Liofilizacja

Liofilizacja
Polecane artykuły
Kalorymetria Biodegradacja Koagulacja Herbicydy Fracking Luminescencja Projektowanie eksperymentów Flotacja Poliamidy

Liofilizacja - suszenie sublimacyjne: suszenie w stanie zamrożenia, liofilizacja, kriodesykacja; suszenie ciał stałych w stanie zamrożonym pod znacznie obniżonym ciśnieniem, wilgoć usuwana jest przez sublimację lodu. S.s. przeprowadza się zwykle pod ciśn. 0,3-1 mm Hg w temp. od - 17,5 do - 25˚C. Produkt suszony może być zamrożony wstępnie przed procesem s.s. lub na początku procesu wskutek oddawania własnego ciepła na sublimację lodu, jest to tzw. Samozamarzanie. Aby proces ten przyspieszyć produkt zwykle ogrzewa się w ten sposób, że nie ulega rozmrożeniu natomiast dostarcza się ilość ciepła potrzebną do sublimacji lodu - jest to I okres suszenia, w czasie którego produt traci większość wody. W II okresie suszenia następuje dosuszania produktu. Szybkość suszenia maleje, a ciepło dostarczane do produktu jest zużywane nie tylko na sublimację lodu, ale także na podniesienie temp. produktu powyżej 0˚C.Zasadniczymi zaletami s.s. jest zachowanie przez większość produktów odstawowych cech organolep., chemicznych i fizycznych, zachowanie kształtu i możliwość łatwego doprowadzenia do stanu pierwotnego przez zanurzenie w wodzie. Zasadniczą wadą są wysokie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne tej metody. Z tego względu s.s. znajduje zastos. praktyczne do drogich produktów, np. kawy, grzybów, mięsa, bądź do przygotowania takich produktów, których cena może znacznie przekraczać cenę porównywalnych produktów świeżych (żywność dla kosmonautów, załóg łodzi podwodnych, wypraw alpinistycznych itp. oraz dodatki smakowo-zapachowe do produktów suszonych metodami tradycyjnymi). [[[Praca]] zbiorowa pod redakcją Petrozolin-Skowrońska B., "Nowa encyklopedia powszechna PWN" tom 3, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, rok 1997, s. 729]

• Liofilizacja (suszenie sublimacyjne) - proces stosowany do dehydratyzacji żywności, plazmy krwi i innych substancji czułych na ciepło. Najpierw produkt zamraża się głęboko, a lód znajdujący się wewnątrz produktu usuwa poprzez obniżenie ciśnienia, wskutek czego lód sublimuje. Następnie usuwa się parę wodną; pozostaje nie zniszczony, suchy produkt [Isaacs A., "Słownik Fizyki", Prószyński S-ka SA, Łódź, 1999 rok, s. 305]
• Liofilizacja - suszenie sublimacyjne zamrożonych substancji. W metodzie tej rozpuszczalnik jest usuwany w obniżonej temperaturze i pod zmniejszonym ciśnieniem. Umożliwia suszenie produktów termolabilnych (nieodpornych na ogrzewanie). [Praca zbiorowa pod redakcją Wróblewski K., "Encyklopedia Fizyki Współczesnej", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1983 rok, s. 253]

Liofilizację w technologii żywności zastosowano po raz pierwszy w trakcie II wojny światowej na zlecenie rządu Stanów Zjednoczonych zmierzającego do wyprodukowania lekkich wagowo racji żywności dla wojska.

Preparaty zliofilizowane (liofilizaty) uzyskuje się w formie bezpostaciowych proszków lub grudek o rozwiniętej (tzn. dużej) powierzchni, co sprawia, że rozpuszczają się szybciej niż preparaty krystaliczne lub szkliste. Mogą być higroskopijne [Tipler P., Llewellyn R., "Modern Physics", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2012 rok, s. 387]

Technikę rozwoju liofilizacji zastosowano po raz pierwszy w medycynie około 1935 r., a dopiero w dwadzieścia lat później znalazła zastosowanie na skalę przemysłową w konserwowaniu żywności. Od tego czasu prof. Louis Rey ze współpracownikami zorganizował 6 międzynarodowych kursów poświęconych liofilizacji. Szósty odbył się w Szwajcarii w Burgenstock w dniach 17-23 czerwca1973 r. i był zorganizowany przez profesorów Louis Reya i S.A. Goldblitha oraz dypl. inż. W. W. Rothmayera. Wówczas przedstawiono nowe badanie i rozwój w dziedzinie liofilizacji. Zamieszczony niżej referat przedstawia kilka głównych aspektów tego zagadnienia.

TL;DR

Liofilizacja to metoda suszenia sublimacyjnego, w której zamrożone substancje są suszone pod obniżonym ciśnieniem. Proces ten jest stosowany w przemyśle spożywczym, medycynie i innych dziedzinach. Suszenie sublimacyjne pozwala na zachowanie cech organoleptycznych i fizycznych produktów, ale jest metodą kosztowną. Liofilizacja została po raz pierwszy zastosowana w trakcie II wojny światowej do produkcji lekkiej żywności dla wojska. Proces liofilizacji obejmuje etapy zamrażania, suszenia sublimacyjnego i desorpcji.

PROCES LIOFILIZACJI

chcąc otrzymać produkty liofilizowane na skalę przemysłową trzeba przebyć wiele etapów produkcyjnych, od otrzymania surowca, przez kolejne etapy jego przygotowania, wśród których jednym z wazniejszych jest proces zamrażania, a następnie suszenie sublimacyjne, suszenie desorpcyjne, kondycjonowanie produktu w połączeniu z pakowaniem i przechowywaniem. W przedstawionym opracowaniu wzięto pod uwagę następujące etapy liofilizacji: zamrażanie, suszenie sublimacyjne i desorpcję.

ETAP ZAMRAŻANIA: proces zamrażania na przykładzie soku pomarańczowego. Skład soku pomarańczowego podobnie jak innych produktów naturalnych jest dosyć zmienny lecz przyjmujemy za prawidłowe wartości średnie. Ponieważ soki owocowe są głównie roztworami cukrów, zachowanie się ich podczas zamrażania jest podobne do zachowania roztowrów cukrów. W celu zamrożenia 10-procentowego roztworu sacharozy obniża się stopniowo temperaturę. Zamrażanie rozpoczyna się w temperaturze ok. - 1˚C, zaczynają się wtedy tworzyć kryształki lodu, powodując wzrost stęzenia płynnego roztworu. Określa się, że w temp. - 2˚C około połowa zawartości wody jest w postaci kryształków, a znajdujący się między nimi roztwór jest dwukrotnie zagęszczony w stosunku do rotworu początkowego. Proces trwa aż do osiągnięcia - 13˚C, kiedy to roztwór międzykrystaliczny uzyskuje ok. 60%. W roztworach normalnych reszta cieczy powinna ulec zestaleniu przy dalszym obniżaniu temperatury, jako eutektyk. Ten przypadek nie dotyczy jednak roztworów sacharozy, jak i innych soków owocowych. Zagęszczona ciesz nie wykrystalizowuje, lecz będzie stopniowo przechładzania, a jej lepkość będzie wzrastała. Pomiędzy kryształkami lodu tworzy się struktura podobna do szkła, o wzrastającej twardości (witryfikacja, zeszklenie). W pewnym stopniu struktura ta może zostać zmieniona w procesie obróbki termicznej; i tak przez dalsze obniżanie temperatury produktu poniżej określonego poziomu, a następnie stopniowe ogrzewanie, z równoczesnym jednak, ciągłym utrzymywaniem roztowru w bardzo niskiej temperaturze, może wsytąpić częściowa krystalizacja, tzw. dewitryfikacja (odszklenie). Zjawiska te mogą być badane kalorymetrycznie za pomocą analizy termicznej różnicowej (ang. differential thermal analysis - DTA) (Rey,1970), lub wybiórczej mikrokalorymetrii różnicowej (ang. differential scanning microcalorymentry - DSM) (Maltini, 1973), a także za pomocą pomiarów dynamometrycznych tego samego rodzaju jakie stosowane są tenderometrii. Kiedy stosuje się analizę termiczną różnicową do soków owocowych o różnych stężeniach, to można stwierdzić w jak różny sposób poszczególne frakcje wody działają w produkcie. Stwierdzono, że w soku cytrynowym aż 25% wody (w stosunku do suchych substancji) jest tak silnie związanych chemicznie, że absolutnie nie można ich zamrozić. Kolejne 20% (w stosunku do suchych substancji) można zamrozić tylko przez rekrystalizację (dewitryfikację), a resztę (co stanowi ok 70% ogólnej zawartości wody w soku zagęszczonym do 40˚ Bx) można wykrystalizować w postaci lodu przy obniżaniu temperatury w normalnym procesie zamrażania. Ogólnie mówiąc, szybkość zamrażania ma wpływ na krystalizację wody; wolne zamrażanie powoduje powstawanie dużych kryształów, a zamrażanie szybkie - drobnych. Ponieważ z kryształów lodu w zamrożonej masie mają powstać w produkcie liofilizowanym puste pory, dlatego szybkość zamrażania ma decydujący wpływ na końcową strukturę produktu liofilizowanego. Przy liofilizacji żywych komórek takich jak drożdże, bakterie i wirusy, stwierdzono, że pewna optymalna szybkość zamrażania daje najlepsze rezultaty w zachowaniu przeżywalności kultur komórkowych (Simatos i Turc, 1973). Wyjaśnienie tego zjawiska jest następujące: istnieją różne szkodliwe czynniki, wpływające na przezywalność kultur komórkowych; działaność niektórych z nich ulega wzmożeniu ze wzrostem szybkości zamrażania. Działaność innych ulega wzmożeniu przy obniżeniu szybkości zamrażania. Na przykład oddziaływanie suszące przez dłuższy czas zagęszczonych płynów międzywęzłowych na komórki lub - przy dużej szybkości zamrażania - czynników mogących mieć szkodliwy wpływ jak np. krystalizacja wewnątrzkomórkowa.

SUSZENIE SUBLIMACYJNE: Temu etapowi w procesie liofilizacji poświęcono wiele rozważań teoretycznych. Przedmiotem badań były często wyniki przenoszenia ciepła i masy w produkcie podczas liofilizacji. Obecnie zostało przedstawione (Rothmayr, 1973) nowe spojrzenie na postęp w procesie sublimacji, w którym wzięto pod uwagę warunki równoczesnego przepływu masy i ciepła, zostały również pokazane niektóre wyniki obliczeń komputerowych. Udoskonalenie w stosunku do wczesniejszych modeli obliczeniowych polega na tym, że w modelu uwzględniono zmienność w czasie właściwości przenoszenia ciepła i masy przez wysuszone warstwy produktu. Zbadano, obliczono teoretycznie i sprawdzono eksperymentalnie (Kessler, 1973) przenoszenie ciepła i masy podczas suszenia sublimacyjnego cząstek granulowanych, które podczas procesu były mieszane. Mieszanie umożliwa coraz nowym cząstkom kontakt z płytą grzewczą i powduje szybsze przenoszenie ciepła, szczególnie w przypadku cząstek małych. Gdy zwiększenie szybkości przenoszenia ciepła zostanie wykorzystane do zwiększenia szybkości suszenia to w efekcie otrzyma się wzrost odparowania wody z produktu. Przepływ masy (przepływ masy) pary jest proporcjonalny do gęstości strumienia masy, czyli strumienia jednostkowego przez powierzchnię produktu. Przepływ pary będzie porywał wszystkie cząstki produktu mniejsze od pewnego określonego wymiaru (Dauvois, 1971). Ten "wymiar porywany" zależy od masowej prędkości przepływu oparów, ciśnienia oparów, gęstości cząstek i ich kształtu. Podczas liofilizacji warstwy poddanej mieszaniu mogą wystąpić nadmierne straty wielu produktów, gdy wzrośnie wydajność jednostkowa, bowiem oddzialenie drobnych cząstek produktu od strumienia oparów nie jest sprawą łatwą. W poprzednim punkcie opisano, w jaki sposób wymrażanie płynnych produktów spożywczych powoduje powstawanie licznych, czystych kryształków lodu w warstwie zagęszczonego, podobnego do szkła produktu. Kiedy liofilizuje się zamrożone próbki płynnych produktów spożywczych, sublimacja kryształków lodu zaczyna się na powierzchni produktu i stopniowo przesuwa się do jego wnętrza pozostawiając w materiale puste pory, przez które para wodna przedostaje się na powierzchnię produktu. Pomiędzy tymi porami pozostaje warstwa zagęszczonego materiału i kiedy strefa sublimacji przesuwa się w głąb materiału następuje stopniowe suszenie jego struktury. Ten późniejszy etap suszenia można okreslić jako dyfuzję. Para wodna dyfunduje z wnętrza materiału matrycowego do porowatej powierzchni i uchodzi przez nią na zewnątrz. Ten sposób resztakowa zawartość wody spada z początkowych 40% do końcowych 2%, przy równoczesnym wzroście temperatury produktu. Opierając się na fakcie, że matryca jest roztworem o bardzo dużej lepkości - "szkłem" - i że jej lepkość jest funkcją bardzo zależną od stężenia i temperatury (King, 1973) przedstawiono bardzo obrazowa teorię, wyjaśniającą rozpad struktury produktu, prowadzący do częściowego topnienia i nadmuchiwania, a w rezultacie do uzyskania produktu o bardzo złej jakości. Zapadanie się struktury zachodzi w momencie gdzy lepkość matrycy spowodowana zbyt wysoką temperaturą staje się tak mała, że struktura traci swoją sztywność do tego stopnia, iż pory zamykają się zanim zostanie zakończony główny proces suszenia. To osiadanie struktury spowodowane jest przewagą sił napięcia powierzchniowego nad siłami ciężkości. [ Spicer A., "Nowe metody zagęszczania i suszenia żywności", Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, rok 1980, s. 408]

Bibliografia

• Isaacs A., "Słownik Fizyki", Prószyński S-ka SA, Łódź, 1999 r
• PWN (2004), Nowa encyklopedia powszechna PWN, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
• Spicer A., "Nowe metody zagęszczania i suszenia żywności", Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1980 r
• Tipler P., Llewellyn R., "Modern Physics", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2012 r
• Wróblewski K., "Encyklopedia Fizyki Współczesnej", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1983 r

Autor: Połowniak Anna