Основи технології сушіння білкових і ферментних препаратів
Процесу висушування можуть піддаватися як опади активного білка, отримані шляхом висажденія з розчинів, так і сконцентровані розчини, екстракційні витяжки та культуральні рідини.
Якщо білок знаходиться в розчиненому стані, то процес сушіння проводять в розпилювальних сушарках. Метод отримання сухих речовин в розпилювальних сушарках широко застосовується в хімічній технології. Найбільш ефективним варіантом висушування термостабільних речовин є протівоточная сушка, коли висушуваний розчин розпорошується назустріч потоку нагрітого повітря. В результаті, найбільш висушені частки речовини взаємодіють з самим гарячим повітрям. Однак через термолабильности білків такий метод сушіння розчинів неприйнятний. До процесу сушіння білкових розчинів пред'являють ряд загальних вимог:
2. Температура теплоносія (гарячого повітря) не повинна перевищувати 130 ° С на вході в сушильну камеру і 50-70 ° С на виході з неї.
3. Час контакту висушуваних частинок з теплоносієм не повинно перевищувати декількох секунд. Теплоносій і висушувані частки повинні рухатися в одному напрямку (рух в струмі теплоносія). Неприпустимо протитечійне рух теплоносія і висушуваних частинок.
4. Гідродинаміка потоків в сушильній камері повинна забезпечити відсутність контакту висушуваних частинок з її стінками або звести її до мінімуму.
5. При сушінні обов'язково додають наповнювачі в кількості 100% від повної маси сухих розчинених речовин. Наповнювач запобігає злипання висушуваних частинок. В якості наповнювача зазвичай використовують хлорид натрію або сульфат магнію. Останній володіє також властивістю стабілізатора висушується ферментного препарату.
Втрати активності ферменту при розпилювальної сушки з наповнювачами - стабілізаторами не більше 5-6%, без них 25-30%. Після сушіння препарат повинен містити не більше 6-8% залишкової вологи. Тоді при терміні зберігання до 1 року не спостерігається втрати його активності.
Більш складним є процес сушіння білкових опадів, отриманих висолюванням або осадженням летючим органічним розчинником. Вологість таких опадів може досягати 70-80%, а самі вони представляють собою щільну, в'язку і липку масу. Цикл їх висушування досить тривалий і займає до 14-16 годин. Для зниження втрат сушку проводять у вакуумі при температурі 50-60 ° С. Для прискорення процесу і більш рівномірного прогріву висушуваного продукту сушильні камери забезпечуються різними пристроями.
Однак, незважаючи на використання таких прийомів як сушка при зниженому тиску або в розпилювальної сушарці, використання підвищеної температури може призводити до значного зниження активності і інших споживчих властивостей (розчинність, термін зберігання та ін.) Білкових, вітамінних та інших термолабільних продуктів і препаратів. Більш ефективним і щадним способом сушіння, широко використовуваним у фармацевтичній і харчовій промисловості, є лиофильная сушка.
1. Загальні принципи та переваги методу ліофілізації. Процес видалення рідини (води) з опадів при глибокому вакуумі (нижче 1 мм рт. Ст.) Називається ліофільної сушінням іліліофілізаціей. Назва процесу - лиофильная сушка, не зовсім чітко визначає суть процесу. Наприклад, температура кипіння води при 4,6 мм рт. ст. дорівнює 0 ° С, а при 0,034 мм рт. ст. становить -50 ° С. При температурі нижче 0 0 С вода замерзає, і тому процес упарювання являє собою не сушку (фазовий перехід рідина-пар), а сублімацію (фазовий перехід тверда речовина-пар). Принцип проведення ліофільнойсушкі вельми простий. Водний розчин, осад або наприклад ягоди, повністю заморожують і витримують у вакуумі 0,01-2 мм рт. ст. Возгоняющиеся водяні пари вловлюють в охолоджуваних пастках або за допомогою хімічних поглиначів.
Основні переваги методу ліофільної сушки наступні:
1) в процесі упарювання продукт знаходиться при низькій температурі. Це має особливо важливе значення для зневоднення білків, антибіотиків, вірусів, мікроорганізмів і нестабільних фармацевтичних продуктів і свіжих продуктів харчування;
2) лиофилизация не супроводжується вспениванием;
3) завдяки низькій температурі вдається обезвожіватьвещества, які при звичайній перегонці захоплюються водяними парами;
4) в процесі упарювання об'єм суміші змінюється дуже мало, завдяки чому утворюються мелкокристаллические продукти. які внаслідок своєї виключно великої поверхні легко розчиняються при подальших операціях (наприклад, ліофілізований білок розчиняється в воді протягом декількох секунд);
5) метод ліофілізації застосуємо також для висушування гідрофобних речовин, в тому числі нестабільних ліпідних компонентів ліпопротеїдів;
6) так як під час всієї операції продукт знаходиться при низькій температурі, немає небезпеки його мікробіологіческогозараженія, а ферментативне расщепленіесведено до мінімуму;
7) оскільки роботу проводять у відносно глибокому вакуумі, немає небезпеки окислення нестабільних речовин киснем повітря;
8) отримані продукти містять близько 0,5% вологи, завдяки чому їх можна зберігати тривалий час, не побоюючись їх руйнування мікроорганізмами.
2. Технологія ліофільної сушки. При проведенні ліофільної сушки завжди слід прагнути до того, щоб ліофілізіруемий розчин замерз, можливо швидше. При повільному заморожуванні збільшується концентрація розчиненої речовини в ще некрижаної частини рідини, що може погіршити якість сушіння. Швидке заморожування рідини може бути досягнуто кількома способами. Найбільш простий і найчастіше вживається в лабораторії спосіб полягає в наступному: колбу обертають рукою в похилому положенні в лазні зі спиртом, охолодженим до -40 ° С, або з сумішшю твердої вуглекислоти зі спиртом або ацетоном. Колбу наповнюють заморожувати розчином, приблизно на 1/5 об'єму. Після утворення шару замерзлого розчину на поверхні колби вмісту дають повністю застигнути при температурі від -20 до -40 0 С. Для заморожування великої кількості рідини було запропоновано спеціальне пристрій, що обертався, в якому колби з розчином інтенсивно обертаються навколо своєї осі при -40 ° С. Замерзаюча рідина утворює на стінках шар з відносно великою поверхнею.
Інший, менш уживаний спосіб заморожування полягає в швидкому випаровуванні частини води в вакуумі. За рахунок теплоти випаровування цієї води відбувається заморожування решти розчину. Цей спосіб застосовують тільки в промисловості. Для усунення вспенивание при упарюванні розчини поміщають в пробірках, встановлених в центрифугу. Відцентрова сила перешкоджає утворенню піни, і розчин намерзає на зовнішніх стінках пробірки.
Як джерело вакууму при ліофільної сушінні в лабораторії найзручніше використовувати масляні насоси. У промислових виробництвах поряд з насосами великої продуктивності використовують багатоступінчасті парові ежектори, що виконують одночасно функції створення вакууму і уловлювання (конденсованих) парів води.
Водяна пара вловлюють двома основними способами:
1. Пари вловлюють за допомогою охолоджуваних пасток. Зазвичай в лабораторіях для охолодження пасток використовують суміш твердої вуглекислоти зі спиртом або ацетоном. Для конденсації 1 гльда потрібно приблизно 6 гтвердой вуглекислоти.
2. Пари вловлюють хімічними поглиначами в спеціальних посудинах. Як поглинач води можна використовувати безводний хлористий кальцій (90 гна 1 гвода), їдкий натр, пятиокись фосфору (3 гна 1 гвода) і т. П.
У промисловості в якості поглиначів вологи іноді використовують гігроскопічні охолоджені розчини солей. Так, наприклад, в деяких промислових установках розчин хлористого літію, охолоджений до 0 ° С, подають в конденсується пристрій приладу для ліофільної сушки, де він зменшує кількість водяної пари. Регенерований упариванием і охолоджений розчин знову повертають в конденсується пристрій.
У процесі сушіння більшість продуктів завдяки інтенсивному випаровуванню води охолоджується до дуже низьких температур, внаслідок чого процесі сповільнюється. Тому рекомендується занурювати колби в баню з температурою 20 - 30 ° С.
Точну інформацію про хід сушіння і ступеня дегідратацііпрі роботі в лабораторному масштабі отримати важко. Приблизно можна оцінити, чи продовжується процес осушення продукту або він вже сухий по тому, охолоджується чи колба з осушуваних речовиною чи ні. Більш точну інформацію можна отримати, помістивши в ліофілізіруемий розчин термопару. Коли температура починає підвищуватися вище 0 ° С і продукт залишається твердим, сушку можна вважати закінченою.
Наближено можна вважати, що за 1 часвозгоняется шар льоду тол-щіной приблизно 1 мм. Швидкість сублімації, проте, багато в чому залежить від типу приладу. На останній стадії сушки (від 5 до 0,5% вологи) речовини осушуються більш повільно, і для видалення залишкової кількості води зазвичай потрібно більше часу, ніж для видалення основної маси води.
Іноді комбінують два способи конденсації: головну масу води (до залишкової вологості близько 2%) видаляють за допомогою охолоджувальної пастки, а досушування (до залишкової вологості 0,5%) проводять із застосуванням хімічної поглинача.
3. Застосування ліофільної сушки. Ліофільна сушка широко застосовується в хімії високомолекулярних природних речовин, фармацевтично-біотехнологічному виробництві, біохімії та біології. Ліофільна сушка є кінцевою стадією у виробництві пеніциліну, стрептоміцину і деяких вітамінних препаратів.
Новітня техніка фракціонування і консервування плазми крові при низьких температурах, включає стадію швидкого висушування кінцевих продуктів ліофільної сушінням. Сконструйовано обладнання, що дозволяє упарюють цим способом тисячі літрів води в день.
Сучасна техніка ліофільної сушки не менш важлива для досліджень бактеріальних токсинів, при приготуванні великої кількості чистих білків для робіт, пов'язаних з встановленням їх будови, і в ензимології. Шляхом лиофилизации можна легко законсервувати ряд біологічних середовищ.
Деякі бактеріальні та вірусні культури (препарати - пробіотики) можна після ліофілізації довгий час зберігати в вакуумі. У разі необхідності через кілька років таку культуру можна знову перенести в нормальні фізіо-логічні умови і викликати її розмноження. Так були законсервовані культури Haemophilus influenzae, Neisseria gonorrheae, Eberthella typhosa, а також вірус грипу, холерний вібріон, бактеріофаги та багато інших.
Велике значення має застосування однієї з модифікацій ліофільної сушки для вивчення тканин в гістології та цитології.
У харчовій промисловості Ліофільні сушку використовують для отримання сушених овочів, фруктів, розчинної кави, сушеного свіжого м'яса та інших продуктів.