Основные технологические процессы получения сухих биопрепаратов

- сублимационный (лиофильный);

- конвекторный;

- контактный;

- терморадиационный;

- токами высокой частоты;

- комбинированный.

Лиофильное высушивание биопрепаратов

Одним из основных методов консервирования биопрепаратов, позволяющих длительное время сохранять их активность, является метод лиофильного высушивния. Он позволяет сохранить практически без изменения первоначальные свойства живых и реже инактивированых вакцин - диагностических и лечебных сывороток, агентов и других биологически активных препаратов, используемых для профилактики, диагностики и лечения. Лиофильное высушивание состоит из двух приемов консервирования: замораживания и высушивания. Влагу из замороженных препаратов удаляют с использованием глубокого вакуума, минуя жидкую фазу. В процессе сушки влага перемещается в препарате не в виде жидкости, а в виде пара. В результате удается максимально сохранить специфические свойства белков, свести к минимуму их денатурацию, обеспечить живым клеткам и вирусам состояние длительного анабиоза, что позволяет получить стандартизированные по активности биопрепараты.

Консервирование биопрепаратов методом лиофильного высушивания имеет ряд преимуществ перед другими методами:

- снижается масса биопрепарата;

- длительное время сохраняется  исходная активность: вакцин - до 12-18 мес., сывороток - до 2-3 лет;

- прекращается рост микробных  контаминантов.

Высушенные препараты можно хранить при температуре +4…+80 С; допускается кратковременное повышение температуры до +10…+150С (на период транспортировки до 7 дней). Собственно сублимацию условно подразделяют на 2 этапа: 1) сушка при минусовых температурах при повышении температуры на 1-20С в час; 2) сушка при плюсовых температурах. Иногда эти периоды называют период удаления из материала свободной влаги и период удаления связанной влаги. Первый период заканчивается, когда температура материала приближается к нулю градусов. Во втором периоде досушивания температуру поднимают до конечной температуры препарата, равной +25…+280С. Как правило, продолжительность первого периода значительно больше второго. В первом периоде удаляется до 90% влаги, во втором остаточная влажность составляет 1-4%. Признаком окончания второго периода является достижение заданной температуры и удержание её на этом уровне 1-3 часа, при этом вакуум в системе постоянно поддерживается на минимальном уровне. После окончания сушки прекращают нагрев и выключают вакуум-насос, постепенно уменьшают вакуум, впуская через специальный фильтр стерильный атмосферный воздух, либо инертный газ, обеспечивающий более длительное хранение материала при плюсовых температурах. Сухой материал в ампулах запаивают под вакуумом, во флаконах герметически укупоривают, предварительно заполнив их инертным газом (аргоном, неоном, азотом).

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. Сушильные установки камерного типа непрерывного и периодического действия имеют ряд недостатков:

- большая продолжительность сушки;

- неравномерность высушивания материала;

- значительные потери тепла при  загрузке и выгрузке продукта;

- трудоемкость процесса. В сушильной  технике также используются барабанные  сушильные установки, представляющие  собой полый цилиндр с внутренней  насадкой для непрерывного пересыпания  и перемещения высушиваемого  материала, в который подается  теплоноситель.

Контактный метод высушивания

Этот метод сушки основывается на передаче тепла материалу при соприкосновении с горячей поверхностью. В качестве греющего теплоносителя используют чаще всего водяной пар, реже газы и высококипящие жидкости. Поток воздуха (вакуум) при этом способе служит только для удаления водяных паров из сушилки, являясь влагопоглотителем. По данным литературы, коэффициент теплоотдачи при этом способе значительно выше, чем при конвекторной сушке.

Простейшими контактными сушильными аппаратами являются вакуум-сушильные шкафы периодического действия. Такая сушилка представляет собой герметично закрывающуюся камеру, снабженную рядом полок, внутри которых проходит теплоноситель. Высушиваемый материал укладывается непосредственно на эти полки либо на съемные противни. Образующиеся при сушке пары отсасываются вакуум-насосом. Будучи очень металлоемкими эти сушилки в то же время малопроизводительны, что объясняется неподвижностью слоя высушиваемого материала и большей частью недостаточно полным контактом с поверхностью нагрева. Широкое применение получили вальцовые сушильные установки непрерывного действия различных конструктивных модификаций. В корпусе сушильной установки вращается полый барабан, обогреваемый изнутри тепловым агентом. Исходный жидкий материал непрерывно подается на барабан, где за один неполный оборот последнего высушивается и срезается ножами. Для большей производительности при конкретном обезвоживании используются двухвальцовые сушилки.

Терморадиационный метод высушивания

Сущность терморадиационного метода сушки состоит в том, что тепло материалу передается за счет невидимых тепловых (инфракрасных) лучей. Инфракрасные лучи (ИКЛ) - это лучи с длиной волны 0,77-340 мкм. По мнению ряда авторов, при сушке ИКЛ к материалу подводится тепловой поток в несколько десятков раз больше, чем при конвективном способе, следовательно, увеличивается и скорость сушки инфракрасными лучами по сравнению с конвективной, но не пропорционально увеличению теплового потока. Так, для биологических препаратов растительного происхождения сушка ИКЛ ускоряется по сравнению с интенсифицированными методами конвективной сушки на 25-95%. Чем меньше длина волны, тем больше проникающая способность инфракрасных лучей. Проницаемость материалов зависит в основном от толщины слоя и влажности продукта.

Для материалов, у которых размер частиц больше глубины проникновения инфракрасных лучей, рекомендуется прерывистое облучение. В период прекращения подачи ИКЛ температура на поверхности частиц материала падает вследствие продолжительного интенсивного испарения. Температура внутри частицы больше, чем на поверхности, и влага начинает перемещаться из центральных слоев к поверхностным под действием обоих градиентов: температуры и влагосодержания. По характеру излучателей инфракрасных лучей различают терморадиационные сушилки с электрическим и газовым обогревом. Наиболее широко используются на практике терморадиационные сушилки с газовыми панельными излучателями.

Метод сушки токами высокой частоты

При сушке токами высокой частоты (частота колебания 10-3000 МГц) органический материал помещается между обкладками конденсатора, к которым подается электрический ток высокой частоты. Продукты биологического происхождения представляют собой диэлектрики, имеющие некоторую проводимость, т.е. обладают свойствами полупроводников. В состав органических материалов входят ионы электролитов, электроны, полярные и неполярные молекулы диэлектриков. Неполярные молекулы состоят из жестких упругих диполей. Полярные молекулы с постоянным диполярным моментом ориентируются в электрическом поле. Под действием переменного электрического поля высокой частоты происходит регулируемый нагрев материала. Обкладки конденсатора имеют противоположный заряд, поэтому электроны и ионы перемещаются внутри материала к той или иной обкладке. При смене заряда на обкладках они перемещаются в противоположных направлениях, в результате чего неизбежно возникает трение с выделением тепла. Таким образом, энергия электромагнитных волн, затрачиваемая на преодоление этих трений, будет переходить в тепло. В электрическом поле высокой частоты нагрев частиц органического материала осуществляется за доли секунды. Поверхностные слои материала теряют часть тепла вследствие тепло и влагообмена с окружающей средой, поэтому температура материала будет выше внутри, чем снаружи. Под действием температурного градиента влага изнутри перемещается к поверхности частицы. Преимущества сушки токами высокой частоты по сравнению с конвективной и контактной состоит в возможности регулирования и поддержания определенной температуры внутри материала и интенсификации процесса. Однако большие затраты электроэнергии, сложное оборудование и обслуживание, повышенные требования техники безопасности ограничивают применение токов высокой частоты для сушки.

Комбинированные методы высушивания

В настоящее время для высушивания термолабильных препаратов, кроме рассматриваемых выше методов, применяются их различные комбинации, которые позволяют достичь высокого качества получаемой продукции, повышения производительности и экономичности процесса, уменьшения трудозатрат. Примерами комбинированных способов сушки могут служить распылительно-сублимационное высушивание, контактносорбционное обезвоживание и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

1. Воронин Е. С., Тихонов И. В. – Биотехнология, 2005 г. 
2. Егорова Т.А. и др. Основы биотехнологии: Учебное пособие для вузов. Издат.центр «Академия», 2003.
3. Николаев А.Н., Нилова И.В. Основы микробиологии и биотехнологии: Учебное пособие ,2002г.
4. Николаев А.Н., Большаков Н.Ю. Основы микробиологии и биотехнологии: Лабораторный практикум.