Uscarea prin congelare este sublimarea gheții din materialul înghețat la presiune redusă și necesită depozitare într-o atmosferă inertă fie sub vid, fie la presiune atmosferică într-un gaz inert.

congelare

Termeni asociați:

  • Enzime
  • Chitosan
  • Colagen
  • Matrice extracelulara
  • În Vivo
  • Apos
  • Lipide
  • Peptidă
  • Proteină
  • Gelatină

Descărcați în format PDF

Despre această pagină

Temeiul pentru livrarea vaccinului pulmonar: formulare și considerații privind dispozitivul

19.7.3 Uscare prin congelare prin pulverizare

Liofilizarea prin pulverizare combină uscarea prin pulverizare și liofilizarea. În cazul uscării prin pulverizare, o soluție este pulverizată într-o cameră de aer fierbinte, în timp ce prin uscare prin congelare prin pulverizare, soluția este pulverizată în mediu criogenic. Etapele rămase sunt aceleași cu uscare prin congelare (adică congelare, uscare primară și uscare secundară). Uscarea prin congelare prin pulverizare stabilizează biofarmaceuticele de tensiunile termice. Patil și colab. s-a explorat liofilizarea prin pulverizare pentru a produce formulări de pulbere uscată a vaccinului antigripal viral inactivat întreg. Aceste formulări conțin inulină ca crioprotector și includ adjuvanți. După inhalarea pulmonară aceste formulări au produs atât răspunsuri imune sistemice cât și mucoase. 65

Sisteme și dispozitive purtătoare pe bază de lipozomi utilizate pentru administrarea pulmonară de medicamente

Iftikhar Khan,. Waqar Ahmed, în Biomateriale și Medical Tribology, 2013

9.4.3 Uscare prin congelare

Preparatele lipozomice nu au prezentat nicio modificare fizică înainte sau după uscare prin congelare. Cu toate acestea, a crescut stabilitatea și a redus timpul de reconstituire (Elhissi A. M. A. și Taylor 2005, Lee și colab. 2007).

Considerații specifice în proiectarea schelelor pentru ingineria țesuturilor orale

10.2.3 Uscare prin congelare

Uscarea prin congelare a fost recent utilizată ca metodă adecvată pentru fabricarea structurilor poroase 3D în ingineria țesuturilor. Această metodă este utilizată în mod obișnuit ca proces aplicabil în domeniul farmaceutic, al stabilizării enzimei și al științelor alimentare pentru a converti soluțiile în materiale solide. Există trei pași principali în procesul de uscare prin congelare. Soluția este mai întâi înghețată la o temperatură extrem de scăzută

−70 la -80 ° C. Apoi soluția este parțial uscată prin reducerea presiunii, cunoscută sub numele de uscare inițială. În cele din urmă, în procesul de uscare secundară, apa reziduală este extrasă. Utilizarea apei în locul solventului organic este considerată drept principalul avantaj al liofilizării. Prin urmare, această metodă este mai biocompatibilă față de alte metode de fabricare a schelelor. Cu toate acestea, producerea unei structuri poroase înalt ordonate și ierarhizate prin uscare prin congelare necesită investigații suplimentare. De exemplu, Whang și colab. a raportat prepararea schelelor poroase prin metoda de liofilizare. Au folosit polizaharide pentru fabricarea schelelor și au investigat proliferarea și aderența celulelor stem mezenchimale pe schele (Whang și colab., 1995).

Biotehnologie medicală și asistență medicală

5.41.5.1 Uscarea prin congelare a proteinelor

Liofilizarea în sine este un proces complex și sunt necesare considerații atente înainte ca o proteină farmaceutică să fie liofilizată: (1) natura formulării pentru liofilizare; (2) proprietățile sale fizico-chimice; iar (3) dimensiunile vasului care conține în timpul liofilizării determină condițiile ideale de congelare. În rezumat, următoarele considerații sunt necesare înainte de liofilizare [31]:

produs: compoziție, formulare, concentrație, conținut solid și volum de umplere;

recipient: tip (flacon, fiolă, seringă), material (coeficienți de transfer de căldură), dimensiuni, dopuri și membrane (rezistențe de transfer de masă);

sistem: model (o cameră cu condensator integrat, două camere), raft sau tăvi de încărcare, termocupluri (număr, tip, poziție) și manometre; și

proces: temperatura raftului, presiunea camerei și timpul (răcire, recoacere, cicluri de uscare primară și secundară)

Din enumerarea de mai sus se poate observa că o discuție detaliată a procesului de uscare prin congelare depășește scopul acestui articol. Prin urmare, referințele specifice despre liofilizare enumerate la sfârșitul acestui articol sunt recomandate cititorului interesat.

Uscarea prin congelare a microorganismelor

Pericole de siguranță biologică cu uscare prin congelare

Liofilizarea microorganismelor patogene prezintă pericole biologice semnificative pentru siguranță. În timpul liofilizării, suspensiile foarte concentrate sunt manipulate și procesate. Adesea, aceste suspensii sunt mult mai concentrate decât este normal într-un laborator de microbiologie. Din aceste motive, pot fi necesare măsuri de siguranță mai extinse decât este necesar în mod normal la manipularea agentului patogen. Se recomandă utilizarea unui dulap de siguranță biologică.

Există riscuri asociate cu fierberea produsului în timpul procesului de liofilizare. Dacă produsul este decongelat sau dezghețat în timpul procesului de uscare, atunci are loc fierberea produsului. Acest lucru are ca rezultat pulverizarea produsului în tot uscătorul de congelare. Acesta poate fi un pericol biologic semnificativ în cazul microorganismelor patogene, în special al agenților patogeni respiratori. Fierberea poate fi cauzată de pierderea de energie electrică în primele etape ale liofilizării. Pierderea de energie electrică în timpul unui ciclu de uscare prin congelare poate cauza topirea produsului, iar atunci când curentul revine la pompa de vid se poate alimenta și poate provoca fierberea produsului. Dacă fierberea are loc în timp ce liofilizează microorganismele patogene atunci trebuie luate măsuri de precauție adecvate înainte de deschiderea uscătorului de congelare.

Pompele de vid utilizate de uscătoarele de congelare conțin ulei de vid. Este important ca filtrele adecvate de ceață de ulei să fie instalate, deoarece ceațele de ulei din pompele de vid pot fi cancerigene. Mai mult, există riscuri asociate creșterii microorganismelor patogene în uleiul pompei de vid. O serie de focare de boală a legionarilor au avut loc în fabrici și ateliere în care Legionella a colonizat ulei de pompă. Ceaile de ulei și spray-ul din aceste uleiuri au infectat lucrătorii.

Nu suntem conștienți de cazurile în care pompa de vid cu uscător de congelare a devenit colonizată cu Legionella, dar când se usucă prin congelare, Legionella vă recomandăm să instalați un filtru adecvat între cameră și pompa de vid.

USCARE LA RECE Modificări structurale și de aromă (aromă)

fundal

Uscarea prin congelare este un proces de deshidratare adecvat în special conservării produselor biologice. În comparație cu alte procese de uscare, liofilizarea este considerată o referință pentru fabricarea produsului deshidratat de înaltă calitate. Tranziția directă a apei de la solid la vapori (sublimare), fără o fază lichidă, ajută la păstrarea majorității proprietăților materiei prime inițiale, cum ar fi aspectul, forma, gustul, culoarea și aroma. Ca o proprietate funcțională importantă, produsul liofilizat are o capacitate mare de rehidratare. Principala limită a dezvoltării industriale este costul său datorită productivității scăzute. În consecință, cu excepția aplicației pentru material biologic activ (bacterii, vaccin), utilizarea liofilizării este limitată în industria alimentară la produse cu valoare adăugată ridicată precum cafeaua, ingrediente pentru alimentele gata consumate (fructe și legume, carne și pește) și ierburi aromate.

CAFEA | Instantaneu

Uscare la rece

Uscarea prin congelare a avut un succes deosebit pentru extractele de cafea, când utilizarea sa pentru alte lichide/solide alimentare a scăzut semnificativ în ultimele decenii. Cu toate acestea, a fost dezvoltată o tehnică specializată, brevetată mai întâi în jurul anului 1965, prin care extractul de cafea este mai întâi înghețat, iar apoi plăcile sunt granulate, în timp ce sunt încă congelate, până la particule de aproximativ aceeași dimensiune dorită în produsul uscat finit. Particulele supradimensionate/subdimensionate sunt reciclate. Există o serie de modele de uscător de congelare disponibile, care vor manipula în general granulele înghețate în tăvi care se așează pe rafturile încălzite în mod discontinuu. Timpul necesar de uscare prin congelare este de până la 7 ore sub un vid foarte mare (aprox 0,4 torr) și o aprovizionare atent controlată a căldurii granulelor de uscare, prin conducere și/sau radiație.

În timp ce produsul satisfăcător poate fi obținut prin extractele de liofilizare direct dintr-o baterie de percolare, este mai frecvent din motive economice și din alte motive pentru extracte concentrate de până la 40% g/g prin concentrație de îngheț (qv) sau prin evaporare (40% g/w sau mai mare) să fie liofilizat. Dacă este necesară o densitate în vrac favorabilă de 180–220 g l −1, este necesară suplimentar spumarea extractului sub formă de congelare slush, înainte de congelare completă și uscare prin congelare. (A se vedea USCAREA ÎNGHEȚĂ | Procesul de bază.)

USCARE LA RECE Procesul de bază

Introducere

Uscarea prin congelare, cunoscută și sub numele de liofilizare, este procesul de îndepărtare a apei dintr-un produs prin înghețarea acestuia, apoi sublimarea gheții în vapori. Sublimarea este un fenomen fizic prin care gheața solidă este transformată direct în vapori fără ca aceasta să treacă prin starea lichidă. Îndepărtarea apei din alimente, prin sublimare, protejează materialul împotriva pierderii constituenților importanți și împotriva reacțiilor chimice care sunt asociate cu retragerea sau vaporizarea apei lichide.

Uscarea prin congelare are loc în natură prin efectele combinate ale încălzirii solare, vânturilor reci și uscate și atmosferelor rarificate din regiunile muntoase. Aceste condiții naturale sunt utilizate pentru a produce pește „stoc” liofilizat în Norvegia și un produs uscat din cartof numit chuno în Peru. Uscarea prin congelare este, de asemenea, utilizată într-un mod aparte de veverița roșie din America de Nord, despre care se știe că răspândește bucăți de mâncare în furculițele copacilor la începutul iernii, înghețând astfel alimentarea cu alimente.

Alimentele uscate oferă comoditate de depozitare și transport derivate din perioada lor de valabilitate lungă și greutatea redusă. Alimentele liofilizate se bucură de aceste proprietăți și sunt în general de calitate superioară produselor uscate prin alte procese. Drept urmare, alimentele liofilizate tind să fie preferate în artele culinare decât alte produse uscate. (A se vedea USCAREA | Teoria uscării în aer.)

Pierderea vaporilor de apă din produs depinde în principal de două influențe: căldura disponibilă pentru produs; și diferența de presiune a vaporilor pe interfața de sublimare dintre straturile înghețate și uscate. În practică, acești doi factori sunt adesea compromiși în interesul economiei producției. În ciuda utilizării pe scară largă a liofilizării în laboratoarele biologice și în producția de medicamente și vaccinuri, dezvoltarea liofilizării ca tehnologie alimentară a fost plină de probleme de cost și de extindere. Aplicarea sa la prelucrarea pe scară largă a alimentelor a fost limitată la un număr mic de produse, inclusiv cafea instant, amestecuri de supă, rații militare și ierburi.

Calitatea finală a unui produs liofilizat poate fi determinată prin optimizarea condițiilor în trei etape ale procesului: faza primară, faza de uscare și faza suplimentară.

Modelarea proceselor în industria biofarmaceutică

14.5.4 Perspectiva industriei

Modelele de proces de congelare au câștigat recent teren în mediul industrial, utilizând atât CFD de uz general, cât și software-ul specific aplicației (Koganti și colab., 2011). Procesul de liofilizare se pretează modelării exacte din următoarele motive. Primul este că modelele sunt mai puțin complexe, deoarece modul de acțiune este guvernat în primul rând de fizică și nu de chimie sau biologie. În al doilea rând, majoritatea parametrilor de intrare a modelului pot fi cu ușurință estimate utilizând experimente simple. Și, în cele din urmă, aceste modele de procese nu sunt intensive din punct de vedere al calculului și pot fi ușor rezolvate folosind calculatoare personale standard. Industria folosește în prezent cunoștințele obținute de la modelare pentru a proiecta și optimiza ciclurile de uscare prin congelare, economisind timp și costuri materiale semnificative prin minimizarea numărului de experimente de încercare și eroare.

Biotehnologii agricole și conexe

4.51.6 Uscare prin congelare cu microunde

Uscarea prin congelare are reputația de proces de uscare cel mai puțin sever pentru materialele sensibile. Deoarece temperatura de uscare este foarte scăzută și există o expunere redusă la oxigen, calitatea produsului final în ceea ce privește activitatea biologică, forma, culoarea, textura. iar rata de rehidratare este mai mare decât în ​​cazul altor metode de deshidratare. Prin urmare, liofilizarea este cea mai comună metodă de uscare pentru producerea de materiale de înaltă calitate și foarte sensibile la temperatură. Principalul dezavantaj pentru industrie este timpul lung al ciclului de uscare, adesea 36-72 ore. Acesta este un „blocaj” pentru majoritatea producției. De asemenea, se traduce prin costuri de capital foarte mari pe kg de producție uscată în raport cu aproape orice altă tehnologie de uscare. Chiar și costurile cu energia sunt afectate, deoarece pompele de vid și condensatoarele cu consum intensiv de energie trebuie să funcționeze pe tot parcursul procesului.

Procesele de liofilizare constau din cele trei etape: congelare, uscare primară și uscare secundară. Etapa de înghețare se face cel mai bine într-un congelator cu temperatură foarte scăzută într-un timp scurt, pentru a menține dimensiunea cristalelor de gheață cât mai mici posibil, provocând astfel mai puține daune fizice structurii produsului. În uscarea primară, apa liberă din cristalele de gheață este sublimată din proba congelată. La uscare secundară, apa legată, „ne-congelabilă” este îndepărtată. Uscarea secundară necesită mai multă energie pe mol de apă îndepărtată și continuă proporțional mai lent. Cuptorul cu microunde poate grăbi îndepărtarea apei în vrac sau libere, pătrunzând în material și accelerând procesul de transfer de căldură, dar este mai puțin eficient în cazul apei legate. Cu toate acestea, procesul de deshidratare în liofilizarea asistată de microunde este semnificativ mai scurt decât liofilizarea tradițională, ore în comparație cu zilele.

O altă provocare a liofilizării asistate de microunde este menținerea unei uscări uniforme pe toată durata sarcinii. Cantitatea de energie a microundelor trebuie controlată în așa fel încât, deși fiecare parte a probei primește aceeași cantitate de energie a microundelor, topirea nu are loc. Unii cercetători au folosit un ciclu de pornire/oprire [22] într-un design al cavității, pentru a permite timpului de căldură să difuzeze prin conducție, în timp ce alții au plasat mai multe surse de microunde în echipamentele lor și au controlat distribuția puterii alternând între ele.

O altă abordare pentru rezolvarea acestei probleme este utilizarea unui design cu valuri călătoare, în care reflexia este minimă. Punctele „reci” și „fierbinți” dintr-un câmp cu microunde sunt rezultatul a două fenomene, atenuarea intensității câmpului cu microunde cu penetrare/absorbție de către materialul cu pierderi și undele staționare datorate reflexiei și interferențelor. În cavitățile rezonante, al doilea este factorul dominant. Reflecția este redusă dramatic în proiectele de unde călătoare, rezultând câmpuri de microunde mai uniforme.

Un proiect de uscător de congelare asistat de microunde, la scară de laborator, aparent bazat pe o configurație de undă călătorie a fost raportat de EnWave Corporation. Acolo, cercetătorii au uscat cu succes diferite microorganisme, enzime și proteine ​​cu o viabilitate comparabilă cu cea a liofilizării tradiționale. Echipamente la scară industrială pentru liofilizarea asistată de cuptorul cu microunde ar fi în curs de dezvoltare în această companie.