Сублимационная сушка , также известная как лиофилизация или криодесикация , представляет собой низкотемпературный процесс обезвоживания [1] , который включает замораживание продукта и понижение давления, тем самым удаляя лед путем сублимации . [2] В этом отличие от обезвоживания при помощи большинства традиционных методов, при которых вода испаряется с использованием тепла. [3]
Из-за низкой температуры, используемой при обработке, [1] регидратированный продукт сохраняет большую часть своих первоначальных качеств. Когда твердые предметы, такие как клубника, подвергаются сублимационной сушке, первоначальная форма продукта сохраняется. [4] Если продукт, подлежащий сушке, представляет собой жидкость, как это часто наблюдается в фармацевтических целях, свойства конечного продукта оптимизируются за счет комбинации наполнителей (т.е. неактивных ингредиентов). Основные применения сублимационной сушки включают биологические (например, бактерии и дрожжи), биомедицинские (например, хирургические трансплантаты), обработку пищевых продуктов (например, кофе) и консервацию . [1]
Инки сушили картофель сублимацией в чуньо с 13 века . Процесс включал в себя несколько циклов воздействия на картофель температуры ниже нуля на горных вершинах Анд в течение вечера, а также отжима воды и сушки картофеля на солнечном свете в течение дня. [5] Инки также использовали уникальный климат Альтиплано для замораживания сухого мяса. [6]
Современная сублимационная сушка началась еще в 1890 году Ричардом Альтманном , который разработал метод замораживания сухих тканей (растительных или животных), но оставалась практически незамеченной до 1930-х годов. [7] В 1909 году Л.Ф.Шакелл самостоятельно создал вакуумную камеру с помощью электрического насоса. [8] Никакой дополнительной информации о сублимационной сушке не было зарегистрировано до тех пор, пока Тивал в 1927 году и Эльзер в 1934 году не запатентовали системы сублимационной сушки с усовершенствованиями этапов замораживания и конденсации. [8]
Важный поворотный момент в лиофилизации произошел во время Второй мировой войны , когда для лечения раненых в полевых условиях потребовались плазма крови и пенициллин . Из-за отсутствия рефрижераторного транспорта многие запасы сыворотки портились, не дойдя до своих получателей. [8] Процесс сублимационной сушки был разработан как коммерческий метод, который позволил сделать плазму крови и пенициллин химически стабильными и жизнеспособными без охлаждения. [8] В 1950–1960-х годах сублимационная сушка стала рассматриваться как многоцелевой инструмент как для фармацевтики, так и для пищевой промышленности. [8]
Сублимированные продукты стали основным компонентом рациона космонавтов и военных . То, что для экипажей астронавтов начиналось с еды в трубочках и сублимированных закусок, которые было трудно восстановить, [9] в космосе превратилось в горячее питание за счет улучшения процесса регидратации сублимированных блюд водой. [9] По мере совершенствования технологий и обработки пищевых продуктов НАСА искало способы обеспечить полный профиль питательных веществ, одновременно уменьшая количество крошек, болезнетворных бактерий и токсинов. [10] Полный профиль питательных веществ был улучшен за счет добавления растительного масла на основе водорослей для добавления полиненасыщенных жирных кислот. [10] Полиненасыщенные жирные кислоты полезны для умственного развития и развития зрения и, поскольку они остаются стабильными во время космических путешествий, могут принести астронавтам дополнительную пользу. [10] Проблема крошек была решена за счет добавления желатинового покрытия на продукты, чтобы зафиксировать их и предотвратить образование крошек. [9] Количество болезнетворных бактерий и токсинов было сокращено благодаря контролю качества и разработке плана анализа рисков и критических контрольных точек (HACCP), который сегодня широко используется для оценки пищевого материала до, во время и после обработки. [10] Благодаря сочетанию этих трех инноваций НАСА сможет обеспечить свои экипажи безопасными и полезными продуктами из сублимированных продуктов. [10]
Военные пайки также прошли долгий путь: от копченой свинины и кукурузной муки до бифштексов с грибным соусом. [11] Выбор и разработка рационов основаны на их приемлемости, питательности, полезности, технологичности, стоимости и санитарии. [12] Дополнительные требования к пайкам включают минимальный срок хранения в три года, возможность доставки по воздуху, возможность потребления во всем мире и обеспечение полного профиля питательных веществ. [12] Новые рационы на подносах (T Rations) были улучшены за счет увеличения количества приемлемых продуктов и обеспечения высококачественного питания в полевых условиях. Сублимированный кофе также был включен в категорию готовых к употреблению кофе, заменив кофе, высушенный распылением . [12]
Полный процесс сублимационной сушки состоит из четырех этапов: предварительная обработка, замораживание, первичная сушка и вторичная сушка.
Предварительная обработка включает любой метод обработки продукта перед замораживанием. Это может включать концентрацию продукта, пересмотр рецептуры (т. е. добавление компонентов для повышения стабильности, сохранения внешнего вида и/или улучшения обработки), уменьшение количества растворителя с высоким давлением паров или увеличение площади поверхности. Кусочки продуктов питания часто подвергаются IQF , чтобы сделать их сыпучими перед сублимационной сушкой. Лиофилизированные фармацевтические продукты в большинстве случаев представляют собой парентеральные препараты, вводимые после разведения путем инъекции, которые должны быть стерильными, а также не содержать частиц примесей. Предварительная обработка в этих случаях заключается в приготовлении раствора с последующей многоступенчатой фильтрацией. После этого жидкость в стерильных условиях разливается в конечные контейнеры, которые в производственных сублиматорах автоматически загружаются на полки.
Во многих случаях решение о предварительной обработке продукта основано на теоретических знаниях о сублимационной сушке и ее требованиях или обусловлено длительностью цикла или соображениями качества продукции. [13]
На этапе замораживания материал охлаждается ниже тройной точки — температуры, при которой твердая, жидкая и газовая фазы материала могут сосуществовать. Это гарантирует, что на следующих этапах будет происходить сублимация , а не плавление. Для более быстрой и эффективной сублимационной сушки предпочтительны более крупные кристаллы льда. Крупные кристаллы льда образуют внутри продукта сетку, которая способствует более быстрому удалению водяного пара во время сублимации. [2] Для получения более крупных кристаллов продукт следует замораживать медленно или можно циклически повышать и понижать температуру в процессе, называемом отжигом . Фаза замораживания является наиболее важной во всем процессе лиофилизации, поскольку метод замораживания может влиять на скорость восстановления, продолжительность цикла лиофилизации, стабильность продукта и соответствующую кристаллизацию. [14]
Аморфные материалы не имеют эвтектической точки , но у них есть критическая точка , ниже которой продукт необходимо поддерживать, чтобы предотвратить обратное плавление [ необходимо дальнейшее объяснение ] или разрушение во время первичной и вторичной сушки.
В случае товаров, для которых требуется сохранение структуры, таких как продукты питания или предметы с ранее живыми клетками, крупные кристаллы льда разрушают стенки клеток, что приводит к ухудшению текстуры и потере питательных веществ. В этом случае быстрое замораживание материала ниже эвтектической точки позволяет избежать образования крупных кристаллов льда. [2] Обычно температура замерзания составляет от -50 ° C (-58 ° F) до -80 ° C (-112 ° F).
На этапе первичной сушки давление снижается (до нескольких миллибар ), и к материалу подается достаточно тепла для сублимации льда . Необходимое количество тепла можно рассчитать, используя скрытую теплоту сублимации сублимирующих молекул . На этом начальном этапе сушки около 95% воды в материале сублимируется. Эта фаза может быть медленной (в промышленности может длиться несколько дней), поскольку при добавлении слишком большого количества тепла структура материала может измениться.
На этом этапе давление контролируется путем применения частичного вакуума . Вакуум ускоряет сублимацию, что делает ее полезной в качестве целенаправленного процесса сушки. Кроме того, камера холодного конденсатора и/или пластины конденсатора обеспечивают поверхность(и) для повторного разжижения и затвердевания водяного пара.
Важно отметить, что в этом диапазоне давлений тепло передается главным образом за счет проводимости или излучения; эффект конвекции незначителен из-за низкой плотности воздуха.
Фаза вторичной сушки направлена на удаление незамерзших молекул воды , поскольку лед был удален на этапе первичной сушки. Эта часть процесса сублимационной сушки определяется изотермами адсорбции материала . На этом этапе температура поднимается выше, чем на этапе первичной сушки, и может даже превышать 0 °C (32 °F), чтобы разорвать любые физико-химические взаимодействия, образовавшиеся между молекулами воды и замороженным материалом. Обычно на этом этапе также снижают давление, чтобы стимулировать десорбцию (обычно в диапазоне микробар или долей паскаля ) . Однако есть продукты, которые также выигрывают от повышенного давления.
После завершения процесса сублимационной сушки вакуум обычно разрушают инертным газом, например азотом, перед герметизацией материала.
В конце операции конечное остаточное содержание воды в продукте крайне низкое – около 1–4%.
Сублимационная сушка наносит меньше вреда веществу, чем другие методы обезвоживания с использованием более высоких температур. Питательные факторы, чувствительные к теплу, теряются в этом процессе меньше по сравнению со процессами, включающими термическую обработку для сушки. [2] Сублимационная сушка обычно не приводит к усадке или упрочнению высушиваемого материала. Кроме того, вкусы, запахи и питательная ценность обычно остаются неизменными, что делает этот процесс популярным для сохранения продуктов питания. Однако вода — не единственное химическое вещество, способное к сублимации , а потеря других летучих соединений, таких как уксусная кислота (уксус) и спирты, может привести к нежелательным результатам.
Лиофилизированные продукты можно регидратировать (восстановить) гораздо быстрее и проще, поскольку при этом процессе остаются микроскопические поры. Поры создаются кристаллами льда, которые сублимируются, оставляя на своем месте зазоры или поры. Это особенно важно, когда речь идет о фармацевтическом использовании. Сублимацию также можно использовать для увеличения срока годности некоторых фармацевтических препаратов на многие годы.
Фармацевтические компании часто используют лиофилизацию для увеличения срока годности продуктов, таких как живые вирусные вакцины, [15] биологические препараты [16] и другие инъекционные препараты. Удалив воду из материала и запечатав его в стеклянный флакон , материал можно легко хранить, транспортировать, а затем восстановить в исходную форму для инъекций. Другим примером из фармацевтической промышленности является использование сублимационной сушки для производства таблеток или облаток, преимуществом которого является меньшее количество наполнителей , а также быстро всасывающаяся и легко вводимая лекарственная форма.
Лиофилизированные фармацевтические продукты производятся в виде лиофилизированных порошков для разведения во флаконах, а в последнее время и в предварительно заполненных шприцах для самостоятельного введения пациентом.
Примеры лиофилизированных биологических продуктов включают многие вакцины, такие как живая вакцина против кори, брюшнотифозная вакцина и объединенные менингококковые полисахаридные вакцины групп А и С. Другие лиофилизированные биологические продукты включают антигемофильный фактор VIII , интерферон альфа , стрептокиназу , препятствующую образованию тромбов , и аллергенный экстракт осиного яда. [17]
Многие биофармацевтические продукты на основе терапевтических белков, таких как моноклональные антитела, требуют лиофилизации для обеспечения стабильности. Примеры лиофилизированных биофармацевтических препаратов включают препараты-блокбастеры, такие как этанерцепт ( Энбрел от Amgen ), инфликсимаб (Remicade от Janssen Biotech ), ритуксимаб и трастузумаб (Герцептин от Genentech ).
Клеточные экстракты, которые используются в бесклеточных биотехнологических приложениях, таких как диагностика на месте оказания медицинской помощи и биопроизводство, также подвергаются сублимационной сушке для повышения стабильности при хранении при комнатной температуре. [18] [19]
Сухие порошки пробиотиков часто производятся путем сублимационной сушки живых микроорганизмов, таких как молочнокислые бактерии и бифидобактерии . [20]
Лиофилизированные биологические препараты можно прессовать в гранулы и таблетки для безводного и твердотельного хранения биологических продуктов высокой плотности. [21]
.jpg/1280px-Freeze_dried_bacon_bars_(cropped).jpg)
Основная цель сублимационной сушки в пищевой промышленности — продлить срок хранения пищевых продуктов при сохранении их качества. [1] Известно, что лиофилизация обеспечивает высочайшее качество продуктов из всех методов сушки, поскольку сохраняется структурная целостность и вкусовые качества. [1] Поскольку сублимационная сушка обходится дорого, ее используют в основном для дорогостоящих продуктов . [4] Примерами дорогостоящих сублимированных продуктов являются сезонные фрукты и овощи из-за их ограниченной доступности, кофе; и продукты, используемые в качестве военного рациона, астронавтов/космонавтов и/или туристов. [4]
Из-за небольшого веса восстановленных продуктов лиофилизированные продукты популярны и удобны для туристов , в качестве военного пайка или еды для космонавтов. [1] Можно перевозить большее количество сухого корма по сравнению с таким же весом влажного корма. Вместо влажных продуктов лиофилизированные продукты при желании можно легко регидратировать водой, а срок хранения сушеных продуктов дольше, чем у свежих/влажных продуктов, что делает их идеальными для длительных путешествий туристов, военнослужащих или космонавтов . Развитие сублимационной сушки увеличило разнообразие блюд и закусок, включив в них такие продукты, как коктейль из креветок , курицу и овощи, ирисковый пудинг и яблочный соус . [9]
Кофе обладает вкусовыми и ароматическими качествами, которые создаются за счет реакции Майяра во время обжарки [22] и могут быть сохранены при сублимационной сушке. [2] По сравнению с другими методами сушки, такими как сушка при комнатной температуре, сушка горячим воздухом и сушка на солнце, кофейные зерна Робусты , подвергнутые сублимационной сушке, содержали большее количество незаменимых аминокислот, таких как лейцин, лизин и фенилаланин. [22] Кроме того, было сохранено несколько заменимых аминокислот, которые существенно влияли на вкус. [22]
При обычном обезвоживании качество ягод может ухудшиться, поскольку их структура нежная и содержит высокий уровень влаги. Было обнаружено, что клубника имеет высочайшее качество при сублимационной сушке; сохранение цвета, вкуса и способности к повторному увлажнению. [23]
Сублимационная сушка широко используется для сохранения насекомых для употребления в пищу. Целые лиофилизированные насекомые продаются в качестве экзотического корма для домашних животных, корма для птиц, наживки для рыб и все чаще для употребления в пищу человеком . [24] [25] Порошкообразные лиофилизированные насекомые используются в качестве белковой основы в кормах для животных, а на некоторых рынках - в качестве пищевой добавки для человека. [25] [24] Выращенные насекомые обычно используются для всех вышеупомянутых целей, а не для сбора диких насекомых, за исключением кузнечиков, которых часто собирают с полевых культур. [24]
При химическом синтезе продукты часто сушат вымораживанием, чтобы сделать их более стабильными или легче растворяться в воде для последующего использования.
При биоразделении лиофилизацию можно использовать также как процедуру поздней стадии очистки, поскольку она позволяет эффективно удалять растворители. Кроме того, он способен концентрировать вещества с низкой молекулярной массой, которые слишком малы для удаления фильтрующей мембраной . Сублимационная сушка — относительно дорогой процесс. Это оборудование примерно в три раза дороже, чем оборудование, используемое для других процессов разделения, а высокие потребности в энергии приводят к высоким затратам на электроэнергию. Кроме того, лиофилизация также требует длительного времени, поскольку добавление слишком большого количества тепла к материалу может вызвать плавление или структурные деформации. Поэтому сублимационная сушка часто применяется к термочувствительным материалам, таким как белки , ферменты , микроорганизмы и плазма крови . Низкая рабочая температура процесса приводит к минимальному повреждению этих термочувствительных изделий.
В нанотехнологиях для очистки нанотрубок используется сублимационная сушка [26] , чтобы избежать агрегации из-за капиллярных сил во время обычной термической испарительной сушки.
Сублимационная сушка является одним из методов, используемых для сохранения животных в области таксидермии . Когда животных сохраняют таким образом, их называют «лиофилизированными таксидермией» или « лиофилизированными животными ». Сублимационная сушка обычно используется для сохранения ракообразных , рыбы , амфибий , рептилий , насекомых и мелких млекопитающих . [27] Сублимационная сушка также используется как средство увековечивания памяти домашних животных после смерти. Вместо того, чтобы выбирать традиционное крепление кожи при сохранении своего питомца с помощью таксидермии, многие владельцы выбирают лиофилизацию, поскольку она менее инвазивна для тела домашнего животного. [28]
Такие организации, как Лаборатория консервации документов Национального управления архивов и документации США (NARA), провели исследования по сублимационной сушке как методу восстановления книг и документов, поврежденных водой. [29] Хотя восстановление возможно, качество восстановления зависит от материала документов. Если документ изготовлен из различных материалов с разными впитывающими свойствами, расширение будет происходить с неравномерной скоростью, что может привести к деформации. Вода также может вызвать рост плесени или растекание чернил. В этих случаях лиофилизация может оказаться неэффективным методом восстановления.
В бактериологии для сохранения специальных штаммов применяют лиофилизацию .
В продвинутых процессах изготовления керамики иногда используется сублимационная сушка для создания формуемого порошка из распыляемого суспензионного тумана. При сублимационной сушке создаются более мягкие частицы с более однородным химическим составом, чем при традиционной сушке горячим распылением , но она также более дорогая.
Новая форма захоронения, при которой тело предварительно подвергается сублимационной сушке жидким азотом , была разработана шведской компанией Promessa Organic AB, которая позиционирует ее как экологически чистую альтернативу традиционным захоронениям в гробах и кремации .
Сублимационная сушка рассматривается как оптимальный метод обезвоживания пищевых продуктов из-за сохранения качества, то есть такие характеристики пищевого продукта, как аромат, регидратация и биологическая активность, заметно выше по сравнению с продуктами, высушенными другими методами. [1]
Увеличение срока годности обусловлено низкими температурами обработки в сочетании с быстрым переходом воды посредством сублимации. [1] При таких условиях обработки сводятся к минимуму реакции порчи, включая неферментативное потемнение , ферментативное потемнение и денатурацию белка . [1] Если продукт успешно высушен, правильно упакован и помещен в идеальные условия хранения, срок годности пищевых продуктов превышает 12 месяцев. [2]
Если высушенный продукт невозможно легко или полностью повторно увлажнить, его качество считается более низким. Поскольку конечный сублимированный продукт является пористым, в пище может произойти полная регидратация. [1] Это означает более высокое качество продукта и делает его идеальным для готовых к употреблению блюд быстрого приготовления . [4]
Благодаря низким температурам обработки и минимизации реакций порчи питательные вещества сохраняются, а цвет сохраняется. [2] Сублимированные фрукты сохраняют свою первоначальную форму и имеют характерную мягкую хрустящую текстуру.
Поскольку основным методом микробного обеззараживания при сублимационной сушке является процесс низкотемпературного обезвоживания, в продукте могут оставаться микроорганизмы, вызывающие порчу, и возбудители, устойчивые к этим условиям. Хотя рост микробов подавляется в условиях низкой влажности, они все же могут выжить в пищевом продукте. [30] Примером тому является вспышка вирусного гепатита А , произошедшая в США в 2016 году и связанная с замороженной клубникой. [31] Если продукт не упакован и/или не хранится должным образом, он может впитывать влагу, что позволяет начать размножение ранее подавленных патогенов. [2]
Сублимационная сушка обходится примерно в пять раз дороже, чем обычная сушка, [4] поэтому она наиболее подходит для продуктов, стоимость которых увеличивается по мере обработки. [2] Затраты также варьируются в зависимости от продукта, упаковочного материала, производственных мощностей и т. д. [4] Наиболее энергоемким этапом является сублимация. [4]
Силиконовое масло — это обычная жидкость, которая используется для нагрева или охлаждения полок в сублимационной сушилке. Непрерывный цикл нагрева/охлаждения может привести к утечке силиконового масла в слабых местах, соединяющих полку и шланг. Это может привести к загрязнению продукта, что приведет к крупным потерям фармацевтических препаратов и пищевых продуктов. Следовательно, чтобы избежать этой проблемы, используются масс-спектрометры для выявления паров, выделяемых силиконовым маслом, чтобы немедленно принять корректирующие меры и предотвратить загрязнение продукта. [32]
Клетки млекопитающих обычно не выживают при сублимационной сушке, хотя их еще можно сохранить. [33] [34]
Существует множество типов сублиматоров, однако они обычно содержат несколько основных компонентов. Это вакуумная камера, [2] полки, технологический конденсатор, система хранения жидкости, система охлаждения, вакуумная система и система управления.
Камера тщательно отполирована и имеет внутреннюю изоляцию. Он изготовлен из нержавеющей стали и имеет несколько полок для хранения продуктов. [ нужна ссылка ] Установлен гидравлический или электрический двигатель, обеспечивающий герметичность двери при закрытии.
Технологический конденсатор состоит из охлаждаемых змеевиков или пластин, которые могут находиться снаружи или внутри камеры. [ нужна цитата ] Во время процесса сушки конденсатор задерживает воду. Для повышения эффективности температура конденсатора должна быть на 20 ° C (36 ° F) ниже, чем температура продукта во время первичной сушки [ нужна ссылка ] и иметь механизм размораживания, обеспечивающий конденсацию максимального количества водяного пара в воздухе.
Количество тепловой энергии, необходимой во время первичной и вторичной фазы сушки, регулируется внешним теплообменником. [ нужна ссылка ] Обычно силиконовое масло циркулирует по системе с помощью насоса.
Эта система работает для охлаждения полок и технологического конденсатора с помощью компрессоров или жидкого азота, который подает энергию, необходимую для замораживания продукта. [ нужна цитата ]
В процессе сушки с помощью вакуумной системы создается вакуум 50–100 микробар для удаления растворителя. [ нужна ссылка ] Используется двухступенчатый ротационный вакуумный насос, однако, если камера большая, необходимо несколько насосов. Эта система сжимает неконденсирующиеся газы через конденсатор.
Наконец, система управления устанавливает контролируемые значения температуры, давления и времени на полке, которые зависят от продукта и/или процесса. [35] [36] Сублимационная сушилка может работать несколько часов или дней в зависимости от продукта. [ нужна цитата ]
Контактные сублимационные сушилки используют контакт (проводимость) продуктов питания с нагревательным элементом для подачи энергии сублимации. Этот тип сублимационной сушилки представляет собой базовую модель, которую легко настроить для анализа проб. Одним из основных способов нагрева в контактных сублимационных сушилках является использование полочных платформ, контактирующих с образцами. Полки играют важную роль, поскольку на разных этапах процесса сублимационной сушки они ведут себя как теплообменники. Они подключены к системе силиконового масла, которая отводит тепловую энергию во время замораживания и обеспечивает энергию во время сушки. [ нужна цитата ]
Кроме того, система подачи жидкости обеспечивает определенную температуру на полках во время сушки путем перекачивания жидкости (обычно силиконового масла) под низким давлением. Недостатком этого типа сублимационной сушилки является то, что тепло передается только от нагревательного элемента к той стороне образца, которая непосредственно касается нагревателя. Эту проблему можно свести к минимуму, увеличив площадь поверхности образца, касающуюся нагревательного элемента, используя ребристый лоток, слегка сжимая образец между двумя твердыми нагретыми пластинами сверху и снизу или сжимая нагретой сеткой сверху и снизу. [2]
Лучистые сублимационные сушилки используют инфракрасное излучение для нагрева образца в лотке. Этот тип нагрева позволяет использовать простые плоские противни, поскольку источник инфракрасного излучения может быть расположен над плоскими противнями и излучать излучение вниз на продукт. Нагрев инфракрасным излучением обеспечивает равномерный нагрев поверхности продукта, но имеет низкую проникающую способность, поэтому его используют в основном с неглубокими лотками и однородными матрицами образцов. [2]
Сублимационные сушилки с микроволновой печью используют микроволны для более глубокого проникновения в образец и ускорения процессов сублимации и нагревания при сублимационной сушке. Этот метод может быть сложен в настройке и использовании, поскольку микроволны могут создавать электрическое поле, способное превратить газы в камере для образца в плазму. Эта плазма потенциально может сжечь образец, поэтому крайне важно поддерживать мощность микроволнового излучения, соответствующую уровню вакуума. Скорость сублимации продукта может влиять на сопротивление микроволнового излучения, при этом мощность микроволнового излучения необходимо соответствующим образом изменять. [2]
{{cite web}}: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
