Kylmäkuivauksen perusajatus

Kylmäkuivaus on prosessi, jossa tuote kuivataan poistamalla vesi alhaisessa lämpötilassa ja paineessa.

Kylmäkuivauksessa vesi tai liuotin poistetaan tuotteesta sublimoitumisen avulla, kun jää (kiinteä) muuttuu suoraan kaasuksi ilman nestemäistä välitilaa. Tämä mahdollistaa vakaan tuotteen valmistamisen, jota on helppo käyttää ja säilyttää ympäristön lämpötilassa.

Alhainen paine on kylmäkuivausprosessin edellytys. Nesteen poistamisen aloittamiseksi, kylmäkuivurin kuivauskammion sisällä olevan paineen on oltava alle tuotteen ’kolmiopistearvon’, kun taas näytteen lämpötilan tulee olla sen jäätymispisteen alapuolella.

Ensimmäinen vaihe – esijäädytys

Ennen kylmäkuivausta näyte jäädytetään, mikä tarkoittaa, että näytteessä oleva vesi muuttuu jääksi, jolloin faasi on muuttunut nestemäisestä kiinteäksi. Hidas esijäädytys tuottaa suurempia jääkiteitä, jotka on helpompi kylmäkuivata, kun taas nopea esijäädytys tuottaa suurempia kiteitä.

Toinen vaihe – ensisijainen kuivaus (primary drying)

Toisessa vaiheessa sublimoituminen alkaa. Esijäähdytysvaiheessa muodostunut jää poistetaan näytteestä muuttamalla kiinteä jää suoraan höyryksi ilman nestemäistä välivaihetta. Syntynyt höyry kerätään lauhduttimeen/kondensoriin, jonka lämpötila ja paine ovat alhaisemmat kuin tuotteen. Höyry muuttuu takaisin jääksi lauhduttimen pinnalla. Tähän prosessiin tarvittava energia saadaan näytteen hellävaraisella lämmityksellä, joka aloittaa sublimoitumisen ja näyte kuivuu lopulta. Jos näytteeseen kohdistetaan liikkaa energiaa (lämpöä) tämän vaiheen aikana, lauhdutin ei välttämättä pysty tiivistämään höyryä riittävän nopeasti, lauhduttimen lämpötila nousee myöhemmin höyrypaineen kanssa, mikä lisää näytteen sulamisen riskiä.

Kolmas vaihe – toissijainen kuivaus (secondary drying)

Lopuksi mahdollinen jäännösneste, joka on voimakkaasti sitoutunut näytteen molekyyleihin, muunnetaan höyryksi ja poistetaan näytteestä. Tämän veden höyrypaine on aina alhaisempi kuin ”vapaassa” muodossa olevan veden höyrypaine. Veden poisto tässä viimeisessä vaiheessa suoritetaan korkeammissa tuotelämpötiloissa, joten näytteen biologinen aktiivisuus ei heikkene tai vaikuta siihen. Tämä tarkoittaa yleensä lämpötilan nostamista ja paineen alentamista, jotta saadaan riittävästi energiaa molekyylisidosten hajottamiseksi. Tätä prosessia kutsutaan desorptioksi.

Miten valita sopivan kokoinen kylmäkuvuri?

Kun kylmäkuivurin kokoa määritetään, on otettava huomioon useita kysymyksiä. Esimerkiksi:

• Mikä lauhduttimen/kondensorin koko (tilavuus) vaaditaan?
• Mikä lauhduttimen/kondensorin lämpötila vaaditaan?
• Mikä on kylmäkuivattavien näytteiden enimmäismäärä kerralla?
• Mikä on näytteiden kokonaistilavuus?
• Minkä kokoista astiaa/tarjotinta haluat käyttää näytteille?*
• Mikä on kunkin näyteputken/-pullon näytetilavuus?

*Jos tehdään ’bulkkikuivausta’ tarjottimilla tai matalilla astioilla, näytteen syvyyden tulisi olla alle 1,5 cm.

Minkä kokoisen kondensorin tarvitsen?

Kylmäkuivurin koko on mitoitettu lauhduttimen kapasiteetin mukaan, joka pitää sisällään 24 tunnin kuivausjaksossa syntyvän jään (eli vettä näytteestä). Lauhduttimen kapasiteetin tulee olla vähintään riittävä käsittelemään näytemäärien höyryn kokonaismäärä yhdessä erässä ennen kuin jäänpoistoa tarvitaan. Mitä suurempi lauhduttimen pinta-ala, sitä tehokkaammin höyry tiivistyy jääksi ja sitä ohuempi jääkerros muodostuu.

Mikä lauhduttimen lämpötila tarvitaan?

Lauhduttimen lämpötilan valinta on tärkeä! Jos lämpötila on liian korkea, oikeaa kylmäkuivausprosessia ei voi tapahtua. Jos lauhduttimen lämpötila on lähellä näytteen jäätymispistettä, kylmäkuivausjaksot pitenevät. Tuote saattaa mahdollisesti alkaa sulaa, mikä antaa erittäin huonot talteenottonopeudet ja lisää mahdollisuutta vahingoittaa alipainepumppua ja saastuttaa lopulta laboratorioympäristön. Tämä ilmiö tunnetaan näytteen ”romahtamisena”. Pakastekuivauksen käyttövoima ilmaistaan ​​lämpötila/paine-erona tuotteen ja lauhduttimen välillä.

Yhteenvetona voidaan todeta, että mitä alhaisempi lauhduttimen lämpötila, sitä parempi! Esimerkiksi vesipitoisille näytteille -55 C lauhduttimen lämpötila on hyvä valinta. Alhaisemman lämpötilan lauhdutin mahdollistaa kuitenkin nopeamman kylmäkuivauksen, välttäen sulamisen ja antaa parempia tuloksia, minkä lisäksi se suojaa tyhjiöpumppua ja ympäristöä.