Сублимационная сушка: оборудование и технология лиофилизации

Сублимации (лиофилизация) - процесс перехода воды из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Она используется для сушки материалов, которые не могут выдерживать высокие температуры, таких как фрукты, овощи, цветы и некоторые лекарственные препараты. В этой статье мы рассмотрим сублимационные сушилки, оборудование, необходимое для осуществления процесса и технологию лиофилизации. Лиофилизация широко применяется в промышленности, фармакологии и научных исследованиях.

Процесс лиофилизации

Лиофилизация – это процесс осушения, в котором продукт замораживают, затем вакуумируют и подвергают длительному сублимационному сушению, чтобы удалить влагу. Во время процесса замораживания вода в продукте превращается в лед, а затем сублимируется в пар минуя жидкое состояние. Этот процесс обычно используется для удаления влаги из биологических образцов, лекарственных препаратов и пищевых продуктов.

Процесс состоит из трех этапов:

1. Стадия предварительной заморозки является наиболее важной стадией процесса сублимационной сушки. На этом этапе материал образца необходимо будет охладить по крайней мере до температуры, соответствующей точке замерзания этого образца. Это гарантирует, что образец будет полностью заморожен и затем сможет подвергнуться сублимации. Скорость, с которой ваш образец замерзает, будет влиять на размер образующихся кристаллов льда, продолжительность процесса, а также на целостность и стабильность вашего образца. Более крупные кристаллы льда способствуют более быстрой и эффективной лиофилизации, поскольку молекулы воды способны более свободно выходить из образца во время сублимации. В таких образцах, как пищевые продукты или ткани, крупные кристаллы могут разрушить клеточные стенки и повредить ваш образец. В таких ситуациях лучше всего замораживать быстро с помощью мгновенной заморозки, образуя более мелкие кристаллы льда.

2. Первичная сушка начинается с момента вакуумирования. В условиях низкого давления начинается испарение образца. В конце этого этапа примерно 93% воды в образце сублимируется. Этот этап может занять несколько дней, в зависимости от типа образца и потребляемой мощности нагрева. Для длительного сохранения образца цикл следует продолжить до вторичной сушки.

3. На этапе вторичной сушки высвобождаются влага, оставшаяся после первого этапа. На этой стадии к образцу подводится тепло, температура принимает положительное значения, а давление наоборот понижается. Результирующее содержание влаги в конце второго этапа составляет около 2%. Этот этап обычно используется для продуктов, которые готовятся к длительной консервации и хранению.

Как работает и из чего состоит сублимационная сушка

Сублимационная сушилка состоит из вакуумной камеры, конденсатора (холодильника) и насоса. Продукт помещается в вакуумную камеру, насос откачивает воздух из камеры. Когда давление в камере достигает нужного уровня, конденсатор включается, чтобы создать холодную поверхность, на которую конденсируется пар. вакуумный насос откачивает воздух из камеры, в это же время понижается давление в камере, что способствует испарению влаги из продукта, которая оседает на конденсоре. Температура конденсатора должна быть на 15-20 градусов холоднее, чем температура замерзания сублимируемого материала, чтобы происходило осаждение пара. Насос должен создавать разряжение глубже, чем 0,7 Па, для свободного выхода испаренной влаги. Дополнительно для технологического процесса вам могут понадобиться лотки для размещения твердого материала или флаконы для размещения жидкого материала.

Лиофильные сушки различаются по производительности и функционалу. Для научных исследований и малых объемов веществ специалисты Вилитек рекомендуют серию колпаковых сушек, для фармацевтических производств и пилотных пищевых производств серию камерных сушек, для заводов серию промышленных сушек.

Применение в научных исследованиях

Метод, при котором материал замораживается и затем подвергается вакуумной сушке используется во многих научных областях. Вот несколько примеров использования лиофильной сушки в научно-исследовательских центрах, университетах, лабораториях:

1. Биология: в биологических и медицинских исследованиях часто требуется качества биологических образцов, таких как ткани, клетки и белки, микроорганизмы и материалы для исследований в области нанотехнологий.

2. Производство фармацевтических препаратов: в фармацевтической промышленности лиофилизация используется для производства стабильных и долговременных препаратов, таких как вакцины и инъекционные растворы. Например, самое первое крупное применение сублимации было во время Второй мировой войны для транспортировки крови, сыворотки и пенициллина.

3. Пищевая промышленность: в кулинарии и пищевой промышленности лиофильная сушка используется для сушки пищевых продуктов, таких как фрукты, овощи, мясо и даже кофе. Этот метод позволяет сохранять важные питательные вещества и вкусовые качества продуктов на длительное время.

4. Исследования поверхности материалов: в материаловедении и нанотехнологиях лиофильная сушка может использоваться для сушки образцов материалов и наночастиц, чтобы исследовать их поверхностные свойства и структуру.

5. В химических и физических исследованиях лиофильная сушка используется для сушки растворов, катализаторов реагентов, чтобы сохранить их состав и структуру и использовать их в дальнейших экспериментах.