La liofilización se desarrolló para superar las pérdidas de los compuestos responsables de los aromas en alimentos, los cuales se perdían en las operaciones convencionales de secado. El proceso de liofilización consiste esencialmente en dos etapas: 1) el producto se congela y 2) el producto se seca por sublimación directa del hielo bajo una presión reducida. Este tipo de secado se introdujo inicialmente a gran escala en la década de 1940 para la producción de plasma seco y productos de sangre. Después, antibióticos y materiales biológicos se prepararon a escala industrial por liofilización. En la Figura se muestra un esquema básico de un sistema de liofilización.
Sistema Básico de Liofilización
El liofilizador más simple podría estar constituido por una cámara de vacío en la cual se coloca el material frío. y un sistema para eliminar el vapor de agua. a medida que se produce la congelación por enfriamiento evaporativo y así mantener la presión de vapor de agua por debajo de la presión del punto triple. La temperatura del material puede continuar disminuyendo por debajo del punto de congelación y la sublimación podría retrasarse hasta que la ganancia de calor por conducción o radiación sea igual a la proporción de calor perdido a medida que se subliman más moléculas energéticas y se eliminan. Sin una aplicación de calor el proceso podría eventualmente detenerse. Por lo
tanto el liofilizador deberá incluir, además de un equipo para producir vacío, un sistema de calentamiento del producto y un condensador frigorífico para convertir en hielo el vapor producido.
A las presiones a las que se trabaja en la liofilización el vapor de agua tiene un volumen específico muy elevado: a estas presiones y a -25°C el volumen específico del vapor de agua es de 2.000 m3.kg-. Las bombas de vacío no pueden vehicular estos volúmenes en los tiempos que debe durar el proceso. por lo que es indispensable montar una trampa de hielo para eliminar el vapor antes de que llegue a la bomba de vacío. Esto se consigue montando un evaporador frigorífico de forma que el vapor se convierta en hielo al ponerse en contacto con su superficie fría.
Normalmente, para la producción de vacío se utilizan dos bombas, una capaz de evacuar un caudal elevado (bomba de lóbulos), que no llegará a conseguir el vacío previsto, para ello se utiliza una bomba adicional de menor caudal (bomba rotativa), pero de mayor capacidad de vacío. La duración de la puesta en vacío viene a ser de unos 10-15 minutos.
También se puede producir el vacío con un eyector de vapor, en este caso no sera necesaria la utilización de la trampa de hielo.
El calor que proporciona la energía para la sublimación puede ser transportado, como se ha dicho, por conducción o radiación. La necesidad de evitar la fusión significa que el gradiente térmico debe ser pequeño. Cuando el calentamiento se realiza por conducción, el producto se coloca entre dos placas. Por el interior de las cuales circula un fluido caliente, o se dispone en su interior unas resistencias eléctricas para su calentamiento. El calentamiento por radiación puede realizarse por infrarrojos. En el caso de que el calentamiento de las placas se realice por medio de un fluido caliente, puede montarse un circuito alternativo, para utilizar estas mismas placas como congelador en la segunda fase del tratamiento, haciendo circular por ellas un fluido a la temperatura adecuada. Para producciones de pequeña y mediana escala se utilizan liofilizadores discontinuos, mientras que para producciones mayores se trabaja en continuo.
Los liofilizadores discontinuos generalmente constan de una cámara cilíndrica horizontal, en el interior de cada cámara se instalan una serie de estantes sobre los cuales se colocan las bandejas con el producto, los estantes proporcionan la energía calorífica por conducción. Si embargo, es más frecuente que las bandejas de producto se monten sobre una "conducción" movible, que puede ser empujada al interior de la
cámara, de forma que quedan entre placas horizontales de calentamiento, que proporcionan la energía por radiación y convección.
Para las operaciones continuas las bandejas de producto se introducen por una pequeña cámara auxiliar de entrada que debe ser aislada de la cámara principal y aireada separadamente para proceder a la inserción de las bandejas. A través de la válvula de aislamiento el producto entra en la cámara principal. Después del secado las bandejas se extraen por el procedimiento inverso.
Para plantas pequeñas el desescarche del condensador de hielo se lleva a cabo después de la aireación y descarga. El condensado fluye con el agua pre-calentada. El hielo se funde completamente después de aproximadamente 10 minutos y se drena el agua. El flujo de agua es ideal para pequeños sistemas. Suponiendo costes mínimos de inversión y un deshielo simple.
Condensador de hielo para un liofilizador discontinuo.
La operación continua requiere que el equipo no se detenga para el desescarche cuando el condensador de hielo esté lleno. En este caso se instalan dos o más condensadores de hielo en compartimentos separados de forma que uno pueda ser aislado y desescarchado mientras que el otro continua condensando vapor de agua.