Proceso de liofilización: Ventajas y aplicaciones

La liofilización es una técnica especializada utilizada para la preservación y conservación de alimentos. Esta técnica está basada en el desecado de los materiales a conservar mediante la sublimación del agua que contienen, para ello, se utilizan técnicas criogénicas.


La liofilización es muy importante en la industria de alimentos
La liofilización es muy importante en la industria de alimentos. Imagen de labrotovap

El proceso de liofilización es sumamente importante en la industria de los alimentos y en la industria farmacéutica. En este artículo describiremos el proceso de liofilización y sus etapas, así como, sus ventajas, desventajas y aplicaciones.

Tabla de contenidos
  1. Definición de liofilización
    1. Principales beneficios de la liofilización
    2. Ventajas y desventajas de la liofilización
    3. Fundamentos de termodinámica en la liofilización
  2. Descripción del proceso de liofilización
    1. Preparación del material
    2. Congelamiento del material
    3. Desecación primaria
    4. Desecación secundaria
  3. Aplicaciones de la liofilización


Definición de liofilización

Liofilizador industrial
Liofilizador industrial. Imagen de alliedrentalco

La definición más simple de liofilización es la siguiente:


Se trata de un proceso que tiene como objetivo separar el líquido (agua u otro disolvente) de un material orgánico o de una disolución, mediante congelación, y a continuación, realizar una sublimación del hielo a presión reducida, creando un producto deshidratado sin alterar su composición cualitativa ni cuantitativa. Este proceso también es conocido como deshidratación por congelación o criodesecación.

La liofilización se logra congelando el material y luego reduciendo la presión circundante, de esta manera, se puede lograr que el hielo sublime, pasando directamente de estado sólido a gaseoso. Para lograr mayor efectividad en dicho proceso, se realizan ciclos de congelación/sublimación, con lo cual, se logra eliminar la totalidad del líquido (agua o disolvente) del producto original, preservando la estructura molecular de la sustancia a conservar.


Principales beneficios de la liofilización

La liofilización tiene una serie de beneficios al utilizarse como técnica de preservación de materiales, tanto orgánicos como inorgánicos. Entre estos beneficios, podemos destacar:
  • Mantiene por el mayor tiempo posible, los sabores, aromas y nutrientes del material (ideal para preservar alimentos).
  • El proceso de re-hidratación es instantáneo.
  • Disminuye el peso del material, lo que facilita su transporte y almacenamiento.
  • El período de conservación del material es muy largo, debido a la ausencia de agua o disolventes.




Ventajas y desventajas de la liofilización

Como toda técnica de conservación, la liofilización cuenta con una serie de ventajas y desventajas que veremos a continuación:

Entre las principales ventajas, tenemos:
  1. Facilita el almacenamiento, transporte y conservación de productos.
  2. Permite recuperar las propiedades del material conservado con sólo re-hidratarlo.
  3. Previene daños térmicos al material a preservar, ya que no se utilizan altas temperaturas.
  4. Disminución de aditivos o conservantes.
  5. Mantiene la estabilidad química del producto.
  6. Preserva el valor nutricional de los alimentos.
  7. Inhibe el crecimiento de microorganismos.
  8. Inhibe el deterioro por reacción química.

Entre las principales desventajas, tenemos:
  1. Prolongado tiempo de procesamiento del material.
  2. En algunos casos, alto consumo de energía.
  3. Inversión inicial alta. 


Fundamentos de termodinámica en la liofilización


Diagrama de fase del agua y su punto triple
Diagrama de fase del agua y su punto triple. Imagen de semanticscholar

Las sustancias puras pueden existir en tres fases: sólida, líquida o gaseosa, y cambiar de estado por medio de un proceso en donde se adiciona o se libera energía calórica a una temperatura constante, dependiendo hacia dónde se direccione el cambio de estado.

Si el cambio de fase va de sólido a gaseoso (sublimación) se debe tener en cuenta que las condiciones de presión y temperatura deben ser menores a las del punto triple (punto donde conviven simultáneamente las tres fases). De esta manera, se asegura la ausencia de la fase líquida. Por ejemplo, en el caso del agua al mantener la presión por debajo a los 4.58 torr, la tendremos en fase sólida. Asimismo, si calentamos el agua a una presión menor a la presión de vapor que corresponde a la temperatura de la superficie del hielo, éste sublimará directamente.

Cuando se tienen materiales biológicos, tenemos una temperatura de fusión menor a la del agua debido a las moléculas disueltas en el agua. En este caso, se debe enfriar y luego congelar el material en varias etapas. De esta manera, se induce un sub-enfriamiento que origina núcleos de cristalización. Luego, se eleva la temperatura hasta la temperatura de equilibrio que corresponda a su curva de enfriamiento, desprendiéndose (posteriormente) cristales de hielo puro. Los materiales orgánicos al contener polímeros naturales, como proteínas o azúcares, no cristalizan directamente, sino que su viscosidad va aumentando a medida que disminuye la temperatura hasta llegar al punto de congelamiento, cuando el sistema alcanza la temperatura de transición vítrea. Luego, sublima al elevar la temperatura, siempre manteniéndola por debajo de la temperatura de transición vítrea.




Descripción del proceso de liofilización

Como todo proceso industrial, la liofilización cuenta con una serie de etapas para lograr el objetivo principal que es la conservación del material (en este caso específico, alimentos). Dichas etapas son: preparación del material, congelamiento del material, desecación primaria y desecación secundaria. A continuación, describiremos cada una de estas etapas:


Preparación del material

Definitivamente, una de las etapas fundamentales del proceso, ya que nos permite preparar el material a preservar, tomando en cuenta que luego de finalizado el proceso, éstos no se pueden manipular hasta su re-hidratación o uso final. En el caso de algunos alimentos, suelen agujerearse en la superficie para de esta manera elevar su permeabilidad, previa limpieza.

Cuando se trabaja con disoluciones (líquidos) suelen conservarse a una temperatura baja, previo al proceso, para facilitar la liofilización. En algunos casos, se realiza un calentamiento previo del material para tratar de evaporar la mayor cantidad posible de agua o líquido que éste pueda contener.


Congelamiento del material

Esta etapa se lleva a cabo en equipos de congelación potentes y también suele utilizarse un liofilizador compuesto que congela y sublima el material, siendo común para ambos equipos, el llevar el material a temperaturas que van desde los -20 hasta los -40 grados Celsius. En esta etapa es importante mantener controlada la temperatura a la cual ocurre la máxima solidificación, la velocidad óptima de enfriamiento y la temperatura mínima de fusión incipiente. De esta manera, se garantiza que el congelado tenga una estructura completamente sólida, minimizando la presencia de líquido concentrado y facilitando la sublimación.

La velocidad de congelación del material a preservar dependerá de la estructura sólida obtenida al final del proceso. En el caso de alimentos, podemos describir la velocidad de congelación en la siguiente tabla:
 
Congelación rápida
Congelación lenta
La temperatura de congelación se alcanza en aproximadamente 30 min.
La temperatura de congelación se alcanza entre 3 y 72 h.
Se crean cristales de hielo pequeños.
Se crean grandes cristales de hielo. Estos crean ruptura de la pared celular y la estructura interna del alimento.
Se conserva la textura y sabor original al re-hidratar el producto.
Presenta textura y sabor algo diferente al original una vez re-hidratado, con una apariencia oscura del producto.
Se aplica en alimentos sólidos, evitando rupturas de la pared celular y estructuras internas.
Se aplica en líquidos, ya que los cristales grandes favorecen la presencia de canales para el movimiento de vapor de agua.



Desecación primaria

En esta etapa se lleva a cabo la sublimación del solvente congelado (por lo general, agua). Para lograrlo, se coloca el material congelado en la cámara del liofilizador. Seguidamente, se cierra la cámara y se crea un vacío en su interior utilizando una bomba. Una vez creado el vacío, se procede a suministrar calor a la cámara hasta obtener el valor ideal para sublimación (550 Kcal/Kg si se trata de agua), cuidando no elevar la temperatura.

Por lo general, este proceso se hace mediante radiación, conducción o aplicación de microondas, dependiendo del tipo de equipo que tengamos a disposición para realizar la sublimación. Los niveles de vacío y calentamiento, también variarán dependiendo del material a tratar. Para lograr una liofilización eficiente y rápida, es necesario controlar en todo momento la temperatura del proceso, mantenerla constante y regular la presión total y parcial del sistema.


Desecación secundaria

Una vez finalizado el proceso de sublimación, se realiza un desecado secundario para eliminar cualquier remanente de líquido. Este desecado se hace mediante desorción, evaporando el agua no congelable que se encuentra en el material desecado anteriormente. De esta manera, se pueden obtener resultados de humedad final del producto cercanas e incluso inferiores al 2%. En esta etapa se realiza el máximo vacío posible, disminuyendo la presión a su mínima expresión.


Aplicaciones de la liofilización

La liofilización también es importante en la industria farmacéutica
La liofilización tiene gran importancia en la industria farmacéutica. Imagen de toughtco

Entre las principales aplicaciones de la liofilización, tenemos las siguientes:
  • Conservación de diferentes tipos de alimentos, como vegetales, frutas, lácteos, comidas preparadas, carnes, productos del mar, café, té y otros extractos.
  • Conservación de materiales no vivientes, como plasma sanguíneo, suero, soluciones de hormonas y productos farmacéuticos.
  • En trasplantes quirúrgicos de especies delicadas, como arterias, piel y huesos.
  • Conservación de células vivas (no de mamíferos), como bacterias, virus y levaduras.

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