การทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง

ประโยชน์ของกระบวนการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง

ความเสถียรของผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้นอย่างมากโดยการลดปริมาณนํ้าเนื่องจากความเชื่อมโยงโดยตรงระหว่างการมีอยู่ของนํ้ากับฤทธิ์ทางชีวภาพและเคมี ซึ่งเป็นสาเหตุหลักในการย่อยสลายของผลิตภัณฑ์ เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการทําแห้งแบบอื่นๆ การทําแห้งแบบแช่เยือกแข็งนั้นทําให้ผลิตภัณฑ์เสียหายน้อยกว่า และหลีกเลี่ยงการหดตัวหรือการรวมตัวกันของวัตถุ ด้วยเหตุนี้ วิธีการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็งจึงเหมาะอย่างยิ่งสําหรับ:

• การเก็บรักษาวัตถุที่บอบบางมิให้ย่อยสลายหรือเน่าเปื่อย
• การรักษาลักษณะเฉพาะของผลิตภัณฑ์และรูปทรงเริ่มต้น
• การป้องกันผลิตภัณฑ์ที่ต้องการการคืนนํ้าอย่างรวดเร็วหรือการปรับสภาพผลิตภัณฑ์เพื่อการใช้งานต่อไป

กระบวนการแช่เยือกแข็งเริ่มต้นจะสร้างผลึกนํ้าแข็งภายในและบนพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ เมื่อกลายเป็นนํ้าแข็ง โมเลกุลของนํ้าแต่ละโมเลกุลจะล็อกตัวกันเป็นตารางที่เด่นชัด เมื่อโมเลกุลของนํ้าระเหิดออกจากผลิตภัณฑ์ จะทําให้เกิดรูพรุนและช่องว่างเล็ก ๆ น้อย ๆ ภายในผลิตภัณฑ์ ดังนั้นจึงรักษารูปร่างและโครงสร้างไว้ได้ การคืนนํ้าของผลิตภัณฑ์จึงทําได้รวดเร็วและง่ายดาย ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สําคัญอย่างยิ่งในการใช้งานด้านเภสัชกรรม ผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการถนอมอาหารแบบแช่เยือกแข็งสามารถอยู่ได้นานหลายปีที่อุณหภูมิห้องหากปิดสนิทและป้องกันความชื้นและออ กซิเจน

วัคซีน ผักและผลไม้แห้ง เห็ดแห้ง หรือกาแฟที่ละลายนํ้าเป็นผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการถนอมอาหารแบบแช่เยือกแข็งที่พบได้ทั่วไปในชีวิตประจําวัน

หลักการของกระบวนการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง:พื้นฐานทางอุณหพลศาสตร์

ภาพที่ 1: แผนภาพเฟสของนํ้า

① เลือกอุณหภูมิแช่เยือกแข็งขึ้นอยู่กับตัวทําละลายและตัวถูกละลาย
② เริ่มการระเหิดโดยการลดความดัน
③ ตํ่ากว่าจุดร่วมสาม การทําแห้งแบบแช่เยือกแข็งจะเริ่มขึ้น

Ⓐ จุดร่วมสาม

ขึ้นอยู่กับความดันและอุณหภูมิ สารใด ๆ อาจมีอยู่ในสามสถานะ - ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอุณหภูมิของสสารทกําหนดแสดงไว้ในเฟสไดอะแกรม เมื่อของแข็งได้รับความร้อนภายใต้ความดันคงที่เหนือจุดร่วมสาม ของแข็งจะถึงจุดหลอมเหลวและกลายเป็นของเหลว การให้ความร้อนต่อไปจะทําให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นจนกระทั่งถึงจุดเดือด ของเหลวจะเริ่มเดือดและเปลี่ยนเป็นก๊าซ

เมื่อเกิดกระบวนการที่คล้ายกันโดยมีอุณหภูมิและความดันตํ่ากว่าจุดร่วมสาม (สําหรับนํ้า 6.11 มิลลิบาร์) วัตถุจะไม่ละลายแต่จะระเหิดแทนพลังงานความร้อนที่ป้อนให้กับตัวอย่างที่ความดันตํ่าจะถ่ายโอนพลังงานที่เพียงพอสําหรับการละลาย อย่างไรก็ตาม ความดันตํ่าเกินไปสําหรั บการก่อตัวของของเหลว และตัวทําละลายจะระเหิดกลายเป็นก๊าซ

เนื่องจากเฟสของสารถูกกําหนดโดยทั้งความร้อนและความดัน อุณหภูมิที่จุดเดือดหรือกลายเป็นไอจะถูกกําหนดโดยความดัน การลดความดันโดยใช้สุญญากาศสามารถนําไปสู่การลดลงของจุดเดือดของตัวทําละลายและการกลายเป็นไอที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิตํ่ากว่า ระบบความดันตํ่ามักใช้สําหรับตัวอย่างที่ไวต่อความร้อนเพื่อลดจุดเดือดเพื่อให้กลายเป็นไอที่อุณหภูมิตํ่ากว่าและปลอดภัยกว่า สามารถใช้แนวทางเดียวกันนี้กับกระบวนการระเหิดได้

ผลของความดันและอุณหภูมิต่อวิธีการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง

ภาพที่ 2: ขั้นตอนการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง

■ ความดัน
■ ผลิตภัณฑ์
■ ชั้นวาง
■ เครื่องควบแน่น

Ⓐ การลดอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์และชั้นวางสําหรับกระบวนการที่เหมาะสม
Ⓑ การลดความดันและการเพิ่มอุณหภูมิชั้นวางช่วยให้การระเหิดและการคายนํ้าในการทําแห้งขั้นทุติยภูมิง่ายขึ้น
Ⓒ อุณหภูมิเครื่องควบแน่นนํ้าแข็งกําหนดความจุเครื่องควบแน่นที่แท้จริงในการเก็บไอระเหย

ตัวแปรสําคัญที่ควบคุมอุปกรณ์ทําแห้งแบบแช่เยือกแข็งคือความดันและอุณหภูมิ กระบวนการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็งโดยทั่วไปประกอบด้วยสองขั้นตอน ได้แก่ การแช่เยือกแข็งและการทําแห้งขั้นปฐมภูมิ สําหรับบางตัวอย่าง อาจต้องมีการทําแห้งขั้นทุติยภูมิเพื่อขจัดโมเลกุลของตัวทําละลายที่ติดแน่นกับตัวอย่าง และลดความชื้นลงไปอีก แต่ละขั้นตอนของกระบวนการมีข้อกําหนดที่แตกต่างกันในด้านความดันและอุณหภูมิ ขึ้นอยู่กับลักษณะของตัวอย่าง

ภาพที่ 3: ขนาดผลึกนํ้าแข็งที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับความเร็วในการแช่เยือกแข็ง

Ⓐ การแช่เยือกแข็งแบบช้า
Ⓑ การแช่เยือกแข็งแบบเร็ว

ผลิตภัณฑ์หรือสูตรที่เป็นของเหลวส่วนใหญ่จะแข็งตัวโดยสร้างผลึกนํ้าแข็ง ขนาดและรูปร่างของผลึกนํ้าแข็งขึ้นอยู่กับความเร็วในการทําความเย็นและกําหนดความสามารถในการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง การเย็นตัวอย่างรวดเร็ว (ไนโตรเจนเหลว) ส่งผลให้เกิดผลึกนํ้าแข็งขนาดเล็ก ในขณะที่การเย็นตัวช้าลง ( ช่องแช่เยือกแข็ง ลึก ) ทําให้เกิดผลึกนํ้าแข็งขนาดใหญ่ขึ้น ในแง่ของการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง ผลึกนํ้าแข็งขนาดเล็กยากต่อการเอาออกจากผลิตภัณฑ์มากกว่าผลึกนํ้าแข็งขนาดใหญ่ ถึงกระนั้น อุณหภูมิแช่เยือกแข็งของสูตรถูกกําหนดโดยคุณลักษณะและองค์ประกอบของมัน

สารผสมยูเทคติกและอสัณฐานในกระบวนกระบวนการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง

โดยทั่วไป สูตรผสมสามารถแข็งตัวได้สองวิธีสําหรับสารผสมยูเทคติกและอสัณฐาน

สารผสมยูเทคติก

สารผสมยูเทคติกประกอบด้วยสารที่แข็งตัวที่อุณหภูมิตํ่ากว่านํ้าที่อยู่รอบ ๆ เมื่อทําให้สารผสมยูเทคติกเย็นลง นํ้าจะเป็นตัวแรกที่แยกออกจากสารและจะแข็งตัวเป็นนํ้าแข็ง จากนั้นสูตรอาจปรากฏเป็นนํ้าแข็ง แต่สารที่เหลือยังคงเป็นของเหลว สารดังกล่าวก่อตัวเป็นบริเวณที่มีความเข้มข้นซึ่งจะแข็งตัวในที่สุดที่อุณหภูมิตํ่ากว่าจุดเยือกแข็งของนํ้า

อุณหภูมิที่ส่วนประกอบทั้งหมดของส่วนผสมถูกแช่แข็งอย่างเหมาะสมเรียกว่าอุณหภูมิยูเทคติก นี่คืออุณหภูมิวิกฤตของสูตรและอุณหภูมิสูงสุดที่สูตรสามารถทนได้ในระหว่างกระบวนการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง การใช้สุญญากาศกับส่วนผสมยูเทคติกที่แช่แข็งไม่สมบูรณ์ อาจส่งผลให้ผลิตภัณฑ์ถูกทําลายเนื่องจากส่วนประกอบที่ไม่ได้แช่แข็งขยายตัวเมื่ออยู่ภายใต้สุญญากาศ

สารผสมอสัณฐาน

สารผสมอีกประเภทหนึ่งเป็นอสัณฐานและก่อตัวเป็นแก้วเมื่อแช่แข็ง เมื่ออุณหภูมิลดลง สูตรจะมีความหนืดมากขึ้นเรื่อย ๆ และในที่สุดจะแข็งตัวเป็นของแข็งคล้ายแก้วที่จุดเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว สําหรับผลิตภัณฑ์อสัณฐาน จุดวิกฤตในแง่ของความเสถียรเรียกว่าอุณหภูมิยุบตัวโดยทั่วไป อุณหภูมิยุบตัวจะตํ่ากว่าจุดเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วเล็กน้อย โดยทั่วไป ผลิตภัณฑ์อสัณฐานเป็นสิ่งที่ท้าทายมากในการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็งด้วยอุปกรณ์การทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง

การทําแห้งขั้นปฐมภูมิระหว่างวิธีการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง

ขั้นตอนการทําแห้งระยะแรก – การทําแห้งขั้นปฐมภูมิ – กําจัดนํ้าปริมาณมากภายในผลิตภัณฑ์โดยการระเหิด อุณหภูมิ ของผลิตภัณฑ์ถูกกําหนดโดยความดันในห้องทําแห้งและต้องควบคุมความร้อนเข้าอย่างระมัดระวัง อุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ในอุดมคติคือสูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อเพิ่มความแตกต่างของความดันไอระหว่างตัวอย่างและเครื่องควบแน่นให้สูงสุด แต่ในขณะเดียวกัน อุณหภูมินั้นจะต้องตํ่ากว่าอุณหภูมิวิกฤตของผลิตภัณฑ์เพื่อรักษาลักษณะที่แข็งตัว อุณหภูมิที่สูงกว่านี้ โครงสร้างผลิตภัณฑ์จะยุบตัวทําให้เกิดการหดตัวหรือแตกร้าว

ตามหลักการแล้วกระบวนการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็งจะดําเนินการที่อุณหภูมิตํ่ากว่าอุณหภูมิวิกฤตเพียงเล็กน้อย ขั้นตอนหลักของกระบวนการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็งมีดังต่อไปนี้:

• ความดันในห้องทําแห้งจะลดลงเพื่อกระตุ้นกระบวนการทําแห้ง
• การอ่านค่าความดันและอุณหภูมิในปัจจุบันตํ่ากว่าจุดร่วมสาม
• เมื่ อใช้ชั้นวางแบบอุ่น อุณหภูมิที่ตั้งไว้จะค่อย ๆ เข้าใกล้อัตราการให้ความร้อนที่กําหนด
• การระเหิดทําให้เกิดไอนํ้าในห้องทําแห้ง
• หากไม่กําจัดออกจากระบบ ไอนํ้าจะ ปรับ สมดุลและไม่มีอนุภาคนํ้าแข็งระเหิด ออกไปอีก
• อนุภาคไอจะถูกกําจัดออกโดยใช้เครื่องควบแน่นนํ้าแข็ง ซึ่งเป็นอุปกรณ์ทําความเย็นที่ทํางานที่อุณหภูมิตํ่ากว่าอุณหภูมิวิกฤตของผลิตภัณฑ์

อัตราการระเหิดโดยทั่วไปกําหนดโดยความแตกต่างของความดันไอ เช่น ความดันไอเหนือผลิตภัณฑ์ในด้านหนึ่ง และความดันไอเหนือเครื่องควบแน่นนํ้าแข็งในอีกด้านหนึ่ง โดยทั่วไป ยิ่งความแตกต่างมากเท่าใด การระเหิดก็จะยิ่งเร็วขึ้นเท่านั้น ยิ่งอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ใกล้เคียงกับจุดร่วมสามมากเท่าไร ความแตกต่างของความดันก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

นํ้าส่วนใหญ่ควรถูกกําจัดออกเมื่อสิ้นสุดระยะการทําแห้งขั้นปฐมภูมิ โดยอุปกรณ์ทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง ปริมาณความชื้นที่เหลืออยู่ของผลิตภัณฑ์อาจอยู่ที่ 5 – 10% เนื่องจากนํ้าจับกับเมทริกซ์ ในขั้นตอนนี้ ไม่ควรมีนํ้าแข็งหลงเหลืออยู่

การทําแห้งขั้นทุติยภูมิระหว่างกระบวนการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง

ขั้นตอนการทําแห้งขั้นทุติยภูมิจะกําจัดโมเลกุลของนํ้าที่ดูดซับออกโดยการดูดซับ เพื่อให้ได้สภาวะที่เหมาะสมที่สุดสําหรับการคายความชื้น จําเป็นต้องใช้แรงดันตํ่าที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ รวมทั้งการเพิ่มอุณหภูมิของชั้นวางให้สูงขึ้นอีก ต้องพิจารณาความเสถียรของผลิตภัณฑ์เมื่อเลือกอุณหภูมิชั้นวาง การทําแห้งขั้นทุติยภูมิมักดําเนินการในช่วงเวลาที่สั้นกว่า เมื่อสิ้นสุดการทําแห้งขั้นทุติยภูมิ ความชื้นของผลิตภัณฑ์ควรอยู่ในช่วง 1 – 5%

กระบวนการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็งในอุตสาหกรรมยา

กระบวนการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็งมักเป็นตัวเลือกยอดนิยมสําหรับการถนอมรักษาเภสัชภัณฑ์หลายประเภท โดยส่วนใหญ่แล้วเมื่อความคงตัวในสถานะของเหลวไม่เพียงพอ ข้อกําหนดในการจัดเก็บเข้มงวดเกินไป หรือเมื่อต้องการผลิตภัณฑ์ในรูปของแข็ง เหมาะอย่างยิ่งสําหรับสูตรที่ไม่ต้องการการแปรรูปเพิ่มเติมหลังการทําแห้ง เนื่องจากสามารถบรรจุลงในขวดได้โดยตรง ซึ่งสามารถปิดผนึกในการทําแห้งหลังจากรอบการทํางาน เพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนที่อาจเกิดขึ้น

การควบคุมกระบวนการที่แม่นยําช่วยให้สามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพสูงสุดได้ เนื่องจากช่วยลดความเสี่ยงของคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ที่อยู่ภายใน เช่น การยุบตัวการหลอมยูเทคติก หรืออุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วมีการปรับให้ดีขึ้น