Técnicas de laboratorio

Liofilización

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La liofilización, también conocida como criodesecación o secado por frio, es un proceso de deshidratación a baja temperatura que implica congelar el producto y reducir la presión, eliminando así el hielo por sublimación. Esto contrasta con la deshidratación mediante la mayoría de los métodos convencionales que evaporan el agua utilizando calor.

Historia de la liofilización

Un método que podemos reconocer como liofilización fue sido utilizado desde tiempos antiguos desde el 1250 a.C. El procedimiento de liofilización puede rastrearse hasta tiempos prehistóricos de los esquimales, quienes preservaban el pescado en las frías temperaturas del Ártico mediante la deshidratación.


En el 1250-850 a.C., los antiguos incas peruanos colocaron sus papas y cultivos sobre Machu Picchu, lo que causó la congelación de sus productos. No se dieron cuenta de que la baja presión en las altitudes elevadas vaporizaba o sublimaba el agua de los productos y básicamente los liofilizaba. Aunque este proceso era relativamente lento, durante el secado se preservaba la calidad de los alimentos debido a su estado final congelado. Otros pueblos nativos sudamericanos que vivían en los Andes utilizaban un método primitivo de liofilización para preservar las papas. Llevaban los tubérculos a las montañas donde las temperaturas caían por debajo del punto de congelación del agua y la presión atmosférica era baja.

También se sabe que los monjes que vivían en Koya, las famosas montañas sagradas budistas, empacaban tofu en la nieve en laderas montañosas que eran propicias para el secado debido a las altas altitudes y los vientos extremadamente fríos.

Modelo de liofilizador de laboratorio
Modelo de liofilizador de laboratorio

Otro pueblo antiguo, los vikingos, liofilizaban su comida favorita, pescado frío, utilizando las frías y secas condiciones locales. Esta deshidratación ocurre bajo un vacío, donde el producto vegetal o animal está sólidamente congelado durante el proceso. La contracción del producto se minimiza o elimina, lo que resulta en una buena conservación y durabilidad.

Primeros procesos de liofilización

Los primeros procesos de liofilización se descubrieron mientras se realizaban ensayos de secado en diversos tejidos. En 1890, Altman informó que pudo obtener tejido seco, a presiones subatómicas, a una temperatura de aproximadamente -20 °C. El informe en la literatura no revela fácilmente quién nombró o llamó primero al equipo como liofilizador. En 1905, Benedict y Manning informaron sobre el secado de tejido animal a presiones inferiores a 1 atmósfera mediante una bomba química.

Shackell redescubrió independientemente la técnica en 1909 para la preservación de productos biológicos, y fue el primero en darse cuenta de que el material debía estar congelado antes de comenzar el proceso de secado. En 1910, Shackell tomó el diseño básico de Benedict y Manning, y para producir el vacío necesario utilizó una bomba de vacío eléctrica en lugar del desplazamiento de aire con éter etílico.

En la década de 1920, la liofilización se estableció como un proceso de estabilización para materiales termolábiles. Curiosamente, en 1925, la Corporación Dry Ice de América registró por primera vez la marca Dry Ice. En 1927, se emitió la primera patente estadounidense a Tival, que hacía referencia al secado de materiales congelados en condiciones de vacío.

Las aplicaciones industriales de la liofilización no parecen haber sido apreciadas antes de las patentes de Tival en 1927. En 1934, se emitió una patente estadounidense a Elser, quien describió un equipo de secado que reemplazaba el sistema desecante de ácido sulfúrico de Shackell con una trampa fría enfriada con hielo seco.

Liofilización de alimentos

En 1938 sucedió un gran hito en la historia de la tecnología de liofilización. Se fabricó por primera vez café liofilizado, lo que condujo al desarrollo de productos alimenticios en polvo. La década de 1940 marcó un gran desarrollo. Se informó del primer uso comercial de la liofilización. Se desarrollaron equipos y técnicas para suministrar plasma sanguíneo y penicilina a las fuerzas armadas durante la Segunda Guerra Mundial.

Greaves fue el primero en proporcionar una explicación técnica del proceso de secado al identificar los parámetros operativos clave. Desde la década de 1950 hasta la de 1960, con la creciente popularidad de los productos alimenticios liofilizados, se realizó un mayor desarrollo en el proceso de liofilización. En 1960, la acuñación del término «liofilización» se atribuye generalmente a LR Rey, quien describió la naturaleza porosa del producto seco y sus características para reabsorber rápidamente el solvente y restaurar la sustancia a su estado original.

Para realizar una liofilización se requiere el uso de equipos especiales, denominados liofilizador o secador en frio. Contiene una cámara grande para congelar y una bomba de vacío para eliminar la humedad o la sublimación del hielo. Desde la década de 1960, se han fabricado comercialmente más de 400 tipos diferentes de alimentos liofilizados.

Café liofilizado

El café liofilizado es el producto liofilizado más conocido. La compañía Nestlé inventó el café liofilizado cuando Brasil les pidió que encontraran una solución para sus excedentes de café. Nescafé, introducido por primera vez en Suiza, fue el primer producto de café liofilizado de Nestlé. Después de Nescafé, el café Taster’s Choice, otro famoso producto liofilizado, se deriva de la patente otorgada a James Mercer.

Durante 1966-1971, Mercer en Hills Brothers Coffee Inc. en San Francisco lideró el desarrollo de una capacidad continua de liofilización y se le otorgaron 47 patentes estadounidenses y extranjeras. Fue después de la Segunda Guerra Mundial que el secado por liofilización se convirtió en un método industrial utilizando el liofilizador tipo bandeja para mejorar la vida útil de los productos farmacéuticos.

Liofilización y la carrera espacial

En 1968, la Whirlpool Corporation, bajo contrato de la NASA para las misiones Apolo, desarrolló el helado liofilizado, conocido como helado de astronauta. Los alimentos liofilizados persisten más que otros alimentos conservados y, debido a su peso muy ligero, son ideales para los viajes espaciales.

El astronauta John Glenn se convirtió en el primer estadounidense en orbitar la Tierra hace más de 20 años. La experiencia de Glenn ayudó a diseñar los sistemas de alimentos espaciales, experimentando por primera vez con la ingesta de alimentos en condiciones de ingravidez.

Para 1970, la liofilización se utilizaba comúnmente para taxidermia, conservación de alimentos, conservación de museos y para productos farmacéuticos. En la década de 1980, las empresas aprendieron y aplicaron la liofilización para hacer flores liofilizadas duraderas. Altmann utilizó la liofilización en el campo de la medicina para la preparación de secciones histológicas ya en 1980. En 2003, la empresa Kellogg comenzó la liofilización de fresas y arándanos para su innovador cereal «Fruit Harvest Strawberry Blueberry«.

Modelo de equipo de liofilización de mesa
Modelo de equipo de liofilización de mesa

Liofilización en medicina e investigación

En la época moderna, la liofilización se utiliza ampliamente en las industrias de biotecnología, farmacéutica y biomédica para preservar productos como antibióticos, macromoléculas, electrolitos, proteínas, hormonas, virus, vacunas, bacterias, levaduras, suero sanguíneo, liposomas, esponjas de colágeno para trasplantes y fármacos activos.

Igualmente, la liofilización se utiliza para preservar materiales biológicos como cultivos bacterianos. La liofilización los estabiliza para un almacenamiento a largo plazo minimizando los daños causados por el secado estricto de la muestra. Se observa que muchos microorganismos sobreviven bien después de la liofilización, se rehidratan fácilmente y pueden crecer en medios de cultivo después del almacenamiento a largo plazo.

Además, muchos productos liofilizados pueden suministrarse fácilmente a diferentes partes del mundo con relativamente menos preocupaciones sobre las condiciones de almacenamiento. En comparación con los métodos tradicionales de liofilización en viales, en los últimos años ha habido un crecimiento de métodos alternativos de secado (por ejemplo, secado por pulverización) y dispositivos de administración de fármacos más avanzados (por ejemplo, cartuchos de doble cámara) que contienen productos biotecnológicos secos.

Etapas de la liofilización

Hay cuatro etapas en el proceso completo de liofilización: pretratamiento, congelación, secado primario y secado secundario.

Pretratamiento

El pretratamiento incluye cualquier método de tratamiento del producto antes de la congelación. Esto puede incluir la concentración del producto, revisión de la formulación (es decir, adición de componentes para aumentar la estabilidad, preservar la apariencia y/o mejorar el procesamiento), disminución de un solvente de alta presión de vapor o aumento de la superficie.

A menudo, las piezas de alimentos se ultracongelan de manera individual (IQF) para hacerlas fluir libremente antes de la liofilización. Los productos farmacéuticos liofilizados son, en la mayoría de los casos, parenterales administrados después de la reconstitución por inyección, que deben ser estériles y libres de partículas de impurezas. En estos casos, el pretratamiento consiste en la preparación de la solución seguida de una filtración de múltiples pasos. Después, el líquido se llena en condiciones estériles en los recipientes finales que, en los liofilizadores a escala de producción, se cargan automáticamente en los estantes.

En muchos casos, la decisión de pretratar un producto se basa en el conocimiento teórico de la liofilización y sus requisitos, o se exige por consideraciones de tiempo de ciclo o calidad del producto.

Congelación y recocido

Durante la etapa de congelación, el material se enfría por debajo de su punto triple, la temperatura a la cual las fases sólida, líquida y gaseosa del material pueden coexistir. Esto asegura que la sublimación en lugar de la fusión ocurra en los pasos siguientes.

Para facilitar una liofilización más rápida y eficiente, son preferibles los cristales de hielo más grandes. Los grandes cristales de hielo forman una red dentro del producto que promueve una eliminación más rápida del vapor de agua durante la sublimación.

Para producir cristales más grandes, el producto debe congelarse lentamente o puede someterse a ciclos ascendentes y descendentes de temperatura en un proceso llamado recocido. La fase de congelación es la más crítica en todo el proceso de liofilización, ya que el método de congelación puede impactar la velocidad de reconstitución, la duración del ciclo de liofilización, la estabilidad del producto y la cristalización adecuada.

En el caso de productos donde se requiere preservar la estructura, como alimentos o muestras con células anteriormente vivas, los grandes cristales de hielo rompen las paredes celulares, lo que resulta en una textura cada vez peor y pérdida de contenido nutritivo. En este caso, congelar rápidamente el material por debajo de su punto eutéctico evita la formación de grandes cristales de hielo. Por lo general, las temperaturas de congelación están entre -50 °C (-58 °F) y -80 °C (-112 °F).

Secado primario

Durante la fase de secado primario, se reduce la presión (al rango de unos pocos milibares) y se suministra suficiente calor al material para que el hielo sublime. La cantidad de calor necesaria se puede calcular utilizando el calor latente de sublimación de las moléculas.

En esta fase inicial de secado, aproximadamente el 95% del agua en el material se sublima. Esta fase puede ser lenta (puede durar varios días en la industria), porque si se agrega demasiado calor, la estructura del material podría alterarse.

En esta fase, la presión se controla mediante la aplicación de vacío parcial. El vacío acelera la sublimación, lo que lo hace útil como un proceso de secado deliberado. Además, una cámara condensadora fría y/o placas condensadoras proporcionan una superficie para que el vapor de agua se reliquefique y solidifique.

Es importante tener en cuenta que, en este rango de presión, el calor se transmite principalmente por conducción o radiación; el efecto de convección es insignificante debido a la baja densidad del aire.

Secado secundario

La fase de secado secundario tiene como objetivo eliminar las moléculas de agua no congeladas, ya que el hielo fue eliminado en la fase de secado primario. Esta parte del proceso de liofilización está gobernada por las isotermas de adsorción del material.

En esta fase, la temperatura se eleva más que en la fase de secado primario e incluso puede estar por encima de 0 °C (32 °F), para romper cualquier interacción fisicoquímica que se haya formado entre las moléculas de agua y el material congelado.

Por lo general, la presión también se reduce en esta etapa para fomentar la desorción (normalmente en el rango de microbares o fracciones de un pascal). Sin embargo, hay productos que también se benefician de un aumento de la presión.

Después de que el proceso de liofilización esté completo, generalmente se rompe el vacío con un gas inerte, como nitrógeno, antes de sellar el material.

Al final de la operación, el contenido de agua residual final en el producto es extremadamente bajo, alrededor del 1–4%.

Aplicaciones de la liofilización

Debido a que la liofilización causa menos daño a la sustancia que otros métodos de deshidratación que utilizan temperaturas más altas. Los factores nutricionales sensibles al calor se pierden menos en el proceso en comparación con los procesos que incorporan tratamiento térmico con fines de secado.

Este proceso generalmente no causa contracción o endurecimiento del material que se está secando. Además, los sabores, olores y contenido nutricional generalmente permanecen sin cambios, lo que hace que el proceso sea popular para la conservación de alimentos. Sin embargo, el agua no es el único compuesto químico capaz de sublimación, y la pérdida de otros compuestos volátiles como el ácido acético (vinagre) y los alcoholes puede dar resultados no deseados.

Los productos liofilizados pueden rehidratarse (reconstituirse) mucho más rápido y fácilmente porque el proceso deja poros microscópicos. Los poros son creados por los cristales de hielo que subliman, dejando huecos o poros en su lugar.

Esto es especialmente importante cuando se trata de usos farmacéuticos. La liofilización también puede usarse para aumentar la vida útil de algunos productos farmacéuticos durante muchos años.

Farmacéuticos y biotecnología

Las compañías farmacéuticas a menudo utilizan la liofilización para aumentar la vida útil de los productos, como vacunas de virus vivos, biológicos y otros inyectables. Al eliminar el agua del material y sellar el material en un vial de vidrio, el material puede almacenarse, transportarse y luego reconstituirse fácilmente a su forma original para la inyección.

Otro ejemplo de la industria farmacéutica es el uso de la liofilización para producir tabletas o pastillas, cuya ventaja es menos excipiente, así como una forma de dosificación de rápida absorción y fácil administración.

Los productos farmacéuticos liofilizados se producen como polvos liofilizados para reconstitución en viales y, más recientemente, en jeringas precargadas para autoadministración por parte del paciente.

Ejemplos de productos biológicos liofilizados incluyen muchas vacunas como la vacuna viva contra el sarampión, la vacuna contra la fiebre tifoidea y el grupo de vacunas polisacáridas de meningococo A y C combinadas. Otros productos biológicos liofilizados incluyen el factor antihemofílico VIII, interferón alfa, la medicina anti-coágulo sanguíneo estreptocinasa y extracto alergénico de veneno de avispa.

Muchos productos biofarmacéuticos basados en proteínas terapéuticas, como los anticuerpos monoclonales, requieren liofilización para su estabilidad. Ejemplos de biofármacos liofilizados incluyen medicamentos exitosos como el etanercept (Enbrel de Amgen), el infliximab (Remicade de Janssen Biotech), el rituximab y el trastuzumab (Herceptin de Genentech).

Los extractos celulares que respaldan las aplicaciones de biotecnología sin células, como los diagnósticos en el punto de atención y la biomanufactura, también se liofilizan para mejorar la estabilidad durante el almacenamiento a temperatura ambiente.

Liofilización de alimentos

El propósito principal de la liofilización dentro de la industria alimentaria es prolongar la vida útil de los alimentos manteniendo su calidad. La liofilización se conoce por producir alimentos de la más alta calidad de todas las técnicas de secado porque se mantiene la integridad estructural junto con la preservación de los sabores.

Dado que la liofilización es costosa, se utiliza principalmente con productos de alto valor. Ejemplos de productos liofilizados de alto valor son las frutas y verduras de temporada debido a su disponibilidad limitada, el café y los alimentos utilizados para raciones militares, astronautas/cosmonautas y/o excursionistas.

Liofilización industrial
Liofilización industrial

NASA y raciones militares

Debido a su ligereza por volumen de alimento reconstituido, los productos liofilizados son populares y convenientes para excursionistas, raciones militares o comidas de astronautas. Se puede transportar una mayor cantidad de alimentos secos en comparación con el mismo peso de alimentos húmedos.

En reemplazo de los alimentos húmedos, los alimentos liofilizados se pueden rehidratar fácilmente con agua si se desea, y la vida útil del producto seco es más larga que la del producto fresco/húmedo, lo que lo hace ideal para viajes largos realizados por excursionistas, personal militar o astronautas.

El desarrollo de la liofilización aumentó la variedad de comidas y snacks para incluir elementos como cóctel de camarones, pollo y verduras, budín de caramelo y puré de manzana.

Café

El café contiene cualidades de sabor y aroma que se crean debido a la reacción de Maillard durante el tostado y pueden conservarse con la liofilización. En comparación con otros métodos de secado como el secado a temperatura ambiente, el secado al aire caliente y el secado solar, los granos de café robusta que fueron liofilizados contenían mayores cantidades de aminoácidos esenciales como leucina, lisina y fenilalanina. Además, se conservaron pocos aminoácidos no esenciales que contribuyeron significativamente al sabor.

Frutas

Con la deshidratación convencional, las bayas pueden degradarse en calidad ya que su estructura es delicada y contiene altos niveles de humedad. Se encontró que las fresas tenían la mejor calidad cuando se liofilizaban; conservando color, sabor y capacidad para ser rehidratadas.

Insectos

La liofilización se utiliza ampliamente para conservar insectos con fines de consumo. Los insectos enteros liofilizados se venden como alimento exótico para mascotas, alimento para pájaros, cebo para peces y cada vez más para consumo humano. Los insectos liofilizados en polvo se utilizan como base de proteínas en alimentos para animales y, en algunos mercados, como suplemento nutricional para uso humano.

Industria tecnológica

En síntesis química, los productos a menudo se liofilizan para hacerlos más estables o más fáciles de disolver en agua para su uso posterior.

En bioseparaciones, la liofilización también se puede utilizar como un procedimiento de purificación en etapas tardías, porque puede eliminar eficazmente los disolventes. Además, es capaz de concentrar sustancias con bajos pesos moleculares que son demasiado pequeñas para ser eliminadas por una membrana de filtración. La liofilización es un proceso relativamente costoso.

El equipo es aproximadamente tres veces más caro que el equipo utilizado para otros procesos de separación, y las altas demandas de energía conllevan altos costos energéticos. Además, la liofilización también tiene un largo tiempo de proceso, porque la adición de demasiado calor al material puede causar fusión o deformaciones estructurales.

Por lo tanto, la liofilización a menudo se reserva para materiales que son sensibles al calor, como proteínas, enzimas, microorganismos y plasma sanguíneo. La baja temperatura de operación del proceso lleva a un daño mínimo de estos productos sensibles al calor.

En nanotecnología, la liofilización se utiliza para la purificación de nanotubos para evitar la agregación debido a las fuerzas capilares durante el secado por vaporización térmica regular.

Otros usos

Organizaciones como el Laboratorio de Conservación de Documentos en la Administración Nacional de Archivos y Registros de los Estados Unidos (NARA) han realizado estudios sobre la liofilización como método de recuperación de libros y documentos dañados por agua.

Si bien la recuperación es posible, la calidad de restauración depende del material de los documentos. Si un documento está hecho de una variedad de materiales que tienen diferentes propiedades de absorción, la expansión ocurrirá a una tasa no uniforme, lo que podría provocar deformaciones.

El agua también puede causar el crecimiento de moho o hacer que las tintas se desprendan. En estos casos, la liofilización puede no ser un método de restauración efectivo.

En bacteriología, la liofilización se utiliza para conservar cepas especiales.

Los procesos avanzados de cerámica a veces utilizan la liofilización para crear un polvo moldeable a partir de una neblina de lodo rociado. La liofilización crea partículas más suaves con una composición química más homogénea que el secado por pulverización caliente tradicional, pero también es más costosa.

Se ha desarrollado una nueva forma de entierro que anteriormente liofiliza el cuerpo con nitrógeno líquido, desarrollada por la empresa sueca Promessa Organic AB, que la presenta como una alternativa respetuosa con el medio ambiente a los entierros tradicionales en ataúd y cremación.

Para más información The Freeze-Drying of Foods—The Characteristic of the Process Course and the Effect of Its Parameters on the Physical Properties of Food Materials

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APA: (2024-02-28). Liofilización. Recuperado de https://quimicafacil.net/tecnicas-de-laboratorio/liofilizacion/

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