Kylmäkuivaus

Kylmäkuivaus eli lyofilisaatio on kuivausmenetelmä (dehydraatiomenetelmä), jota käytetään helposti pilaantuvien materiaalien säilöntään tai tekemään materiaalista helpommin kuljetettavaa. Kylmäkuivauksessa kuivattava materiaali jäädytetään ja kuivataan sublimaatiolla alhaisessa ilmanpaineessa, jonka ansiosta kuivaamiseen voidaan käyttää normaalia alhaisempia lämpötiloja.

Kylmäkuivausprosessi

Kylmäkuivaus voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen: jäädytykseen sekä primaariseen ja sekundaariseen kuivumisvaiheeseen.

Jäädytys

Laboratoriossa jäädytys voidaan suorittaa pyörittämällä kuivausastiassaan olevaa materiaalia mekaanisesti, kuivalla jäällä, metanolilla tai nestemäisellä typellä viilennetyssä kylmähauteessa. Laajemmassa mittakaavassa kuivattavan materiaalin jäädytys suoritetaan kylmäkuivauskoneella itsellään. Jäädytysvaiheessa on tärkeää, että materiaali jäädytetään alle eutektisen pisteensä, jolloin kiinteä aine sublimoituu sulamisen asemesta kuivausvaiheessa. Jäädytyksen nopeus ratkaisee muodostuvien kiteiden koon. Hidas jäädyttäminen aiheuttaa suurempien kiteiden ja pienempien jäätyneen materiaalin pinta-alojen muodostumisen ja nopea pienempien kiteiden ja laajempien pinta-alojen muodostumisen. Jäädytetyn materiaalin pinta-alalla on vaikutusta kuivumisnopeuteen, sillä laajempi pinta-ala nopeuttaa kuivumista.
Amorfisilla aineilla on eutektisen pisteen sijasta nk. kriittinen lämpötila (lasisiirtymälämpötila), jonka alapuolella tuotetta on pidettävä kylmäkuivauksessa ehkäisemään sulamista ja lasitilan kollapsoitumista primaarisen ja sekundaarisen kuivumisen aikana.

Primaarinen kuivumisvaihe

Primaarisessa kuivumisvaiheessa kuivattavasta materiaalista sublimoituu jäätynyt vesi eli ”liikkuvat vesimolekyylit”. Primaarisen kuivumisvaiheen aikana ilmanpainetta alennetaan osittaisen tyhjiön aikaan saamiseksi kylmäkuivausjärjestelmässä ja lämpötilaa nostetaan riittävästi veden sublimaation käynnistämiseksi. Tässä vaiheessa n. 98 % materiaalin vedestä sublimoituu. Tämä vaihe voi olla hidas, koska kuivumista nopeuttavia korkeampia lämpötiloja ei voida käyttää, koska materiaalin rakenne voisi muuttua. Kylmäkuivauslaitteistossa on kylmäkondensaattori, joka sitoo kuivattavasta materiaalista vapautuvaa vesihöyryä jäädyttämällä sen uudelleen, jolloin höyry ei pääse heikentämään tyhjiöpumpun toimintaa. Sublimaation ajava voima on kondensaattorin ja kuivattavan materiaalin välinen lämpötilaero. Mitä alhaisempaa kondensaattorin lämpötilaa käytetään, sitä tehokkaampaa kuivuminen on. Kondensaattorin lämpötila on tyypillisesti alle −50 °C. Kun kylmäkuivauslaitteiston lämpötila on muuttumaton, kuivumisen eli sublimaation nopeuteen vaikuttavat kuivattavan tuotteen pinta-ala, tuotteen sublimaatiorintaman höyrynpaineen ja tuotteen astiassa vallitsevan osittaisen höyrynpaineen välinen erotus ja kuivatun tuotekerroksen aiheuttama resistenssi höyryn virtaukselle.

Sekundaarinen kuivumisvaihe

Sekundaarisessa kuivumisvaiheessa sublimoituu kuivattavaan materiaaliin adsorboitunut vesi. Tätä vaihetta säätelevät materiaalin adsorptioisotermit. Tässä vaiheessa lämpötilaa nostetaan jopa korkeammalle kuin primaarivaiheessa, jotta vesimolekyylien ja jäädytetyn materiaalin fysikokemialliset vuorovaikutukset saataisiin katkaistuksi. Yleensä myös ilmanpainetta alennetaan sublimaation tehostamiseksi. Sekundaarivaiheen lämpötila ja kestoaika vaikuttavat kuivatun tuotteen jäännöskosteuteen, jolla voi olla suuri merkitys tuotteen stabiilisuudelle.
Kylmäkuivauksen päätyttyä tyhjiö poistetaan inertillä kaasulla (esimerkiksi typpi) ennen tuotteen altistamista ilmakehälle. Tuote voidaan myös sulkea ilmatiiviisti estämään kosteuden uudelleen sitoutumista tuotteeseen.

Kylmäkuivattujen tuotteiden ominaisuuksia

Jos kylmäkuivattu aine suljetaan astiaansa kosteuden uudelleen absorption ehkäisemiseksi, aineella voi olla säilyvyysaikaa useita vuosia. Merkittävästi pienentynyt vesipitoisuus estää mikro-organismien ja entsyymien toimintaa, mitkä normaalisti pilaisivat tai hajottaisivat tuotteen.
Kylmäkuivaus aiheuttaa aineelle vähemmän vaurioita kuin muut korkeampia lämpötiloja käyttävät kuivausmenetelmät. Kylmäkuivauksessa tuotteiden saannot ovat yleensä hyviä, sillä aineet kuivataan keruuastiassaan. Kylmäkuivaus ei yleensä kutista tai koveta kuivattavaa materiaalia. Maut ja tuoksut pysyvät yleensä muuttumattomina, mikä tekee kylmäkuivauksesta suositun ruoan säilytyskeinon. Valitettavasti veden ohella muutkin haihtuvat aineet voivat sublimoitua, kuten etikkahappo ja alkoholit, mikä johtaa joskus ei-haluttuihin tuloksiin.
Kylmäkuivatut tuotteet voidaan rekonstituoida (rehydratoida) eli saattaa valmiiksi vedellä tai muulla liuoksella nopeammin ja helpommin, koska kylmäkuivaus aiheuttaa tuotteeseen liukenemista edistäviä mikroskooppisia huokosia jääkiteiden sublimoituessa niiden kohdalta. Tästä on merkitystä erityisesti farmaseuttisissa sovelluksissa. Kylmäkuivauksella voidaan pidentää joidenkin farmaseuttisten aineiden säilyvyyttä monilla vuosilla.

Farmasia ja bioteknologia

Farmaseuttinen teollisuus käyttää kylmäkuivausta esimerkiksi rokotteiden ja muiden injektoitavien lääkkeiden säilyvyysaikaa pidentämään. Kun materiaalissa ei ole vettä ja se on huolellisesti suljettu astiaansa, sitä on helppo varastoida, kuljettaa ja myöhemmin rekonstituoida alkuperäiseen muotoonsa injektioksi. Arviolta noin puolet rekombinantti-DNA-teknologialla valmistetuista proteiineista on markkinoilla kylmäkuivattuina jauheina.

Elintarviketeollisuus

Kylmäkuivattu jäätelö on hyvin tunnettu esimerkki kylmäkuivatusta tuotteesta. Avaruuslentäjien ruoan tulee olla kevyessä ja helposti kuljetettavassa muodossa, joten kylmäkuivatut valmisteet sopivat heille hyvin. Myös retkeilijöiden on helpompi kuljettaa kylmäkuivattua juomajauhetta mukanaan, jonka he voivat sitten tarvittaessa tehdä juotavaksi saatavilla olevalla vedellä. Pikakahvia valmistetaan myös kylmäkuivauksella huolimatta kylmäkuivauksen korkeista kustannuksista. Kylmäkuivausprosessia käytetään nykyisin yleisemmin farmaseuttisessa teollisuudessa.

Teknologinen teollisuus

Kemiallisessa synteesissä valmistuneet tuotteet usein kylmäkuivataan, jotta niistä tulisi pysyvämpiä tai helpompia liuottaa veteen jatkokäytössä. Kylmäkuivausta voidaan käyttää myös jälkipuhdistukseen, koska sillä voi tehokkaasti poistaa liuottimet. Lisäksi sillä voidaan väkevöittää alhaisen molekyylipainon omaavia aineita, jotka olisivat liian pieniä suodatukseen.

Hautaus

Ruotsalainen biologi Susanne Wiigh-Mäsak kehitti vuonna 1999 tekniikan ruumiiden kylmäkuivaamiseksi ja pulveroimiseksi. Tekniikassa, jota kutsutaan promessoinniksi, ruumis jäädytetään nestetypellä, jolloin siitä poistuu kaikki kosteus. Kuivunut ruumis täristetään tomuksi, josta poistetaan ylimääräiset aineet, kuten metallit. Biohajoavassa arkussa haudattava tomu maatuu nopeasti alle vuodessa.

Ongelmia ja käytön keskittyminen

Kylmäkuivaus on suhteellisen kallis prosessi. Laitteisto maksaa noin kolme kertaa enemmän kuin muut erotteluprosessilaitteistot ja lisäksi laitteiston toiminta kuluttaa paljon energiaa. Kylmäkuivaus vie myös aikaa. Näistä syistä kylmäkuivausta sovelletaan lähinnä lämpöherkille materiaaleille kuten proteiineille, entsyymeille, mikro-organismeille ja veriplasmalle. Alhaiset operointilämpötilat minimoivat em. herkkien materiaalien vauriot. Vaikka kylmäkuivaus onkin hellävarainen kuivausmenetelmä, jäädytys ja dehydraatio altistavat esimerkiksi proteiinit erilaisille rasituksille, jotka voivat heikentää niiden biologista aktiivisuutta. Käyttämällä kryo- ja lyoprotektantteja eli jäädytys- ja kuivausvaiheen suoja-aineita voidaan kylmäkuivauksen aiheuttamia rasituksia ja vaurioita vähentää vielä pienemmiksi.

Kylmäkuivauslaitteisto

Kylmäkuivaajat voidaan jakaa kolmeen luokkaan: rotaatiohaihduttimiin eli rotavaporeihin, vakuumisarjakylmäkuivaajiin ja kaappimallisiin kylmäkuivaajiin.
Rotavaporeita käytetään nestemäisten tuotteiden kuten farmaseuttisten liuosten ja kudosuutteiden kuivaamiseen. Vakuumisarjakylmäkuivaajia käytetään yleensä kuivattaessa lukuisia pieniä kuivattavan materiaalin eriä, jotka tulevat nopeasti jatkokäyttöön. Vakuumisarjakylmäkuivaajalla tuotteen kosteuspitoisuudeksi saadaan vain vähän alle 5 %, koska vain kuivauksen primaarivaihe saavutetaan. Kuivauksen sekundaarivaiheen saavuttaminen vaatii lämmittimen lisäämisen järjestelmään, jotta materiaaliin sitoutunut vesi saadaan poistetuksi ja kosteuspitoisuus alennetuksi.
Kaappimalliset kylmäkuivaajat ovat monipuolisempia ja niitä voidaan käyttää erilaisten materiaalien kuivaamiseen. Kuivattava materiaali voidaan kuivata paikallaan omassa astiassaan. Koska kaappimallisella kylmäkuivaajalla saavutetaan myös kuivumisen sekundaarivaihe, lopputuotteesta saadaan kuivinta mahdollista, jolla voi olla pitkä säilyvyysaika. Astioissa (esimerkiksi injektiopulloissa) oleva kuivattu tuote voidaan sinetöidä kylmäkuivauksen päätteeksi ennen altistusta ilmalle, mikä takaa esimerkiksi rokotteille mahdollisimman pitkäaikaisen säilyvyyden.