L'intero processo di liofilizzazione è essenzialmente un processo simultaneo di trasferimento di calore e di massa (vapore acqueo). Le velocità di trasferimento di calore e di massa influenzano congiuntamente la velocità di essiccazione, influenzando quindi l'intero ciclo di liofilizzazione. Tutti i fattori che influenzano il trasferimento di calore e di massa influiscono sulla velocità di essiccazione. In sintesi, i principali fattori che influenzano il trasferimento di calore e di massa nei liofilizzatori sono:
1. Forma e composizione del materiale: I materiali liofilizzati sono generalmente classificati come solidi o liquidi. La forma dei solidi e la concentrazione dei liquidi hanno un impatto significativo sulla velocità di liofilizzazione. 2. Velocità di pre-congelamento: La dimensione dei cristalli che si formano durante il congelamento influisce significativamente sulla velocità di essiccazione e sulla velocità di dissoluzione del prodotto essiccato. I processi di congelamento rapido e lento nei liofilizzatori differiscono nei seguenti modi: il congelamento rapido produce cristalli di ghiaccio più piccoli, mentre il congelamento lento ne produce di più grandi. I cristalli di ghiaccio più grandi favoriscono la sublimazione, mentre quelli più piccoli la ostacolano. Il congelamento rapido si traduce in una bassa velocità di sublimazione e una velocità di desorbimento elevata; il congelamento lento si traduce in una velocità di sublimazione elevata e una velocità di desorbimento lenta.
3. Quantità di carico: Durante la liofilizzazione, il materiale, dopo essere stato distribuito nei contenitori, presenta un certo rapporto tra superficie e spessore. Pertanto, la liofilizzazione è correlata alla quantità di carico. Una superficie e uno spessore minori favoriscono la sublimazione dell'acqua, semplificando la liofilizzazione e garantendo una qualità ottimale. Durante l'essiccazione, il peso umido caricato per unità di superficie del vassoio è un fattore cruciale che determina il tempo di essiccazione. In generale, più sottile è lo strato di materiale, più rapido è il trasferimento di calore e massa e minore è il tempo di essiccazione. Tuttavia, uno strato di materiale più sottile significa che viene essiccato meno materiale per lotto e per unità di superficie di liofilizzazione, il che è dannoso per l'aumento della resa per unità di superficie di liofilizzazione e per unità di tempo.
4. Pressione nella camera di essiccazione: La pressione all'interno della camera di essiccazione influenza le velocità di trasferimento di calore e di massa. Per il trasferimento di massa, una pressione inferiore è preferibile, mentre per il trasferimento di calore, una pressione superiore è preferibile. La velocità di trasferimento di massa di un liofilizzatore è determinata principalmente dalla temperatura e dalla pressione all'interfaccia di sublimazione e sulla superficie dello strato di essiccazione. Per aumentare la velocità di fuoriuscita del vapore acqueo dallo strato di essiccazione, un approccio consiste nell'aumentare la temperatura dell'interfaccia di sublimazione, aumentando così la pressione del vapore acqueo interfacciale; un altro consiste nell'aumentare il livello di vuoto nella camera di essiccazione, riducendo in tal modo la pressione del vapore sulla superficie dello strato di essiccazione.
5. Metodo di trasferimento del calore: I liofilizzatori possono essere tradizionalmente classificati in: conduzione, convezione, irraggiamento termico e riscaldamento a mezzo (riscaldamento a microonde). Poiché il processo di liofilizzazione in un liofilizzatore implica il trasferimento di calore e massa (vapore acqueo), il metodo di trasferimento del calore utilizzato per trasferire efficacemente il calore al materiale ha un impatto significativo sulla velocità di liofilizzazione.
