Utilizzata nel settore alimentare e farmaceutico, la liofilizzazione (o crioessiccamento) viene adottata anche nel trattamento dei manufatti, come i libri antichi, per i quali vale la pena investire per riportarli, dopo - come nel caso della Romagna - una alluvione, ad uno stato accettabile di conservazione.

 La liofilizzazione, in inglese freeze-drying, è un processo nel quale il solvente (tipicamente acqua) viene prima congelato e, successivamente, allontanato per sublimazione mediante l’applicazione di un certo grado di vuoto. 

Il libro da recuperare viene congelato alla pressione atmosferica. Quindi, in una fase di essiccazione iniziale — definita essiccazione primaria —, l'acqua (sotto forma di ghiaccio) viene rimossa mediante sublimazione; in una seconda fase — l'essiccazione secondaria —, l'acqua viene rimossa mediante desorbimento. La liofilizzazione viene effettuata sottovuoto. 

Il congelamento prevede la riduzione della temperatura al fine di indurre la cristallizzazione del solvente. L’essiccamento primario prevede la riduzione della pressione al di sotto del punto triplo e l’applicazione di calore al fine di indurre la sublimazione dell’acqua precedentemente cristallizzata. L’ultima fase, l’essiccamento secondario, serve ad allontanare per desorbimento l’umidità residua rimasta all’interno del prodotto, dovuta ad una piccola percentuale di solvente non cristallizzata. 

Vediamo le varie fasi ed interessiamoci a quella piu' significativa per il nostro settore: il congelamento.

Il congelamento

Quando viene raffreddato un prodotto acquoso, come il libro alluvionato, si formano nuclei cristallini. Il congelamento dell'acqua si verifica attorno ai siti di enucleazione, con la conseguente formazione di cristalli di dimensioni forme differenti. La velocità di congelamento, la composizione del prodotto di base, il contenuto d'acqua, la viscosità del liquido e la presenza di sostanze non cristallizzanti sono tutti fattori decisivi che determinano la forma e la dimensione dei cristalli e influenzano il processo di sublimazione successivo.

Durante il congelamento viene definita la morfologia e perciò la qualità del lavoro finito. In base al protocollo di congelamento, inoltre, possono cambiare le caratteristiche degli altri stadi del processo, come per esempio le tempistiche dell’essiccamento primario. Velocità di raffreddamento elevate portano ad avere cristalli di ghiaccio più piccoli e numerosi. Questi cristalli, una volta sublimati durante l’essiccamento primario, generano pori di dimensioni analoghe. Questi ultimi genereranno quindi una elevata resistenza allo scambio di materia date le loro dimensioni ridotte, ed il prodotto risulterà più difficile da essiccare. Al contrario, basse velocità di raffreddamento si traducono in cristalli di dimensione maggiore e, di conseguenza, in una dimensione maggiore dei pori che rende più agevole la fuoriuscita del vapor d’acqua dal prodotto. 

E' chiaro che, nel caso dei libri, per evitare infragilimento e distorsione dimensionale nella lettura dei testi, e' preferibile disporre di un congelamento estremamente rapido.

Il punto di congelamento dell'acqua pura è 0°C. Ogni altra sostanza disciolta nell'acqua abbassa il punto di congelamento. Quando sono presenti sali inorganici, il punto di congelamento può essere notevolmente più basso. Se si congela una soluzione debole, inizialmente si verificherà la separazione del ghiaccio puro con un aumento della concentrazione della sostanza disciolta nella soluzione residua (e un'ulteriore riduzione del punto di congelamento). L'effetto di questa concentrazione del prodotto varia da caso a caso e deve essere tenuta in considerazione nella scelta della tecnica di congelamento più appropriata. Solamente quando tutte le sostanze solidificano il prodotto può considerarsi congelato, e ciò avviene ad una temperatura chiamata “temperatura eutettica”. È molto importante raffreddare al di sotto di questa temperatura prima di iniziare l’essiccamento: piccole quantità di materiale non congelato potrebbero compromettere la stabilità dell’intero prodotto. 

Prima dell'essiccazione per sublimazione, è quindi necessario determinare la tecnica di congelamento più adatta e verificarne i parametri, in particolare le tempistiche , che, come abbiamo capito, sono un fattore fondamentale da considerare: un libro bagnato è esposto ai danni dell'acqua che determina processi degradativi di tipo chimico, una fragilità dal punto di vista meccanico, ma soprattutto è essenziale per lo sviluppo dei microrganismi. La rapidità nella reazione dunque è importante, specie se si considera che l'acqua che ha imbevuto i materiali, associata a un clima con temperature che tendono a salire può causare uno sviluppo di agenti microbiologici in tempi molto veloci. 

Nel caso di Forli', non c'erano le condizioni per poter procedere in loco all'asciugatura, pertanto il fango e tutto ciò che si è depositato durante l'alluvione sono stati lavati sommariamente dai materiali, con acqua corrente. I libri sono poi stati imbustati singolarmente in materiale plastico, e messi in appositi contenitori per essere trasportati in luoghi dove possono essere congelati, ancora bagnati. 

Il congelamento, per l'entità del danno, è la tecnica più efficace poiché consente il passaggio dell’acqua dalla fase liquida alla fase solida (ghiaccio); in questa fase si arrestano i processi di degradazione biologica, e dunque si evita il formarsi di focolai di muffa o di funghi a carico dei materiali.

Alcune aziende alimentari (ad esempio Orogel e Bofrost) hanno messo a disposizione celle frigorifere, dove la temperatura all’interno dei libri raggiunge velocemente livelli dell’ordine di -20/25 gradi centigradi. Questa modalità di abbattimento della temperatura, rapida, dà origine a cristalli molto piccoli, limitando in questo modo il rischio che il ghiaccio che origina dall’acqua liquida aumenti di volume e danneggi le strutture del materiale librario. 

Il congelamento permette di guadagnare tempo e di superare l’emergenza. Durante l’alluvione di Firenze questo metodo ancora non esisteva e molto materiale è stato severamente compromesso, altro ha richiesto di essere disinfettato.

Questa procedura è nata da elaborazioni successive e offre la possibilità di riflettere a mente fredda sulle scelte che riguardano principalmente i modi, i luoghi e i tempi del restauro.

Il congelamento, oltre a evitare il danno microbiologico, limita anche i problemi che possono derivare dal rigonfiamento del materiale librario causato dalla presenza di acqua al suo interno; blocca la solubilizzazione degli inchiostri nei manoscritti; infine evita il compattamento delle carte, che in presenza di fango risulterebbe alquanto problematico.

La reazione del prodotto al congelamento e' stata indagata, e sono utilizzati due metodi di congelamento differenti: il congelamento per contatto con una superficie raffreddata o il congelamento a rotazione/dinamico in un bagno refrigerante.

Il primo metodo è una tecnica di congelamento statica in cui un liofilizzatore versatile deve essere in grado di regolare il tasso di congelamento in base al prodotto specifico e di controllare la velocità di congelamento. Nel settore farmaceutico, in molti casi, una temperatura finale di -50°C è sufficiente a soddisfare la maggior parte dei requisiti. Il secondo metodo è utilizzato quando è necessario congelare ed essiccare in boccette o bottiglie di grandi dimensioni quantità maggiori di un prodotto liquido. La tecnica di congelamento appropriata fornisce inoltre un prodotto congelato adatto a essere sottoposto a sublimazione, ovvero un prodotto uniforme e quanto più sottile possibile per ottenere tempi di essiccazione contenuti.

In Italia vi sono pochissimi impianti dedicati, ma possiamo dire che un tipico impianto di liofilizzazione è composto dalle seguenti componenti: 

• una camera mantenuta ad una temperatura controllata contenente dei ripiani inter-refrigerati sui quali vengono riposti i prodotti; 
• un condensatore nel quale viene fato condensare il vapore acqueo sublimato; 
• un gruppo frigorifero per la refrigerazione dei ripiani; 
• un gruppo di riscaldamento delle piastre; 
• una pompa a vuoto. 

La camera del liofilizzatore deve essere in grado di sopportare le basse pressioni che si registrano durante la fase di essiccamento primario e secondario, che posso arrivare anche a poche decine di microbar. 

Nel diagramma di stato dell'acqua possiamo seguire il processo, dove prima si esegue il congelamento secondo la trasformazione a pressione atmosferica (retta orizzontale), passando dalla fase liquida alla fase solida, poi secondo la trasformazione a temperatura costante (retta verticale), si riduce la pressione fino a vapori di pochi millimetri di Hg, ottenendo così la sublimazione del prodotto, cioè il passaggio dell'acqua dallo stato solido allo stato di vapore. 

Essiccazione primaria

Dopo aver completato la fase di congelamento, la pressione all’interno del liofilizzatore viene ridotta attraverso l’utilizzo di una pompa a vuoto allo scopo di promuovere la sublimazione del ghiaccio formatosi nella fase precedente. La pressione della camera deve essere inferiore al valore di tensione di vapore del ghiaccio in modo tale da permettere la sublimazione e favorire il trasporto del vapore generato fino al condensatore dove, a contatto con le pareti ad una temperatura molto inferiore, si depositerà nuovamente sotto forma di ghiaccio. Tipicamente la pressione in camera durante la fase di essiccamento primario (ad esempio nel caso dei farmaci) è in un intervallo tra i 4 ed i 40 Pa. Più la pressione è bassa e maggiore sarà la forza spingente per il trasporto di materia; pressioni eccessivamente basse (inferiori a 6-7 Pa) risultano però controproducenti poiché limitano lo scambio termico e portano ad un allungamento dei tempi dell’essiccamento primario. 

Durante l’essiccamento primario anche la temperatura del prodotto svolge un ruolo fondamentale. Essa, infatti, viene incrementata per favorire la sublimazione e quindi velocizzare i tempi di essiccamento. Un incremento della temperatura del prodotto di 1°C può ridurre i tempi di essiccamento primario del 13% . La sublimazione, inoltre, è un processo endotermico ed in quanto tale tende a raffreddare il prodotto (richiede mediamente circa 670 cal/g). L’energia richiesta per la sublimazione viene quindi fornita incrementando la temperatura della camera. Allo stesso tempo, tuttavia, bisogna prestare attenzione a non superare quella che viene chiamata “temperatura di collasso” (Tc). La temperatura di collasso è una temperatura al di sopra della quale il prodotto liofilizzato perde la propria struttura macroscopica e, appunto, collassa. 

L’essiccamento primario rimuove la maggior parte dell’acqua presente nei libri (tutta quella che ha congelato), risultando la fase di maggiore durata. Per questo motivo è importante scegliere al meglio parametri come pressione e temperatura al fine di velocizzare il più possibile il processo e accelerare al massimo la sublimazione, senza però danneggiare il prodotto. 

Essiccamento secondario

L’ultima fase della liofilizzazione è l’essiccamento secondario. In questa fase viene allontanata l’acqua che non è cristallizzata durante il congelamento. 

L'acqua legata per adsorbimento alla superficie interna del prodotto deve essere rimossa. A tale scopo, è spesso necessario vincere le forze capillari dell'acqua. L'impianto di liofilizzazione, pertanto, deve essere progettato per produrre un elevato gradiente di pressione durante la fase di essiccazione secondaria (nella maggior parte dei casi non è possibile aumentare la temperatura senza danneggiare il prodotto). Il processo di essiccazione secondaria deve essere controllato con precisione per impedire l'eccessiva essiccazione del prodotto.

Si coclude il procedimento con un post trattamento che, meccanicamente, interviene sui libri per verificarli e riportarli al loro stato dimensionale e di fruibilita'.

Insomma, oltre a tutto quanto gia' conscevamo, si aggiungono sempre piu' e nuove applicazioni che fanno della refrigerazione un ambito di sviluppo.

Altre soluzioni molto interessanti verranno affrontate nei prossimi mesi.

Potete rivolgerVi a CSIM (LINK) per ogni informazione sui processi e sullo sviluppo di soluzioni. 

La Redazione

 

Riferimenti:

- Universita' di Padova, "Congelamento, liofilizzazione, restauro: le misure che salvano i libri alluvionati", 7 giugno 2023  (LINK)

- "Applicazione del Quality by Design alla liofilizzazione di biofarmaci", Livio Marenco, Roberto Pisano, Andrea Arsiccio, Dicembre 2019 

- GEA, "Nozioni fondamentali sulla liofilizzazione farmaceutica" LINK

- "L’asciugatura dei documenti e dei libri bagnati, Frati&Livi "LINK (foto della camera di trattamento)

- Asciugatura tramite liofilizzazione, Procop (LINK) (foto dell'impianto di liofilizzazione)

Foto di apertura La Repubblica (LINK)