Dondurarak kurutma

Dondurarak kurutma olarak da bilinen, liyofilizasyon , liyofilizasyon ya da süblimasyon yumuşak bir işleme değinmektedir kurutma ürünleri. Dondurarak kurutma fiziksel süblimasyon sürecine dayanır : Buz kristalleri, bu arada bir sıvı faz oluşmadan doğrudan gaz haline gelir. Dondurarak kurutmanın son ürününe liyofilizat denir .

Dondurarak kurutma, özellikle termal olarak hassas ürünler için kullanışlıdır.

Suyun faz diyagramında gösterilen farklı kurutma işlemleri.
Dondurularak kurutulmuş kahve
Restorasyon ve sayısallaştırma merkezinde Köln Şehri Tarihi Arşivi'nin dondurarak kurutma sistemindeki şokla dondurulmuş arşiv materyali

Prosedür

Dondurarak kurutma prensibi, moleküllerin çok düşük basınçlarda ( süblimasyon ) ilgili donma noktalarının altında bir katı fazdan gaz fazına geçişine dayanır . Dondurarak kurutma sistemi, birbirine bağlı ve bir vana ile kapatılabilen iki bölmeden oluşur . Kurutulacak ürün, ısıtılabilir ve soğutulabilir bir ayak izi ( hordes olarak adlandırılır ) üzerindedir ve önce normal basınçta dondurulur . İkinci bölmeye, içinden soğuk bir sıvının (genellikle bir tuzlu su veya bir soğutucu akışkan ) aktığı bir kondansatör görevi gören bir boru bobini yerleştirilmiştir .

Bir sonraki birincil kurutma adımında, malzemenin içerdiği su donma noktasının altındaki sıcaklıklarda süblimleştirilir. Bu, suyun donmuş olsa bile, doğrudan donmuş durumdan gaz halindeki kümelenme durumuna geçmek için yeterince yüksek bir buhar basıncına sahip olması ilkesine dayanmaktadır . Bu amaçla haznede bir vakum oluşturulur .

Süblimasyon sırasında enerji emilir. Çünkü ısı enerjisi çekilir çevre sıcaklığından, kurutma odasının sıcaklığı süreci içinde düşeceği. Sıcaklığı sabit tutmak için, yalnızca süblimasyon enerjisi olarak su tarafından emildiği kadar hazneye ısı eklenir. Kurutma işlemi sırasında atmosfer hemen hemen sadece su buharından oluşur ve bu buhar , daha önce odacıklardaki vakumla gazların uzaklaştırılmasına bağlı olarak kondansatörün soğuk bobinleri üzerinde buz olarak bırakılır. Bu, odadaki suyun kısmi basıncını daha da düşürür ve ayrıca ürünün kurumasını destekler.

İlk kurutma sırasında, ilk önce kurutulacak ürünün gevşek bağlı yapışkan ve kılcal suyu çıkarılır. Gevşek bağ yalnızca düşük bir entalpiye sahiptir , bu nedenle ürün ile hazne arasındaki su kısmi basınçlarındaki fark, bağın üstesinden gelmek için yeterlidir.

İkincil kurutma , üründen daha fazla ısıtılarak daha güçlü bir şekilde bağlanan suyun çıkarıldığı diğer işlemi takip eder . Bunlar çoğunlukla üründe bulunan maddelerin hidrasyon kabuklarıdır . Bunlarla birlikte, bağlanma entalpisi, yalnızca kısmi basınçtaki farkla aşılamayacak kadar yüksektir, bu nedenle ürünün ısıtılması yoluyla ek enerji girişi gereklidir. Negatif veya pozitif basıncın yanı sıra nihai sıcaklık, kalan su moleküllerinin kimyasal veya fiziksel bağının türüne ve malzemenin adsorpsiyon izotermine bağlıdır ve ayrıca 0 ° C'nin üzerinde olabilir.

Kuruduktan sonra su içeriği tipik olarak% 1-4'tür.

Çoğu zaman , vakum, kurutulmuş malzemenin kapatılmasından önce nitrojen veya diğer inert gazlarla değiştirilir .

Kullanılan bir soğutma ortamının (örneğin silikon yağı ) soğutulması için veya bir soğutucunun (tipik olarak nitrojen veya karbon dioksit ) doğrudan uygulanması vardır . Kapasitörün sıcaklıkları tipik olarak -60 ile -80 ° C arasındadır. Büyük endüstriyel tesislerde , soğutucu amonyaklı absorpsiyonlu soğutucular sıklıkla kullanılır. Kondansatör , bağlantı kapağı kapatıldıktan sonra buhar kullanılarak çözülebilir . İşlem, toplu işlem (toplu kurutma) olarak, ancak aynı zamanda sürekli veya yarı sürekli olarak gerçekleştirilebilir.

Yardımcı malzemeler

Uygulamaya bağlı olarak, ürün kalitesini iyileştirmek için bazı yardımcı malzemeler dondurarak kurutmada kullanılabilir:

  • Kriyoprotektörler : Sulu bir çözeltiden dondurularak kurutulan proteinler , proteinde konformasyonel bir değişikliğe yol açabilir . Proteinin hidrat kabuğu kuruduğunda, proteinin fonksiyonel grupları su molekülleri yerine diğer maddelerle etkileşime girer. Bu alternatif bağlanma modelleri proteine ​​zarar verebilir. Bu, kurutulacak çözeltiye maksimum% 1 (w / w) polietilen glikol (PEG) eklenerek etkili bir şekilde önlenebilir: PEG, tercihli hidrasyon mekanizmasına göre kendi hidroksil grupları ile proteinlere bağlanır ve böylece yerini alır. bu, halihazırda çözeltide bulunan hidrasyon kabuğu, böylece doğal konformasyon korunur. Kurutma işlemi sırasında, PEG proteine ​​bağlı kalır ve onu yabancı moleküllerle zararlı etkileşimlerden korur.
  • İskele ajanları : İskele ajanları, kurutulmuş son üründe (kek) gevşek ve gözenekli bir yapı oluşturur. Dondurularak kurutulduktan sonra ve sonraki saklama sırasında kekin çökmesini ve hatta birbirine yapışmasını önlerler. Bir yandan bu, moleküller arasındaki etkileşimler önlenebildiği için ürünün stabilitesini artırır. Öte yandan, gözenekli yapı çözücünün nüfuz etmesini kolaylaştırdığından, iskele maddeleri ürünün çözünürlüğünü geliştirir. Gözenekli kristalleşen şeker alkolleri iskelet oluşturucular olarak kullanılabilir, ör. B. mannitol veya sorbitol. Eğer polietilen glikol (PEG), daha önce bir kriyokoruyucuyla olarak kullanılıyor, ek bir iskele ajanı genellikle gereklidir.

Başvurular

Laboratuvar kullanımı için dondurarak kurutma sistemi

Gıda endüstrisinden iyi bilinen bir örnek, kahvenin dondurularak çözünür kahve granülleri (hazır kahve) ve diğer hazır toz içeceklere kurutulmasıdır . Müsli gevreği meyveleri de dondurularak kurutulur ve böylece rengini ve tadını korur. Ayrıca, bitkileri ve baharatları daha dayanıklı hale getirmek için dondurarak kurutma işlemi kullanılır ve bu sayede uçucu yağlar aroma taşıyıcıları olarak tutulur. Hayvan yemi endüstrisinde, dondurarak kurutma, balık ve karides gibi sürüngen yemi için kullanılır .

Diğer bir uygulama alanı, farmasötik ürünlerin kurutulmasıdır; İlaç suda çözündüğü zaman, uzun bir raf ömrüne sahip olmaz, kuru ilaç için bu işlemi kullanır. İlaçları almadan önce tekrar suda çözülürler (örneğin antibiyotikler ve daha yeni biyoteknolojik olarak üretilmiş ilaçlar). Özellikle parenterallerde, dondurularak kurutulmuş maddelerin hızlı çözünme özellikleri avantajlıdır , bu da amorf yapıdan ve bununla bağlantılı kolay ıslatılabilirlikten ve dondurularak kurutulmuş ürünlerin yüksek özgül yüzey alanından kaynaklanır.

Dondurarak kurutma, arkeolojide (örneğin nemli ahşap (ıslak ahşap koruma ) veya deri ile), dondurularak kurutulmuş çiçekler , tahnitçiler , kütüphaneler ve restoratörler (sudan zarar görmüş belgeler) için de kullanılır. Dondurarak kurutma işlemi her tür kağıt için kullanılabilir. Bu, kağıt kitaplara ciltlendiğinde veya bir belge şeklinde olduğunda da işe yarar.

Dondurarak kurutma, gıda analizlerinde de kullanılır. Örneğin su içeriği (kavun) yüksek olan meyve veya benzeri besinler analizden önce sudan uzaklaştırılır.

Seramik üretiminde yaygın bir uygulama , seramik tozlarının kurutulmasıdır, örn. B. suda öğütüldükten sonra.

Dondurarak kurutma, Almanya'da izin verilmeyen bir tür cenaze töreni olarak da gerçekleştirilebilir ( erteleme ).

Diğer bir uygulama ise uzay yolculuğudur . Neredeyse tüm önceki uzay istasyonlarında ve daha uzun konaklamalar için tasarlanmış uzay araçlarında , dondurarak kurutma yiyeceklerin hazırlanmasında kullanılmış veya kullanılmıştır. Dondurularak kurutulmuş gıda, sıkıca sarılmış porsiyonlar halinde taşınır veya teslim edilir. Soğuk (örn. İçecekler için) veya ılık su (örn. Yemekler için) ekleyerek yiyecekler yeniden hidratlanır ve tüketilebilir. Sıcak yemekler genellikle önceden fırında daha fazla ısıtılır.

Bununla birlikte, dondurarak kurutmanın dezavantajları, çok büyük miktarda enerji gerektirmesi ve pahalı, karmaşık ekipmandır. Bu nedenle bu işlem ancak çok kaliteli ürünler veya başka hiçbir şekilde muhafaza edilemeyen ürünler için faydalıdır.

İçin çözeltiler , emülsiyonlar ve süspansiyonlar , kurutma sprey kullanılabilir alternatif ve daha ucuz bir yöntem olarak.

avantajları

  • kurutulacak malzemenin orijinal yapısı korunur. B. bitkiler, kağıt vb. İle
  • daha düşük kurutma sıcaklıkları nedeniyle nazik kurutma
  • baskı mürekkeplerinde akma yok
  • Tatlar geleneksel kurutma işlemlerinden daha iyi korunur
  • çok hassas kağıtlar bu yöntemle kurutulabilir
  • özellikle yemeklerde daha kaliteli
  • ürünün gözenekli yapısı, dondurularak kurutulmuş çözeltilerde çok hızlı çözünmesi anlamına gelir
  • iyi şişme kapasitesi
  • vitaminleri korumak

dezavantaj

  • yüksek enerji girişi gerekli
  • gerekli sistemler için yüksek edinim maliyetleri
  • diğer kurutma türlerinin aksine çok zaman alır
  • Kağıtla, tek tek kağıt liflerinde eşit olmayan gerilimler meydana gelebilir ve bu da kitapların kıvrılmasına veya bükülmesine neden olabilir - bu etki özellikle kalın kitap kapakları veya kalın karton kutularda belirgindir.
  • Kuruyan ürünün geniş yüzey alanı nedeniyle oksidasyona duyarlılığı artar.

Ayrıca bakınız

daha fazla okuma

İnternet linkleri

Commons : Freeze Drying  - resimler, videolar ve ses dosyaları koleksiyonu


Bireysel kanıt

  1. ^ Bauer, Kurt H., 1930-, Frömming, Karl-Heinz, 1925-, Führer, Claus, 1926-2013, Lippold, Bernhard C., 1939-, Müller-Goymann, Christel, 1951-: Farmasötik teknoloji: giriş ile biyofarmasötik ve biyoteknolojide . 10., gözden geçirilmiş ve güncellenmiş baskı. Bilimsel yayıncılık şirketi, Stuttgart 2017, ISBN 978-3-8047-3268-1 .
  2. ↑ DryTEC sözleşmeli kurutma: kendi dondurarak kurutma için enerji maliyetleri.