervm na liofilizao, discutindo as condies ideais que devem presidir execuo deste processo de secagem para que se torne possvel obter dele os melhores resultados possveis. Vamos agora abordar o assunto sob outro ngulo, isto . iremos ver, nos captulos subsequentes, como a liofilizao realmente feita na prtica, pondo desde j o leitor de sobreaviso sobre algumas divergncias que se manifestaro entre o que a teoria aconselha e o que se observa no plano da realidade. Essas divergncias resultam, sobretudo, do facto de a liofilizao ser hoje um processo de ndole industrial, aplicado produo em larga escala, o que torna, por vezes, impossvel realizar, integralmente, na prtica, aquilo que a teoria recomenda, pelo que, cm certos casos, foi necessrio adoptar solues de compromisso. Para ilustrar o que afirmamos, basta reparar no que se passa no domnio da congelao. A teoria mostra-o e todos, alis, esto de acordo sobre esse ponto, que da maior vantagem procederse congelao rpida do material a liofilizar. Ora, se isso possvel fazer-se escala laboratorial, no domnio das grandes produes acontece que os produtos so congelados com certa lentido e isto simplesmente pea impossibilidade que h de congelar por imerso directa num banho uma carga considervel de material acondicionado, por exemplo, em ampolas ou frascos-ampolas, E posto isto, passemos a ver como na prtica corrente se realiza a liofilizao escala industrial.

6.4.10.1.

Dispositivos e processos de congelao

Se bem que a congelao se possa obter por evaporao sob vazio, este processo apenas utilizado industrialmcnlc em fbricas ligadas prepara,~j de alimentos. Apesar de ser considerada como a tcnica que melhores resultados d para a secagem de produtos slidos, como vegetais, frutos, carne, ele., no tem, contudo, qualquer aplicao na preparao de medicamentos. A congelao por arrefecimento representa, pelo contrrio, o processo mais largamente utilizado na liofilizao industrial de produtos biolgicos c farmacuticos, pelo

233

que se impe estud-la com o devido pormenor. Pode rcalizar-se de vrios modos, consoante a natureza do material e dos recipientes em que ele est contido, como passamos a descrever.

6.4.10.1.1. Congelao de produtos acondicionados em ampolas ou frascosampolas Para se proceder congelao de solues assim acondicionadas colocam-se os recipientes em caixas de rede metlica capazes de receberem vrias centenas de frascos. Uma vez que o produto suporte, sem grandes alteraes, uma congelao baslante lenta, a prtica mais generalizada a de colocar as caixas contendo os frascos na prpria cmara de secagem e arrefec-los a, o que evita, assim, a operao de transferir

Fig. 136.

Congelao por circulao de ar frio (Usifroid)

Isolamento

234

o material congelado para o liofilizar. O arrefecimento conseguido por aco de uma corrente de ar frio (Fig. 136) ou colocando as caixas sobre prateleiras refrigeradas (Hg. 137). Quando a refrigerao por qualquer destes processos no d resultados satisalrios, recorrese a outros mtodos mais eficientes de arrefecimento. Um deles consiste em imergir as caixas com os frascos ou ampolas, cujo contedo se pretende congelar, em lcool arrefecido a -45"C, mostrando a Fig. 138 o esquema de um aparelho de congelao deste tipo. Utilizando um dispositivo deslcs, a congelao dos produtos encerrados em ampolas ou pequenos frascos conscgue-se em 30 a 40 minutos, tornando-se necessrio conservar o material congelado em compartimentos frigorficos ale ser introduzido no liofilizador. Outro mtodo de congelao bastante empregado consiste em usar um dispositivo semelhante ao da Fig. 139. O arrefecimento obtido, neste caso, dispondo sobre a prateleira do congelador uma camada uniforme de neve carbnica picada, sobre a qual se colocam as caixas contendo os recipientes com o material a congelar. Fig. 137. Aparelho de liofilizao Em qualquer destes processos a congelao demorada com prateleiras arrefecidas e outras pela dificuldade de transferncia de calor atravs da camada de aquecidas. As primeiras servem para a congelao do material e as de ar entreposta entre o fundo dos recipientes e das caixas metlicas cima para se proceder liofilizao propriamente dita (Sistema Stocks) onde aqueles so colocados, havendo, no entanto, a possibilidade de remediar em parte este inconveniente. Para isso, humedecem-se com gua os fundos dos referidos recipientes, conforme se mostra na Fig. 140. Aps aspirao do excesso de gua, forma-se, por

Fig. 138. Congelao em banho de lcool arrefecido (Usifroid)

235

Fig.139. Congelao sobre camadas de neve carbnica

Fig. 140. Congelao acelerada por humedecimento do tundo dos recipientes

236

capilaridade, uma delgada pelcula de lquido entre o fundo da caixa e dos frascos, de modo que a congelao , assim, bastante mais rpida. A durao da secagem ulterior no praticamente influenciada por esta camada exterior de gelo, pois ela, sendo muito delgada, facilmente sublimada e cm nada interfere no desenrolar normal da operao.

6.4.10.1.2. Congelao de produtos acondicionados em recipientes de grande capacidade Quando se trata de fa/.er a congelao de produtos encerrados em recipientes de grande capacidade necessrio que o material seja espalhado, durante a congelao, sobre as paredes do mesmo para que, terminada esta, o slido resultante apresente, por urn lado, a menor espessura possvel e, por outro, grande superfcie evaporao. Este processo, denominado congelao em concha, pode fazer-se de dois modos: Por rotao lenta e por rotao a grande velocidade.

6.4.10.1.2.1

Por rotao lenta

Neste processo os frascos so colocados horizontalmente ou ligeiramente inclinados sobre os suportes rotativos, de modo a que a sua parte inferior fique mergulhada cerca de 15 a 20 mm no banho refrigerante (Fig. 141). Este banho pode ser constitudo, no

Inicio da congela Fig. 141.

Congelao em curso

Fim d congela o

Congelao em concha por rotao lenta

caso de aparelhos de produo reduzida, por uma mistura de lcool e neve carbnica, com a qual se obtm, sem dificuldade, temperaturas volta de -70C. Na produo em larga escala o aspecto econmico passa a entrar em linha de conla, ulilizando-se, como banho, o lcool arrefecido a 45C por mquinas frigorficas, o que torna a concepo destes aparelhos mais simples e, portanto, de preo mais acessvel. Esta lempcratura suficiente para a congelao de numerosas substncias a liofilizar, entre elas o plasma e outros produtos derivados do sangue, desde que os frascos sejam mantidos em rotao, depois de congelado o seu contedo, durante o tempo suficiente para que a substncia fique a uma temperatura sensivelmente inferior ao seu ponto de congelao. No caso do plasma sanguneo, a congelao e o arrefecimento a -25C de 300 ml de

237

produto, cm frascos de 500 ml de capacidade, obtm-se, para uma srie de cinco recipientes, em cerca de 35 minutos.

Fig. 142. Fixao de uma sonda termomtrica num Irasco contendo material a liofilizar

A fim de se controlar a temperatura do material congelado, introduzem-se, nalguns frascos testemunhas, sondas termomtricas, as quais so mantidas junto da respectiva parede por meio de um fio metlico que lhes serve de suporte, conforme se pode ver na Fig. 142.

6.4.10.1.2.2.

Por rotao a grande velocidade

Neste processo os frascos contendo o produto so submetidos, durante o arrefecimento, a uma rotao volta de um eixo vertical que deve coincidir, tanto quanto possvel, com o seu eixo geomtrico. Deste modo, o lquido dentro do frasco descreve um parabolidc de revoluo, cuja altura ser tanto maior quanto maior a velocidade de rotao, semelhana do que acontece com os indicadores de velocidade das centrfugas, acabando por se estabilizar na posio representada na Fig. 143 A, quando a velocidade atinge cerca de 900 r.p.m.

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Os frascos so mantidos em rotao graas a um motor elctrico e o arrefecimento pode ser feito de dois modos: a) por meio de uma corrente de ar frio. insuflada no dispositivo por um ventilador adequado, como se usa nas grandes instalaes tipo EDWARDS; b) por asperso com lcool arrefecido que proporciona uma congelao mais rpida e permite ainda a substituio do motor elctrico