Основные методы высушивания в биотехнологии

Московская Государственная  Академия Ветеринарной Медицины и Биотехнологии  им. К.И. Скрябина

РЕФЕРАТ

по предмету: Биотехнология

На тему: 

«Основные методы высушивания в биотехнологии»

Выполнила студентка ФВМ

5 курса 15 группы

Рыбицкая Екатерина

Москва 2012

План:

Введение.........................................................................................................2

1. Лиофильное (сублимация) высушивание биопрепаратов.........................4
2. Конвективный метод высушивания биопрепаратов................................14
3. Контактный метод высушивания..............................................................16
4. Терморадиационный метод высушивания................................................16
5. Сушка токами высокой частоты…………………………………………17
6. Комбинированные методы высушивания……………………………….18
7. Заключение………………………………………………………………..18

Список литературы.....................................................................................19

Введение.

 Необходимость стабилизации  материалов биологического происхождения,  связанная с их чрезвычайной  нестойкостью, возникла на заре  биологической науки. Известно, что  в обычных условиях продолжительность  сохранения большинства биологических  продуктов исчисляется несколькими  днями. В связи с этим разрабатывались  различные способы консервирования  биологических препаратов, которые  в настоящие время можно разделить на:

• консервирование при положительных температурах с помощью химических соединений (хлороформ, фенол, глицерин, формалин и т.д.);
• консервирование при низких температурах (замораживание); - консервирование высушиванием.

Высушивание является одним  из наиболее совершенных процессов  стабилизации свойств продуктов  биологического (растительного, животного, микробиологического) происхождения  и позволяет сохранять данные продуты в обычных условиях длительное время. Кроме того, существенно уменьшенная  масса позволяет значительно  снизить транспортные расходы и  затраты на тару.

Необходимо отметить, что  обезвоживание – трудный технологический  процесс, который часто является решающим этапом производства, влияющим на качество выпускаемой продукции. Достоинством искусственного высушивания  является значительно меньшие затраты  времени на удаление влаги. Процесс  сушки – это разнообразный  комплекс тепловых, диффузионных, часто  биологических и химических явлений (особенно когда дело касается интенсивной  сушки). Препараты биологического происхождения  обычно представляют собой сложные  объекты сушки, характеризующиеся  рядом показателей, важнейшими из которых  являются начальная, конечная и равновесная  влажность, термические, электрофизические, структурно-механические и массообменные  характеристики. Разнообразие свойств  продуктов требует индивидуального  подхода к разработке рациональных методов их сушки (с учетом требований к качеству готового изделия)

В настоящее время различают  естественную сушку на открытом воздухе  и искусственную, в специальных  устройствах с организованным и  регулируемым подводом сушильного агента.

По мнению ряда авторов, наиболее широкое внедрение на практике получили следующие методы сушки:

• сублимационный (лиофильный);
• конвекторный;
• контактный;
• терморадиационный;
• токами высокой частоты;
• комбинированный.

 Лиофильное (сублимация) высушивание биопрепаратов.

При производстве широкого ассортимента лечебно-профилактических и диагностических биопрепаратов наиболее широко используется метод замораживания-высушивания (сублимация), который был впервые применен в промышленных масштабах в 1935 г.

Сущность сублимационного высушивания  состоит в том, что влага из замороженного состояния (льда) переходит в газообразное, минуя жидкую фазу.

Сушка продукта методом сублимации обладает рядом существенных преимуществ перед другими методами (в частности, распылительной сушкой):

• содержание влаги в продукте может быть доведено до крайне низкого уровня (I - 3%);
• возможность сушки в емкостях (флаконы, ампулы) под вакуумом или в атмосфере инертного газа снижает окислительную денатурацию продукта;
• масса удаленной влаги легко определяется по снижению веса продукта.
• снижается масса биопрепарата;
• длительное время сохраняется исходная активность: вакцин – до 12-18 мес., сывороток – до 2-3 лет;
• прекращается рост микробных контаминантов

Этот метод не может  быть использован при высушивании  продуктов, которые для образования льда требуют переохлаждения или при замораживании образуют пленку на поверхности, которая ограничивает выход паров сублимационной влаги.

Процесс сублимационного высушивания  осуществляется в четыре стадии:

• предварительное замораживание;
• первичное высушивание (сублимация в вакууме);
• вторичное высушивание (досушивание) или вакуумная десорбция;
• окончание процесса сушки и извлечение высушенного материала.

Основным фактором, определяющим выживаемость микроорганизмов, качество и сохраняемость препаратов в период досушивания, следует считать температуру материалов, которая является функцией их физико-химических, биохимических и структурно-механических свойств. Для микроорганизмов доступны более низкие температуры досушивания.

Биологические препараты, подлежащие сублимационному высушиванию, сложны по своему составу. Помимо биологически активной части они содержат различные органические и неорганические соединения, а также значительное количество воды. При замораживании и последующем высушивании в биологических препаратах протекают различные физико-химические процессы. Конечный продукт сублимационной сушки - сухой биопрепарат имеет небольшую остаточную влажность, но ее величина существенным образом сказывается на качестве выпускаемых биопрепаратов. Известно, что чрезмерно обезвоженный биопрепарат необратимо утрачивает свою активность, повышенная остаточная влажность биопрепарата приводит к быстрой потере активности в процессе хранения.

Основные физико-химические процессы, происходящие в биопрепаратах при сублимационном высушивании. Перед помещением в камеру сублимационной установки для высушивания биопрепараты предварительно замораживают. Упрощенно процессы, происходящие в биопрепаратах при замораживании, можно представить на примере замораживания раствора какой-нибудь соли, например, хлористого натрия. При снижении температуры раствора несколько ниже О °С начинает кристаллизоваться чистая вода. При дальнейшем понижении температуры количество льда будет расти и раствор затвердевает. Однако под микроскопом в затвердевшем растворе будут видны многочисленные каналы, заполненные жидкостью

Когда температура замораживаемого  раствора достигнет -21,2 °С, вся жидкость переходит в твердую фазу (лед). Температура, при которой происходит данное превращение, называется эвтектической, она различна для разных материалов.

Предварительное замораживание. Для лиофильного высушивания используются специальные установки (сублиматоры, установки для лиофильной сушки), в которых в определенном режиме поддерживаются два показателя - температура и давление (вакуум).

Предварительное замораживание высушиваемого продукта является технологически самой важной стадией процесса сублимации. При осуществлении данной стадии следует особое внимание обращать на следующие аспекты:

• предварительное замораживание должно осуществляться ниже эвтектической точки самого низкотемпературного компонента высушиваемого вещества;
• поддерживание оптимальной скорости замораживания при обеспечении минимально возможных воздействий на биологический объект (клетку) кристаллов льда и электролитов

Эвтектическая точка. Для любого сложного раствора, в том числе и биологического, существует эвтектическая температура (точка), при которой происходит полное замораживание материала, а в замороженной массе не будет свободной влаги.

Для определения эвтектической  точки замерзания любого раствора можно  использовать эффект резкого увеличения его сопротивления при переходе жидкости (проводник второго ряда) в твердое состояние (лед), который по своим характеристикам аналогичен диэлектрику и может быть определен с помощью прибора для измерения удельного сопротивления (кондуктометра) с одновременным измерением температуры.

Таблица 1 Эвтектические  температуры для ряда биопрепаратов

В настоящее время с уверенностью можно сказать, что для большинства  биопрепаратов эвтектические температуры  лежат в диапазоне от -25 до -70 °С.

Только в том случае, если обеспечено полное предварительное замораживание  сублимационно высушиваемого материала, можно создавать вакуум для второй стадии первичного высушивания - сублимации льда.

Если вакуум приложен к  не полностью замороженному или  переохлажденному материалу, то наблюдается  эффект его вспенивания, что резко снизит качество высушенного продукта - выживаемость, время хранения, активность и т.д.

Такое значение эвтектической температуры (точки) сложных биологических растворов  связано с эффектом коллапса, который  возникает, если подлежащий сублимации материал охлаждают ниже эвтектической температуры.

Эффект коллапса (депрессии) проявляется  в том, что замораживаемая система теряет способность к полной кристаллизации. Этот эффект имеет место, когда раствор охлаждается ниже «кажущейся» эвтектики таким образом, что внутри замороженной массы остаются мельчайшие полоски с незамороженной влагой. Особенно часто это проявляется для веществ, находящихся в аморфном фазовом состоянии.

Температура коллапса не должна отождествляться  с эвтектической температурой; она не зависит от скорости замораживания и концентрации низкотемпературного растворенного вещества.

Следовательно, знание значений величин  эвтектических температур препаратов позволит избежать проявления данного нежелательного эффекта.

Скорость замораживания. Замораживание - важная стадия процесса сублимационной сушки. Температура и скорость замораживания влаги в сложных растворах зависит от вида связи влаги с материалом, а процесс образования льда оказывает существенное воздействие на структуру сухого каркаса материала.

Деструкционные воздействия на клеточные мембраны и органеллы при неблагоприятных режимах замораживания можно условно разделить на три группы:

• механическое разрушение при кристаллизации;
• денатурация мембраны из-за резкого повышения концентрации солей;
• потеря мембранного потенциала из-за снижения разности концентрации внутри и вне клетки.

Следовательно, при сублимационной сушке необходимо чаще экспериментально выбирать оптимальные условия кристаллизации влаги при предварительном замораживании.

Оптимальной скоростью замораживания  считается скорость, равная 1 мм/мин. При таком режиме замораживание начинается со стороны основания емкости с биопрепаратом и распространяется через слой жидкости. При этом обеспечивается образование оптимальной структуры кристаллов льда и свободный выход воды из ледяной матрицы. Верхним допустимым пределом заполнения емкости жидким материалом являегся высота, равная 10 мм. Однако данные по скорости замораживания крайне противоречивы и требуются фундаментальные исследования этого процесса применительно к бактерийным и вирусным препаратам.

Для оптимизации режима работы сублимационных установок, режимов досушивания, выпуска  биопрепаратов высшего качества необходим тщательный анализ процессов, протекающих в биопрепаратах при их замораживании и высушивании, подробное изучение влияния воды на стабильность биологических препаратов. Известно, как велико влияние воды на свойства самых различных материалов. Особое значение вода имеет в сложнейших биологических структурах, где она принимает непосредственное участие в их формировании и функционировании.

Процесс высушивания биологических  препаратов из замороженного состояния обычно разбивают на два основных периода, за границу между которыми принимают нулевую температуру препарата.

Первый период - сублимационный, температура  препарата ниже 0 °С (обычно -20 - -30°  С). В течение этого периода  свободная вода в форме льда удаляется  из препарата полностью и его  температура повышается до 0 °С. Влажность  препарата составляет в это время 5 - 10 % и обусловлена связанной  водой.

Во второй период температура препарата  положительна и происходит удаление связанной воды. В конце этого периода температура доходит до 30 - 40 °С и создаются условия для удаления воды, связанной с препаратом более прочными связями. Влажность препарата снижается к концу этого периода до 1 - 3 %.

Следует отметить, что разделение процесса сублимационного высушивания  на два основных периода - период удаления свободной воды и период удаления связанной воды, является весьма условным, так как определенная часть связанной воды с наименьшей энергией связи может быть удалена в первый период.

Первичное высушивание. Для осуществления режима первичного высушивания (сублимации льда) в камере сублиматора создается вакуум для того, чтобы обеспечить свободную диффузию водяных паров от замороженной массы к охлажденной поверхности конденсатора. Рассматривая удаление паров воды из замороженного материала как диффузионный процесс, можно отметить, что процесс замораживания - высушивания является относительно медленным.

В работах по исследованию моделей  массопереноса при сублимации льда из продукта предполагается наличие непрерывных каналов, образованных сублимированным льдом, окруженных каркасом продукта с низкой проницаемостью (при этом пар, образовавшийся при быстром замораживании за счет температурных напряжений, диффундирует через этот каркас).

Тепло при сублимации льда можно  подводить тогда, когда в камере будет достигнут вакуум 0,2 мм рг.ст., что обуславливает концентрацию кислорода в десятки тысяч раз ниже, чем при атмосферном давлении. При этих условиях возможность окислительных процессов в материале очень незначительна.

Физические основы сублимационного  метода высушивания определяются известной  зависимостью между температурой воды и давлением насыщенного пара над ее поверхностью Испарение воды происходит при любой температуре, по величина давления насыщенного пара резко снижается при понижении температуры. В области сублимации при температурах ниже 0 °С, когда вода находится в твердой фазе, давление насыщенного пара имеет величины ниже 4,6 мм рт. ст.

Осуществление процесса высушивания  при таком низком давлении пара становится возможным лишь при достаточно высокой скорости испарения. Наиболее существенное влияние на скорость испарения оказывает давление воздуха над поверхностью воды или льда. При значительном понижении давления воздуха, т.е. при повышении вакуума, интенсивность испарения резко возрастает. При высушивании методом сублимации давление воздуха над препаратом должно быть ниже, чем давление насыщенного пара льда при температуре сублимации данного препарата. Например, если препарат высушивается при -25 °С , то соответствующее этой температуре давление насыщенного пара равно 0,476 мм рт.ст. Следовательно, давление воздуха при высушивании должно быть еще ниже.

Интенсивное испарение нельзя осуществить  без непрерывного отвода пара с поверхности  высушиваемого вещества. Снижение скорости отвода пара влечет за собой повышение давления над материалом, уменьшение перепада давлений и снижение скорости высушивания. Эффективное удаление пара при высушивании биопрепаратов представляет наиболее ответственную технологическую задачу.

Обычно используются два способа  отвода пара: конденсация на охлажденных  поверхностях и связывание химическими  поглотителями.

Интенсивность процесса высушивания  с непрерывным образованием водяного пара и непрерывным его отводом с поверхности материала определяется, прежде всего, разностью давлений пара над препаратом и в той части установки, которая предназначена для удаления пара. Очевидно, что чем больше разность давлений пара, тем выше скорость высушивания, и наоборот.

Разность давлений может быть достигнута как путем повышения давления пара над поверхностью высушиваемого  материала, так и путем снижения давления в конденсаторе или поглотительном устройстве. Следовательно, практическая задача при высушивании сводится к тому, чтобы, с одной стороны, поднять до допустимых пределов температуру препарата, а, с другой - понизить температуру конденсатора (имеется в виду охлаждаемый конденсатор).

При высушивании живых микроорганизмов  температура сублимации обычно поддерживается на уровне -25 - -30°.

Что же касается температуры конденсации, то существенное повышение эффективности конденсаторов достигается понижением их температуры лишь до определенной границы, именно до температуры порядка -40 - -50°. Применение более низких температур заметно не увеличивает перепад давлений и поэтому не повышает интенсивность высушивания.

Вторичное высушивание. На протяжении большей части цикла сублимации высушиваемый продукт находится при значительно более низкой температуре, чем полки сублиматора. Лишь к концу этого цикла температура продукта сравнивается с температурой полок. Конечное содержание воды после первичного высушивания обычно составляет от 7 до 10 %. Следовательно, для достижения влаги в диапазоне от 1 до 3 %, с которым обычно выпускаются биопрепараты, необходим цикл вторичного высушивания.

Эта дополнительная стадия высушивания называется десорбцией. При осуществлении данной стадии необходимо избежать эффекта пересушки, т.е. снижения допустимого содержания влаги ниже 1 %

Окончание сушки. Для хранения высушенных препаратов используются стеклянные флаконы, закрываемые резиновыми пробками и запаянные ампулы. Для увеличения сроков хранения закрывание флаконов осуществляется в атмосфере инертного газа, а запайка ампул - иод вакуумом.

Характерные признаки, свидетельствующие  о неправильном ли- офильном высушивании  биопрепарата:

• появление пузырьков на поверхности материала, как результат наличия в замороженной массе некоторого количества жидкости;
• крупная неравномерная пористость;
• неравномерная окраска сухого препарата;
• значительное сокращение объема, но сравнению с исходным;
• плохое отставание сухой массы от стенок ампулы или флакона;
• плохая растворимость высушенного материала.

Практика позволяет рекомендовать  флаконы для кратковременного хранения высушиваемых препаратов, а ампулы - для хранения культур и реактивов в течение нескольких лет.

Оборудование дли сублимационного высушивании. По принципу работы сублимационные установки классифицируются на установки периодического и непрерывного действия.

Установки периодического действия делятся  на однокамерные и многокамерные, а  непрерывного действия - не непрерывно-циклические, непрерывно-ступенчатые, непрерывно-проточные и непрерывного действия.

                          Таблица 2: Классификация основных типов сублимационных сушилок

Рис. 1 Схема сублимационный сушилки СТ-100 фирмы «Лейбольд»: 1 - кон- денсатор-вымораживатель; 2 - вентиль; 3 - насос; 4 - первая ступень холодильного агрегата; 5 - подогрев теплоносителя; 6 - охлаждение теплоносителя; 7 - терморегулятор; 8 - самопишущий прибор; 9 - регулятор давления в сушильной камере; 10 - вакуумметр; 11 - фильтросушитель; 12 - сублимационная камера; 13 - лотки с продуктом

Контроль процесса сублимационной сушки. Технологический процесс лиофилизации, таким образом, включает ряд этапов:

1. Подготовка материала для сушки и выбор соответствующего криопротектора (компонентов среды высушивания).
2. Подготовка установки для высушивания.
3. Предварительное охлаждение препарата, подлежащего сушке, после расфасовки в ампулы или флаконы. Определение эвтектических температур.
4. Сублимация и досушивание препарата при подогреве. Замораживание и высушивание осуществляется по установленным режимам.
5. Вакуумная или обычная укупорка после сушки, т.е. создание условий для длительного хранения сухих препаратов.
6. Определение активности, стерильности или наличия посторонних контаминантов, остаточной влажности и другие показатели согласно нормативным документам на препарат

Рис. 2 Технологическая  схема производства сухих биопрепаратов

Одним из параметров процесса сублимационной сушки является температура высушиваемого биопрепарата, которая может регулироваться с помощью

нагревательных элементов, расположенных  в плитах, на которых стоят кассеты  с биопрепаратом. От температурного режима сушки в значительной степени зависит ее продолжительность и качество высушенного препарата.

В настоящее время для контроля температуры биопрепаратов разработаны  надежные и небольшие по размеру  термометры сопротивления, которые помещают во флакон с препаратом перед замораживанием. Помимо температуры самого препарата в процессе сушки контролируется, как правило, температура конденсатора и температура нагревательных плит.

Доступность и надежность контроля температуры биопрепаратов в  процессе сушки, а также отсутствие методов регистрации окончания сушки привели к тому, что в настоящее время значение температуры биопрепарата часто используется при определении момента завершения процесса сушки. Сушка считается законченной по прошествии определенного времени с момента достижения продуктом нулевой температуры или ио прошествии определенного времени с момента, когда температура продукта перестает изменяться. В обоих случаях необходимое время определяют в контрольных опытах. Естественно, что при таком способе определения момента завершения процесса сушки, остаточная влажность биопрепарата не всегда попадает в заданные границы.

На температурный режим сушки  и кинетику удаления влаги из материала  существенное влияние оказывает давление в камере сублиматора. Для измерения давления разработаны различные вакуумметры (термопарные, ионизационные и др.), позволяющие контролировать давление в широких пределах.

Измерение давления в камере сублиматора  используется в так называемом барометрическом методе определения температуры биоматериала. Согласно этому методу, через определенные моменты времени сублимационная камера на несколько секунд отключается от конденсатора, что приводит к повышению в ней давления до значения, которое будет соответствовать давлению насыщенного пара над материалом. О температуре судят по давлению насыщенного пара, т.к. эти параметры харктеризуются взаимозависимостью.

Когда лед из биопрепарата удален полностью, повышение давления при отсоединении сублимационной камеры становится незначительным, что ограничивает применение барометрического метода и не позволяет использовать его при определении завершенности процесса сушки.

Еще одним параметром, характеризующим  процесс сублимационной сушки, является скорость удаления влаги из материала. Этот параметр характеризует кинетику сушки и учитывается при расчете вакуумной системы сублимационного аппарата, а также при оптимизации процесса сушки.

Для наиболее точного контроля процесса сублимационной сушки используют еще  несколько параметров и формул для  их расчета – все это очень  важный и трудоемкий процесс, необходимый  для качественного изготовления биопрепаратов.

Конвективный метод высушивания  биопрепаратов.

Конвективный метод высушивания  является самым распространенным в  биологической промышленности, на нем  основана работа подавляющего большинства  сушильных установок. В качестве сушильного агента применяют нагретый воздух, топочный газ или перегретый пар. Сушильный агент передает тепло  материалу, под действием которого из материала удаляется влага  в виде пара, поступающая в окружающую среду. Таким образом, сушильный  агент при конвективной сушке  является теплоносителем и влагопоглотителем.

Конвективный метод нашел  применение в камерных сушильных  установках. В таких аппаратах  сушка материала производится периодически при атмосферном давлении. Сушилки  имеют одну или несколько камер, в которых высушиваемый материал в зависимости от его вида располагается  на сетках, противнях, шестах и т.д. и  сушится в неподвижном состоянии. Поток нагретого воздуха проходит вдоль высушиваемого продукта и  испаряет из него влагу.

Камерными сушильными установками  непрерывного действия являются туннельные сушилки, работающие при атмосферном  давлении. Камеры представляют собой  длинный герметично закрытый туннель, в котором высушиваемый материал перемещается прямо или в противотоке  сушильного агента, на кюветах или  по ленте транспортера.