Durante el desarrollo de los procesos de liofilización, a menudo nos preguntan cómo optimizar los tiempos de ciclo y mejorar la estabilidad del producto. El enfoque habitual suele consistir en centrarse inmediatamente en ajustar los parámetros durante la fase de secado primario, concretamente la temperatura de las bandejas, la presión de la cámara y los niveles de vacío. Sin embargo, basándonos en más de una década de experiencia práctica en MATTO MACHINERY —guiados por el principio de “Calidad por Diseño”— y corroborado por una extensa investigación, hemos descubierto que los factores críticos que determinan los cuellos de botella del proceso y la uniformidad de la calidad del producto a menudo se establecen durante la etapa de pre-congelación. En consecuencia, nuestro laboratorio dedica un esfuerzo significativamente mayor a investigar los “parámetros de pre-congelación” que a cualquier otro paso del proceso. Los resultados hablan por sí mismos: hemos logrado aumentos de más de 40 °C en la temperatura de colapso y reducciones de más de 60 % en la duración total del proceso, logros impulsados principalmente por el ajuste preciso de los parámetros durante la fase de pre-congelación. Hoy, profundicemos en este paso crítico, uno que a menudo se simplifica en exceso durante el desarrollo, pero que en realidad determina el éxito de todas las etapas posteriores del proceso de liofilización.
La etapa subestimada del proceso de liofilización: ¿por qué la congelación es mucho más que simplemente “congelarlo hasta que se solidifique”?
Tradicionalmente, la liofilización se ha considerado simplemente como un proceso de dos pasos: “primero congelar, luego secar”. En consecuencia, muchos esfuerzos de desarrollo han centrado sus esfuerzos en optimizar la fase de secado, tratando la precongelación meramente como un paso previo destinado únicamente a “lograr la solidificación”. Sin embargo, esta perspectiva puede dar lugar a numerosos riesgos incontrolables en las etapas posteriores. Fundamentalmente, la liofilización constituye un proceso secuencial que comprende dos unidades igualmente críticas: la pre-congelación y el secado. Si bien las primeras investigaciones y aplicaciones tendían a priorizar la fase de secado, a menudo se pasaba por alto el profundo impacto del paso de pre-congelación. Durante la pre-congelación, la solución sufre una compleja transición de fase del estado líquido al sólido, un proceso centrado en el fenómeno de la *sobreenfriamiento*. El grado de sobreenfriamiento que experimenta la solución determina directa y fundamentalmente la morfología, el tamaño y la distribución numérica de los cristales de hielo resultantes. Además, la red porosa que dejan estos cristales de hielo sirve como conducto principal a través del cual se escapa el vapor de agua durante la fase de sublimación posterior. En consecuencia, un sobreenfriamiento no uniforme conduce a una estructura de cristales de hielo no uniforme, lo que a su vez da lugar directamente a variaciones en las velocidades de secado entre los viales individuales y a discrepancias en la apariencia del producto final. Esto representa un desafío fundamental para el desarrollo robusto, la optimización y la ampliación del proceso de liofilización.
Según nuestra experiencia en proyectos, las causas fundamentales de muchos de los problemas que surgen durante la ampliación a escala piloto y la producción comercial a largo plazo —como las fluctuaciones en los tiempos de secado, los niveles de humedad residual no uniformes y la aparición incontrolada de productos defectuosos— suelen deberse a una investigación y comprensión insuficientes de la etapa previa a la congelación. Descuidar el diseño científico y el control preciso de la fase de pre-congelación es como erigir una estructura de proceso compleja sobre cimientos inestables; sin importar cuán meticulosamente se ajusten los parámetros de secado posteriores, la estabilidad fundamental de todo el proceso permanece perpetuamente en duda.
El secreto de los cristales de hielo: ¿Cómo influye la sobreenfriamiento en la estructura del producto?
La clave para comprender la etapa previa a la congelación reside en entender el concepto de sobreenfriamiento. Se trata de un parámetro físico fundamental, cuantificable y medible, que constituye, en esencia, el “plan” de la estructura cristalina del hielo resultante. Cuando una solución se enfría en condiciones atmosféricas normales...
A pesar de ello, no se congela inmediatamente al alcanzar su punto de congelación teórico. En cambio, la solución permanece en estado líquido incluso por debajo de ese punto de congelación; este estado específico se conoce como sobreenfriamiento.
El grado de sobreenfriamiento se refiere a la diferencia de temperatura entre la temperatura real a la que la solución comienza a congelarse (la temperatura de nucleación) y su punto de congelación teórico. La magnitud de esta diferencia de temperatura sirve como punto de partida para todos los aspectos de la estructura de los cristales de hielo que se forman durante el proceso de liofilización. El grado de sobreenfriamiento está sujeto a la influencia aleatoria de numerosos factores: la presencia de partículas extrañas, el área de superficie interna del recipiente, la velocidad de enfriamiento, el volumen de la muestra, la composición de la formulación y la interfaz de contacto entre la solución y el recipiente, entre otros. Es precisamente esta aleatoriedad inherente a estos factores la que introduce incertidumbre en el proceso de nucleación, lo que conduce a variaciones en la estructura pre-congelada de los productos dentro de un mismo lote —un desafío significativo para mantener la uniformidad del proceso.En pocas palabras, tomemos como ejemplo una fresa común: en cuanto a los datos típicos de sobreenfriamiento de una fresa, el punto de congelación teórico (el punto de hielo) se encuentra generalmente entre -1 °C y -2 °C, ya que el jugo de la fruta contiene azúcares y ácidos orgánicos.
Sin embargo, la temperatura real de congelación (la temperatura de nucleación) puede variar considerablemente; en condiciones de enfriamiento lento, el líquido del interior de la fresa podría bajar hasta los -4,8 °C —o incluso menos— antes de que los cristales de hielo empiecen realmente a formarse.
Durante el proceso de liofilización, el grado de sobreenfriamiento determina directamente la morfología de los cristales de hielo, lo que, a su vez, condiciona la calidad del producto seco final y la eficiencia del proceso de secado.
Relación entre la sobreenfriamiento y la liofilización
Por lo tanto, el grado de sobreenfriamiento actúa como el “director de orquesta” del proceso de liofilización, ejerciendo su influencia en las tres dimensiones siguientes:
1. Determinación del tamaño de los cristales de hielo (El impacto del núcleo)
Alto grado de sobreenfriamiento (enfriamiento rápido): Cuando una fresa se enfría rápidamente —alcanzando una temperatura muy inferior a su punto de congelación antes de que se produzca la congelación—, se forman multitud de cristales de hielo diminutos y distribuidos uniformemente.
Resultado: Esto provoca un daño mínimo en la estructura celular y garantiza unas excelentes propiedades de rehidratación; sin embargo, los poros que quedan en el producto seco son extremadamente finos.
Bajo grado de sobreenfriamiento (enfriamiento lento): cuando la congelación comienza a una temperatura muy cercana al punto de congelación teórico, los cristales de hielo tienen tiempo suficiente para “crecer”, lo que da lugar a la formación de cristales grandes e irregulares. Resultado: los cristales de hielo perforan las paredes celulares (lo que da lugar a una textura más suave), pero los “túneles” (microporos) que dejan son relativamente grandes.
2. Efecto sobre la velocidad de secado (consideraciones de eficiencia)
Esto representa el aspecto más paradójico de la liofilización:
Los cristales de hielo grandes (formados con un bajo grado de sobreenfriamiento) son más fáciles de secar: durante la sublimación, los canales que dejan los cristales grandes actúan como “autopistas”, lo que ofrece una resistencia mínima al vapor de agua que se escapa y da lugar a una rápida velocidad de secado.
Los cristales de hielo pequeños (formados en condiciones de alta sobreenfriamiento) son más difíciles de secar: los minúsculos canales se asemejan a “senderos estrechos y sinuosos”, lo que dificulta la salida del vapor de agua; esto prolonga considerablemente el tiempo de sublimación y aumenta los costos de electricidad.
3. Determinación del aspecto y la rehidratabilidad
Sobreenfriamiento bien controlado: Al liofilizarse, las fresas conservan su estructura original (sin desmoronarse) y su color intenso. Por el contrario, si un sobreenfriamiento insuficiente provoca una precongelación incompleta, puede producirse “espumación” o “concentración” durante la etapa de vacío, lo que hace que las fresas se arruguen y se conviertan en una masa densa.
Rehidratabilidad: Si se desea que las fresas se ablanden rápidamente al añadirlas a la leche, suele ser necesario un nivel intermedio de sobreenfriamiento para lograr un equilibrio entre la porosidad y la integridad estructural.
| Grado de sobreenfriamiento | Características de los cristales de hielo | Velocidad de secado (sublimación) | Calidad del producto final |
| Alto (Enfriamiento rápido) | Pequeños y numerosos (Distribución fina) | Lento (Alta resistencia en poros minúsculos) | Excelente estructura, textura fina, buena rehidratación |
| Bajo (Enfriamiento lento) | Grandes y dispersos (Estructura gruesa) | Rápido (Los poros grandes actúan como “autopistas”) | Riesgo de desmoronamiento, textura más gruesa, posible daño celular |
De la estructura al rendimiento: ¿Cómo influye la precongelación en todo el proceso de secado?
La estructura cristalina del hielo que se forma durante la precongelación no es simplemente un “vestigio” estático, sino más bien un “andamio” dinámico que domina todo el proceso de secado. Su influencia se manifiesta principalmente a través de dos parámetros técnicos fundamentales: la resistencia de la capa de secado y la temperatura del producto.
1. Impacto decisivo en la resistencia de la capa de secado
El efecto más directo de la precongelación es la formación de cristales de hielo. Una vez que estos cristales de hielo se subliman, el espacio que ocupaban originalmente forma los poros dentro del producto liofilizado: los cristales de hielo grandes crean poros grandes, lo que ofrece una baja resistencia al flujo de vapor de agua; por el contrario, los cristales de hielo pequeños crean poros pequeños, lo que da lugar a una alta resistencia. La resistencia de la capa de secado es inversamente proporcional al tamaño de los cristales de hielo. Este principio ha sido validado repetidamente mediante el uso de microscopía de liofilización y un análisis exhaustivo de datos de lotes.
2. Regulación compleja de la temperatura del producto y la cinética de sublimación
La temperatura del producto representa el punto de equilibrio crítico entre la seguridad del proceso y la eficiencia, y se ve profundamente influida por las características estructurales establecidas durante la precongelación. El análisis realizado mediante modelos de equilibrio de transferencia de calor y masa revela lo siguiente:
En el caso de los productos que se caracterizan por tener cristales de hielo grandes y una baja resistencia, la velocidad de sublimación es rápida, lo que da lugar a una absorción significativa de calor. Si el aporte de calor (temperatura de la estantería) es insuficiente, la temperatura del producto descenderá; esto provoca una reducción de la presión de vapor en el frente de hielo, lo que a su vez disminuye la fuerza motriz de la sublimación. En tales casos, puede ser necesario aumentar la temperatura de la estantería para mantener la temperatura deseada del producto y aprovechar al máximo la ventaja que ofrece la baja resistencia.
En el caso de los productos caracterizados por cristales de hielo pequeños y una alta resistencia, el propio proceso de sublimación se convierte en la etapa limitante de la velocidad. Si el aporte de calor es excesivo, el calor que no se pueda disipar a tiempo provocará un aumento de la temperatura del producto. Si la temperatura del producto supera su temperatura eutéctica (para sistemas cristalinos) o su temperatura de colapso (para sistemas amorfos), se desencadenará la destrucción de la microestructura del producto (manifestándose como reflujo o colapso), lo que dará lugar a un aspecto inaceptable del producto o incluso a una estabilidad comprometida. En consecuencia, para proteger el producto, a menudo es necesario reducir la temperatura de la estantería, aunque a costa de prolongar la duración del secado.
En esencia, la etapa previa a la congelación define el margen de seguridad operativo y el límite superior de eficiencia para el proceso de secado posterior. Sin una comprensión profunda de las características estructurales subyacentes que se establecen durante la congelación previa, el ajuste de cualquier parámetro de secado carece de fundamento científico y no es más que un intento a ciegas.
El proceso de precongelación en tres etapas de MATTON MACHINERY: enfriamiento, nucleación y solidificación
Un proceso de precongelación controlada se puede dividir en tres etapas lógicamente interrelacionadas.
Etapa 1: Enfriamiento
La temperatura de la solución desciende desde su valor inicial hasta un punto por debajo del punto de congelación, y continúa bajando hasta que aparece el primer núcleo de hielo. Durante esta etapa, la solución se encuentra en un estado líquido sobreenfriado; el grado máximo de sobreenfriamiento alcanzado actúa como la “fuerza motriz” necesaria para la posterior transición de fase. La velocidad de enfriamiento influye directamente en la distribución del sobreenfriamiento: las velocidades de enfriamiento más lentas tienden a producir un grado de sobreenfriamiento más uniforme en toda la muestra.
Etapa 2: Nucleación y transición de fase
Desde la aparición del primer núcleo de hielo, el sistema pasa por una secuencia de nucleación primaria seguida de una rápida nucleación secundaria, un proceso exotérmico. La solución sobreenfriada absorbe el calor latente liberado durante la cristalización, lo que hace que su temperatura aumente rápidamente hasta volver al punto de congelación. Cuanto mayor es el grado de sobreenfriamiento, más calor latente de cristalización puede absorber y “disipar” la solución; en consecuencia, una mayor proporción del agua se congela instantáneamente, lo que da lugar a un mayor número de cristales de hielo y a una velocidad de crecimiento de los cristales más rápida. Esta es precisamente la razón por la que el sobreenfriamiento profundo conduce a la formación de una estructura de cristales de hielo fina y densa.
Etapa 3: Solidificación y concentración
Los cristales de hielo continúan creciendo mientras que la concentración de la solución no congelada aumenta de manera constante, un proceso conocido como concentración por congelación. En el caso de las formulaciones cristalinas, el soluto alcanza finalmente la saturación y cristaliza, formando una mezcla eutéctica; el sistema alcanza la solidificación completa una vez que su temperatura desciende por debajo de la temperatura eutéctica. En el caso de las formulaciones amorfas, el soluto no cristaliza; en su lugar, la viscosidad de la solución aumenta bruscamente hasta que pasa a un estado sólido vítreo. En este caso, el sistema completa su proceso de solidificación una vez que su temperatura desciende por debajo de la temperatura de transición vítrea (Tg’) de la solución con la máxima concentración por congelación.
Muchas fábricas de alimentos y fabricantes de liofilizadores utilizan la temperatura del punto eutéctico como temperatura de congelación para sus procesos de liofilización; por lo tanto, se equivocan desde el primer paso.
Control activo: tecnología de vanguardia para lograr una precongelación óptima
Dado que la naturaleza estocástica de la sobreenfriamiento es la raíz del problema, el control activo de la nucleación del hielo se convierte en la clave para lograr la consistencia del proceso. En la actualidad, existen diversas técnicas que tienen como objetivo inducir una nucleación uniforme a una temperatura más alta y preestablecida mediante intervención externa, lo que da como resultado una estructura ideal de cristales de hielo caracterizada por cristales grandes y uniformes.
1. Recocido
Según un informe de Searles, el recocido de la sacarosa amorfa o del hidroxietilalmidón puede dar lugar a un aumento de 3,5 veces en la velocidad de secado primario. El reto radica en la necesidad de optimizar con precisión la temperatura y la duración del recocido, un proceso que además alarga la duración total del ciclo. Determinar la temperatura y la duración exactas del recocido conlleva costos significativos tanto en términos de recursos humanos como de equipo.
2. Niebla helada
Tecnología: Cuando el producto se enfría hasta la temperatura de nucleación deseada, se inyecta en la cámara de liofilización una “niebla de hielo” —generada a partir de nitrógeno criogénico y vapor de agua— que actúa como núcleos de nucleación. Los estudios de Rambhatla et al. indican que el uso de esta técnica para elevar la temperatura de nucleación de -11 °C a -1 °C puede reducir el tiempo de secado primario en casi un 30 %³. Los informes sobre aplicaciones a escala industrial (como la tecnología VERSECQ®) demuestran que este método mejora eficazmente la uniformidad entre viales y reduce el tiempo de secado primario en aproximadamente un 19 %³.
3. Congelación superficial inducida por vacío
Al reducir rápidamente la presión de la cámara, se induce un enfriamiento por evaporación en la superficie de la solución; esto provoca la congelación de la capa superficial, lo que a su vez inicia la nucleación en todo el volumen. Kramer et al. informaron que este método facilita la formación de cristales de hielo grandes, “parecidos a chimeneas”, acortando el tiempo de secado primario en aproximadamente un 20%. Sin embargo, esta técnica opera dentro de un estrecho margen de proceso e impone requisitos estrictos para el control preciso de la temperatura de la bandeja y los niveles de vacío; los parámetros específicos deben determinarse empíricamente para cada producto distinto. Esta es la tecnología que emplea actualmente TELSTAR China.
4. Congelación por desplazamiento a alta presión
Según un informe de Konstantinidis et al., este método puede reducir el tiempo de secado primario de una solución de manitol al 5 % en 40 %. La investigación de Bursac et al. demostró que, en el caso de una solución de sacarosa al 5 %, el tiempo de secado primario se redujo en un 27 %, lo que vino acompañado de una mejora significativa en la uniformidad de la torta seca.
5. Congelación asistida por ultrasonido
A la temperatura deseada, se aplican ondas ultrasónicas a la muestra; el efecto de cavitación resultante se utiliza para desencadenar la nucleación. Estudios realizados por Nakagawa et al. han demostrado que al elevar la temperatura de nucleación de -8 °C a -2 °C, la morfología de los cristales de hielo pasa de ser fina y desordenada a ser grande y dendrítica, lo que reduce el tiempo de secado primario hasta en un 60%.
La elección de la técnica depende de las características de la formulación del producto (en concreto, su sensibilidad a las tensiones mecánicas y a la temperatura), de los objetivos del proceso (si prima la uniformidad o la eficiencia), así como de las capacidades del equipo existente y de los costos de modificación. No existe una técnica única que sea universalmente aplicable; más bien, una selección científicamente sólida se basa en una comprensión profunda tanto de los mecanismos subyacentes como de los requisitos específicos del producto. No obstante, el principio fundamental sigue siendo el mismo: transformar la etapa previa a la congelación de un evento estocástico e incontrolable en un paso del proceso científicamente definido, monitoreable y reproducible.
La filosofía de MATTON: integrar la ciencia en todo el desarrollo del proceso de liofilización
En MATTON, apostamos por un enfoque científico de la liofilización, garantizando que cada dato esté respaldado por pruebas. Rechazamos la experimentación basada en una intuición empírica imprecisa y defendemos, en cambio, una vía de desarrollo impulsada por los datos y la comprensión de los mecanismos.
Cuando abordamos un nuevo producto liofilizado, nuestro proceso de desarrollo comienza con un análisis sistemático. Al diseñar el perfil del ciclo de liofilización para nuestros clientes, seguimos los siguientes pasos:
Paso 1: Caracterización de las temperaturas críticas y comprensión de la formulación
Comenzamos utilizando un conjunto completo de herramientas —como la calorimetría diferencial de barrido (DSC) y la microscopía de liofilización (FDM)— para determinar con precisión la temperatura eutéctica (T_eu), la temperatura de transición vítrea (T_g’) y la temperatura de colapso (T_C) de la formulación. Este proceso implica algo más que la mera obtención de unos pocos valores de temperatura; su objetivo es responder a preguntas fundamentales: ¿Esta formulación forma cristales o un vidrio amorfo durante la fase de concentración por congelación? ¿Cuál es su temperatura máxima de secado permitida? ¿Qué excipientes son propensos a la cristalización y en qué etapa ocurre esto?
Paso 2: Estudio del comportamiento previo a la congelación y la correlación de variables
Investigamos sistemáticamente cómo los diferentes protocolos de enfriamiento influyen en la distribución real de las temperaturas de nucleación del hielo. Por ejemplo, no nos limitamos a registrar la temperatura de nucleación “promedio”, sino que nos centramos en su rango de distribución, ya que la amplitud de esta distribución refleja directamente la variabilidad inherente al proceso. Cuantificamos el grado de sobreenfriamiento y lo correlacionamos con la morfología posterior de los cristales de hielo (evaluada mediante el análisis estructural de la torta liofilizada). Las variables operativas clave que monitoreamos incluyen: la velocidad de enfriamiento, la temperatura de la plataforma en el momento de la carga y la interfaz de contacto entre la muestra y su recipiente, factores que impactan directamente el grado de sobreenfriamiento.
Paso 3: Diseño y optimización de procesos mecánicos
Mediante el diseño de experimentos comparativos, analizamos cómo las diferentes estrategias de precongelación —como la refrigeración convencional en estantes frente a la aplicación de técnicas de nucleación controlada— influyen en el parámetro crítico de la resistencia de la capa de secado (R_p). Evaluamos el producto utilizando métodos como la prueba de aumento de presión, al tiempo que registramos la duración del secado primario y el perfil de temperatura del producto. Nuestro objetivo, a través de este proceso colaborativo de desarrollo de productos, es dotar a los equipos de nuestros clientes de un proceso de liofilización robusto, eficiente y confiable.
Tender un puente de confianza entre máquinas y procesos
El desarrollo de un proceso de liofilización es una tarea sistemática y a largo plazo.
Los fabricantes necesitan una verdadera experiencia profesional, un profundo conocimiento de los principios físicos y la capacidad de utilizar herramientas especializadas para controlar con precisión el rendimiento del proceso. La etapa previa a la congelación constituye el eslabón inicial —y, de hecho, decisivo— de esta cadena sistemática. El control científico de este paso sirve como punto de partida fundamental para lograr un proceso robusto, eficiente y consistente. MATTON MACHINERY se dedica a transformar el desarrollo del proceso de liofilización de un “arte” que depende de la experiencia en una “disciplina de ingeniería” basada en la ciencia y los datos. Si actualmente enfrenta desafíos relacionados con la uniformidad del proceso, cuellos de botella en la eficiencia o complejidades de ampliación de escala, y si se identifica con los valores fundamentales de MATTON, esperamos poder colaborar con usted.
