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

Наименование биопрепарата	Эвтектическая
	температура, минус °С
Туберкулин для млекопитающих	25
Антирабическая вакцина	30
Вакцина против сибирской язвы	40
Вакцина против трихофитии	40
Вакцина против псевдочумы птиц из штамма Ла-Сота	40
Вакцина против оспы птиц	45
Вакцина против ларинготрахеита птиц	40
Вакцина против бруцеллеза из штамма 82	48
Вакцина против чумы плотоядных из штамма КФ-668	45
Культуральная вирус-вакцина против чумы свиней	45
Культуральная вирус-вакцина против оспы овец	50
Вакцина против спирохетоза птиц	55

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.