Liofilizzazione
Durante il processo di liofilizzazione (detto anche essiccazione mediante congelamento), l'acqua contenuta in un prodotto precedentemente congelato passa direttamente dallo stato solido a quello gassoso (sublimazione) senza passare dallo stato liquido. A tal fine, il prodotto viene prima congelato, quindi conservato in una camera di essiccazione a pressione fortemente ridotta, mentre un condensatore separa il vapore acqueo prodotto sotto forma di ghiaccio. La temperatura del prodotto deve rimanere inferiore alla temperatura critica del prodotto stesso per evitare il collasso della struttura (punto eutettico o punto di rottura).
Il processo è descritto in tre fasi:
- Fase di congelamento: il prodotto viene raffreddato a una temperatura inferiore al suo punto di congelamento su una superficie a temperatura regolabile, in modo che l'acqua in esso contenuta cristallizzi.
- Essiccazione primaria: sottovuoto e a temperatura moderata, il ghiaccio sublima, consentendo di eliminare la maggior parte dell'acqua, che si deposita poi sul condensatore a ghiaccio.
- Essiccazione secondaria: l'umidità residua rimanente, più fortemente legata, viene eliminata mediante desorbimento a una pressione ancora più bassa e a temperature più elevate, fino al raggiungimento dell'umidità finale desiderata.
Un punto centrale è il consumo energetico necessario per la sublimazione del ghiaccio. A titolo indicativo:
Q = m_w * Δh_sub
- Q: quantità di calore necessaria per la sublimazione
- m_w: massa d'acqua da eliminare
- Δh_sub: entalpia specifica di sublimazione dell'acqua
Il tasso di sublimazione dipende essenzialmente dalla differenza tra la pressione del vapore acqueo sopra il prodotto e quella sopra il condensatore:
dm_w/dt ∝ (p_v,Produkt − p_v,Kondensator)
- dm_w/dt: portata massica dell'acqua sublimata
- p_v, prodotto: pressione del vapore acqueo sulla superficie del prodotto
- p_v, condensatore: pressione del vapore acqueo nel condensatore
La liofilizzazione viene utilizzata principalmente per prodotti termicamente sensibili o strutturalmente delicati, ad esempio principi attivi farmaceutici, vaccini, enzimi, colture, alimenti istantanei, caffè o frutta di alta qualità, poiché questo processo preserva in larga misura la forma e la struttura porosa dei prodotti essiccati. La matrice porosa risultante consente una rapida riumidificazione e ricostituzione.