Лиофильные сушилки для вакуумного обезвоживания: ягод, фруктов, овощей, мяса, рыбы и морепродуктов

Каждому человеку знаком такой вид продуктов, как сухофрукты. Сегодня это не только подсушенные фрукты, но и ягоды, овощи, грибы. А ещё на прилавках встречаются подсушенные: мясо, рыба и другие морепродукты. Из-за небольшого содержания влаги перечисленные товары дольше хранятся. Добиться такого состояния позволяет сублимационная сушка. Это современная методика физической обработки, на основе технического обезвоживания вымораживанием, т.е., частичного удаления замёрзшей жидкости из продукта. Сделать сублимацию можно с помощью лиофильных сушильных аппаратов. Они снискали широкую популярность в различных отраслях промышленности, таких как: пищевая, фармацевтическая и химическая. Далее расскажем о лиофилизаторах и сделаем обзор на несколько моделей.

Справочно:

• Лиофилизация (от греч. λύω – отделять и φιλέω — люблю) — способ мягкой сушки веществ, при котором высушиваемый препарат замораживается, а потом помещается в вакуумную камеру, где и происходит возгонка – сублимация.
• Сублимация (от лат. sublimo «возносить»), возгонка — переход вещества из твёрдого состояния сразу в парообразное, минуя стадии перехода в жидкое состояние и кипения.

Что такое лиофилизатор?

Лиофилизатор и сублимационная сушилка — синонимы одного и того же промышленного оборудования (для бытового использования они не производятся). Данный вид аппаратов выполняет процесс удаления воды из скоропортящихся товаров, чтобы:

• сохранить им структуру материи;
• продлить срок годности при температурах выше 0°C;
• повысить качество упаковывания, хранения и транспортировки.

Например, обезвоженные продукты свободно хранятся на складе производителя, торговой точки или в кладовой потребителя: от 6 до 12 месяцев. А в герметичной упаковке, в прохладном месте, срок хранения достигает 10–15 лет.

Как это работает?

Принцип действия любой сублимационной сушилки состоит из 3-х основных этапов и выглядит следующим образом:

• замораживается материал;
• снижается давление и добавляется тепло;
• отделяется замороженная влага от материала.

Наиболее важным является этап замораживания. В отличие от традиционных методов сушки, здесь для испарения не применяется нагрев жидкой фракции. Поэтому надлежащая лиофилизация, методом вымораживания, позволяет сократить время обезвоживания на 30-50%, в сравнении с традиционной сушкой под лучами солнца или в сушильных шкафах. Это средний показатель скорости обработки, поскольку в тайминге необходимо делать поправку с учётом величины слоя продукта. Наиболее подходящая глубина до 40 мм.

Для справки. Замораживание для технической сушки впервые было использовано ещё в 1890 году на образцах сухих тканей растительного и животного происхождения. Так что технология далеко не новая.

Фаза заморозки

Лиофилизаторная технология подразумевает различные варианты замораживания продукта. В зависимости от конструкции аппарата шоковое охлаждение проводится в морозильной камере, охлаждающей ванне или в специальных ячейках на противнях. Климатическая установка должна охладить продукт ниже его тройной точки (около -57°С), чтобы обеспечить сублимацию, а не разрушение ткани. Иначе сложно сохранить физическую форму материала, пренебрегая технологией.

Лиофилизатор легко вымораживает крупные кристаллы льда, которые можно получить путём медленного замораживания или отжига. Однако в случае с биологическими материалами, когда кристаллы слишком велики, они способны разрушить клеточные стенки, что приводит к далеко не идеальным результатам сублимационного процесса. Дабы предотвратить это, замораживание производится быстро. Для материалов, склонных к осаждению, можно использовать отжиг (-20°С / -35°С). Этот процесс включает быстрое замораживание, а затем повышение температуры продукта для роста кристаллов.

Фаза первичной сушки (сублимации)

Вторая фаза работы лиофилизатора – это первичная сушка (сублимация), при которой давление понижается и к материалу добавляется тепло для сублимации влаги. Вакуум ускоряет процесс. Холодный конденсатор обеспечивает состояние поверхностей для прилипания и затвердевания водяного пара. А ещё он защищает вакуумный насос от выделенного пара.

На этой стадии сушки удаляется около 95% воды из материи. Это очень много. Поэтому первичная фаза может стать относительно долгим процессом. Если увеличить температурную нагрузку в нарушение технологических требований, то здесь появляется риск испортить продукт. Попросту его материя изменится в худшую сторону, далёкую от кондиции. Например, засохнет.

Фаза вторичной сушки (адсорбция)

Заключительной фазой обработки является вторичная сушка (адсорбция), во время которой удаляются ионно-связанные молекулы воды. При повышении температуры выше, чем на этапе первичной сушки, связи между материалом и молекулами воды разрываются. Сублимированные материалы сохраняют пористую структуру. После того, как лиофилизатор завершит процесс вымораживания, вакуум сбрасывается с помощью инертного газа. Это происходит прежде, чем материал запечатывается поверхностным слоем. Таким способом – адсорбцией, можно высушить большинство продуктов до остаточной влажности 1-5%

Проблемы, которых следует избегать при использовании лиофилизатора:

• Недостаточное охлаждение.
• Большое кол-во образованного пара.
• Слишком большая плотность загрузки.
• Маленькая площадь конденсатора для улавливания пара.

Важные термины в технологии лиофилизации

Предлагаем вниманию несколько важных профессиональных терминов, с которыми вы можете столкнуться при выборе сублимационной сушилки или в процессе общения с технологом (когда будете принимать его на работу).

Паровое удушье

Пар вырабатывается быстрее, чем он может пройти через паровой порт между камерой и конденсатором, создавая увеличение лишнего давления.

Эвтектическая точка (эвтектическая температура)

Это точка, представляющая минимальную температуру плавления (перехода в жидкое состояние), в которой продукт существует только в твёрдой фазе. Не все продукты имеют точку эвтектики, а у некоторых их может быть несколько.

Критическая температура

Максимальная температура продукта до того, как его качество ухудшится из-за процесса плавления или разрушения.

Кристаллизация

Материал образует кристаллы при замораживании. Имеет одну или несколько эвтектических точек. При быстром замораживании образуются мелкие кристаллы, которые трудно высушить. В такой ситуации помогает отжиг, – он формирует более крупные кристаллы.

Аморфность

Многокомпонентные структуры из атомов, молекул и блоков, которые не кристаллизуются и не имеют точки эвтектики. Они превращаются в «стакан» (жидкость, которая течёт около 30 мкм в столетие). Для аморфных материалов сушку вымораживанием необходимо проводить при t°C ниже температуры стеклования (перехода жидкости при понижении температуры в стеклообразное состояние).

Коллапс (разрушение или крах)

Точка, в которой продукт размягчается до такой степени, что больше не может поддерживать свою структуру. Риски краха возникают по многим причинам из-за некорректной сублимированной сушки:

• Потеря физической структуры из-за неправильного температурного режима.
• Пониженная растворимость структуры материала.
• Повышенная абляция с поверхности.
• Неполное высыхание.

В результате разрушения структуры, продукт не годится для дальнейшего использования по назначению. А это убытки.

Преимущества и недостатки лиофилизации

Технология сушки вымораживанием имеет свои преимущества и недостатки. О них важно знать, если рассматривать сублимацию, как внедрение новой технологии на своё предприятие.

Плюсы:

• Нет ожогов и ломкости продукта, как от воздействия высоких температур.
• Есть возможность аккумулировать и использовать полученные летучие фракции.
• Можно получать продукты без потерь структурной целостности и биологической активности.
• Лиофилизированные ткани и препараты при увлажнении восстанавливают свои первоначальные свойства.
• Большинство белков не подвергается денатурации и могут длительно сохраняться при умеренном охлаждении (около t 0°C).

Минусы:

• Относительно высокие энергозатраты.
• Необходимо тщательно готовить материалы и камеру к сушке (гигиена/санитария).
• Длительность сушки варьируется от 20 до 40 часов (Мясо, рыба, горох и кукуруза высыхают быстро. В то время как тыква, картофель, ягоды и грибы занимают больше времени).  Для некоторых продуктов требуется до 1500 часов и более, это примерно 60–70 суток.

Несмотря на сильные стороны недостатков, сублимационная сушка остаётся рентабельной. Во-первых, с помощью лиофилизатора можно существенно продлить срок хранения скоропортящихся товаров. Во-вторых, продукция пользуется высоким устойчивым спросом у потребителя.

Кто покупает сухофрукты и другие сушёные продукты?

Подсушенное мясо, рыба и морепродукты пользуются популярностью у мужского населения нашей страны, как и мужчин остального мира. А сушёные фрукты, овощи, грибы и ягоды – прерогатива прекрасного пола, детей и людей пожилого возраста. Популярность сухофруктов объясняется высоким содержанием клетчатки. К тому же здесь нет холестерина, вместо него кладезь витаминов. Вдобавок этот продукт экологически чистый, потому что натуральный. Особенно это касается дикоросов. В результате сухофрукты очень популярны и среди людей, заботящихся о своём здоровье.

Поэтому их регулярно покупают:

• Молодые женщины (в частности сотрудницы офисных центров).
• Пожилые люди (практикующие лечение сухофруктами).
• Владельцы столовых, кафе и ресторанов.
• Общеобразовательные учреждения.
• Оздоровительные центры.

От производителя требуется лишь наделить свой товар главным достоинством – цена/качество. Конечно, риски в этом бизнесе тоже есть. И все они касаются, в основном, порчи продукции. Но если обеспечить правильные технологические циклы производства и хранения, то появление дефектов исключено.

Добавим, что кроме пищевой сферы, лиофилизаторы активно используются в химической и фармацевтической отраслях промышленности. Например, в фармацевтике лиофилизация является наиболее распространённым методом для решения проблемы хранения вещества в стабильности водного раствора. Это имеет решающее значение для защиты материалов, которые требуют низкого содержания влаги (менее 1%) и бережного стерильного процесса консервации.

Обзор оборудования

Предлагаем обзор 3-х вакуумных лиофильных сушилок с кратким описанием и основными характеристиками.

Лабораторная вертикальная сублимационная сушилка LG-08

Сублимационная мини-сушилка вертикального типа вымораживания для разработки биологических, фармацевтических и пищевых продуктов. Способна справиться с большими объёмами работ научно-исследовательских центров. Модель отличается конструкцией GLP, которая позволяет автоматизировать процесс лиофилизации и точно контролировать его.

Установка изготавливается из нержавеющей стали 304 или 316L, высококачественных материалов и других компонентов с применением передовых технологий. Камера и конденсатор, а также все другие подсистемы (вакуумный насос, холодильные компрессоры и прочее) размещены внутри корпуса из эмалированной стали. Есть поворотные ролики, поэтому аппарат легко перемещать. Температура полки регулируется и контролируется, что подходит для исследовательских и производственных процессов. Компактные размеры аппарата позволяют одинаково эффективно его эксплуатировать в мелкосерийном производстве и лабораторных исследованиях.

Лиофилизатор оснащается системой автоматического управления с 3-я режимами управления: автоматический, полуавтоматический и ручной. Операционная система обеспечивает отображение температуры и уровня вакуума в реальном времени на 5-дюймовом сенсорном экране. В памяти можно хранить значительный ряд программ с пошаговыми алгоритмами, для быстрого вызова и повторяемости протокола. График температурного изменения может быть тоже сохранен, а параметры текущей обработки легко изменить в режиме реального времени.

Вакуумная лиофильная сублимационная сушилка LGJ-50FXD

Лиофилизатор для мелкосерийного производства пищевых, химических или фармацевтических товаров, а также для пилотных испытаний. Представляет собой компактное оборудование с полкой и подогревом. Процесс замораживания и сушки совершается в одном месте.

Вакуумная лиофильная сублимационная сушилка LG-30

Сублимационная сушилка для небольших фармацевтических предприятий, аптек и больниц. Может эффективно эксплуатироваться в лабораториях биомедицины, фармацевтики и в центрах по исследованию хранения ценных материалов, связанных с науками о жизни (биотехнологиями, генетикой, медициной или пищевой промышленностью).

Модель оснащена цифровой системой управления – данные вводятся и отображаются в режиме реального времени на цветном сенсорном экране операционного блока. Внешне девайс представляет собой коробчатый корпус, в котором имеется плотно запирающаяся рабочая камера. Внутри камеры предусмотрен стеллаж для выдвижных полок, удобных для раскладки материала. Все элементы и поверхности рабочей зоны сделаны из нержавеющей стали.

Представленное в обзоре оборудование изготавливается в Китае. Это высокотехнологичные аппараты с длительным ресурсом эксплуатации (не менее 10 лет). По качеству китайские лиофилизаторы не уступают конкурентам из США, ЕС, Южной Кореи и Японии. При этом их цена существенно ниже, чем у аналогов из развитых страх. Поэтому рассмотренные модели достойны внимания российских предпринимателей.  

Резюме

Сушка вымораживанием пищевых, фармацевтических и химических продуктов являет собой высокотехнологичное производство. Полученная продукция востребована, поскольку сохраняет полезные свойства и долго хранится. Обязательно возьмите на заметку практичность лиофилизаторов, – это оборудование откроет дополнительные возможности вашего бизнеса.