 |
Основы технологии сушки белковых и ферментных препаратов
|
|
|
|
Процессу высушивания могут подвергаться как осадки активного белка, полученные путем высаждения из растворов, так и сконцентрированные растворы, экстракционные вытяжки и культуральные жидкости.
Если белок находится в растворенном состоянии, то процесс сушки проводят в распылительных сушилках. Метод получения сухих веществ в распылительных сушилках широко применяется в химической технологии. Наиболее эффективным вариантом высушивания термостабильных веществ является противоточная сушка, когда высушиваемый раствор распыляется навстречу потоку нагретого воздуха. В результате, наиболее высушенные частицы вещества взаимодействуют с самым горячим воздухом. Однако из-за термолабильности белков такой метод сушки растворов неприемлем. К процессу сушки белковых растворов предъявляют ряд общих требований:
1. Содержание сухих веществ в растворе не должно превышать 20-22%. Это достигается правильным проведением предварительного процесса упаривания нативных растворов.
2. Температура теплоносителя (горячего воздуха) не должна превышать 130°С на входе в сушильную камеру и 50-70°С на выходе из нее.
3. Время контакта высушиваемых частиц с теплоносителем не должно превышать нескольких секунд. Теплоноситель и высушиваемые частицы должны двигаться в одном направлении (движение в токе теплоносителя). Недопустимо противоточное движение теплоносителя и высушиваемых частиц.
4. Гидродинамика потоков в сушильной камере должна обеспечить отсутствие контакта высушиваемых частиц с ее стенками или свести ее к минимуму.
5. При сушке обязательно добавляют наполнители в количестве 100% от полной массы сухих растворенных веществ. Наполнитель предотвращает слипание высушиваемых частиц. В качестве наполнителя обычно используют хлорид натрия или сульфат магния. Последний обладает также свойством стабилизатора высушиваемого ферментного препарата.
|
|
|
Потери активности фермента при распылительной сушке с наполнителями - стабилизаторами не более 5-6%, без них 25-30%. После сушки препарат должен содержать не более 6-8% остаточной влаги. Тогда при сроке хранения до 1 года не наблюдается потери его активности.
Более сложным является процесс сушки белковых осадков, полученных высаливанием или осаждением летучим органическим растворителем. Влажность таких осадков может достигать 70-80%, а сами они представляют собой плотную, вязкую и липкую массу. Цикл их высушивания достаточно длительный и занимает до 14-16 часов. Для снижения потерь сушку проводят в вакууме при температуре 50-60°С. Для ускорения процесса и более равномерного прогрева высушиваемого продукта сушильные камеры снабжаются различными перемешивающими устройствами.
Однако, несмотря на использование таких приемов как сушка при пониженном давлении или в распылительной сушилке, использование повышенной температуры может приводить к значительному снижению активности и других потребительских свойств (растворимость, срок хранения и др.) белковых, витаминных и других термолабильных продуктов и препаратов. Более эффективным и щадящим способом сушки, широко используемым в фармацевтической и пищевой промышленности, является лиофильная сушка.
ЛИОФИЛЬНАЯ СУШКА
1. Общие принципы и преимущества метода лиофилизации. Процесс удаления жидкости (воды) из осадков при глубоком вакууме (ниже 1 мм рт. ст.) называется лиофильной сушкой или лиофилизацией. Название процесса - лиофильная сушка, не совсем верно описывает суть процесса. Например, температура кипения воды при 4,6 мм рт. ст. равна 0°С, а при 0,034 мм рт. ст. составляет -50°С. При температуре ниже 00С вода замерзает, и поэтому процесс упаривания представляет собой не сушку (фазовый переход жидкость-пар), а возгонку (фазовый переход твердое вещество-пар). Принцип проведения лиофильнойсушки весьма прост. Водный раствор, осадок или например ягоды, полностью замораживают и выдерживают в вакууме 0,01-2 мм рт. ст. Возгоняющиеся водяные пары улавливают в охлаждаемых ловушках или при помощи химических поглотителей.
|
|
|
Основные преимущества метода лиофильной сушки следующие:
1) в процессе упаривания продукт находится при низкой температуре. Это имеет особенно важное значение для обезвоживания белков, антибиотиков, вирусов, микроорганизмов и нестабильных фармацевтических продуктов и свежих продуктов питания;
2) лиофилизация не сопровождается вспениванием;
3) благодаря низкой температуре удается обезвоживатьвещества, которые при обычной перегонке захватываются водяными парами;
4) в процессе упаривания объем смеси меняется очень мало, благодаря чему образуются мелкокристаллические продукты, которые вследствие своей исключительно большой поверхности легко растворяются при дальнейших операциях (например, лиофилизированный белок растворяется в воде в течение нескольких секунд);
5) метод лиофилизации применим также для высушивания гидрофобных веществ, в том числе нестабильных липидных компонентов липопротеидов;
6) так как во время всей операции продукт находится при низкой температуре, нет опасности его микробиологическогозаражения, а ферментативное расщеплениесведено до минимума;
7) поскольку работу проводят в относительно глубоком вакууме, нет опасности окисления нестабильных веществ кислородом воздуха ;
8) полученные продукты содержат около 0,5% влаги, благодаря чему их можно хранить длительное время, не опасаясь их разрушения микроорганизмами.
2. Технология лиофильной сушки. При проведении лиофильной сушки всегда следует стремиться к тому, чтобы лиофилизируемый раствор замерз, возможно быстрее. При медленном замораживании увеличивается концентрация растворенного вещества в еще незамерзшей части жидкости, что может ухудшить качество сушки. Быстрое замораживание жидкости может быть достигнуто несколькими способами. Наиболее простой и чаще всего употребляемый в лаборатории способ состоит в следующем: колбу вращают рукой в наклонном положении в бане со спиртом, охлажденным до -40°С, или со смесью твердой углекислоты со спиртом или ацетоном. Колбу наполняют замораживаемым раствором, примерно на 1/5 объема. После образования слоя замерзшего раствора на поверхности колбы содержимому дают полностью застыть при температуре от -20 до -400С. Для замораживания больших количеств жидкости было предложено специальное вращающееся устройство, в котором колбы с раствором интенсивно вращаются вокруг своей оси при -40°С. Замерзающая жидкость образует на стенках слой с относительно большой поверхностью.
|
|
|
Другой, менее употребительный способ замораживания заключается в быстром испарении части воды в вакууме. За счет теплоты испарения этой воды происходит замораживание остальной части раствора. Этот способ применяют только в промышленности. Для устранения вспенивание при упаривании растворы помещают в пробирках, установленных в центрифугу. Центробежная сила препятствует образованию пены, и раствор намерзает на внешних стенках пробирки.
В качестве источника вакуума при лиофильной сушке в лаборатории удобнее всего использовать масляные насосы. В промышленных производствах наряду с насосами большой производительности используют многоступенчатые паровые эжекторы, выполняющие одновременно функции создания вакуума и улавливания (конденсирования) паров воды.
Водяные пары улавливают двумя основными способами:
1. Пары улавливают при помощи охлаждаемых ловушек. Обычно в лабораториях для охлаждения ловушек используют смесь твердой углекислоты со спиртом или ацетоном. Для конденсации 1 гльда требуется примерно 6 гтвердой углекислоты.
2. Пары улавливают химическими поглотителями в специальных сосудах. В качестве поглотителя воды можно использовать безводный хлористый кальций (90 гна 1 гводы), едкий натр, пятиокись фосфора (3 гна 1 гводы) и т. п.
|
|
|
В промышленности в качестве поглотителей влаги иногда используют гигроскопичные охлажденные растворы солей. Так, например, в некоторых промышленных установках раствор хлористого лития, охлажденный до 0°С, подают в конденсирующее устройство прибора для лиофильной сушки, где он уменьшает количество водяных паров. Регенерированный упариванием и охлажденный раствор снова возвращают в конденсирующее устройство.
В процессе сушки большинство продуктов благодаря интенсивному испарению воды охлаждается до слишком низких температур, вследствие чего процессе замедляется. Поэтому рекомендуется погружать колбы в баню с температурой 20 - 30°С.
Точную информацию о ходе сушки и степени дегидратациипри работе в лабораторном масштабе получить трудно. Приблизительно можно оценить, продолжается ли процесс осушения продукта или он уже сухой по тому, охлаждается ли колба с осушаемым веществом или нет. Более точную информацию можно получить, поместив в лиофилизируемый раствор термопару. Когда температура начинает повышаться выше 0°С и продукт остается твердым, сушку можно считать законченной.
Приближенно можно считать, что за 1 часвозгоняется слой льда толщиной примерно 1 мм. Скорость возгонки, однако, во многом зависит от типа прибора. На последней стадии сушки (от 5 до 0,5% влаги) вещества осушаются более медленно, и для удаления остаточного количества воды обычно требуется больше времени, чем для удаления основной массы воды.
Иногда комбинируют два способа конденсации: главную массу воды (до остаточной влажности около 2%) удаляют при помощи охлаждаемой ловушки, а досушивание (до остаточной влажности 0,5%) проводят с применением химического поглотителя.
3. Применение лиофильной сушки. Лиофильная сушка широко применяется в химии высокомолекулярных природных веществ, фармацевтическо-биотехнологическом производстве, биохимии и биологии. Лиофильная сушка является конечной стадией в производстве пенициллина, стрептомицина и некоторых витаминных препаратов.
Новейшая техника фракционирования и консервирования плазмы крови при низких температурах, включает стадию быстрого высушивания конечных продуктов лиофильной сушкой. Сконструировано оборудование, позволяющее упаривать этим способом тысячи литров воды в день.
Современная техника лиофильной сушки не менее важна для исследований бактериальных токсинов, при приготовлении больших количеств чистых белков для работ, связанных с установлением их строения, и в энзимологии. Путем лиофилизации можно легко законсервировать ряд биологических сред.
Некоторые бактериальные и вирусные культуры (препараты - пробиотики) можно после лиофилизации долгое время сохранять в вакууме. В случае необходимости через несколько лет такую культуру можно снова перенести в нормальные физиологические условия и вызвать ее размножение. Так были законсервированы культуры Haemophilus influenzae, Neisseria gonorrheae, Eberthella typhosa, а также вирус гриппа, холерный вибрион, бактериофаги и многие другие.
|
|
|
Большое значение имеет применение одной из модификаций лиофильной сушки для изучения тканей в гистологии и цитологии.
В пищевой промышленности лиофильную сушку используют для получения сушеных овощей, фруктов, растворимого кофе, сушеного свежего мяса и других продуктов.
|
|
|
