Przyszłość liofilizacji
Liofilizacja (liofilizacja) jest stosowana w przemyśle od dziesięcioleci do konserwowania żywności i materiałów biologicznych, ale tradycyjne liofilizatory typu tacowego są powolne i pracochłonne. Nowy proces „aktywnego liofilizacji” obiecuje wyeliminowanie tych wad.
Przyszłość liofilizacji
Historia liofilizacji sięga starożytnych Inków, którzy konserwowali ziemniaki i inne warzywa, po prostu wystawiając je na działanie powietrza. Niskie zimowe temperatury zamieniły wodę w pożywienie w lód, który następnie wyparował w bardzo suchym górskim powietrzu. W latach trzydziestych XX wieku przemysłowe liofilizowanie zostało opracowane jako sposób na zachowanie nadwyżek kawy w krajach takich jak Brazylia. W tym czasie powstała Nescafé i inne znane marki, a kawa rozpuszczalna jest obecnie najbardziej znanym produktem liofilizowanym. Podczas drugiej wojny światowej liofilizację stosowano również do produkcji wojennych środków medycznych, takich jak penicylina i osocze krwi. W następnych dziesięcioleciach stosowanie liofilizacji rozszerzyło się do tego stopnia, że obecnie technologia ta jest wykorzystywana do produkcji około 400 różnych artykułów spożywczych i wielu środków farmaceutycznych.
Problemy z metodą tradycyjną
Od lat trzydziestych XX wieku przemysłowe liofilizowanie zależało od jednego rodzaju sprzętu: liofilizatora korytkowego. W liofilizatorze tacowym materiał do suszenia układa się na otwartych tacach i podpiera na półkach wyposażonych w układy chłodzenia i grzania. Tace są umieszczone w komorze połączonej z pompą próżniową.
Najpierw materiał zamraża się pod ciśnieniem atmosferycznym poprzez obniżenie temperatury półek. Następnie komorę suszenia opróżnia się do ciśnienia typowo w zakresie 0,01-1 mbar. Delikatne ciepło przyłożone do półek powoduje, że lód z produktu odparowuje bez przechodzenia przez fazę ciekłą (sublimacja). Głęboka próżnia pozwala na to w temperaturze -20C lub nawet niższej. W razie potrzeby, na przykład w przypadku stosowania rozpuszczalników organicznych, rozpuszczalnik odzyskuje się z wylotu pompy próżniowej przez niskotemperaturowy skraplacz.
Pomimo udanej eksploatacji przez wiele dziesięcioleci liofilizatory tacowe mają trzy istotne wady. Po pierwsze, załadunek i rozładunek jest pracochłonny, zwłaszcza że duże jednostki mogą zawierać kilkaset tac. Po drugie, liofilizowany placek wyjęty z tac często wymaga zmielenia, aby przekształcić go w sypki granulowany produkt. Po trzecie, tworzenie się „kożucha” wysuszonego produktu na powierzchni tacy utrudnia przepływ pary, przez co ta metoda liofilizacji jest bardzo powolna.
Utrzymuj produkt w ruchu
Firma Hosokawa Micron BV opracowała szybszy i mniej pracochłonny proces liofilizacji, który umożliwia wytwarzanie sypkich proszków z jednego naczynia procesowego. Znany jako technologia aktywnego liofilizacji, nowy proces wykorzystuje ciągły ruch, aby poprawić przenoszenie masy, a tym samym skrócić czas przetwarzania, jednocześnie eliminując potrzebę przenoszenia produktu do iz tac suszących i dalszych urządzeń zmniejszających rozmiar.
W przypadku aktywnego liofilizacji produkt jest najpierw zamrażany w specjalnie zaprojektowanym naczyniu do suszenia wyposażonym w mieszadło. Niezależnie od tego, czy suszony materiał zaczyna się jako ciecz, ziarnista substancja stała czy pasta, wymuszony ruch wewnątrz naczynia suszącego zapewnia jego zamarzanie w postaci sypkich stałych granulek. Rozmiar i kształt tych granulek można regulować, zmieniając geometrię komory suszenia i prędkość mieszadła.
Po całkowitym zamrożeniu produktu przykładana jest próżnia i rozpoczyna się sublimacja. Ciepło doprowadzone do płaszcza naczynia jest skutecznie rozprowadzane przez produkt dzięki ruchowi mieszadła. Początkowo gruboziarniste granulki stopniowo kurczą się, gdy struktura lodu łącząca zamrożony materiał sublimuje, tworząc luźny proszek składający się z suchych cząstek.
Gdy rozpuszczalnik znika, temperatura produktu zaczyna rosnąć, aż w końcu zrówna się z temperaturą płaszcza. Oznacza to koniec procesu suszenia, w którym cały materiał został przekształcony w drobny, sypki proszek. Po zwolnieniu próżni komorę otwiera się, a sproszkowany produkt można wyładować za pomocą mieszadła.
Szerokie zastosowanie
Główne zastosowania aktywnego liofilizacji to przemysł farmaceutyczny, np. Antybiotyki i elektrolity. Inne produkty zwykle wytwarzane przez liofilizację obejmują białka, hormony, wirusy, szczepionki, bakterie, drożdże, surowicę krwi, liposomy i materiały do przeszczepów, takie jak gąbka kolagenowa. W przypadku wszystkich tych materiałów liofilizacja jest popularna, ponieważ zachowuje strukturę produktu, wymaga jedynie niskich temperatur i daje produkt końcowy, który jest łatwy w obsłudze.
Innym szybko rozwijającym się rynkiem aktywnego liofilizacji na większą skalę są materiały, w szczególności nanomateriały. Dynamiczne liofilizowanie nanomateriałów wytwarzanych w procesach mokrych pomaga zawieszonym cząstkom pozostać oddzielonym zarówno podczas zamrażania, jak i suszenia. W miarę postępu sublimacji cząsteczki oddzielają się od siebie, ale ciągły ruch materiału powoduje tworzenie się słabych aglomeratów. Produkt składa się z luźno powiązanych pojedynczych cząstek, tworzących drobny, spójny proszek.
Wielkości partii w aktywnej liofilizatorze mogą wahać się od kilku litrów w przypadku prac laboratoryjnych i produkcji na małą skalę do suszenia masowego obejmującego setki litrów. Niezależnie od wielkości zalety tego nowego procesu są oczywiste: szybkie suszenie, prosta obsługa produktu i wyjątkowa jakość produkcji. W ciągu ostatnich kilku lat firma Hosokawa Micron przeprowadziła wiele testów dla klientów w różnych obszarach zastosowań. Testowane materiały obejmują zarówno zwykłe farmaceutyki, jak i owady, nanomateriały, bakterie, cenne zioła i inne wyszukane składniki żywności. W przyszłości może się nawet pojawić ciągła wersja procesu, zapewniająca jeszcze większe możliwości dla danej objętości sprzętu.
