Kylmäkuivauksen vaiheiden vaikutus biomolekyylien kylmäkuivausprosessin tehokkuuteen ja kestoon
Kylmäkuivausta eli lyofilisointia käytetään monilla eri teollisuudenaloilla kuten elintarvike- ja lääketeollisuudessa. Tunnettuja esimerkkejä kylmäkuivauksesta elintarviketeollisuudessa ovat kuivatut marjat ja retkiruoat, ja lääketeollisuudessa kylmäkuivausta käytetään osana lääkkeiden valmistusprosessia, koska ne ovat useimmiten epästabiileja liuosmuodossa.
Kylmäkuivaus sopii erityisesti myös biomolekyylejä sisältäville tuotteille, sillä kylmäkuivauksessa käytetään alhaisia lämpötiloja eikä se tällöin vahingoita lämpötilalle herkkiä biomolekyylejä. Kylmäkuivaus parantaa biomolekyylien stabiiliutta hidastamalla niissä tapahtuvia kemiallisia ja fysikaalisia hajoamisreaktioita. Kylmäkuivattu tuote on stabiili niin kauan kuin sen biomolekyylien aktiivisuus on määrätyissä rajoissa.
Kylmäkuivaus
Kylmäkuivaus on prosessi, jossa jäädytetyistä tuotteista poistetaan vettä sublimaation avulla. Sublimaatiossa painetta alennetaan ja lämpötilaa nostetaan, jolloin jää muuttuu suoraan vesihöyryksi muuttumatta välissä vedeksi. Kylmäkuivaus koostuu kolmesta vaiheesta: jäädytys, primaarinen kuivaus ja sekundaarinen kuivaus. Olosuhteet kylmäkuivauksen kunkin vaiheen aikana vaikuttavat kylmäkuivausprosessin tehokkuuteen ja kestoon sekä kylmäkuivatun tuotteen stabiiliuteen. Tuote on ensin jäädytettävä, koska siinä oleva vesi poistetaan sublimaatiolla primaarisen kuivauksen aikana. Primaarisessa kuivauksessa paine pidetään alhaisena ja lämpötilaa nostetaan asteittain. Sekundaarisessa kuivauksessa jäljellä oleva tuotteen rakenteeseen sitoutunut vesi poistetaan lämpötilaa edelleen nostamalla. Kylmäkuivaus parantaa tuotteiden stabiiliutta ja säilyvyyttä, sekä helpottaa myös niiden käsittelyä kuljetuksen ja varastoinnin aikana.
Jäädytys
Jäädytys on kylmäkuivauksen monimutkaisin ja kriittisin vaihe, ja se vaikuttaa sekä kylmäkuivausprosessin tehokkuuteen että tuotteen laatuun. Jäädytyksen aikana vesi erottuu liuenneista aineista muodostaen jääkiteitä. Jäätymisnopeus vaikuttaa jääkiteiden muodostumiseen, ja jääkiteiden koko vaikuttaa jäädytetyn tuotteen rakenteeseen. Jäädytetyn tuotteen kiderakenteella on suuri vaikutus sublimaation tehokkuuteen primaarisen ja sekundaarisen kuivauksen aikana, mikä edelleen vaikuttaa kylmäkuivatun tuotteen lopullisiin ominaisuuksiin. Mitä nopeammin tuote jäädytetään, sitä pienempiä jääkiteitä muodostuu, mutta samalla tuotteiden kuivuminen hidastuu. Hitaampi jäädytys johtaa suurempiin jääkiteisiin ja tehokkaampaan kuivumiseen. Hitaampi jäädytys saattaa kuitenkin aiheuttaa tuotteen biomolekyyleille myös haitallisia reaktioita, jotka heikentävät molekyylien stabiiliutta, joten jäädytyksessä on otettava huomioon aina myös tuotteen ominaisuudet. Jäädytyksen tavoitteena on saavuttaa mahdollisimman isoja jääkiteitä ilman haittavaikutuksia tuotteille. Jäädytysmenetelmä riippuu biomolekyylien ominaisuuksista ja käytetystä kylmäkuivaimesta. Tuotteet voidaan jäädyttää esimerkiksi erillisessä pakastimessa, kylmäkuivaimen hyllyillä tai nestetypellä. Jos jäädytyksen aikana pystytään maksimoimaan tuotteen pinta-ala ja minimoimaan jäädytetyn tuotekerroksen paksuus, niin kuivuminen tehostuu.
Primaarinen kuivaus
Primaarisen kuivauksen päätarkoitus on poistaa suuri osa vedestä jäädytetystä tuotteesta sublimaation avulla. Kylmäkuivaimen painetta lasketaan ja lämpötilaa nostetaan sublimaatioprosessin käynnistämiseksi. Sublimaation aikana vesi haihtuu tuotteesta ja lauhdutin kerää vapautuneen vesihöyryn. Sublimaationopeuteen vaikuttavia asioita ovat tuotteen koostumus, käytetty tilavuus sekä tuotteen lämpötila ja käytetty paine kuivauksen aikana.
Jokaisella tuotteella on oma kriittinen romahduslämpötilansa, joka on korkein lämpötila, jonka tuotteen rakenne kestää kuivauksen aikana sulamatta tai romahtamatta. Primaarinen kuivaus tulee suorittaa tuotteen kriittisen romahduslämpötilan alapuolella, mutta tuotteen lämpötilan tulisi kuitenkin olla mahdollisimman lähellä kriittistä romahduslämpötilaa, jotta sublimaationopeus kasvaa ja primaarikuivaukseen kuluva aika lyhenee. Jo yhden asteen nousu tuotteen lämpötilassa voi lyhentää primaarisen kuivauksen pituutta 13 %:lla. Tuotteen lämpötilan ja kriittisen romahduslämpötilan välistä lämpötilaeroa kutsutaan lämpötilan turvamarginaaliksi ja se on yleensä 2-5 °C.
Sublimaationopeus riippuu myös tuotteen ja lauhduttimen höyrynpaineen erosta. Höyrynpainetta voidaan säädellä lämpötilan avulla ja mitä alhaisempi lämpötila on, sitä pienempi on myös höyrynpaine. Koska vesimolekyyleillä on luonnollinen ominaisuus siirtyä korkeamman paineen alueelta matalampaan paineeseen, on tärkeää, että lauhduttimen lämpötila on huomattavasti kylmempi kuin tuotteen lämpötila.
Sekundaarinen kuivaus
Tuotteessa on vielä primaarisen kuivauksen jälkeen jonkin verran vettä sitoutuneena, ja tuotteen kosteuspitoisuus on yleensä 5–10 %. Tällainen kosteuspitoisuus on useimmissa tapauksissa liian korkea biomolekyylien pitkäkestoiselle stabiiliudelle. Sekundaarisen kuivauksen päätarkoituksena on vähentää jäljellä olevan veden määrää lämpötilaa edelleen nostamalla, jotta saavutettaisiin optimaalinen kosteuspitoisuus, joka on yleensä biomolekyylejä sisältävillä tuotteilla 0,5 % – 3 %.
Sekundaarinen kuivausaika riippuu tuotteen koostumuksesta, konsentraatiosta ja tuotteen lämpötilasta. Mitä korkeampi tuotteen lämpötila on, sitä nopeampaa on myös veden haihtuminen. Mitä suurempi tuotteen biomolekyylien konsentraatio on, sitä vaikeampaa on sitoutuneen veden poistaminen. Optimaalinen sekundaarinen kuivausaika voidaan määrittää reaaliaikaisella jäännöskosteusmittauksella, jonka aikana kylmäkuivaimesta otetaan näytteitä tietyin väliajoin ja niiden kosteuspitoisuus mitataan. Sekundaarinen kuivaus voidaan lopettaa, kun tuotteella on sopiva kosteuspitoisuus pitkäkestoiseen säilytykseen.
Lähteet
Toivola, J. 2023. Optimization of freeze-drying process – Theseus Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.