آشنایی با دستگاه لیوفیلیزاسیون و روش فریز درایینگ
نگهداری موادغذایی و دارویی در طول زمان همواره یکی از چالش‌های مهم در صنایع مختلف بوده است. موادغذایی به‌دلیل وجود آب و موادمغذی به‌سرعت در معرض فساد قرار می‌گیرند و در مدت کوتاهی کیفیت، طعم و ارزش‌غذایی خود را از دست می‌دهند. در صنعت داروسازی نیز بسیاری از داروها و مواد بیولوژیکی مانند واکسن‌ها و آنزیم‌ها به‌شدت به دما و رطوبت حساس هستند و در صورت قرار گرفتن در شرایط نامناسب، تخریب می‌شوند.
پیش از توسعه فناوری‌های مدرن، روش‌هایی مانند خشک‌کردن به کمک حرارت یا نگهداری در سرما برای افزایش ماندگاری مواد به کار گرفته می‌شدند. اما این روش‌ها به‌ویژه برای مواد حساس، مشکلاتی از قبیل تخریب ساختار و ترکیبات شیمیایی، کاهش ارزش‌غذایی و خواص دارویی را به همراه داشتند.
فناوری لیوفیلیزاسیون تحولی بزرگ در حل این چالش‌ها ایجاد کرد. با استفاده از این روش، موادغذایی و دارویی به شکلی خشک می‌شوند که تمام رطوبت آن‌ها از بین می‌رود، بدون آن‌که ترکیبات حیاتی و ساختار آن‌ها دچار آسیب شود. در این مطلب قصد داریم بهطورکامل با روش لیوفیلیزاسیون و ویژگی‌های ترکیبات لیوفیلیزه آشنا شویم. در ادامه نیز ساختار و مراحل کار دستگاه فریز درایر (لیوفیلیزاسیون) را بررسی خواهیم کرد. پس تا آخر همراه ما باشید.
روش لیوفیلیزاسیون چیست؟
لیوفیلیزاسیون یا خشک‌کردن انجمادی یک فرآیند نوین است که برای حذف آب از مواد، خصوصاً مواد حساس به حرارت مانند داروها و محصولات بیولوژیکی، استفاده می‌شود. این روش بر پایه انجماد مواد و سپس خشک‌کردن آن‌ها تحت فشار کم است؛ به‌طوری که آب موجود در ماده از حالت جامد (یخ) به بخار تبدیل می‌شود (تصعید)، بدون این‌که به حالت مایع برگردد.
مراحل اصلی فرآیند لیوفیلیزاسیون به شرح زیر است:
· انجماد :ماده در دمای بسیار پایین منجمد می‌شود.
· خشک‌کردن اولیه: تحت فشار بسیار پایین، آب یخ‌زده از ماده تصعید می‌شود و مستقیماً از حالت جامد به بخار تبدیل می‌شود.
· خشک‌کردن ثانویه :با ادامه کاهش فشار و افزایش دما به مقدار مشخص، باقی‌مانده آب که معمولاً به‌صورت جذب شده در ماده وجود دارد، حذف می‌شود.
لیوفیلیزه یعنی چه؟
لیوفیلیزه به معنای ماده خشک‌شده با روش لیوفیلیزاسیون است .مواد لیوفیلیزه معمولاً دارای ماندگاری طولانی‌تری هستند و می‌توانند بدون نیاز به یخچال یا مواد نگهدارنده، حفظ شوند. این اصطلاح بیشتر برای مواددارویی، غذایی یا بیولوژیکی به کار می‌رود که از طریق این فرآیند خشک و پایدار شده‌اند.
برای مثال، قهوه لیوفیلیزه (یا همان قهوه فوری) یا انواع داروهای لیوفیلیزه مانند پودر لیوفیلیزه، باکتری لیوفیلیزه، واکسن لیوفیلیزه و… از نمونه‌های معمول این فرآیند هستند.
دستگاه لیوفیلیزاسیون یا خشک کن انجمادی چیست؟
تاریخچه دستگاه لیوفیلیزاسیون (Freeze drier) به اوایل قرن بیستم بازمی‌گردد. در طول جنگ‌جهانی دوم، این فناوری برای اولین بار به‌طور گسترده برای حفظ پلاسماهای خون و داروهای ضروری در مناطق جنگی استفاده شد، زیرا این مواد نمی‌توانستند در شرایط عادی حمل و نقل و نگهداری شوند. پس از آن، لیوفیلیزاسیون به تدریج توسعه یافت و وارد صنایع مختلف از جمله داروسازی، تولید واکسن‌ها و موادغذایی شد.
دستگاه لیوفیلیزاسیون که به‌عنوان خشک کن انجمادی نیز شناخته می‌شود، به مرور زمان پیشرفته‌تر شده؛ به‌طوری‌که امروزه از تکنولوژی‌‌های پیشرفته برای کنترل دقیق دما، فشار و زمان بهره می‌برد تا فرآیند خشک کردن انجمادی به بهترین شکل ممکن انجام شود. دستگاه‌های فریز درایر در ابعاد و کاربردهای گوناگونی تولید می‌شوند. در ادامه قصد داریم بیشتر با اجزا و نحوه عملکرد دستگاه لیوفیلیزه آشنا شویم.
اجزای اصلی دستگاه لیوفیلیزه کننده
دستگاه لیوفیلیزاسیون یا فریزدرایر براساس نوع و کاربرد، اجزای مختلفی می‌تواند داشته باشد. اما به‌طورکلی اجزای اصلی دستگاه‌های لیوفیلیزاسیون صنعتی شامل موارد زیر است.
محفظه اصلی
محلی که مواد داخل آن قرار می‌گیرند و محفظه اصلی دستگاه به‌حساب می‌آید. سینی‌های دستگاه در این محل قرار داشته و تغییرات دما و فشار در اینجا اعمال می‌شود تا مراحل لیوفیلیزاسیون انجام شود.
پمپ خلاء
این پمپ وظیفه کاهش فشار داخل محفظه را بر عهده دارد. پمپ خلأ یکی از اجزای حیاتی برای ایجاد محیط مناسب جهت تولید مواد لیوفیلیزه است. کاهش فشار به تسریع فرآیند تصعید و خشک شدن کمک می‌کند.
سیستم خنک‌کننده
این قسمت از دستگاه دمای محفظه اصلی را کاهش می‌دهد تا موادغذایی یا دارویی به سرعت منجمد شوند. این سیستم می‌تواند مکانیسم‌های مختلفی (کمپرسور مکانیکی یا نیتروژن مایع) داشته باشد. نکته مهم این است که فرآیند انجماد باید سریع باشد تا از تشکیل بلور‌های درشت یخ و آسیب به بافت مواد جلوگیری کند.
کندانسور
بخار آب حاصل از تصعید در این بخش دوباره به حالت جامد (یخ) تبدیل شده و جمع‌آوری می‌شوند .کندانسور با کاهش دمای بخار آب، باعث جذب و جمع‌آوری آن‌ها در قالب یخ می‌شود. این فرآیند رطوبت معلق در محفظه را کاهش و از افت کیفیت محصول خشک شده جلوگیری می‌کند.
سیستم کنترل دما و فشار
این سیستم وظیفه کنترل دقیق دما و فشار در مراحل مختلف فرآیند لیوفیلیزاسیون را بر عهده دارد برخی کنترلرها قابلیت تنظیم زمان را نیز دارند. کنترل دقیق این فاکتورها در مراحل مختلف، به افزایش کیفیت محصولات نهایی کمک می‌کند.
قفسه‌ها
موادی که باید لیوفیلیزه شوند، بر روی این قفسه‌ها قرار می‌گیرند. این قفسه‌ها سطح تماس مواد را افزایش داده و به‌طور یکنواخت گرما یا سرمای لازم برای آن‌ها را تأمین می‌کنند.
سیستم حرارتی
در مراحل مختلف خشک‌کردن، این سیستم برای افزایش دمای مواد به‌صورت کنترل‌شده به کار می‌رود تا باقی‌مانده آب از مواد خارج شود. دما به گونه‌ای تنظیم می‌شود که به محصولات آسیبی نرساند.
مراحل کار با دستگاه خشک کن انجمادی یا فریز درایر
۱. آماده‌سازی مواد
ابتدا مواد (مانند دارو، غذا یا مواد بیولوژیکی) باید به‌درستی آماده شوند. اگر نیاز باشد، ماده باید به قطعات کوچک‌تر تقسیم شده یا ناخالصی‌ها و قسمت‌های اضافه حذف شوند تا فرآیند انجماد و خشک‌کردن به‌طور یکنواخت انجام گیرد. همچنین مواد بر روی سینی‌ها یا درون ظروف مناسب قرار می‌گیرند. این سینی‌ها برای تبادلات دمایی و گردش هوای بهتر در دستگاه طراحی شده‌اند.
۲. مرحله انجماد
در این مرحله دما کاهش می‌یابد تا آب موجود در مواد به یخ تبدیل شود. دمای انجماد معمولاً بین -40°C تا -80°C است و بسته به نوع ماده، متغیر خواهد بود. قبل از شروع فرآیند لیوفیلیزاسیون باید ترکیبات موجود در دستگاه بهطورکامل منجمد شوند.
۳. مرحله خشک‌کردن اولیه
پس از انجماد کامل مواد، پمپ خلأ روشن‌شده و فشار داخل محفظه به‌شدت کاهش می‌یابد. این کاهش فشار باعث می‌شود که بخش اعظم رطوبت منجمد‌شده جدا شود. در این مرحله دما باید پایین نگه داشته شود تا از ذوب شدن یخ یا تخریب ترکیبات لیوفیلیزه جلوگیری شود. بخار حاصل از تصعید توسط کندانسور جمع‌آوری می‌شود. بسته به نوع و حجم ماده، مرحله خشک کردن اولیه می‌تواند چند ساعت تا چند روز طول بکشد.
۴. مرحله خشک‌کردن ثانویه
پس از حذف بخش عمده رطوبت، دستگاه به آرامی دما را افزایش می‌دهد تا رطوبت باقی‌مانده از ماده خارج شود. در این مرحله، بدون تغییر ساختار ماده، آب جذب شده در سطح یا داخل آن حذف می‌شود. خلأ همچنان حفظ می‌شود تا از ایجاد رطوبت جدید جلوگیری شود. این مرحله نیز ممکن چند ساعت طول بکشد.
۵. خروج مواد و بسته‌بندی
پس از اتمام مراحل خشک‌کردن، به تدریج فشار محفظه به حالت عادی برمی‌گردد. مواد خشک‌شده از دستگاه خارج می‌شوند. این مواد به‌دلیل خشک شدن در خلاء، بافت سبک‌تری دارند و باید به‌دقت بسته‌بندی شوند. مواد لیوفیلیزه باید در ظروف یا بسته‌بندی‌های مناسب قرار گیرند تا از جذب رطوبت مجدد جلوگیری شود. برای مثال برخی داروها را درون ویال‌های شیشه‌ای قرار می‌دهند.
مزایا و معایب فناوری لیوفیلیزاسیون
فناوری لیوفیلیزاسیون (خشک‌کردن انجمادی) به دلیل توانایی حفظ کیفیت و ساختار مواد حساس، در بسیاری از صنایع کاربردی گسترده دارد. با این حال، مانند هر روشی، لیوفیلیزاسیون نیز دارای مزایا و معایب خاص خود است .در ادامه به مهم‌ترین مزایا و معایب روش فریز درایینگ اشاره می‌کنیم.
مزایای لیوفیلیزاسیون
۱. حفظ ساختار و ترکیبات مواد
به دلیل حرارت پایین و حذف آب به روش تصعید، ساختار مواد بیولوژیکی و دارویی دست‌نخورده باقی می‌ماند و خواص شیمیایی و بیولوژیکی آن‌ها حفظ می‌شود. این مزیت یکی از مهم‌ترین مواردی هست که صنایع دارویی و غذایی به آن نیاز دارند.
۲. افزایش ماندگاری
مواد لیوفیلیزه معمولاً ماندگاری بسیار بالایی دارند و در صورت بسته‌بندی مناسب، می‌توانند بدون نیاز به یخچال یا مواد نگهدارنده به‌مدت طولانی نگهداری شوند.
۳. کاهش وزن و حجم مواد
حذف آب از مواد باعث کاهش وزن و حجم آن‌ها می‌شود، که این موضوع حمل‌ونقل و ذخیره‌سازی مواد را ساده‌تر و ارزان‌تر می‌کند.
۴. قابلیت بازیابی سریع
مواد لیوفیلیزه در صورت نیاز با افزودن آب به‌سرعت به‌حالت اولیه خود باز می‌گردند، بدون آن‌که کیفیت و خواص خود را از دست بدهند. این خاصیت بازیابی برای ترکیبات دارویی بسیار اهمیت دارد؛ چرا که به‌سرعت محلولی آماده در اختیار بیماران قرار می‌دهد.
۵. پایداری مواد حساس
این فناوری برای مواد حساس به حرارت و رطوبت بسیار مناسب است. مواد دارویی و بیولوژیکی مانند واکسن‌ها، آنزیم‌ها، و داروهای تزریقی با این روش پایدار می‌شوند.
معایب روش لیوفیلیزاسیون
۱. هزینه بالا
فرآیند لیوفیلیزاسیون به تجهیزات پیشرفته و با قیمت نسبتاً بالا نیاز دارد. همچنین زمان طولانی برای انجام این فرآیند و مصرف انرژی بالا، هزینه‌های تولید را افزایش می‌دهد. البته به‌علت منحصربه‌فرد بودن محصولات این دستگاه و ارزش‌افزوده بالای آن‌ها نسبت به سایر روش‌ها، سودآوری بیشتری دارد.
۲. زمان‌بر بودن
روش لیوفیلیزاسیون معمولاً زمان‌بر است و ممکن است از چند ساعت تا چند روز ب طول انجامد، که می‌تواند باعث تأخیر در تولید و فرآوری محصولات شود. البته این زمان برای داشتن محصولات باکیفیت لازم است.
۳. نیاز به دقت بالا در کنترل فرآیند
فرآیند لیوفیلیزاسیون نیازمند کنترل دقیق دما و فشار است و هر گونه اشتباه در تنظیمات ممکن است به تخریب ماده یا کاهش کیفیت محصول نهایی منجر شود.
۴. نیاز به بسته‌بندی مناسب
برای حفظ کیفیت مواد لیوفیلیزه شده شما به بسته‌بندی مناسب نیاز دارید. این بسته‌بندی از ورود اکسیژن و رطوبت جلوگیری کرده و ماندگاری ترکیبات خشک‌شده را چندین برابر می‌کند.
کاربردهای تکنیک لیوفیلیزاسیون
تکنیک لیوفیلیزاسیون یا خشک کردن انجمادی به دلیل مزایای متعدد خود، در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارد .کاربردهایی حیاتی که در صنایع حساس مانند داروسازی جایگزین دیگری ندارد. ادامه به برخی از مهم‌ترین کاربردهای این فناوری اشاره می‌کنیم.
صنایع داروسازی
امروزه بسیاری از داروها به دلیل حساسیت به دما و رطوبت به صورت لیوفیلیزه تولید می‌شوند. لیوفیلیزاسیون دارویی تنها برای خشک کردن داروها نیست بلکه برای فرآوری این ترکیبات در مراحل مختلف نیز استفاده می‌شود. این روش باعث می‌شود که داروها ماندگاری طولانی‌تری داشته باشند و در مواقع نیاز، با افزودن آب برای تزریق، مجدداً فعال شوند .واکسن‌ها، آنتی‌بیوتیک‌ها، هورمون‌ها، آنزیم‌ها و محصولات بیولوژیکی حساس به شرایط محیطی، از طریق لیوفیلیزاسیون پایداری بیشتری پیدا کرده و نگهداری آن‌ها نیز راحت‌تر و کم هزینه‌تر می‌شود.
صنایع غذایی
غذاهای لیوفیلیزه مانند قهوه فوری، انواع میوه خشک، سبزیجات و غذاهای آماده مصرف با حفظ طعم، رنگ و ارزش‌غذایی از طریق این روش تولید می‌شوند. این محصولات دارای ماندگاری طولانی‌تری هستند و بدون نیاز به یخچال نگهداری می‌شوند .موادغذایی لیوفیلیزه به دلیل سبک‌بودن، بافت جذاب، مزه طبیعی و ماندگاری بالا طرفداران زیادی دارند. برخی موادغذایی مانند عصاره‌ها، چاشنی‌ها و افزودنی‌های طبیعی نیز به‌صورت لیوفیلیزه برای استفاده در آشپزی و تولیدات صنعتی عرضه می‌شوند.
صنایع زیست‌شناسی و بیوتکنولوژی
در تحقیقات و تولیدات زیستی، لیوفیلیزاسیون برای نگهداری طولانی مدت نمونه‌های میکروبی، سلول‌ها، و ویروس‌ها بدون نیاز به یخچال استفاده می‌شود .پروتئین‌های نوترکیب و سایر محصولات بیوتکنولوژی با استفاده از این تکنیک نگهداری و توزیع می‌شوند.
صنایع آرایشی و بهداشتی
برخی از محصولات آرایشی و بهداشتی، مانند ماسک‌های صورت، پودرها و سرم‌های پوستی، از طریق لیوفیلیزاسیون فرآوری می‌شوند تا مواد مؤثره فعال و بدون تغییر باقی بمانند. ترکیباتی مانند ویتامین‌ها، آنتی‌اکسیدان‌ها و موادمغذی که در فرمولاسیون محصولات آرایشی استفاده می‌شوند دربرابر حرارت حساس هستند.
انواع دستگاه فریز درایر
دستگاه‌های فریزدرایر بسته به کاربرد و حجم مصرفی به چند دسته مختلف تقسیم می‌شوند. در ادامه با انواع دستگاه‌های خشک کن انجمادی آشنا می‌شویم.
دستگاه لیوفیلیزاسیون آزمایشگاهی
این نوع دستگاه برای استفاده در آزمایشگاه‌ها طراحی شده و ظرفیت آن محدود است. بیشتر برای تحقیقاتی که شامل نمونه‌های کوچک از مواد دارویی، بیولوژیکی یا شیمیایی هستند به کار می‌رود.
دستگاه لیوفیلیزاسیون صنعتی
این نوع دستگاه برای تولید انبوه و مقیاس‌های صنعتی طراحی شده است. ظرفیت بسیار بالایی دارد و برای فرآوری حجم زیادی از مواد استفاده می‌شود. لیوفیلیزاسیون‌های صنعتی در صنایع غذایی، داروسازی و بیوتکنولوژی برای تولید محصولات تجاری در مقیاس بزرگ‌تر کاربرد زیادی دارند. قدرت و کارایی بالای این مدل دستگاه باعث شده که بسیاری از کارخانجات دارویی، غذایی و صنعتی آن را انتخاب کنند.
دستگاه لیوفیلیزه نیمه‌صنعتی
این دستگاه‌ها ظرفیت بین فریزدرایرهای آزمایشگاهی و صنعتی دارند. برای تولیدات نیمه‌صنعتی یا محدودتر استفاده می‌شوند. تحقیقات و توسعه محصولات جدید قبل از ورود به تولید انبوه، تست فرآیندهای صنعتی، تولید دارو و محصولات غذایی در مقیاس محدود از جمله کاربردهای این نوع از لیوفیلیزاسیون هاست.
دستگاه لیوفیلیزه کننده خانگی
این دستگاه‌ها کوچک بوده و برای استفاده خانگی یا تولیدات محدود طراحی شده‌اند. برای افراد یا کسب‌وکارهای کوچک که می‌خواهند موادغذایی خود را لیوفیلیزه کنند، مناسب است. معمولاً برای خشک کردن میوه‌ها، سبزیجات، موادغذایی دیگر برای استفاده شخصی یا فروش در مقیاس کوچک استفاده می‌شوند. لیوفیلیزاسیون خانگی به اندازه فریز درایرهای صنعتی کارایی و سوددهی ندارند، اما در کل کاربرد خود را دارند.
نکته پایانی
در این مطلب با روش لیوفیلیزاسیون و خصوصیات مواد لیوفیلیزه آشنا شدیم. همچنین بهطورکامل اجزا و نحوه عملکرد دستگاه لیوفیلیزاسیون را بررسی کردیم. همان‌طورکه گفته شد فناوری لیوفیلیزاسیون یا خشک کردن انجمادی یک روش نوین با کارایی منحصربه‌فرد است که علارغم قیمت بالا به خاطر سوددهی و ارزش‌افزوده محصولاتش به سرعت هزینه‌های شما رو جبران خواهد کرد. اگر شما هم به دنبال آشنایی بیشتر با این دستگاه و یا تهیه آن برای کسب و کار یا شرکت خود هستید می‌توانید با کارشناسان سایت ما تماس بگیرید.