Лиофильная сушка – сублимационная сушка описание и история
Лиофильная сушка (лиофилизация, криодессикация, сублимационная сушка) – это процесс дегидратации (обезвоживания), используемый для сохранения скоропортящихся органических материалов.
Процесс лиофилизации основан на замораживании материала с последующим уменьшением внешнего давления, что позволяет воде переходить из твердого состояния напрямую в газообразное.
Лиофилизация биологических продуктов (белков, вакцин, микроорганизмов) направлена на сохранение их физической и биологической целостности после хранения в течение нескольких месяцев или даже лет.
Что такое сублимационная сушка?
Вакуумная сублимационная сушка (лиофилизация) – процедура удаления влаги из веществ методом сублимации, который обеспечивает испарение воды из льда без перехода в жидкое состояние. Технология предусматривает процесс заморозки с последующей возгонкой растворителя под воздействием вакуума.
В чем отличие сублимации от сушки?
Сублимация позволяет сохранить практически все полезные свойства и пищевую ценность продуктов, т. к. при такой сушке не используются высокие температуры, разрушающие некоторые витамины и белки. При этом сублимированные продукты имеют минимально возможную влажность – 2-5%.
История появления сублимационной сушки
Процесс сублимационной сушки был изобретен в 1906 году Жаком-Арсье д’Арссовалем (который всю жизнь занимался электрофизиологией) и его ассистентом Фредериком Бордасом в лаборатории биофизики университета Collège de France в Париже.
В 1911 году Дауни Харрис и Шекл, работавшие в лаборатории физиологии Сент-Луисского университета, разработали метод сублимационной сушки для сохранения вируса бешенства (The Journal of Infectious Diseases, Volume 8, Issue 1, 3 January 1911, P. 47–49). Эта работа в конечном итоге привела к разработке первой вакцины от бешенства.
Современная лиофилизация была разработана во время Второй мировой войны.
Особо актуальной в этот период была задача доставить сыворотку крови для помощи раненым из США в Европу. Но из-за отсутствия надлежащего охлаждения во время транспортировки большая часть сыворотки портилась еще до того, как попадала в госпитали.
Применение сублимационной сушки в промышленности и медицине
Процесс сублимационной сушки был разработан для применения в промышленности и медицине и он позволил сделать сыворотку химически стабильной и жизнеспособной без необходимости ее охлаждения. Вскоре после этого криодессикация была применена к пенициллину, и была признана важной методикой сохранения биологических веществ.
С этого времени сублимационную сушку (лиофилизацию) используют в качестве методов консервации и обработки для широкого спектра веществ.
Сублимационная обработка пищевых продуктов
Сублимационная обработка пищевых продуктов, фармацевтических. препаратов, наборов для диагностики заболеваний; восстановление документов, поврежденных водой; подготовка осадка речного дна для углеводородного анализа; производство флаконов с покрытием из серы и другое.
Принцип работы сублимационной обработки (лиофилизации)
Процесс лиофилизации подразделяют на четыре этапа:·
- предварительная обработка
- замораживание
- первичная сушка
- вторичная сушка
- дальнейшая обработка
Предварительная обработка продукта до замораживания.
Может включать в себя концентрацию продукта, модификацию состава (то есть добавление компонентов для повышения стабильности, сохранения внешнего вида и/или улучшения обработки), уменьшение содержания растворителя с высоким давлением паров или увеличение площади поверхности продукта. Кусочки пищи часто подвергают поштучному быстрому замораживанию, чтобы перевести такой растворитель в свободное состояние до начала лиофилизации.
Замораживание колбы
В лаборатории, замораживание проводится путем помещения материала в колбу и вращения колбы в специальной ванне, называемой «shell freezer».
Процесс «shell freezing» – это замораживание тонкого слоя жидкости на стенках вращающихся сосудов. Такой способ замораживания позволяет увеличить площадь поверхности продукта и провести лиофилизацию быстрее.
В более крупном масштабе замораживание обычно осуществляется с помощью лиофильной сушилки.
На этом этапе важно охладить материал ниже его тройной точки, (температура, при которой твердая, жидкая и газообразная фазы материала могут существовать одновременно). Это гарантирует, что на следующих этапах произойдет сублимация, а не плавление (таяние) кристаллов.
Крупные кристаллы легче поддаются возгонке.
Для получения таких кристаллов следует либо медленно замораживать продукт, либо циклически повышать и понижать температуру.
Однако в случае обработки пищи (мяса, ягод, водорослей) или других объектов с клеточной структурой крупные кристаллы льда разрушают стенки клеток (данная проблема обнаружена и решена Кларенсом Бёрдсай), что может привести к ухудшению текстуры и снижению питательной ценности продукта. В этом случае замораживание выполняется быстро, что позволяет избежать образования кристаллов льда. -50°C…-80°C – такой обычно является температура замораживания.
Фаза замораживания является наиболее важной во всем процессе лиофильной сушки, и, если провести ее неправильно, то продукт будет испорчен.
Первичная сушка при сублимации
В эту фазу давление понижают до нескольких миллибар, и к высушиваемому материалу доставляется ровно такое количество тепла, которого хватит для возгонки льда.
В этой фазе сушки сублимируется около 95% воды. Этот этап может быть довольно медленным (до нескольких дней при сушке в производственных масштабах), т.к. если добавить слишком много тепла, структура материала может быть повреждена.
Давление в камере контролируется посредством частичного вакуума. Вакуум ускоряет процесс сушки. Кроме того, холодная камера конденсора и/или конденсатные пластины обеспечивают повторное затвердевание водяного пара. Конденсор не играет никакой роли в поддержании материала в замороженном состоянии; скорее он предотвращает попадание водяного пара в вакуумный насос, что может ухудшить его производительность. Температура конденсора обычно ниже -50°C.
Вторичная сушка при сублимации
Эта фаза направлена на удаление незамороженных молекул воды (лёд уже был сублимирован в основной фазе). Данная часть процесса лиофилизации регулируется изотермами адсорбции материала.
Температура выше, чем в первичной фазе сушки, и может даже превышать 0°C, чтобы прекратить любые физико-химические взаимодействия, которые образовались между молекулами воды и замороженным материалом. Обычно на этом этапе давление снижают, чтобы стимулировать десорбцию (обычно в диапазоне нескольких микробар). Тем не менее, есть продукты, при сушке которых давление повышают.
После завершения процесса сублимации имеющийся в камере вакуум обычно разрушается инертным газом (например, азотом), а затем проводится герметизация высушенного продукта.
По окончании операции конечное содержание остаточной воды в продукте чрезвычайно низкое, от 1 до 4%.
Цена сублимации (лиофилизации) продукта
Услуга (лиофильной) сублимационной сушки достаточно высока из за больших энергетических затрат и сложности самого процесса такой сушки, это довольно дорого по сравнению с распылительной сушкой (в 3-5 раз дороже). Поэтому, например, любимый многими за удобство хранения и приготовления сублимированный кофе – продукт недешевый.
Материал для статьи взят с сайта – biotechno.ru
Промышленные сушильные камеры для сушки продуктов
|
Сушильная камера для сушки продуктов АКС36