Способ лиофилизации продукта и система для его осуществления
METHOD FOR FREEZE-DRYING A PRODUCT AND SYSTEM FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Группа изобретений относится к области лиофилизации (сублимационной сушки) продуктов в сфере пищевой промышленности, требующей удаления особенно большого объема водяных паров из пищевых продуктов, а также может быть использована при лиофилизации биологических объектов в фармакологической, косметологической и других областях промышленности, решающих схожие задачи по дегидратации возгонкой.
Лиофилизация (от греч.  - растворяю и  - люблю) в общем случае - технология удаления растворителя из основы, использующая эффект возгонки (сублимации). В более узком смысле, используемом в пищевой промышленности, лиофилизация - это технология сохранения различных продуктов биологического происхождения путем их дегидратации возгонкой (сублимацией) (Семенов Г. В. «Вакуумная сублимационная сушка», стр. 45, М.: ТД ДеЛи, 2013.-264 с. ISBN 978-5-905170-33-1).
Точку пересечения кривых фазового равновесия веществ в координатах «давление - температура» называют тройной точкой. (Физическая энциклопедия, т. 5, стр. 168, - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - 760 с. ISBN 5-85270-101-7 (т. 5)). В ней три агрегатных состояния вещества (твердое, жидкое и парообразное) существуют одновременно и находятся в равновесии друг с другом. Поскольку основной удаляемый растворитель из пищевых продуктов - вода, именно значения ее тройной точки определяют требования к оборудованию для «пищевой» лиофилизации и, с одной стороны, относят его к классу вакуумного оборудования, а с другой - требуют создавать оборудование с возможностью управляемого охлаждения/нагрева лиофилизируемого продукта (лио-продукт), как правило, в диапазоне от -30 до +50°С.
Тройная точка - граница, отделяющая процессы сушки (испарение) и лиофилизации (возгонки), ее количественные значения для воды равны: температура 0,01°С, давление 611 Па, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трех фаз - в твердом, жидком и газообразном состояниях. Превышение парциальным давлением паров воды значения тройной точки даже в объеме условного «единичного микрообъема продукта» сразу переводит процесс дегидратации из метода возгонки в испарение из жидкой фазы при пониженном давлении, т.е. начинается «вакуумная» сушка - процесс, принципиально отличный от лиофилизации, существенно изменяющий потребительские и органолептические свойства получаемого пищевого продукта.
Основными целями лиофилизации пищевых продуктов, как правило, являются:
• существенное увеличения срока хранения продуктов - до 10 и более лет, поскольку отсутствие воды в пищевых биологических объектах обычно практически останавливает гнилостные и другие деградационные процессы;
• максимальное снижение веса продуктов, что особенно актуально для тех, которые содержат большую долю воды (растворителя) или требуют хранения/транспортировки в условиях нерегулируемых температур;
• обеспечение сохранности неустойчивых к тепловому воздействию (термолабильных) компонентов: ферментов, аминокислот, белков, витаминов, микроэлементов, т.е. сохранности дегидратированных микробиологических структур в приближенном к природному (нативному) состоянию, и максимально возможного сохранения пищевой ценности продуктов;
• сохранение пористой структуры лио-продуктов для придания им органолептических свойств, отличных от свойств высушенных продуктов, или для возможности их дальнейшей быстрой и полной регидратации. Сохранение объемов лиофилизируемых продуктов можно считать одним из наиболее удобных критериев оценки качества их лиофилизации и принципиального отличия от процессов сушки. При лиофилизации кристаллики льда, удаляясь из твердой, а не жидкой, фазы, не уменьшают размеры единичных микрообъемов (пор / клеток и т.д.), который они занимали, поэтому также сохраняется исходный макрообъем кусочков продукта.
Цели дегидратации пищевых и подобных им продуктов, которые не могут быть обеспечены, например, сушкой, и требуют лиофилизации, создают совокупность практических требований к способам и системам ее осуществления.
В самом общем случае технология лиофилизации продуктов состоит из следующих основных этапов:
1. Перевод жидкого растворителя (воды) в лиофилизируемых продуктах в твердое агрегатное состояние (заморозка).
2. Снижение остаточного давления в герметичной камере для лиофилизации до значений ниже тройной точки воды (вакуумирование) и поддержания такого пониженного остаточного давления в ходе всего дальнейшего процесса лиофилизации.
3. Возгонка молекул воды (сублимация) при регулируемом распределенном подводе тепла к лиофилизируемым продуктам для компенсации снижения их температуры.
При этом необходимое для выполнения требований протекания процессов лиофилизации оборудование состоит из:
1. Холодильников-тепловых машин разных конструкций, обеспечивающих заморозку воды и водных растворов продуктов.
2. Герметичной (вакуумной) камеры, позволяющей поддерживать остаточное давление как минимум на 1-2 порядка ниже тройной точки воды.
3. Системы насосов, обеспечивающих:
3.1. откачку воздуха (неконденсируемых газов) из камеры лиофилизации перед началом процесса до значений остаточного давления как минимум на один порядок ниже значения давления тройной точки воды и последующего поддержания совокупного остаточного давления неконденсируемых газов на протяжении всего процесса лиофилизации при значениях, которые не позволяют парам воды превысить значение давления тройной точки;
3.2. быстрое удаление из камеры лиофилизации большого объема образующихся в результате возгонки водных паров (конденсируемого газа), при соблюдении условия, что парциальное давление паров воды в камере лиофилизации ниже значений тройной точки воды.
4. Системы регулируемого распределенного подвода тепла к лиофилизируемым продуктам, обеспечивающей соблюдение условия, указанного в п. 3.2.
Эффективное разрешение проблемы удаления больших объемов водяного пара в продукте, образующегося в процессе лиофилизации, одновременно с необходимостью поддерживать остаточное давление на уровне ниже тройной точки воды, - одна из ключевых инженерных задач при создании оборудования для лиофилизации.
Общепринятое в настоящее время техническое решение для промышленных лиофилизационных установок - это применение десублиматоров для конденсации и замораживания (десублимации) паров воды продукта. Десублиматоры с высокой скоростью удаляют молекулы воды из газовой фазы путем их замораживания на достаточно холодной поверхности - т.е. осуществляют процесс десублимации. Развитая охлаждаемая поверхность десублиматора находится в рабочем вакуумном объеме или соединяется с рабочим объемом с помощью вакуумного затвора. При этом для охлаждения десублиматоров используются одно- или двухступенчатые холодильные машины с предельной температурой охлаждения поверхности десублиматора в различных установках в интервале от -30 до -70°С.
Промышленные водяные десублиматоры широко используются благодаря высокой скорости откачки (вымораживания) паров воды, но в силу физических ограничений не могут обеспечить откачку неконденсируемых сред из камеры лиофилизации перед началом процесса до значений остаточного давления как минимум на один порядок ниже значения давления тройной точки воды и последующего поддержания совокупного остаточного давления неконденсируемых газов во время всего процесса лиофилизации. Поэтому общепринятым аппаратным решением для выполнения этого требования является установка дополнительного механического вакуумного насоса или дополнительной системы механических вакуумных насосов (Семенов Г.В., Краснова И.С. «Сублимационная сушка», стр. 127-128, М.: ТД ДеЛи, 2021. - 326 с. ISBN 978-5-6045642-1-9). Системы механических вакуумных насосов в конструкциях промышленных лиофилизаторов, требующих удаления из продуктов особенно большого объема водяных паров, не могут обеспечить сравнимые с десублиматорами скорости откачки паров воды, поэтому вспомогательный механический вакуумный насос или насосная группа должны лишь компенсировать незначительную негерметичность вакуумных объемов и удалять небольшой объем неконденсируемых газов, выделяющихся из лиофилизируемого продукта.
Более существенное требование к производительности форвакуумных насосов проистекает из необходимости откачивать воздушную атмосферу из камеры лиофилизации после загрузки продукта. Желаемая скорость откачки герметичного объема для лиофилизации до остаточного давления менее 1 мм рт.ст., необходимого для возможности начала работы десублиматора и собственно процесса лиофилизации, как правило, и определяет общую максимальную производительность системы вспомогательной форвакуумной откачки лиофилизатора - при этом всегда оставляя ее существенно меньшей, чем скорость откачки паров воды традиционными десублиматорами при соответствующих давлениях. Требование по откачке воздуха (неконденсируемых газов) из камеры лиофилизации перед началом процесса до значений остаточного давления как минимум на один порядок ниже значения давления тройной точки воды на практике приводит к использованию относительно простых форвакуумных насосов пластинчато-роторного типа с масляным уплотнением, одно- или двуступенчатых, с оговоркой о недопустимости системного попадания в них значимых объемов водяных паров (со временем вызывающих выход из строя подобных насосов с масляным уплотнением).
Однако применение десублиматоров в составе оборудования для лиофилизации имеет ряд принципиальных недостатков:
1. По мере замерзания паров воды, выделяющихся из продукта, на холодной поверхности десублиматора увеличивается пористая ледяная «шуба», которая в силу своих теплоизоляционных свойств постепенно повышает температуру конденсации новых партий десублимирующихся на ее поверхности молекул воды. Повышение температуры поверхности конденсации повышает равновесное остаточное давление паров воды в лиофилизаторе, т.е. вызывает процесс, обратный решаемому установкой десублиматора. При достижении температуры внешней поверхности «шубы» десублиматора, равной температуре на фронте возгонки внутри лиофилизируемого продукта, дальнейшее удаление паров воды таким способом становится принципиально невозможным.
Поэтому конструкторам десублиматоров приходится, с одной стороны, сильно развивать охлаждаемую поверхность десублиматора для снижения средней толщины слоя десублимированного льда, а с другой - использовать более дорогие холодильные машины с пониженной рабочей температурой. Оба подхода увеличивают как капитальные затраты на производство десублиматора (оборудования для лиофилизации), так и эксплуатационные расходы вследствие больших энергетических затрат для удаления равных объемов водяных паров.
Несмотря на реализуемые в промышленном лиофилизационном оборудовании решения, снижающие негативные следствия использования десублиматоров, в конструкции лиофилизационнных машин с их применением неизбежны следующие технологические ограничения:
- объем загружаемых продуктов для лиофилизации не должен превышать по влагосодержанию возможностей поверхности десублиматора;
- требования к остаточному давлению паров воды на последних стадиях дегидратации, когда требуется максимальная эффективность удаления водяного пара, не должны превышать возможностей десублиматора, с учетом его сниженной десублимационной способности из-за уже «налипшего» льда на предыдущих стадиях процесса лиофилизации.
2. Периодический характер работы десублиматоров, обусловленный накоплением десублимируемых паров воды на охлаждаемой поверхности, вызывает необходимость каждый раз полностью удалять накопившийся лед перед следующим циклом лиофилизации. Поскольку лед - это твердое агрегатное состояние, в котором, учитывая необходимость развитой поверхности десублиматора, компоновочные решения не позволяют удалять воду в твердой фазе, неизбежно требуется предварительное оттаивание. Это, в свою очередь, имеет два негативных следствия.
Первое: увеличение цикла работы лиофилизационного оборудования, необходимого для оттаивания десублиматоров. В большой промышленной установке оттаивание может занимать часы, т.е. существенную часть цикла лиофилизации, которую нельзя не учитывать при определении общей производительности лиофилизационного оборудования.
Второе: «лишние» энергетические затраты, связанные с:
- «лишним» фазовым переходом всей возогнанной из продукта воды не в жидкое состояние, а в твердое;
- «лишними» энергозатратами на оттаивание для перевода воды, уловленной в процессе возгона воды из состояния льда в легко удаляемое жидкое агрегатное состояние в межцикловом периоде;
- «лишними» энергозатратами на нагрев/охлаждение десублиматора существенной теплоемкости, который при каждом цикле одновременно с оттаиванием льда забирает «лишнюю» энергию для своего нагрева, а затем тратит «лишнюю» энергию холодильной машины для своего охлаждения до рабочей температуры.
3. Ввести в процесс лиофилизации дополнительные объемы неконденсируемых газов невозможно по следующим причинам:
- создавая дополнительное тепловое давление на десублиматоры, потенциальный дополнительный поток неконденсируемых газов ухудшит их работу вследствие повышения температуры конденсации на внешней поверхности ледяной «шубы»;
- по причине дополнительной вязкостной составляющей неконденсируемого газового потока при характерных остаточных давлениях лиофилизации существенная часть водяных паров начнет попадать в системы механической форвакуумной откачки неконденсируемых газов, ухудшая работу вакуумных насосов с масляными уплотнениями и со временем выводя их из строя;
- достаточные для существенного влияния на лиофилизируемые продукты объемы неконденсируемых газов нельзя удалить малопроизодительными системами форвакуумной откачки.
Известны технические решения процесса лиофилизации без использования традиционных десублиматоров.
Из уровня техники известен способ и устройство для процессов лиофилизации по патенту US 5948144, публикация 07.09.1999, где используется не десублиматор, а безмасляный (сухой) вакуумный насос для удаления как неконденсируемых газов, так и водяного пара из лиофилизатора напрямую в воздушную атмосферу. В патенте описаны способ и устройство для лиофилизации протеинов и/или другой фармацевтической продукции. Установки с безмасляными (сухими) насосами могут использоваться для лиофилизации в фармакологической сфере благодаря значительно меньшему объему паров воды, которые обычно надо удалять за единицу времени в «фармакологических» задачах в сравнении с «пищевыми».
Недостаток способа и устройства - низкая для пищевой сферы производительность и высокая стоимость системы откачки паров воды с помощью безмасляных насосов, установленных без дополнительных ступеней компрессии. Это объясняется тем, что на современном уровне развития вакуумной техники есть два основных типа безмасляных насосов, способных откачивать от остаточного давления около 10 Па и сжимать газ до атмосферного давления, - спиральные и винтовые. В спиральных насосах характерные геометрические скорости откачки не превышают в наиболее производительных моделях 15-20 л/с, а в наиболее крупных винтовых - 500-1000 л/с. Однако значения предельного остаточного давления винтовых насосов (когда массовая скорость откачки становится равна нулю, несмотря на сохранение геометрической производительности) находится в конструкциях винтовых насосов около значений ~ 0,1 мм рт.ст., поэтому действительная массовая производительность винтовых насосов при давлениях лиофилизации (около 1 мм рт.ст.) обычно снижена на порядок и едва достигает 50 - 100 л/с. Создание лиофилизационных установок для пищевой промышленности, когда лиофилизатор среднего размера (с ориентировочной загрузкой по исходному продукту 100 - 150 кг) требует установки десятка дорогих промышленных вакуумных винтовых или спиральных насосов, явно нецелесообразно в сравнении с применением десублиматора, с точки зрения и капитальных, и эксплуатационных затрат, поскольку при работе такого количества механических насосов суммарные потери на диссипацию энергии будут значительно больше, чем тепловые потери десублиматоров в установках сравнимых размеров.
Известны решения, где в системе процесса лиофилизации не используются традиционные десублиматоры и применяются дополнительные ступени компрессии перед форвакуумными насосами.
Наиболее близким аналогом к заявляемой группе изобретений является вакуумная сублимационно-сушильная установка по патенту CN 204301416, опубл. 29.04.2015. В патенте описан способ ее работы без десублиматора. Сублимационно-сушильная установка состоит из:
- вакуумного корпуса лиофилизатора с системой распределенного подвода энергии;
- герметичной трубы, соединяющей вакуумный корпус с системой вакуумной откачки;
- системы вакуумной откачки, состоящей из двух блоков насосов типа JZJS600-22; где каждый блок насосов, в свою очередь, состоит из трех последовательно установленных насосов (в порядке повышения давления в системе откачки):
3
- средневакуумного насоса Рутса типа ZJ600 с геометрической производительностью 600 дм/с;
3
- средневакуумного насоса Рутса типа ZJ300 с геометрической производительностью 300 дм/с;
3
- форвакуумного водокольцевого насоса типа 2SK-6 с геометрической производительностью 100 дм/с.
В патенте приведен пример способа получения сублимированного батата в этой установке со следующими основными параметрами процесса: 100 кг порезанного и предварительно замороженного батата помещают в лиофилизатор, вакуумируют и, включив систему подогрева, получают на полках температуру + 70-80°С, а с помощью двух установок типа JZJS600-22 поддерживают в течение всего процесса остаточное давление на уровне 100-130 Па без использования десублиматора. После 8 часов остаточная влажность в батате снижается до значения менее 3%.
Однако заявленные параметры процесса вызывают сомнения, исходя из следующих общеизвестных фактов:
3
• при 100 000 Па (1 атм. абс.) насыщенный водяной пар, занимающий 1 м, весит 590 граммов;
• батат содержит около 80% воды;
3
3
3
3
следовательно, для удаления примерно 80 кг воды при среднем давлении 115 Па (-0,87 мм рт.ст.) необходимо обеспечить геометрическую откачку (80÷0,59) × (100 000÷115) ≈ 118 000 м. Поскольку заявленное время осуществления процесса - 8 часов, совокупная реальная производительность системы откачки должна быть не менее 118 000÷8=14 750 м/ч. Этот результат в 3,5 раза превышает максимальную геометрическую быстроту откачки, которая теоретически может быть обеспечена двумя насосными вакуумными установками типа JZJS600-22: (2×600 дм/с × 3600 с)÷1000=4320 м/ч. При этом, с учетом реальных особенностей процесса лиофилизации (этапы разогрева, досушки), меньшей действительной производительности вакуумных насосов в сравнении с геометрической, сопротивления трубы, соединяющей корпус лиофилизатора и вакуумные откачные посты, а также других подобных факторов, очевидно еще большее расхождение в требующейся и достижимой скорости откачки.
Выявленное несоответствие можно объяснить пропорционально большим реальным остаточным давлением во время процесса дегидратации (около 500 Па), поскольку известны метрологические сложности, связанные с измерением действительного, а не кажущегося остаточного давления конденсируемых паров воды, например, наиболее распространенными вакууметрами термопарного типа. Предположение о значительно более высоком остаточном давлении во время дегидратации косвенно подтверждается высокими для процессов лиофилизации значениями температуры на нагревательных полках (+70-80°С). Усредненное давление, значение которого близко к значению тройной точки воды, с высокой вероятностью приводило к превышению остаточного давления значения давления тройной точки растворов воды, реально присутствующих в биологических объектах (батате), а следовательно, выводило проводимые процессы из области лиофилизации (возгонки) в диапазон вакуумной сушки (испарения), т.е. процесса, не являющегося заявленным предметом патентования. Заявленная низкая остаточная влажность в итоговом дегидратированном продукте может быть получена путем как лиофилизации, так и вакуумной сушки в области остаточных давлений примерно до 1000 Па.
Недостатками данной вакуумной сублимационно-сушильной установки и способа ее работы являются инженерные решения, снижающие реальную массовую производительность механической вакуумной системы. Одно из них - герметичная труба, соединяющая вакуумный корпус с системой вакуумной откачки, указанная как идентифицирующий признак изобретения, и оказывающая неизбежное сопротивление откачке в молекулярно-вязкостном интервале давлений, при которых протекают процессы лиофилизации. Другое - выбор форвакуумного откачного средства в виде водокольцевого насоса, обладающего высоким предельным остаточным давлением, что неизбежно снижает коэффициент компрессии установленных над ним насосов Рутса и общую массовую производительность вакуумной системы при характерных давлениях протекания процессов лиофилизации. Наличие фактов, снижающих общую эффективность системы вакуумной откачки (в частности, длинной соединительной трубы и форвакуумного водокольцевого насоса), требует, в сравнении с настоящей группой изобретений, более производительных насосов Рутса и больших энергозатрат на работу вакуумной системы при сравнимых объемах загрузки и, следовательно, увеличивает капитальные затраты на производство оборудования и энергопотребление при эксплуатации.
Предлагаемая группа изобретений решает техническую проблему удаления больших объемов паров воды из продукта (десятки и сотни литров) при одновременном сохранении качества конечной продукции, присущего лиофилизатам.
Технический результат группы изобретений заключается в более быстром удалении влаги из дегидратируемого продукта, получении высокого и стабильного качества пищевых или фармакологических или косметологических лиофилизатов при уменьшении капитальных, эксплуатационных и энергетических затрат благодаря усовершенствованию вакуумной системы.
Технический результат реализуется следующими приемами и конструктивными особенностями группы изобретений.
СПОСОБ лиофилизации продукта, включающий:
- перевод воды в продукте в твердое агрегатное состояние,
- снижение остаточного давления в вакуумной камере до значений на 3-4 мм рт.ст. ниже тройной точки воды,
- возгонку воды из продукта,
- подачу при возгонке по принципу «на проток» неконденсируемого газа, например, азота до достижения общего остаточного давления в вакуумной камере, при котором парциальное давление паров воды не превышает давления тройной точки.
СИСИТЕМА для лиофилизации продукта, содержащая:
- вакуумную камеру с патрубком для подачи неконденсируемого газа, расположенным напротив патрубка для присоединения насоса Рутса,
- при этом диаметр патрубка для присоединения насоса Рутса диаметра составляет от 100% до 150% впускного отверстия насоса Рутса, а длина патрубка составляет от 25% до 100% диаметра впускного отверстия насоса Рутса,
- систему охлаждения и нагрева продукта,
- систему вакуумной откачки с применением не менее одного насоса Рутса и не менее одного механического форвакуумного откачного насоса безмасляного (сухого) типа с возможностью соединения с насосом Рутса.
Введение в вакуумную камеру для лиофилизации неконденсируемых газов (воздух, азот, аргон, углекислый газ), по принципу «на проток» в количестве, ограниченном сверху значением, при котором парциальное давление паров воды еще не превышает значения своей тройной точки, позволяет за счет увеличения конвекционной составляющей теплового потока к центру лиофилизируемого продукта, а также вязкостного (механического) захвата возогнавшихся молекул воды неконденсируемыми молекулами газа, получить дополнительные преимущества по скорости удаления пара из вакуумного объема и сократить продолжительность дегидратации возгонкой.
После достижения нагревателями максимальной температуры, допустимой в конкретном процессе лиофилизации, количество неконденсируемых газов, которые могут быть поданы в вакуумный объем по принципу «на проток», увеличивается на величину, компенсирующую снижение давления паров воды относительно максимального давления лиофилизации для данного процесса. На основе проведенных процессов получалось, при постоянном значении температуры нагревателей, сократить продолжительность стадии дегидратации до 30 процентов, что в свою очередь позволяет сократить общее время лиофилизации без ухудшения качества получаемых лио-продуктов на 5-10% (зависит от типа продуктов). При использовании эффекта подачи неконденсируемых газов общее время лиофилизации сокращается на 10-30% в зависимости от типа лиофилизируемого продукта.
Предложенный способ позволяет ускорить процессы лиофилизации на некоторых этапах, в частности, после достижения нагревателями максимально допустимой температуры, а также придавать ряду лиофилизируемых продуктов особые, важные для потребителей свойства, недостижимые в обычных конструкциях лиофильных установок с десублиматорами, по причине невозможности напуска потока неконденсируемых газов в них.
В конструкции оборудования предлагаемой системы для лиофилизации предусмотрены исполнительные устройства, позволяющие по специальному алгоритму напускать неконденсируемые газы в вакуумную камеру для лиофилизации через патрубок, расположенный напротив патрубка для механической вакуумной откачки. Намеренное создание потока неконденсируемых газов оказывает влияние на сокращение цикла лиофилизации.
Патрубок для механической вакуумной откачки соединен с насосом Рутса и имеет определенные размеры в соотношении с впускным отверстием насоса, что позволяет увеличить скорость откачки паров растворителя и неконденсируемых газов из вакуумной камеры по сравнению с обычно применяемой соединительной трубой.
Для удаления пара воды используется насос или насосы Рутса необходимой производительности, предназначенные для предварительной компрессии как паровой фазы, так и неконденсируемых газов. За счет правильного размещения насосов Рутса получают высокую скорость откачки паров воды в единицу времени, что позволяет снизить энергозатраты и себестоимость лиофилизации получаемых лио-продуктов при одновременном повышении (сохранении) их качества, в сравнении с приведенным аналогом, а также с установками, использующими десублиматоры. Насос Рутса соединен с механическим форвакуумным откачным насосом безмасляного (сухого) типа, который обеспечивает оптимальное давление для достижения максимальной массовой производительности основного насоса Рутса.
Таким образом, способ лиофилизации продукта и система для его осуществления позволяют быстро удалить большое количество влаги из продукта, сокращая весь процесс по времени до 30%, и получить пищевые лиофилизаты высокого и стабильного качества при уменьшении капитальных, эксплуатационных и энергетических затрат за счет усовершенствования вакуумной системы.
Группа изобретений поясняется схемой на Фиг. 1 и пространственной моделью на Фиг. 2:
1. Вакуумный насос Рутса;
2. Патрубок для присоединения насоса Рутса;
3. Впускное отверстие насоса Рутса;
4. Форвакуумный откачной насос;
5. Патрубок для подачи неконденсируемого газа;
6. Вакуумная камера;
7. Лиофилизируемый продукт;
8. Система охлаждения и нагрева;
9. Компьютерная система управления.
СИСИТЕМА лиофилизации продукта включает в себя вакуумную камеру (6) с системой охлаждения и нагрева (8) содержит патрубок для напуска неконденсируемых газов (5), расположенный на стороне, противоположной месту расположения патрубка для присоединения насоса Рутса (2). Вакуумная камера (6) соединена с системой охлаждения и нагрева (8), с компьютерной системой управления (9) и через патрубок (2) соединена с вакуумной системой, которая состоит из насоса Рутса (1) с впускным отверстием (3) и соединенного с ним форвакуумного откачного насоса (4).
Вакуумный насос или насосы Рутса (1) необходимой производительности предназначены для предварительной компрессии как паровой фазы, так и неконденсируемых газов. Патрубок для присоединения насоса Рутса (2) расположен в непосредственной близости к вакуумной камере (6), при этом длина присоединительного патрубка составляет от 25% до 100%) диаметра впускного отверстия (3) насоса Рутса, а условный диаметр присоединительного патрубка от 100% до 150% диаметра впускного отверстия основного насоса Рутса. Размеры данного патрубка (2), в отличие от обычно применяемой соединительной трубы, оказывающей значимое сопротивление движению паров растворителя, позволяют существенно увеличить скорость удаления паров воды и неконденсируемых газов из объема для лиофилизации.
Форвакуумный откачной насос (4) безмасляного (сухого) механического типа, соединенный с насосом Рутса (1), является составной частью поддерживающего откачного блока необходимой производительности и обеспечивает оптимальное давление для достижения максимальной массовой производительности основного насоса Рутса при поддерживаемом в вакуумной камере давлении процесса лиофилизации 1 -2 мм рт.ст.
Таким образом учитываются особенности откачки газов в молекулярно-вязкостном режиме их течения при характерных для процессов лиофилизации остаточных давлениях. Патрубок для напуска неконденсируемого газа (5) расположен напротив патрубка для присоединения насоса Рутса (2) с целью обеспечения направленного протекания неконденсируемых газов в вакуумной камере (6), что ускоряет процесс лиофилизации. Напуск неконденсируемых газов производится через управляемый компьютерной системой управления (9) вакуумно-газовый клапан. Компьютерная система управления (9) автоматически обеспечивает взаимосвязь режимов охлаждения и нагрева, подачу неконденсируемых газов по специальному алгоритму и работу вакуумных насосов с заданным остаточным давлением в вакуумной камере для лиофилизации (6).
СПОСОБ лиофилизации продукта состоит из следующей последовательности действий:
1. Осуществляют подготовку кусочков продуктов (7) к заморозке с одним из характерных линейных размеров не более 20-25 мм.
2. Замораживают продукт, а именно: воду в продукте переводят в твердое агрегатное состояние, в зависимости от типа продукта вне вакуумной камеры для лиофилизации или внутри вакуумной камеры (6), используя возможность получения на нагревательных полках отрицательных температур.
3. Снижают остаточное давление до значений ниже тройной точки воды - менее 0,5 мм рт.ст. перед началом нагрева с использованием вакуумной системы.
4. Используемые насосы Рутса (1) (один или более) в вакуумной системе имеют максимальную производительность при значениях около 1-2 мм рт.ст. в течение всего периода проведения процесса дегидратации возгонкой, а основной насос Рутса присоединен откачным отверстием (3) непосредственно к вакуумной камере (6) лиофилизатора через патрубок (2), не оказывающий в практическом плане сопротивления откачки газовых сред.
5. Осуществляют подачу теплового потока к полкам с продуктом (7) и регулируют скорости их нагрева с помощью специальных алгоритмов через компьютерную систему управления (9) по обратной связи от текущих значений остаточного давления в вакуумной камере (6), обеспечивающих поддержание максимально разрешенного для данного процесса остаточного давления паров воды не выше значений тройной точки.
6. Осуществляют подачу в вакуумную камеру (6) неконденсируемых газов (воздух, азот, аргон, углекислый газ) через патрубок (5) «на проток» по специальным алгоритмам, но без превышения совокупного остаточного давления, при котором пары воды превышают значение тройной точки; после достижения тепловыделяющими полками максимально разрешенной для конкретного процесса температуры нагрева (зависит от типа сырья) увеличивают подачу неконденсируемого газа в объеме, компенсирующем разницу между максимально разрешенным для данного процесса остаточным давлением паров воды и текущим значением парциального давления паров воды.
Проведенные с некоторыми неконденсируемыми газами (воздух, аргон и углекислый газ) эксперименты, не выявили значимых отличий от результатов, полученных с использованием азота. Однако при выборе типа неконденсируемого газа следует учитывать возможность взаимодействия некоторых продуктов, например окисления при использовании воздуха, или других химических реакций, например, с углекислым газом, а также рассматривать экономическую целесообразность использования аргона, как максимально химически нейтрального, но более дорогого варианта по сравнению с использованием азота. Использование аргона может быть целесообразно и экономически оправдано при работе с фармакологическими препаратами, а для пищевой промышленности основным используемым в данном способе неконденсируемым газом является азот.
7. Прекращают напуск неконденсируемых газов после достижения парциальным давлением паров воды в вакуумной камере (6) лиофилизации заданного (минимального) остаточного давления, определяемого для каждого типа сырья (например, 1 Па).
8. Девакуумируют лиофилизатор для выгрузки готового лио-продукта и загрузки новой партии продуктов для лиофилизации, без дополнительных процедур возврата оборудования для лиофилизации в исходное состояние.
Использование системы вакуумных насосов большой производительности на основе насоса или насосов Рутса в качестве первой ступени откачки и их расположение на патрубке в непосредственной близости от вакуумной камеры позволяет использовать поток неконденсируемого газа (воздух, азот, аргон и т.п.) для дополнительного воздействия на дегидратируемые лиофилизацией продукты. В ближайшем аналоге патента данное действие не указано, а присутствие десублиматоров в составе оборудования для лиофилизации не позволило бы этого сделать. Положительный эффект подобных воздействий наиболее заметен на этапе лиофилизации, когда на нагревательных элементах достигается максимально допустимая температура нагрева (для сохранения термолабильных компонентов продуктов), но в продукте еще остаются значительные объемы льда, требующего возгонки. При реальной эксплуатации подобная фаза может длиться до трети процесса и даже более, до 6-10 часов. Следует пояснить: по достижении максимальной температуры на полках нагревательной системы начинает снижаться остаточное давление (паров воды), что приводит к снижению массовой производительности системы откачки и снижает конвективную составляющую теплопередачи от нагревательных полок к лиофилизируемому продукту, - что, в свою очередь, приводит к избыточной длительности этой фазы лиофилизации. Оба эффекта компенсируются регулируемой подачей неконденсируемых газов, предлагаемой данной группой изобретений.
Из указанного выше следует, что оптимизированный способ проведения процессов лиофилизации в такой системе позволяет сократить время процессов дегидратации возгонкой, требующих удаления особенно большого объема воды из продуктов, в сравнении с приведенным аналогом, а также в сравнении с установками с традиционными десублиматорами. Он также снижает суммарные энергозатраты на получение лио-продуктов и за счет применения насосов Рутса предложенным способом - с использованием неконденсируемых газов - ускоряет удаление паров воды из продукта, в частности, на этапе, не допускающем дальнейшее повышение температуры нагревательных полок. Следовательно, способ лиофилизации продукта и система его осуществления позволяют получить пищевые лиофилизаты высокого и стабильного качества при уменьшении капитальных, эксплуатационных и энергетических затрат благодаря усовершенствованию вакуумно-газовой системы и способа лиофилизации.
Таким образом, группа изобретений, усовершенствованный способ лиофилизации продукта и система для его осуществления обеспечивают:
• дополнительные способы влияния на лиофилизируемый продукт для придания ему особых потребительских свойств;
• ускоренное удаление влаги из дегидратируемого продукта;
• более высокое и стабильное качество пищевых лиофилизатов;
• меньшие капитальные, эксплуатационные и энергетические затраты на удаление паров воды из камеры лиофилизации.
Следует пояснить, что при проведении реальных промышленных процессов «пищевой» лиофилизации парциальное давление паров воды в вакуумной камере поддерживают на 3-4 мм рт.ст. ниже тройной точки воды (ориентировочно, в интервале 50-250 Па). Причин несколько:
1. Существующие промышленные способы измерения давления (вакуумметры) обладают недостаточной точностью для корректного измерения абсолютного давления в диапазоне 1 - 1000 Па, и ошибка измерения давления может достигать 50 и более процентов измеряемой величины, в том числе потому, что измерение, как правило, производится наиболее распространенными термопарными или терморезистивными вакуумметрами, показания которых существенно зависят от рода измеряемого газа.
2. При разработке оборудования для лиофилизации и циклограмм промышленных процессов необходимо учитывать неизбежную и существенную для лиофилизации разницу давления паров воды в месте расположения вакуумметра, где температура водяного пара ниже (следовательно, ниже и его давление), и в месте лиофилизации продукта, где тепловой поток от нагревателей разогревает возгоняющиеся пары воды, повышая их давление.
3. Поскольку вода в продуктах присутствует не в чистом виде, а в виде самых разных растворов, при проведении процессов лиофилизации необходимо также учитывать их коллигативные свойства. В отличие от чистых веществ, агрегатное состояние растворов изменяется в некотором интервале концентраций компонент, температур и (или) давлений, поэтому условная «тройная точка раствора» может оказаться существенно ниже по давлению, чем тройная точка чистой воды.
Суммируя изложенное: теоретический и экспериментально подтвержденный оптимальный уровень остаточного давления при «пищевой» лиофилизации разных продуктов, как правило, находится в интервале давлений 50-250 Па. Для упрощения дальнейших пояснений примем оптимальное значение упругости паров воды в процессах лиофилизации равным 133 Па (1 мм рт.ст.).
3
3
3
Как известно, при 100 000 Па (1 атм. абс.) насыщенный водяной пар, занимающий 1 м, весит 590 граммов. Следовательно, для удаления, например, 100 кг воды из лиофилизируемого продукта, при условии поддержания остаточного давления равным 1 мм рт.ст. (133 Па), потребуется откачать: (100÷0,59)×760 ≈ 130 000 м. Предполагая, например, 20 часовой интервал основного процесса лиофилизации, потребуется вакуумный насос с быстротой откачки при этом давлении ≈ 6 500 м/ч (1 800 л/с).
Применяемое оборудование, при котором откачка возгоняющихся паров воды ведется путем их вымораживания обратно в твердое состояние на десублиматоре, несмотря на совокупность сложностей эксплуатации десублиматоров, до сих пор оказывалось наилучшим. Скорость откачки паров воды насосами криогенного типа, которыми, по сути, и являются десублиматоры, формально может быть очень высокой и достигать для «обычных» моделей крионасосов 100 000 - 200 000 л/с, т.е. на один - два порядка более требующегося. Однако подобные скорости откачки характерны для остаточных давлений ниже 0,01 - 0,001 мм рт.ст., в зависимости от характеристик крионасоса (десублиматора), - поэтому массовая производительность десублиматора будет сравнима с производительностью вакуумного насоса, обеспечивающего при 1 мм рт.ст. быстроту откачки на уровне 1 000 - 10 000 л/с.
Отдельно подчеркнем: необязательно достигать скорости удаления паров воды механическими насосами, равной скорости ее вымораживания десублиматорами. Поскольку оборудование для лиофилизации - это не только система удаления водяных паров (откачки), но и неотъемлемая система подачи теплового потока к лиофилизируемому продукту. При определенной температуре на нагревателях достигается предел скорости с точки зрения возможностей лиофилизируемого продукта (качество лио-продукта может ухудшаться при дальнейшем повышении температуры). Поэтому скорость откачки паров воды должна коррелировать с максимально допустимой скоростью движения фронта лиофилизации в продукте, и ее превышение становится избыточным требованием. Конечно, большие скорости откачки водяного пара не вредны, но если более высокая скорость не нужна и ограничена не вакуумной системой, а свойствами лиофилизируемого продукта, то меньшая производительность перестает быть «ухудшающим» фактором.
Как уже отмечено, современный уровень развития вакуумной техники не позволяет разумными методами получить скорость откачки 1 000 - 10 000 л/с при 1 мм рт.ст. при использовании механических насосов, обеспечивающих компрессию пара до атмосферного давления. Однако подобные скорости откачки в этом диапазоне давлений можно обеспечить вакуумными насосами «промежуточного» типа, например, роторными вытесняющими насосами типа Руте. Они не могут создать компрессию, достаточную для удаления паровой фазы сразу в атмосферу, и потому будут нуждаться в дополнительных вакуумных насосах. Тем не менее насосы Рутса могут обеспечить компрессию паровой фазы до значений на порядок больше (10 и более мм рт.ст.), с необходимой производительностью удаляя паровую фазу из вакуумного объема для лиофилизации. Дальнейшее удаление паровой фазы становится значительно более простой технической задачей и позволяет использовать вакуумный насос винтового типа, на порядок и более снижая требования к его производительности, как за счет его большей массовой производительности (связанной с большим давлением предварительно сжатого насосом Рутса газа), так и благодаря работе в более оптимальном для таких конструкций диапазоне давлений. Если требуемая производительность форвакуумного винтового насоса все еще оказывается слишком высока, возможно применение второго насоса Рутса (расположенного непосредственно за первым и меньшей производительности) для дополнительной компрессии и доведением давления пара, например, до 50 мм рт.ст. Это еще в разы снижает требования к форвакуумному винтовому насосу, окончательно удаляющему пары воды из вакуумной системы в воздушную атмосферу.
Таким образом, группа изобретений отличается тем, что в конструкции оборудования для лиофилизации, применяемого в пищевой отрасли и требующего особенно большого объема откачки возгоняющегося водяного пара, в качестве первой ступени откачки применяется один или более одного насоса Рутса необходимой производительности для предварительной компрессии как паровой фазы, так и неконденсируемых газов. Одновременно с этим настоящей группой изобретений учитываются особенности откачки газов в молекулярно-вязкостном режиме их течения при характерных для процессов лиофилизации остаточных давлениях. В частности, установка основного насоса Рутса предназначена для предварительной компрессии паровой фазы непосредственно в вакуумной камере лиофилизатора, при этом диаметр патрубка должен быть в пределах от 100% до 150% впускного отверстия основного насоса Рутса, а длина должен быть в пределах от 25% до 100%) впускного отверстия основного насоса Рутса. В отличие от обычно применяемой трубы, соединяющей группу вакуумных насосов с вакуумным корпусом лиофилизатора и оказывающей значимое сопротивление движению водяного пара, предложенное конструкторское решение существенно увеличивает скорость удаления паров воды и неконденсируемых газов из объема для лиофилизации.
Следует пояснить, что заявленные диапазоны размеров патрубка для присоединения насоса Рутса оказывают минимальное сопротивление потоку откачиваемых газов при характерных давлениях протекания процессов лиофилизации, и взаимосвязаны с характерным откачным отверстием насоса Рутса. Поэтому размеры патрубка для присоединения насоса Рутса не должны быть менее чем один диаметр впускного отверстия насоса Рутса и длиной более чем один диаметр того же отверстия, иначе начнет повышаться сопротивление потоку откачиваемого газа, что в свою очередь начнет уменьшать действительную массовую производительность насоса Рутса, тем больше, чем более отступление от минимального параметра диаметра патрубка и максимального параметра его длины. Максимальный размер диаметра патрубка для присоединения насоса Рутса и его минимальная длина выбраны на основании того, что дальнейшее соответствующее увеличение диаметра и уменьшение длины, в практическом плане не будет оказывать влияния на проводимость патрубка (следовательно, не будет «увеличивать» массовую производительность насоса Рутса), но дальнейшее увеличение начнет вызывать избыточные конструктивные сложности при производстве или необоснованный перерасход материалов на производство оборудования для лиофилизации.
Группа изобретений позволяет существенно упростить оборудование для лиофилизации благодаря отказу от использования десублиматоров и радикально снизить требования к форвакуумным безмасляным (сухим) насосам. В подобных установках лиофилизации оптимизировать работу вакуумной системы, поддерживающей остаточное давление на выходном патрубке основного насоса Рутса, можно разными способами, - в частности установкой второй ступени с насосом или насосами Рутса для дополнительной компрессии пара воды после первой ступени.
Изготовлен опытно-промышленный образец оборудования для лиофилизации, условно названный ЛИО-350, с возможностью загрузки до 350 кг исходного продукта, и вакуумная система на основе одного основного насоса Рутса типа Leybold RUVAC WH 7000 со вспомогательной системой насосов, обеспечивающей оптимальное остаточное давление на выходном патрубке WH 7000 для достижения максимальной массовой производительности при давлении в камере лиофилизации 1-2 мм рт.ст. Удаление паровой фазы от выходного патрубка WH 7000 организовано с помощью системы вакуумных насосов, где в качестве безмасляного (сухого) форвакуумного насоса использован винтовой насос типа Elmo Rietschle S-VSI 300. Особенности способа организации отвода паров воды от откачного патрубка WH 7000 на основе Elmo Rietschle S-VSI 300 являются предметом других патентов.
Многократные опытные процессы лиофилизации различных продуктов при среднем давлении в камере лиофилизации около 1 мм рт.ст. показали производительность системы удаления паров воды механическими насосами из камеры лиофилизации на уровне около 10 л/ч, что при сохранении критерия загрузки один раз в 24 часа позволило обрабатывать до 250 - 350 кг исходной загрузки (в зависимости от исходной влажности и типа лиофилизируемого сырья).
При производстве пищевых лиофилизатов по схеме с использованием настоящего изобретения отмечены большая устойчивость (повторяемость результата) процесса лиофилизации и меньшая остаточная влажность (лучшее качество) получаемых пищевых лиофилизатов в сравнении с традиционной технологией с применением десублиматоров.
Пример процесса лиофилизациии, проведенного в ЛИО-350.
1. Было приготовлено до состояния готового к употреблению продукта около 350 кг туристического питания - рис с куриным мясом и грибами.
2. Продукт был распределен равномерным слоем на 192 поддонах (размера GN 2/1 по европейскому стандарту гастроемкостей EN-631-1) и замораживался в холодильнике до температуры минус 30°С в течение 4 часов; усредненное влагосодержание в продукте в момент загрузки на поддоны составляло -70% от общей массы загрузки (около 250 кг воды).
3. Из морозильной камеры поддоны с продуктом были перегружены в вакуумную камеру для лиофилизации опытно-промышленной установки типа ЛИО-350 производства ООО НПП ВакЭТО (Россия), где на момент загрузки температура (полок нагрева/охлаждения) составляла минус 10°С.
4. После загрузки, герметизации и откачки до давления менее 0,5 мм рт.ст. системой вакуумной откачки начался нагрев полок, который проводился до температуры не более +40°С, с поддержанием системой управления во время нагрева остаточного давления не более 210 Па.
5. После достижения полками температуры +40°С начался напуск неконденсируемого газа - азота по заданному алгоритму в вакуумную камеру через патрубок для подачи газа.
6. Неконденсируемый газ и пар откачивали с помощью насоса Рутса RUVAC WH 7000 и соединенного с ним форвакуумного винтового насоса Elmo Rietschle S-VSI 300.
7. После снижения парциального давления паров воды в вакуумной камере лиофилизатора до значения в 1 Па (эквивалентно точки росы менее минус 60°С) процесс лиофилизации был остановлен и лиофилизированный продукт был выгружен.
5. Описанный процесс лиофилизации от момента включения системы нагрева до выключения вакуумной системы занял 23 часа 07 минут.
В результате был получен высококачественный пищевой лиофилизированный продукт для туристического питания (около 1700 порций), легко поддающийся регидратации горячей водой и готовый к использованию после восстановления в течение 10 минут.
Из исходного замороженного продукта за время около 23 часов был удален большой объем воды (около 250 кг) до значения остаточной влажности в дегидратированном продукте менее 1%, при одновременном сохранении качества конечной продукции, присущего лиофилизатам, и уменьшении капитальных, эксплуатационных и энергетических затрат благодаря усовершенствованию вакуумной системы и способа проведения процесса с использованием напуска неконденсируемых газов.