Сушилка лиофильная: что это, принцип работы

Что это такое?

Лиофильная сушка, или лиофилизация, — процесс сублимационной сушки вещества (вакцин, белков, микроорганизмов) для сохранения его биологической или физической целостности, обычно необходимый при длительной транспортировки или хранения. Суть её заключается в заморозке материала и последующем помещении его в вакуум, где происходит сублимация растворителя через уменьшение внешнего давления, из-за которого твёрдое вещество переходит в газообразное.

Лиофильная сушка была изобретена ещё в начале XX века, в 1911 году с её помощью удалось сохранить вирус бешенства, что помогло разработать вакцину. В современном своём виде процедура была создана во времена Второй мировой войны, когда необходимо было поставлять в сохранном виде сыворотку крови для помощи солдатам. Затем лиофилизация была применена к пенициллину — и по современное время она используется для безопасной перевозки и хранения широкого рода веществ, от продуктов питания до препаратов и лекарств.

Для проведения процедуры используются специальное лабораторное оборудование — лиофильные сушилки (перейти к товарам).

Принцип работы

Лиофильная сушилка оперирует принципом сублимации — прямого перехода вещества из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое. Обратным процессом является десублимация. При возгонке поглощается энергия, удельный объём вещества изменяется. Такой метод востребован, например, при взаимодействии с элементарным йодом, который из чёрных кристалликов сразу превращается в молекулярный йод.

Принцип работы лиофильной сушилки основан на четырёх этапах:

• предварительная обработка;
• замораживание;
• первичная сушка;
• вторичная сушка.

Предварительная обработка включает в себя модификацию состава продукта, его концентрацию, уменьшение содержания растворителя. Пища, например, замораживается поштучно методом IQF, чтобы растворитель перешёл в свободное состояние до того, как начнётся сублимация. Словом, в подготовительный этап могут входить любые работы по подготовке вещества к лиофилизации.

Следующий этап — замораживание, вещество помещается в колбу, которая затем вращается в специальной ванне. На стенках сосудов в процессе замораживается тонкий слой жидкости, за счёт чего удаётся постепенно увеличить площадь поверхности продукта и быстрее его сублимировать.

Продукт при заморозке охлаждается ниже тройной точки — это когда есть возможность для существования одновременно трёх фаз материала. Таким образом можно гарантировать, что на следующих этапах вещество не расплавится, а именно сублимируется. Поэтому продукт медленно замораживается, или температура понижается циклически.

Если провести фазу заморозки неправильно, то продукт может испортиться. Это очень важная стадия.

Дальше в лиофильной сушилке наступает фаза первичной сушки, когда к материалу добавляется тепло в количестве, нужном для возгонки льда. Благодаря этому сублимируется около 95% воды. Это медленный этап, поскольку тепло добавляется постепенно, чтобы не повредить структуру материала. Контроль давления внутри лиофильной сушки происходит с помощью частичного вакуума — он ускоряет сушку.

Дальше наступает фаза вторичной сушки, направленная на удаление незамёрзших молекул воды. Температура поднимается выше, чем во время первичной фазы, иногда даже превышая ноль. Это помогает прервать любые физико-химические взаимодействия между молекулами воды и замороженным материалом. Давление снижается на этой стадии редко, чтобы происходила десорбция.

Вакуум после процедуры сублимации в лиофильной сушилке нарушается инертным газом, после чего продукт герметизируется. После сублимации в веществе остаётся очень малый процент жидкости, до 4%.