Войти
Сублимированное мороженое Сублимационная сушка, также известная как лиофилизация или криодесикация, представляет собой процесс низкотемпературной дегидратации, который включает замораживание продукта, снижение давления, а затем удаление льда путем сублимации. Это контрастирует с обезвоживанием с помощью большинства традиционных методов, при которых вода испаряется с использованием тепла.
Из-за низкой температуры, используемой при обработке, качество регидратированного продукта превосходное, и сохраняется первоначальная форма продукта. Основные области применения сублимационной сушки включают биологические (например, бактерии и дрожжи), биомедицинские (например, хирургические трансплантаты), обработку пищевых продуктов (например, кофе) и консервирование.
Инки сушили картофель в чуньо с помощью замораживания с 13 века. Процесс включал в себя несколько циклов выдержки картофеля при температуре ниже нуля на горных вершинах в Андах в течение вечера, а также выжимания воды и сушки картофеля на солнце в течение дня.
Современная сублимационная сушка началась еще в 1890 году Ричардом Альтманном, который изобрел метод замораживания сухих тканей (растений или животных), но оставался практически незамеченным до 1930-х годов. В 1909 году Шакелл независимо создал вакуумную камеру с помощью электрического насоса. Никакой дополнительной информации о сублимационной сушке не было задокументировано до тех пор, пока Tival в 1927 году и Elser в 1934 году не запатентовали системы сублимационной сушки с усовершенствованием ступеней замораживания и конденсатора.
Важный поворотный момент для сублимационной сушки произошел во время Второй мировой войны. Плазма крови и пенициллин были необходимы для лечения раненых в полевых условиях, а из-за отсутствия рефрижераторного транспорта многие запасы сыворотки испортились, не дойдя до получателей. Процесс сублимационной сушки был разработан как коммерческий метод, который позволил сделать плазму крови и пенициллин химически стабильными и жизнеспособными без охлаждения. В 1950–1960-х годах сублимационная сушка стала рассматриваться как универсальный инструмент как для фармацевтики, так и для пищевой промышленности.
Сублимированные продукты стали основным компонентом рационов космонавтов и военных. То, что начиналось для экипажей астронавтов как питание в контейнерах и сублимированные закуски, которые было трудно регидратировать, было преобразовано в горячее питание в космосе за счет улучшения процесса регидратации сублимационной сушки водой. По мере совершенствования технологий и обработки пищевых продуктов НАСА искало способы обеспечить полный профиль питательных веществ при одновременном сокращении крошек, болезнетворных бактерий и токсинов. Полный профиль питательных веществ был улучшен за счет добавления растительного масла на основе водорослей с добавлением полиненасыщенных жирных кислот. Полиненасыщенные жирные кислоты полезны для умственного развития и зрения и, поскольку они остаются стабильными во время космических путешествий, могут принести космонавтам дополнительные преимущества. Проблема с крошками была решена с добавлением желатинового покрытия на продукты, чтобы закрепить и предотвратить образование крошек. Количество болезнетворных бактерий и токсинов было уменьшено за счет контроля качества и разработки плана анализа рисков и критических контрольных точек (HACCP), который сегодня широко используется для оценки пищевых продуктов до, во время и после обработки. С помощью комбинации этих трех инноваций НАСА могло бы обеспечить свою команду безопасной и полезной пищей из сублимированных продуктов.
Военные пайки тоже прошли долгий путь: от испорченной свинины и кукурузной муки до бифштекса с грибной подливкой. Выбор и разработка рационов основаны на приеме, питании, полезности, возможности производства, стоимости и санитарии. Дополнительные требования к пайкам включают минимальный срок хранения в три года, возможность доставки по воздуху, возможность употребления во всем мире и обеспечение полного профиля питания. Новые пайки на подносах ( T Rations ), которые были улучшены за счет увеличения количества допустимых продуктов и обеспечения высококачественной еды в полевых условиях. Кофе сублимационной сушки также был включен путем замены кофе, высушенного распылением, в категории готовых к употреблению блюд.
На типичной фазовой диаграмме граница между газом и жидкостью проходит от тройной точки до критической точки. Сублимационная сушка (синяя стрелка) подводит систему к тройной точке, избегая прямого перехода жидкость-газ, наблюдаемого при обычной сушке (зеленая стрелка). 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 концентрирование продукта, изменение рецептуры (т.е. добавление компонентов для повышения стабильности, сохранения внешнего вида и / или улучшения обработки), уменьшение количества растворителя с высоким давлением пара или увеличение площади поверхности. Кусочки пищи часто обрабатывают методом IQF, чтобы они стали сыпучими перед сушкой вымораживанием. Во многих случаях решение о предварительной обработке продукта основывается на теоретических знаниях о сублимационной сушке и ее требованиях, либо на основании продолжительности цикла или соображений качества продукта.
Во время стадии замораживания материал охлаждается ниже своей тройной точки, самой низкой температуры, при которой могут сосуществовать твердая, жидкая и газовая фазы материала. Это гарантирует, что на следующих этапах произойдет сублимация, а не плавление. Для более быстрой и эффективной сублимационной сушки предпочтительны более крупные кристаллы льда. Крупные кристаллы льда образуют сеть внутри продукта, которая способствует более быстрому удалению водяного пара во время сублимации. Чтобы получить более крупные кристаллы, продукт следует замораживать медленно или можно циклически повышать и понижать температуру в процессе, называемом отжигом. Фаза замораживания является наиболее важной во всем процессе сублимационной сушки, поскольку метод замораживания может влиять на скорость восстановления, продолжительность цикла сублимационной сушки, стабильность продукта и соответствующую кристаллизацию.
Аморфные материалы не имеют точки эвтектики, но у них есть критическая точка, ниже которой необходимо поддерживать продукт, чтобы предотвратить обратное плавление 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, большие кристаллы льда разрушают стенки клеток, что может привести к ухудшению текстуры и потере питательных веществ. В этом случае замораживание выполняется быстро, чтобы быстро опустить материал ниже его эвтектической точки, что позволяет избежать образования крупных кристаллов льда. Обычно температура замерзания составляет от -50 ° C (-58 ° F) до -80 ° C (-112 ° F).
Во время фазы первичной сушки, давление снижается (в пределах нескольких миллибар ), и достаточно тепло подают материал для льда до возвышенного. Необходимое количество тепла можно рассчитать, используя скрытую теплоту сублимации сублимирующих молекул. На этой начальной стадии сушки сублимируется около 95% воды в материале. Эта фаза может быть медленной (в промышленности может длиться несколько дней), потому что, если будет добавлено слишком много тепла, структура материала может измениться.
На этом этапе давление регулируется с помощью частичного вакуума. Вакуум ускоряет сублимацию, что делает ее полезной в качестве преднамеренного процесса сушки. Кроме того, камера холодного конденсатора и / или пластины конденсатора обеспечивают поверхность (поверхности) для водяного пара для повторного сжижения и затвердевания.
Важно отметить, что в этом диапазоне давления тепло передается в основном за счет теплопроводности или излучения; эффект конвекции незначителен из-за низкой плотности воздуха.
Настольная коллекторная сублимационная сушилка Фаза вторичной сушки направлена на удаление незамерзших молекул воды, поскольку лед был удален на стадии первичной сушки. Эта часть процесса сублимационной сушки регулируется изотермами адсорбции материала. На этом этапе температура повышается выше, чем на этапе первичной сушки, и может даже превышать 0 ° C (32 ° F), чтобы прервать любые физико-химические взаимодействия, которые образовались между молекулами воды и замороженным материалом. Обычно на этой стадии также снижается давление, чтобы способствовать десорбции (обычно в диапазоне микробар или долей паскаля ). Однако есть продукты, которые тоже выигрывают от повышенного давления.
После завершения процесса сублимационной сушки вакуум обычно снимается инертным газом, например азотом, перед герметизацией материала.
В конце операции конечное остаточное содержание воды в продукте чрезвычайно низкое, примерно от 1% до 4%.
Сублимационная сушка наносит меньший вред веществу, чем другие методы обезвоживания с использованием более высоких температур. Питательные вещества, чувствительные к теплу, теряются меньше в процессе по сравнению с процессами, включающими термическую обработку для сушки. Сушка вымораживанием обычно не вызывает усадки или повышения прочности высушиваемого материала. Кроме того, вкус, запах и пищевая ценность обычно остаются неизменными, что делает этот процесс популярным для консервирования продуктов. Однако вода - не единственное химическое вещество, способное к сублимации, и потеря других летучих соединений, таких как уксусная кислота (уксус) и спирты, может привести к нежелательным результатам.
Лиофилизированные продукты могут быть регидратированы (восстановлены) намного быстрее и проще, потому что в результате процесса остаются микроскопические поры. Поры создаются кристаллами льда, которые сублимируют, оставляя на своем месте промежутки или поры. Это особенно важно, когда речь идет о фармацевтических целях. Сублимационная сушка также может использоваться для увеличения срока хранения некоторых фармацевтических препаратов на многие годы.
Лиофилизированный 5% сахарозный осадок в фармацевтическом стеклянном флаконе Фармацевтические компании часто используют сублимационную сушку для увеличения срока хранения продуктов, таких как живые вирусные вакцины, биопрепараты и другие инъекционные препараты. Удалив воду из материала и запечатав материал в стеклянном флаконе, материал можно легко хранить, транспортировать и позже восстанавливать до его первоначальной формы для инъекций. Другим примером из фармацевтической промышленности является использование сублимационной сушки для производства таблеток или облаток, преимуществом которых является меньшее количество наполнителей, а также быстро абсорбируемая и легко вводимая лекарственная форма.
Лиофилизированные фармацевтические продукты производятся в виде лиофилизированных порошков для разведения во флаконах, а в последнее время - в предварительно заполненных шприцах для самостоятельного введения пациентом.
Примеры лиофилизированных биологических продуктов включают многие вакцины, такие как вакцина против живого вируса кори, вакцина против брюшного тифа и вакцины против менингококковых полисахаридов групп А и С вместе взятые. Другие лиофилизированные биологические продукты включают антигемофильный фактор VIII, интерферон альфа, стрептокиназу, препятствующую свертыванию крови, и аллергенный экстракт из яда осы.
Многие биофармацевтические продукты на основе терапевтических белков, таких как моноклональные антитела, требуют лиофилизации для стабильности. Примеры лиофилизированных биофармацевтических препаратов включают лекарственные препараты- блокаторы, такие как этанерцепт ( Enbrel от Amgen ), инфликсимаб (Remicade от Janssen Biotech ), ритуксимаб и трастузумаб (Герцептин от Genentech ).
Сублимационная сушка также используется при производстве сырья для фармацевтических продуктов. Активные ингредиенты фармацевтического продукта (API) лиофилизированы для достижения химической стабильности при хранении при комнатной температуре. Массовая лиофилизация АФИ обычно проводится с использованием лотков вместо стеклянных флаконов.
Экстракты клеток, которые используются в бесклеточной биотехнологии, например, в диагностике и производстве биотехнологий, также подвергаются сублимационной сушке для повышения стабильности при хранении при комнатной температуре.
Сухие порошки пробиотиков часто получают путем сублимационной сушки живых микроорганизмов, таких как молочнокислые бактерии и бифидобактерии.
Сублимированные батончики с беконом 
Сублимированный кофе, разновидность растворимого кофе 
Сублимированный болгарский абрикос, дыня, суп с фрикадельками, таратор 
Сублимированное мороженое и шоколад, а также спагетти с беконом Основная цель сублимационной сушки в пищевой промышленности - продлить срок хранения пищевых продуктов при сохранении качества. Известно, что сублимационная сушка обеспечивает самое высокое качество пищевых продуктов среди всех методов сушки, поскольку сохраняется структурная целостность и сохраняется аромат. Поскольку сублимационная сушка стоит дорого, она используется в основном для дорогостоящих продуктов. Примерами ценных сублимированных продуктов являются сезонные фрукты и овощи из-за их ограниченной доступности, кофе; и продукты питания, используемые для военных пайков, космонавтов / космонавтов и / или туристов.
Из-за своего небольшого веса на единицу объема восстановленной пищи сублимированные продукты популярны и удобны для туристов, как военные пайки или обеды для космонавтов. Можно переносить большее количество сушеного корма по сравнению с тем же весом влажного корма. В качестве замены влажного корма сублимированный корм при желании можно легко регидратировать водой, а срок хранения высушенного продукта больше, чем у свежего / влажного продукта, что делает его идеальным для длительных путешествий, совершаемых туристами, военнослужащими или космонавтами. Развитие сублимационной сушки увеличило разнообразие блюд и закусок, включая такие продукты, как коктейль из креветок, курица и овощи, пудинг из ириски и яблочный соус.
Кофе обладает вкусовыми и ароматическими качествами, которые возникают благодаря реакции Майяра во время обжарки, и могут быть сохранены с помощью сублимационной сушки. По сравнению с другими методами сушки, такими как сушка при комнатной температуре, сушка горячим воздухом и сушка на солнце, кофейные зерна Робуста, подвергнутые сублимационной сушке, содержат большее количество незаменимых аминокислот, таких как лейцин, лизин и фенилаланин. Кроме того, было сохранено несколько незаменимых аминокислот, которые в значительной степени способствовали вкусовым качествам.
Сублимированная клубника При обычном обезвоживании качество ягод может ухудшиться, так как их структура очень нежная и содержит большое количество влаги. Было обнаружено, что клубника имеет высшее качество при сублимационной сушке; сохраняя цвет, аромат и способность к регидратации.
Сублимационная сушка широко используется для сохранения насекомых в пищу. Целые лиофилизированные насекомые продаются как экзотический корм для домашних животных, корм для птиц, наживка для рыбы и все чаще для потребления человеком. Сухие лиофилизированные насекомые используются в качестве белковой основы в кормах для животных, а на некоторых рынках - в качестве пищевой добавки для людей. Сельскохозяйственные насекомые обычно используются для всех вышеупомянутых целей, а не для сбора диких насекомых, за исключением кузнечиков, которые часто собирают с полевых культур.
При химическом синтезе продукты часто подвергают сублимационной сушке, чтобы сделать их более стабильными или легче растворить в воде для последующего использования.
При биосепарации сублимационная сушка может использоваться также как процедура очистки на поздней стадии, поскольку она может эффективно удалять растворители. Кроме того, он способен концентрировать вещества с низкой молекулярной массой, которые слишком малы для удаления с помощью фильтрующей мембраны. Сублимационная сушка - относительно дорогой процесс. 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, сублимационная сушка также требует длительного времени, поскольку добавление слишком большого количества тепла к материалу может вызвать плавление или деформации конструкции. Поэтому сублимационная сушка часто применяется для термочувствительных материалов, таких как белки, ферменты, микроорганизмы и плазма крови. Низкая рабочая температура процесса приводит к минимальному повреждению этих термочувствительных продуктов.
В нанотехнологиях сублимационная сушка используется для очистки нанотрубок, чтобы избежать агрегации из-за капиллярных сил во время регулярной сушки термическим испарением.
Сублимационная сушка - один из методов сохранения животных в таксидермии. Когда животные хранятся таким образом, их называют «лиофилизированная таксидермия» или « лиофилизированные животные ». Сублимационная сушка обычно используется для сохранения ракообразных, рыб, земноводных, рептилий, насекомых и мелких млекопитающих. Сублимационная сушка также используется как средство увековечения памяти домашних животных после смерти. Вместо того, чтобы выбирать традиционное крепление для кожи при сохранении своего питомца с помощью таксидермии, многие владельцы выбирают сублимационную сушку, потому что она менее инвазивна для тела питомца.
Такие организации, как Лаборатория консервации документов при Национальном управлении архивов и документации США (NARA), провели исследования сублимационной сушки как метода восстановления поврежденных водой книг и документов. Хотя восстановление возможно, качество восстановления зависит от материала документов. Если документ изготовлен из различных материалов, которые имеют разные впитывающие свойства, расширение будет происходить с неоднородной скоростью, что может привести к деформации. Вода также может вызвать рост плесени или растекание чернил. В этих случаях сублимационная сушка может быть неэффективным методом реставрации.
В бактериологии сублимационная сушка используется для сохранения особых штаммов.
В современных процессах обработки керамики иногда используется сублимационная сушка для создания формуемого порошка из распыляемого тумана суспензии. Сублимационная сушка создает более мягкие частицы с более однородным химическим составом, чем традиционная сушка горячим распылением, но она также более дорога.
Шведская компания Promessa Organic AB разработала новую форму захоронения, при которой тело ранее подвергалось сублимационной сушке с помощью жидкого азота, которая представляет ее в качестве экологически чистой альтернативы традиционным гробам и кремационным захоронениям.
Сублимационная сушка считается оптимальным методом обезвоживания пищевых продуктов из-за сохранения качества, что означает, что характеристики пищевого продукта, такие как аромат, регидратация и биологическая активность, заметно выше по сравнению с продуктами, высушенными с использованием других методов.
Увеличение срока хранения достигается за счет низких температур обработки в сочетании с быстрым переходом воды через сублимацию. При таких условиях обработки реакции порчи, включая неферментативное потемнение, ферментативное потемнение и денатурацию белка, сводятся к минимуму. Когда продукт успешно высушен, правильно упакован и помещен в идеальные условия хранения, его срок годности превышает 12 месяцев.
Если высушенный продукт не может быть легко или полностью регидратирован, он считается более низкого качества. Поскольку конечный продукт, подвергнутый сублимационной сушке, пористый, в пище может произойти полная регидратация. Это означает более высокое качество продукта и делает его идеальным для приготовления блюд быстрого приготовления.
Благодаря низким температурам обработки и минимизации реакций порчи питательные вещества сохраняются, а цвет сохраняется. Сублимированные фрукты сохраняют свою первоначальную форму и имеют характерную мягкую хрустящую текстуру.
Поскольку основным методом обезвреживания микробов при сублимационной сушке является процесс низкотемпературного обезвоживания, в продукте могут оставаться микроорганизмы, вызывающие порчу, и патогены, устойчивые к этим условиям. Хотя рост микробов подавляется условиями низкой влажности, они все же могут выжить в пищевом продукте. Примером этого является вспышка вирусного гепатита А, произошедшая в США в 2016 году и связанная с замороженной клубникой. Если продукт не упакован и / или не хранится должным образом, он может впитывать влагу, позволяя некогда подавленным патогенам также начать размножаться.
Сублимационная сушка стоит примерно в пять раз дороже, чем обычная сушка, поэтому она лучше всего подходит для продуктов, стоимость которых увеличивается по мере обработки. Затраты также варьируются в зависимости от продукта, упаковочного материала, мощности обработки и т. Д. Наиболее энергоемким этапом является сублимация.
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 слабые места, соединяющие полку и шланг. Это может привести к загрязнению продукта и его значительным потерям. Следовательно, чтобы избежать этой проблемы, масс-спектрометры используются для определения паров, выделяемых силиконовым маслом, для немедленного принятия корректирующих мер и предотвращения загрязнения продукта.
Клетки млекопитающих обычно не выдерживают сублимационной сушки, хотя их еще можно сохранить.
Выгрузка лотков с лиофилизированным материалом из небольшой сублимационной сушилки шкафного типа Существует много типов сублимационных сушилок, однако они обычно содержат несколько основных компонентов. Это вакуумная камера, полки, технологический конденсатор, полочная жидкостная система, холодильная система, вакуумная система и система управления.
Камера полностью отполирована и имеет внутреннюю изоляцию. Он изготовлен из нержавеющей стали и содержит несколько полок для хранения продукта. Гидравлический или электрический двигатель обеспечивает герметичность двери при закрытии.
Технологический конденсатор состоит из охлаждающих змеевиков или пластин, которые могут быть внешними или внутренними по отношению к камере. В процессе сушки конденсатор улавливает воду. Для повышения эффективности температура конденсатора должна быть на 20 ° C (68 ° F) ниже, чем температура продукта во время первичной сушки, и должен быть предусмотрен механизм размораживания, обеспечивающий конденсацию максимального количества водяного пара в воздухе.
Количество тепловой энергии, необходимой на этапах первичной и вторичной сушки, регулируется внешним теплообменником. Обычно силиконовое масло циркулирует по системе с помощью насоса.
Эта система работает для охлаждения полок и технологического конденсатора с помощью компрессора или жидкого азота, который обеспечивает энергию, необходимую для замораживания продукта.
Во время процесса сушки вакуумная система создает разрежение 50-100 микробар для удаления растворителя. 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. Сублимационная сушилка может работать несколько часов или дней в зависимости от продукта.
Контактные сублимационные сушилки используют контакт (проводимость) пищи с нагревательным элементом для передачи энергии сублимации. Этот тип сублимационной сушилки представляет собой базовую модель, которую легко настроить для анализа проб. Один из основных способов контакта с нагревом в сублимационной сушилке - это контакт с образцами полочных платформ. Полки играют важную роль, поскольку они ведут себя как теплообменники в разное время процесса сублимационной сушки. Они подключены к системе силиконового масла, которая отводит тепловую энергию во время замораживания и обеспечивает энергию во время сушки.
Кроме того, система жидкости для полок обеспечивает определенную температуру для полок 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, максимально увеличив площадь поверхности образца, соприкасающегося с нагревательным элементом, с помощью ребристой тарелки, слегка сжав образец между двумя твердыми нагретыми пластинами сверху и снизу или сжав нагретой сеткой сверху и снизу.
В излучающих сублимационных сушилках для нагрева образца в лотке используется инфракрасное излучение. Этот тип нагрева позволяет использовать простые плоские противни, поскольку источник инфракрасного излучения может быть расположен над плоскими подносами, чтобы излучать его вниз на продукт. Инфракрасное излучение обеспечивает очень равномерный нагрев поверхности продукта, но имеет очень небольшую проникающую способность, поэтому он используется в основном с очень мелкими лотками и однородными матрицами образцов.
В сублимационных сушилках с микроволновой печью используются микроволны, чтобы обеспечить более глубокое проникновение в образец для ускорения процессов сублимации и нагрева при сублимационной сушке. Этот метод может быть очень сложным в настройке и использовании, поскольку микроволны могут создавать электрическое поле, способное превращать газы в камере для образцов в плазму. Эта плазма потенциально может сжечь образец, поэтому крайне важно поддерживать мощность микроволн, соответствующую уровням вакуума. Скорость сублимации продукта может повлиять на импеданс микроволн, при котором мощность микроволн должна быть соответственно изменена.
