Liofilizzazione

Operazione che consente la rimozione del solvente, in genere acqua, da una soluzione previamente congelata, mediante un processo di sublimazione.

Liofilizzazione

Freeze-drying criodesiccatiòn

La sublimazione può aver luogo operando a pressioni molto basse (< 4,6 mmHg) e a temperature inferiori a 0°C

Diagramma di stato dell'acqua

Vantaggi

Rispetto a EVAPORAZIONE e CONCENTRAZIONE che utilizzano il calore, la liofilizzazione presenta indubbi vantaggi:

1. Il prodotto finale (LIOFILIZZATO) mantiene il volume della soluzione iniziale, ma con una struttura solida spugnosa, uniforme, amorfa che può essere reidratata facilmente se messa a contatto con l’acqua (liofilo = amante dell’acqua);

2. Umidità residua molto bassa (maggiore stabilità nel tempo e preservazione da eventuali fenomeni idrolitici);

3. Temperature di essiccamento basse (vantaggiosa per sostanze termolabili es: plasma, antibiotici, ormoni, culture batteriche, vaccini, sieri, ecc);

4. Eliminazione di possibilità di ossidazione;

5. La liofilizzazione mantiene integri e vitali i tessuti animali e vegetali sottoposti al trattamento;

6. Facilità di ripartizione di prodotti solidi in piccole dosi (la suddivisione del prodotto si fa in soluzione nei piccoli flaconi e si fa seguire la liofilizzazione);

7. Facilità di produzione di forme sterili pulverulenti;

8. Possibilità di unire sostanze incompatibili in soluzione.

Svantaggi

1. Costo- manutenzione dell’apparecchiatura;

2. Possibilità pratica di liofilizzare solo soluzioni acquose.

Applicazione

Conservazione di sostanze medicinali sensibili: prodotti di origine biologica al fine di ridurre al minimo la denaturazione delle proteine.

Sostanze di origine umana: plasma umano e prodotti di frazionamento del sangue, latte umano, ecc.

Prodotti di origine animale: sieri, tubercolina, antigeni, prodotti opoterapici, enzimi, ecc.

Prodotti di origine vegetale: estratti di piante medicinali, vitamine, succhi di frutta, antibiotici, ecc.

Conservazione di innesti di origine umana e animale: ossa, frammenti di pelle, cornea, cartilagine, arterie;

Conservazione della materia vivente: microrganismi, batteri e virus. Es. vaccini e fermenti lattici;

Conservazione di prodotti alimentari: latte, uova, succhi di frutta, ecc. L’impiego in tale settore è limitato dal costo dell’operazione.

Fasi del processo di liofilizzazione

A) PREPARAZIONE DELLA SOLUZIONE

B) PRECONGELAMENTO

C) ESSICCAMENTO PRIMARIO: SUBLIMAZIONE

D) ESSICCAMENTO SECONDARIO: DESORBIMENTO

E) CHIUSURA DEI CONTENITORI

Apparecchio per la liofilizzazione

a) un sistema diprecongelamento(facoltativo)

b) la camera diliofilizzazione c) il condensatore

f) un impianto di riscaldamento d) il sistema di

produzione del vuoto (pompe)

e) un impianto frigorifero

A) PREPARAZIONE DELLA SOLUZIONE

• Il materiale da essiccare deve essere portato in soluzione o in sospensione, eventualmente filtrato (se necessario con membrane sterilizzanti).

• La liofilizzazione può essere eseguita in bulk, cioè su una certa quantità di materiale allo stato sfuso, posto in bacinelle o vassoi, oppure dopo ripartizione della soluzione nei contenitori finali (fiale, flaconcini o flaconi).

• Aggiunta di sostanze di supporto (servono ad aumentare la massa del liofilizzato o per modificare il comportamento fisico del solido). Fra i supporti ricordiamo: mannitolo,inositolo, glicocolla, ecc.

B) PRECONGELAMENTO

E' una fase molto importante, perché dal modo in cui viene condotta dipendono molte caratteristiche del prodotto finale.

Il congelamento deve essere condotto molto velocemente, così da permettere la formazione di cristalli di ghiaccio piccoli ed omogeneamente distribuiti, che daranno un solido poroso e stabile.

Sistema costituito da sola acqua

Diagramma della curva di formazione del ghiaccio

A 0°C comincia la formazione del ghiaccio: da questo punto in poi e per tutta la fase del passaggio di stato liquido-solido la temperatura rimarràcostante.

A completamento del passaggio di stato la temperatura diminuirà ulteriormente sino al raggiungimento del valore minimo consentito dalla sorgente di freddo.

L’inizio della cristallizzazione del ghiaccio può venire ritardato per un fenomeno disovraraffreddamento del liquido (intervallo 0-T1), al di sotto del quale la fase liquida e la fase solida sono fra loro in equilibrio metastabile, appena si forma il primo cristallo la temperatura del liquido ritorna a 0°C e inizia la vera e propria fase di solidificazione.

Sistema costituito da soluzioni binarie o a più componentie comunque in presenza di soluti

Diagramma tipo di una soluzione diluita di sale

A: formazione del ghiaccio puro (struttura a reticolo)

B: solidificazione del miscuglio eutettico

p.e.: punto eutettico

E' noto che soluzioni diluite di sali minerali congelano a temperatura inferiori all'acqua pura (abbassamento crioscopico).

Durante il congelamento si formeranno prima cristalli di ghiaccio (A); man mano che la temperatura scende, la concentrazione del sale aumenta fino a raggiungere un valore particolare detto “concentrazione eutettica”, al di sotto del quale si separano cristalli di ghiaccio e sale, sempre con la stessa concentrazione, che possono inglobare zone liquide di soluzione eutettica.

La zona di temperatura durante la quale la concentrazione salina aumenta è pericolosa per tessuti animali e vegetali.

Conviene, quindi, attraversare questa zona molto rapidamente congelando in maniera quasi istantanea e a una temperatura inferiore ai differenti eutettici della preparazione.

Il congelamento viene in genere eseguito mediante raffreddamento della soluzione, direttamente nella camera di liofilizzazione o in precongelatori o frigocelle separate;

1) il materiale può essere posto su piastre metalliche, al cui interno circola, in apposite serpentine, un liquido refrigerante;

2) si può spruzzare quest'ultimo direttamente sui recipienti contenenti il materiale, posti in rotazione;

3) si possono immergere i contenitori rotanti nel liquido refrigerante.

A) Congelamento “a fondello” statico:se la quantità di soluzione da liofilizzare è piccola (1- 1,2 cm), i recipienti (es. fiale, flaconcini per antibiotici) sono posti in vassoi metallici che vengono appoggiati sui piani congelatori degli appositi armadi frigoriferi; il fondo del contenitore può, anche, essere immerso in un bagno di alcool refrigerato o su uno strato di neve carbonica.

Si possono congelare nello stesso flacone più soluzioni di farmaci (a, c), incompatibili fra loro, separandoli con uno strato di materiale isolante b (liofilizzazione a strati).

B) Congelamento “a becco di flauto” staticoI recipienti vengono inclinati per aumentare la superficie di contatto

C) Congelamento dinamico: se la quantità di soluzione da liofilizzare è maggiore (250-1000 ml), la soluzione è congelata in recipienti inclinati che ruotano su loro stessi; in tal modo si assicura la formazione di una soluzione congelata il più sottile possibile.

Si può ottenere in due modi:

1. Per rotazione lenta inclinata (a conchiglia) o orizzontale (a cilindro):

a conchiglia a cilindro

2. Per rotazione rapida verticale:

C) ESSICCAMENTO PRIMARIO: SUBLIMAZIONE

Il preparato viene sottoposto all'azione del vuoto per provocare la sublimazione dell’acqua disponibile come cristalli di ghiaccio. Per questo si utilizzano delle pompe rotative a palette.

Quando il vuoto raggiunge valori compresi tra 0,5 e 0,05 Torr, inizia un leggero riscaldamento, che ha lo scopo di apportare alle molecole di solvente congelato l'energia necessaria alla loro sublimazione (calore latente di sublimazione), facendo attenzione a non far decongelare la soluzione.

(La sublimazione è un processo endotermico e la massa congelata tenderebbe a raffreddarsi progressivamente portando ad un rallentamento della sublimazione stessa).

Gruppo di aspirazioneDeve aspirare:a) all’inizio gas permanenti (aria e gas inerti))b) successivamente vapor d’acqua.

Le pompe da vuoto sono strumenti capaci di rimuovere gas o vapori da un sistema chiuso -diminuendo la densità molecolare e-permettendo una velocità di sublimazione sufficiente.

a) Pompe a compressione o meccanicheConvogliano le molecole dal sistema all’atmosfera esterna dopo averle compresse in una o più riprese

- Pompe ad olio: a palette a pistone

- Pompe Roots

b) Pompe a fluido motoreTrascinano il gas con un getto di fluido ad alta velocità

- Pompe a diffusione: ad acquaad olio

- Pompe ad eiezione

Il riscaldamento viene eseguito in genere per conduzione, riscaldando la piastra su cui poggiano i recipienti o i vassoi.

È necessaria la rimozione del vapore d’acqua in quanto 1 g di acqua alla pressione di 10-1 Torroccupa un volume di 9500 litri e la sua presenza porta all’interruzione del processo di sublimazionea causa della saturazione del vapore sovrastante il materiale congelato.

Il vapore d’acqua che si libera viene convogliato verso il condensatore dove si deposita sotto forma di ghiaccio grazie a diversi sistemi frigoriferi.

Perché il processo non si arresti, è indispensabile che la temperatura del condensatore sia di almeno 20°C inferiore a quella della camera di liofilizzazione.

Per ottenere l’eliminazione del vapor d’acqua dal circuito di liofilizzazione è possibile impiegare:

-Agenti chimici;

-La condensazione per mezzo del freddo.

Sistemi frigoriferiLe sorgenti di freddo per il condensatore sono:1)La neve carbonica ed i gas liquefatti.

Ad es. i FREON sono fluidi refrigeranti impiegati per ottenere temperatura molte basse:FREON 12 (CClF2) per ottenere Temperature = -50°C;

FREON 22 (CHClF2) per T= -70°C;

FREON 13 (CClF3) per T= -110°C.

2) Le macchine frigorifere a compressori alternativi o rotativi per installazioni ad alto rendimento

D) ESSICCAMENTO SECONDARIO: DESORBIMENTO

Quando tutto il ghiaccio è scomparso dal materiale si può ritenere terminato l'essiccamento primario e la massa si riscalda. Tuttavia, il materiale può contenere ancora una certa quantità di acqua residua (1- 5%), adsorbita o legata alla superficie molto porosa del materiale liofilizzato.

L’umidità residua viene allontanata scaldando ulteriormente il materiale fino a +30°, +50°C (se esso non subisce danni dal riscaldamento) e aumentando il vuoto fino a valori di 10-2/10-3 Torr, con l'ausilio di pompe più potenti collegate in serie alle pompe rotative. Un esempio è la pompa Roots.

L'umidità finale nel prodotto liofilizzato raggiunge in genere valori di 0,1-2%, a seconda della stabilità del prodotto all'acqua:

0,1- 1% in antibiotici o prodotti biologici;

0,5- 2% per altri prodotti farmaceutici.

L'andamento complessivo della temperatura del materiale, nelle diverse fasi della liofilizzazione, è riportato nella figura seguente; è da sottolineare che durante la fase B (essiccamento primario), la temperatura deve rimanere al di sotto di quella eutettica, per evitare la fusione del congelato.

E) CHIUSURA DEI CONTENITORI

Poiché i prodotti liofilizzati sono altamente igroscopici, è necessario che essi vengano chiusi in adatti contenitori a tenuta, operando in locali se necessario sterili, con aria secca (U.R. max 20-30%).

Nel caso di fiale e flaconcini, questi vanno chiusi sottovuoto.

Per prodotti particolarmente sensibili o igroscopici, la chiusura può avvenire direttamente dentro la camera di liofilizzazione, per mezzo di opportuni dispositivi di "stoppering“; questi tappano i flaconcini con tappi di gomma, che vengono poi fissati con anelli di alluminio a ghiera.

La rottura del vuoto nell'impianto di liofilizzazione può essere eseguita con aria secca o, se si lavora con sostanze facilmente ossidabili, immettendo azoto secco.

PER CONCLUDERE

a) il freddo interviene nella fase di congelamento, per portare la soluzione a temperature inferiori al punto eutettico; agisce poi durante l'essiccamento, per trattenere nel condensatore il vapore sublimato nella camera di liofilizzazione;

b) il calore è impiegato nell'essiccamento e deve corrispondere al calore latente di sublimazione, cioè alla quantità di calore necessaria per sublimare l'unità di massa a temperatura costante e alla pressione stabilita;

c) il vuoto interviene nella fase di sublimazione e desorbimento ed è necessario per mantenere, nell'ambiente sovrastante la massa congelata, un valore di pressione parziale del vapore d'acqua inferiore alla tensione del vapore saturo del solvente del prodotto.