Le processus de lyophilisation est essentiellement un processus simultané de transfert de chaleur et de masse (vapeur d’eau). Les vitesses de transfert de chaleur et de masse influent conjointement sur la vitesse de séchage, et donc sur l’ensemble du cycle de lyophilisation. Tous les facteurs affectant les transferts de chaleur et de masse ont un impact sur la vitesse de séchage. En résumé, les principaux facteurs influençant les transferts de chaleur et de masse dans les lyophilisateurs sont :
1. Forme et composition du matériau : Les matériaux lyophilisés sont généralement classés comme solides ou liquides. La forme des solides et la concentration des liquides ont un impact significatif sur la vitesse de lyophilisation.
2. Vitesse de pré-congélation : La taille des cristaux formés lors de la congélation influence considérablement la vitesse de séchage et la vitesse de dissolution du produit séché. Les processus de congélation rapide et lente dans les lyophilisateurs diffèrent de la manière suivante : la congélation rapide produit des cristaux de glace plus petits, tandis que la congélation lente en produit de plus gros. Les gros cristaux de glace favorisent la sublimation, tandis que les petits la freinent. La congélation rapide entraîne une faible vitesse de sublimation et une vitesse de désorption rapide ; la congélation lente entraîne une vitesse de sublimation rapide et une vitesse de désorption lente.
3. Quantité de chargement : Lors de la lyophilisation, le matériau, après avoir été réparti dans les conteneurs, présente un certain rapport surface/épaisseur. La lyophilisation est donc liée à la quantité de chargement. Une surface et une épaisseur réduites favorisent la sublimation de l’eau, ce qui facilite la lyophilisation et permet d’obtenir une qualité optimale. Pendant le séchage, le poids humide chargé par unité de surface du plateau est un facteur crucial qui détermine le temps de séchage. Généralement, plus la couche de matériau est mince, plus les transferts de chaleur et de masse sont rapides et plus le temps de séchage est court. Cependant, une couche de matériau plus mince signifie qu'une moindre quantité de matériau est séchée par lot et par unité de surface de lyophilisation, ce qui nuit à l'augmentation du rendement par unité de surface et par unité de temps.
4. Pression dans la chambre de séchage : La pression à l'intérieur de la chambre de séchage influe sur les vitesses de transfert de chaleur et de masse. Pour le transfert de masse, une pression plus basse est préférable, tandis que pour le transfert de chaleur, une pression plus élevée est préférable. Le taux de transfert de masse d'un lyophilisateur est principalement déterminé par la température et la pression à l'interface de sublimation et à la surface de la couche en cours de séchage. Pour augmenter le taux d'évacuation de la vapeur d'eau de la couche en cours de séchage, une solution consiste à augmenter la température de l'interface de sublimation, ce qui augmente la pression de vapeur d'eau interfaciale ; une autre consiste à augmenter le niveau de vide dans la chambre de séchage, ce qui réduit la pression de vapeur à la surface de la couche en cours de séchage.
5. Méthode de transfert de chaleur : Les lyophilisateurs peuvent être classés traditionnellement en quatre catégories : conduction, convection, rayonnement thermique et chauffage par fluide (chauffage par micro-ondes). Étant donné que le processus de séchage par sublimation dans un lyophilisateur implique le transfert de chaleur et de masse (vapeur d'eau), la méthode de transfert de chaleur utilisée pour transférer efficacement la chaleur au matériau a un impact significatif sur la vitesse de séchage du lyophilisateur.