ליופיליזציה הינו תהליך של דה-הידרטציה המשמש לשימור חומרים מתכלים או להפיכתם למותאמים להובלה. ייבוש בהקפאה מבוסס על הקפאת החומר ולאחר מכן הפחתת הלחץ בסביבתו, מה שגורם לסובלימציה של המים הקפואים האגורים בחומר ישירות ממצב מוצק לאדים. תהליך זה מאפשר ייבוש של חומר ללא שימוש בחום.ארבעה שלבים עיקריים של תהליך ייבוש מלא:
טיפול מקדים, הקפאה, ייבוש ראשוני, ייבוש שניוני.
יישומים של ליופיליזציה(ייבוש בהקפאה):
· תעשיית המזון- שימור מזון לאורך זמן
· תעשייה טכנולוגית- באנליזות כימיות, מוצרים עוברים ייבוש בהקפאה כדי להפוך אותם ליותר יציבים או מסיסים יותר במים
· שימור מסמכים- ייבוש בהקפאה מהווה אמצעי שיקום למסמכים וספרים שניזוקו ממים
· שימור פרחים- ייבוש בהקפאה משמש לשימור של זרי חתונה למשל.
להלן הסוגים השונים של ליאופילייזרים:
מדריך לבחירת מכונת ייבוש בהקפאה למעבדה
ייבוש בהקפאה, הידוע גם בשם ליאופיליזציה, הוא תהליך המשמש בהרבה
תעשיות שונות כולל מזון, תרופות, חומרים, ביוטכנולוגיה ומחקר.
תפקידו: שיפור חיי המדף, הפחתת משקל המדגם,
יצירת מבנה מסוים, והגברת המסיסות.
עקרונות ייבוש בהקפאה
תהליך הייבוש בהקפאה מורכב משלושה שלבים:
הקפאה מוקדמת, ייבוש ראשוני וייבוש משני.
הקפאה מוקדמת: מאאחר שייבוש בהקפאה הוא שינוי במצב
מהשלב המוצק לשלב הגזי, חומר שיהיה
מיובש בהקפאה חייב קודם להקפיאו מראש כראוי.
שיטת ההקפאה המוקדמת והטמפרטורה הסופית של
מוצר קפוא יכול להשפיע על היכולת לייבש בהקפאה את החומר בהצלחה
התקררות מהירה גורמת ליצירת גבישי קרח קטנים, השימושיים בשימור מבנים לבדיקה מיקרוסקופית, אך מביאים למוצר שקשה יותר לייבש בהקפאה. קירור איטי יותר גורם לגבישי קרח גדולים יותר ולפחות ערוצים מגבילים במטריצה במהלך תהליך ייבוש.
מוצרים קופאים בשתי דרכים, בהתאם לאופי המוצר. רוב המוצרים שכן מיועדים לייבוש בהקפאה מורכבים בעיקר ממים, הממס, והחומרים המומסים או המרחפים במים, המומס. רוב הדוגמאות שיש לייבוש בהקפאה הם אוטקטיים( eutectics )שהם תערובת של חומרים כי להקפיא בטמפרטורות נמוכות יותר מהמים שמסביב. כאשר התרחיף המימי מתקרר, מתרחשים שינויים בריכוזי המומסים של מטריצת המוצר. וככל שהקירור מתקדם, המים מופרדים מהמים מומסים כשהם משתנה לקרח, יוצרים מרוכזים יותר אזורים של מומסים. כיסים אלה של חומרים מרוכזים יש טמפרטורת הקפאה נמוכה יותר מהמים. למרות שמוצר עשוי להיראות קפוא בגלל כל הקרח הקיים, למעשה הוא לא קפוא לחלוטין עד שכל המומס בתרחיף קפוא. התערובת של ריכוזים שונים של מומסים עם הממס מהווה את האוטקטיקה של התרחיף. רק כאשר כל התערובת האוטקטית קפואה היא ההשעיה קפואה כראוי. זה נקרא אוקטיקה טֶמפֶּרָטוּרָה.
חשוב מאוד בייבוש בהקפאה להקפיא מראש את המוצר מתחת לטמפרטורה האוטקטית לפני מתחילים בתהליך הייבוש בהקפאה. כיסים קטנים של חומרים לא קפואים שנותרו במוצר מתרחבים ויכולים לסכן את היציבות המבנית של המוצר המיובש בהקפאה.
הסוג השני של מוצר קפוא הוא תרחיף שעובר היווצרות גבישי זכוכית במהלך תהליך ההקפאה. במקום ליצור אאוטטיקה, כל התרחיף הופך לצמיג יותר ויותר ככל שהטמפרטורה יורדת. לבסוף המוצר קופא בנקודת המעבר של הזכוכית ויוצרת מוצק זגוגי. הסוג הזה של המוצר קשה מאוד להקפאה יבש.
ייבוש ראשוני: מספר גורמים יכולים להשפיע על היכולת לייבש בהקפאה תרחיף קפוא. בעוד שגורמים אלה יכולים לידון באופן עצמאי, יש לזכור שהם מקיימים אינטראקציה במערכת דינמית, וזהו איזון עדין בין הגורמים הללו שמביא לתוצאה נכונה של מוצר מיובש בהקפאה.
לאחר הקפאת המוצר מראש, יש ליצור תנאים חייבים חיוניים בהם ניתן יהיה להסיר קרח מהמוצר הקפוא באמצעות סובלימציה, וכתוצאה מכך לייבשו. זה דורש שליטה זהירה מאוד של שני פרמטרים, טמפרטורה ולחץ, האחראים ישירות על הייבוש בהקפאה. קצב הסובלימציה של קרח ממוצר קפוא תלוי בהבדל בלחץ האדים של המוצר לעומת לחץ האדים של אספן הקרח. מולקולות נודדות מהלחץ הגבוה יותר לאזור הלחץ הנמוך יותר. מאחר שלחץ אדים קשור לטמפרטורה, זה הכרחי שטמפרטורת המוצר תהיה חמה יותר טמפרטורת מלכודת הקור (אספן קרח). חשוב מאוד שהטמפרטורה בה המוצר מיובש בהקפאה מאוזן בין הטמפרטורה ששומרת על שלמות ההקפאה של והטמפרטורה שממקסמת את לחץ האדים של מוצר. איזון זה הוא המפתח לייבוש מיטבי. דיאגרמת פאזות טיפוסית המוצגת באיור הבא ממחישה נְקוּדָה זו. רוב המוצרים מוקפאים הרבה מתחת לאוטקטיקה שלהם או לנקודת מעבר זכוכית (נקודה A), ולאחר מכן את הטמפרטורה עולה עד מתחת לטמפרטורה הקריטית (נקודה B) והם נתונים ללחץ מופחת. בשלב זה תהליך הייבוש בהקפאה התחיל.
ייבוש משני: לאחר שהייבוש ראשוני בהקפאה הושלם, וכל הקרח התאייד, הלחות הקשר עדיין קיימת במוצר. המוצר נראה יבש, אבל תכולת הלחות הנותרת עשויה להגיע עד 7-8%. המשך ייבוש הכרחי בטמפרטורה חמה יותר כדי להפחית את תכולת הלחות השיורית לערכים מיטביים. תהליך זה נקרא ספיגה איזותרמית כשהמים הקשורים נספגים מהמוצר.
ייבוש משני נמשך בדרך כלל כשטמפרטורה המוצר גבוהה מהסביבה אך תואמת לרגישות המוצר. כל שאר התנאים, כגון כמו לחץ וטמפרטורת האספן, נשארים זהים. מכיוון שהתהליך הוא דיסורפטי, הוואקום צריך להיות נמוך ככל האפשר (ללא לחץ מוגבר) וטמפרטורת האספן צריכה להיות קרה ככל שניתן להגיע. ייבוש משני מבוצע בדרך כלל במשך כ 1/3 עד 1/2 הזמן הנדרש לייבוש ראשוני.
בחירת מייבש הקפאה
מכונות ייבוש בהקפאה עשויים להיות מורכבים מציוד וחלקים מיוחדים, כגון עם בקרי
חימום, קירור ווואקום באינטראקציה זה עם זה, כדי לספק את תנאי הייבוש האופטימאליים ביותר. הם משמשים עבור סוגים רבים של מוצרים ולכן יש
מגוון סוגים שונים של מערכות עם מאות אפשרויות, בכדי להתאים לדרישות של התעשיות השונות והיישומים המגוונים.
בכדי לוודא שאתה מקבל את המערכת הנכונה עבורך, ישנן מספר שאלות שכדאי לשקול בשלב מוקדם.
1. מה המוצר?
ניתן לייבוש מוצרים בהקפאה מתוך מחשבה על מטרות שונות - למשל, לתחזק
טעם או מראה, להאריך חיי מדף, ליצור מבנה מסוים, להאט פעילות ביולוגית, למניעת ריקבון. למוצרים שונים יש גם דרישות רגולטוריות שונות בתכלית: תותים מיובשים בהקפאה לארוחת בוקר לדגנים לא יצריכו אותו נטל רגולציה כמו בחיסון להזרקה. חשוב להבין בדיוק מה המטרה
כדי לוודא שהציוד עומד במשימה ושאינו מסובך מדי לצרכים שלך.
חלק ממשתני הציוד הרלוונטיים עשויים לכלול: עד כמה הטמפרטורה
מבוקרת בצורה קפדנית; האם הטמפרטורה של המוצר מנוטרת ישירות, וכיצד;
טמפרטורות התהליך ויכולות המעבה; מהי רמת תכנות המחזורים (Cycles),
הניטור, הדיווח ואבטחת המידע הנדרשים.
2. באילו ממיסים מדובר?
בחלק ניכר מהמוצרים לייבוש בהקפאה יש רק ממס אחד: מים.
קל להתמודד עם מים מכיוון שהם בעלי טמפרטורת הקפאה גבוהה יחסית, מה שהופך את פעולת ההקפאה היבשה שלהם לקלה. עם זאת מוצרים רבים מכילים ממיסים אחרים בריכוזים שונים ולפעמים בקוֹמבִּינַצִיָה. המאפיינים התרמיים השונים של ממיסים לא מימיים עשויים לדרוש טמפרטורות תהליך נמוכות יותר במעבה, ויש לשים על כך את הדעת בבחירת הדגם הנכון, כי אחרת לא ניתן להתאימו מחדש.
חלק מהממיסים שאינם מימיים הם קורוזיביים לייבוש בהקפאה, במיוחד
פלסטיק. כדי להימנע מהחלפה מתמדת של חלקים, ניתן לבנות מכונות עם עמידות בפני קורוזיה עם נירוסטה וזכוכית.
באותה מידה, ניתן לשדרג את משאבת הוואקום ממשאבת שמן דו-שלבית סטנדרטית
(משאבת שבשבת סיבובית), למשאבת ואקום יבשה עמידה בכימיקלים, כאשר
יש צורך בעבודה עם ממיסים אגרסיביים/מאכלים. עם זאת, לא כל הממסים מתאימים לייבוש בהקפאה ולכן סביר להניח שזו תהיה אחת השאלות הראשונות שתשאל עליו.
לפעמים ניתן להשתמש בשלב עיבוד מקדים כגון אידוי כדי לשאוב
ממיסים שליליים באמצעות מאייד, דבר שיאפשר ייבוש בהקפאה בצורה קלה יותר
עבור שאר המוצר שיוותר.
3. האם המוצר מוכן לייבוש בהקפאה?
לא ניתן לייבש בקלות את כל סוגי המוצר או התכשיר.
שיטות ייצוב חלופיות עשויות להתאים יותר למוצר ספציפי, בעוד
שמוצרים אחרים עשויים לדרוש שיטות אחרות כמו עיבוד מוקדם.
4. מה השימוש הסופי?
כשהמוצר יוצא מהמייבש בהקפאה, מה קורה לו? האם הוא ייאכל,
יוזרק, ישתלב במוצר אחר, או יישלח לאנליזה נוספת?
מזונות וטיפולים רפואיים - מתרופות כימותרפיות ועד לעור מלאכותי - יצריך
ככל הנראה דרישה לייצור בסביבת חדר נקי. לא כל מייבשי ההקפאה יתאימו לשימוש בחדרים נקיים, שכן אסור שגזי פליטה וחלקיקים יזהמו את הסביבה המבוקרת.
סביר להניח שגם הליכי ניקוי וסטריליזציה של ציוד יהיו מחמירים. למערכות גדולות יותר, ייתכן שניתן לבצע אוטומציה של ניקוי (CIP) ועיקור (SIP).
במערכות קטנות יותר חשוב לוודא את מידות החדרים ושמיקום המערכת יתאים להליכי ניקוי ידניים. קשור אחר פעולות אחרות יכולות גם להיות אוטומטיות באופן חלקי או מלא כדי למזער
זיהום, למשל טעינה ופריקה של מוצרים על המדף במייבש ההקפאה.
מערכות המשמשות למחקר ופיתוח יצטרכו לעתים קרובות יותר כלי ניטור ומשוב מתוחכמים כדי לספק את נתוני התהליך הדרושים לאנליזות.
השימוש במוצר ישפיע גם על רמת בדיקת המערכת לפני השימוש. לעתים קרובות יהיה צורך לאמת מערכות המשמשות לייצור מסחרי בעת ההתקנה, ושרשרת הניירת שמובילה לבנייה היא לרוב מורכבת יותר, וכוללת מפרטי דרישת משתמש (URS),
תיאור/מפרט עיצוב פונקציונלי (FDS), בדיקות קבלה של המפעל, בדיקות קבלת אתר
הבדיקה (SAT) ולבסוף הסמכה להתקנה ותפעול (IQ/OQ). מערכות
המשמשים למחקר ופיתוח יזדקקו לרוב לכלי ניטור ומשוב מתוחכמים יותר כדי לספק את נתוני התהליך הדרושים לניתוח והערכה.
5. אילו כמויות תרצו לייבש בהקפאה?
גודל אצווה ניתן בדרך כלל במונחים של נפח המוצר או מספר מסוג מסוים
של מיכל (למשל בקבוקונים, מגשים בתפזורת, צלחות 96 באר). זה עשוי להיות שימושי לשקול את התפוקה הנדרשת לשבוע או לחודש, ולאחר מכן לחשב את משתני האצווה.
אתה יכול להקפיא את הדגימה שלך ישירות במדף בצורה מבוקרת לחלוטין, במעבה בגישה פחות מבוקרת, או חיצונית - אבל בסופו של דבר,
יש להקפיא את הדגימה לחלוטין לפני הכנסתו לסעפת ואז להפעיל את הוואקום כדי להתחיל לייאופיליזציה.
פרמטרי אצווה יאפשרו להעריך את גודל המעבה , שנתון בדרך כלל במונחים של משקל או נפח קיבולת על פני פרק זמן מסוים. קיבולת המעבה צריכה להיות גדולה מנפח האצווה הכולל בכדי לאפשר אי-סדירות של קצבי זרימת אדים וירידה
יעילות עקב הצטברות קרח עם התקדמות המחזור. זה
רלוונטי במיוחד עם מוצרים בעלי תכולת לחות גבוהה. עם זאת פרמטרים אחרים כגון סוג המיכל ונפח המילוי עשויים להפוך את שטח המדף הזמין לשיקול משמעותי יותר מאשר
גודל המעבה.
כאשר גודל אצווה מחושב מדרישת תפוקה, זה חשוב
להביא בחשבון לא רק את משך המחזור אלא את זמן הטעינה/פריקה,
הפשרה, ניקוי ותחזוקה. לפעמים זה עשוי להיות יעיל יותר
כאשר מגבים את כל המערכת או הרכיב כדי לספק יתירות ולאפשר גמישות של דרישות.
6. מהו סוג היחידה או המיכל?
האם המוצר מוזרם במדויק לבקבוקונים ע”י מינון, נוזלים או תמיסה למגשים, פרי בודד
בחתיכות, מתלים של צינורות eppendorf לעיבוד מבוסס PCR? הממדים של
הבקבוקונים או צינורות חשובים לחישוב הכמות שניתן להעמיס על מדף, או
בתוך כלי זכוכית עם פתח רחב במייבש ההקפאה של סעפת. כמו כן, בכדי לספק
כמות מתאימה של מרווח בין מדפים, שניהם יקבעו כמה מוצרים
ניתן לעבד בתא בכל עת.
למייבשי הקפאה מסוג סעפת ישנם מספר שיקולים בעת בחירת הסעפת. במעבדה מרובת משתמשים לעתים קרובות הכי טוב להשתמש בסעפת נירוסטה חזקה. ביישומים שבהם נעשה שימוש בממיסים אורגניים או כשאתה רוצה להבטיח נראות, סעפת אקרילית תהיה מועדפת. ביישומים עם ממיסים אורגניים סעפות הנירוסטה יספקו שימוש לאורך זמן. בדרך כלל יש לאטום בקבוקונים בתא באמצעות פקק מובנה.
אפשר להשיג יותר מוצר על מדף במגשים בתור תרחיץ או חתיכות קטנות מאשר ב בקבוקונים, כתוצאה מכך עומס האדים יהיה גדול יותר והמעבה יהיה חייב להיות בגודל הנכון בהתאם.
שינוי סוג המיכל יכול להגדיל או להקטין את כמות המוצר שיכולה
להתאים על מדף ואת עומק המוצר שניתן להכניס במיכל, אבל בכל אצווה
הפרמטרים משתנים ויש להעריך גם את ההשפעה על מחזור הייבוש בהקפאה.
מידות המיכל יכולות גם להשפיע על קצב יציאת האדים מהמוצר,
אשר בתורו משפיע על קצב הייבוש והטמפרטורה של המוצר ועומסי האדים
על מעבה מייבש ההקפאה.
7. היכן ימוקם מייבש ההקפאה?
ניתן להפעיל מייבשים בהקפאה במספר רב של מקומות.
לפעמים מייבש בהקפאה צריך להתאים להיות מונח על שולחן מעבדה קטן, ולפעמים כל חדר המעבדה או חדר המפעל יובנה סביבו. צריך להיות מספיק מקום עבור
המייבש בהקפאה עצמו ולכן חייבים להקצות מקום מתאים למידותיו ולמשקלו.
ניתן לבנות מערכות רבות בתצורות שונות כדי שיתאימו לחלל אחר או
לעשות אותם ידידותיים לחדר נקי, אבל כמובן אלה יש לציין דרישות לפני הבנייה.
כמו מערכות רבות המבוססות על קירור, מייבשים בהקפאה יעבדו ביעילות רבה יותר בסביבה קרירה. מעבדות וחדרים נקיים רבים ממוזגים ומבוקרים בטמפרטורה בטווח של 20°C - 22°C, שזה אידיאלי.
סוגי מייבשי הקפאה
סוג סעפת שולחני ורצפתי
סוג זה של מייבש הקפאה הוא קומפקטי (עבור השולחני) וגמיש להפליא עם מגוון של
טמפרטורות מעבה זמינות עד ל-103 מעלות צלזיוס לעיבוד טווח מוצרים רחב ביותר. מספר אביזרים שונים מאפשרים לך לייבש מוצרים בהקפאה במגשים, בקבוקונים, אמפולות, צלוחיות לייבוש בהקפאה, צלחות ועוד.
- זמין בסוגי קירור משתנים, כמו עד 50- צלזיוס ו 80- צלזיוס
- קיבולת קונדנסר כוללת 3 עד 9 ליטר (בכפוף לדגם שנבחר)
- מעבה נירוסטה כבד - שוב, רצוי בעת עיבוד אגרסיבי חומרים, כגון ממיסים/חומצות אורגניות
- סעפת תוף אקרילית, סוג עץ או סעפת אנכית. שים לב שבהתאם לתדירות, לריכוז, לנפח וכמובן לאופי של ממיסים אורגניים פוטנציאליים שניתן להשתמש בהם, סעפת הנירוסטה עשויה להיות מוצעת, כדי למזער את הסיכון של קורוזיה של אביזרים על ידי ממיסים אגרסיביים, כגון כמו אצטוניטריל, מתנול, DMSO וכלורופורם, וכו'.
