Лиофилизация как метод консервирования в биологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Вятский государственный университет"

Биологический факультет

Кафедра микробиологии

Доклад на тему

"Лиофилизация как метод консервирования в биологии"

Работу выполнила: Крупина Кристина Андреевна

Киров - 2015

Цель:

Ознакомиться с процессом лиофилизации в биологии, рассмотреть его как метод консервации биопрепаратов для стабилизации их свойств.

Задачи:

1. Выявить актуальность темы данного доклада;

2. Обозначить преимущества лиофилизации как процесса консервации биопрепаратов;

3. Рассмотреть этапы процесса лиофилизации как метода консервации препаратов биологического происхождения.

Необходимость стабилизации материалов биологического происхождения, связанная с их чрезвычайной нестойкостью, возникла на заре биологической науки. Известно, что в обычных условиях продолжительность сохранения большинства биологических продуктов исчисляется несколькими днями. В связи с этим разрабатывались различные способы консервирования биопрепаратов. Высушивание посредством лиофилизации является одним из наиболее совершенных процессов стабилизации свойств продуктов биологического (микробиологического, растительного, животного) происхождения и позволяет сохранять данные продукты в обычных условиях длительное время. Что было бы, если бы люди не научились сохранять свойства биопрепаратов посредством лиофилизации? Они бы теряли свою активность за несколько дней и становились бы бесполезными и непригодными для применения. Мы бы не смогли так легко покупать антибиотики и другие препараты в аптеках. Долгое хранение культур микроорганизмов, вакцин и сывороток было бы невозможным. Поэтому лиофилизация является чрезвычайно важным процессом, применяемым в биологии.

Сублимационная (лиофильная) сушка.

Лиофилизация - способ мягкой сушки веществ, который заключается в высушивании в вакууме предварительно замороженных препаратов.

При производстве широкого ассортимента лечебно-профилактических и диагностических биопрепаратов наиболее широко используется метод замораживания-высушивания (сублимация), который был впервые применен в промышленных масштабах в 1935 г.

Сущность сублимационного высушивания состоит в том, что влага из замороженного состояния (льда) переходит в газообразное, минуя жидкую фазу. лиофилизация консервация биопрепарат

Сушка продуктов методом сублимации обладает рядом существенных преимуществ перед другими методами:

1. Содержание влаги в продуктах может быть доведено до крайне низкого уровня (1-3%);

2. Возможность сушки в емкостях (флаконы, ампулы) под вакуумом или в атмосфере инертного газа снижает окислительную денатурацию продукта;

3. Масса удаленной влаги легко определяется по снижению веса продукта.

Этот метод не может быть использован при высушивании продуктов, которые для образования льда требуют переохлаждения или при замораживании образуют пленку на поверхности, которая ограничивает выход паров сублимационной влаги.

Биопрепараты.

Препараты биологического происхождения обычно представляют собой сложные объекты сушки, характеризующиеся рядом показателей. Разнообразные свойства продуктов требует индивидуального подхода к разработке рациональных методов их сушки.

В самом общем виде продукты биосинтеза применительно к процессу сушки могут быть разделены на два больших класса:

1. Продукты, которые при обезвоживании требуют сохранения жизнеспособности клеток или их высоко активности (вакцины, ферменты, антибиотики).

2. Продукты, которые после высушивания должны сохранять свои биологические свойства (компоненты сухих питательных сред, сухие питательные среды, белок).

Биологические препараты, подлежащие сублимационному высушиванию, сложны по своему составу. Помимо биологически активной части, они содержат органические и неорганические соединения, а также большое количество воды. При замораживании и последующем высушивании в биологических препаратах протекают различные физико-химические процессы. Конечный продукт сублимационной сушки - сухой биопрепарат имеет небольшую остаточную влажность, но ее величина непосредственным образом сказывается на качестве выпускаемых препаратов. Известно, что чрезмерное обезвоженный биопрепарат необратимо утрачивает свою активность, повышенная остаточная влажность биопрепарата приводит к быстрой потере активности в процессе хранения.

Этапы лиофилизации.

Процесс сублимационного высушивания осуществляется в четыре стадии:

- предварительное замораживание;

- первичное высушивание (сублимация в вакууме);

- вторичное высушивание (досушивание) или вакуумнаядесрбция;

- окончание процесса сушки и извлечение высушенного материала.

Предварительное замораживание

Для лиофильного высушивания используют специальные установки - сублиматоры, в которых в определенном режиме поддерживаются два показателя - температура и давление (вакуум).

По принципу работы сублимационные установки классифицируются на установки периодического и непрерывного действия. Установки периодического действия делятся на однокамерные и многокамерные (сушильные шкафы), а непрерывного действия - на непрерывно-циклические, непрерывно-ступенчатые, непрерывно-поточные и непрерывного действия.

Предварительное замораживание высушиваемого продукта является технологически самой важной стадией процесса сублимации.

При осуществлении данной стадии следует особое внимание обращать на следующие аспекты:

- поддержание оптимальной скорости замораживания при обеспечении минимально возможных воздействий на биологический объект (клетку) кристаллов льда и электролитов;

- предварительное замораживание должно осуществляться ниже эвтектической точки самого низкотемпературного компонента.

Эвтектическая точка - это температура, при которой происходит полное замораживание материала, а в замороженной массе не будет свободной влаги.

Для большинства биопрепаратов эвтектические температуры лежат в диапазоне от -25 до -70 градусов Цельсия.

Только в том случае, если обеспечено полное предварительное замораживание материала, можно создавать вакуум для второй стадии первичного высушивания - сублимации льда. Если вакуум приложен к не полностью замороженному или переохлажденному материалу, то наблюдается эффект его вспенивания, что резко снизит качество высушенного продукта.

Температура и скорость замораживания зависит от вида связи влаги с материалом. Оптимальной скоростью замораживания считается скорость 1мм/мин. При таком режиме замораживание начинается со стороны основания емкости с биореактором и распространяется через слой жидкости. При этом обеспечивается образование оптимальной структуры кристаллов льда и свободный выход воды из ледяной матрицы.

Первичное высушивание

Для осуществления режима первичного высушивания в камере сублиматора создается вакуум для того, чтобы обеспечить свободную диффузию водяных паров от замороженной массы к охлажденной поверхности конденсатора. Рассматривая удаление паров воды из замороженного материала как диффузионный процесс, можно сказать, что процесс замораживания - высушивания является относительно медленным.

Тепло при сублимации льда можно проводить только тогда, когда в камере будет достигнут вакуум 0,2 мм рт.ст.. При этих условиях возможность окислительных процессов в материале очень незначительна.

Физические основы сублимации определяются зависимостью между температурой воды и давлением насыщенного пара над ее поверхностью. Давление воздуха надпрепаратов должно быть ниже, чем давление насыщенного пара льда при температуре сублимации данного препарата.

Интенсивность испарения нельзя осуществить без непрерывного отвода пара с поверхности высушиваемого вещества. Обычно используют два способа отвода пара: конденсация на охлажденных поверхностях и связывание химическими поглотителями.

Практическая задача при высушивании сводится к тому, чтобы, с одной стороны, поднять до допустимых пределов температуру препарата, а, с другой - понизить температуру конденсатора.

При высушивании живых микроорганизмов температура сублимации обычно поддерживается на уровне -25 - -30 градусов Цельсия.

Вторичное высушивание

На протяжении большей части цикла сублимации высушиваемый продукт находится при значительно более низкой температуре, чем полки сублиматора. Лишь к концу этого цикла температура продукта сравнивается с температурой полок. Конечное содержание воды после первичного высушивания обычно составляет от 7 до 10%. Следовательно, для достижения влаги в диапазоне от 1до 3%, с которым обычно выпускаются биопрепараты, необходим цикл вторичного высушивания.

Эта дополнительная стадия высушивания называется десорбцией. При осуществлении данной стадии необходимо избежать эффекта пересушки, т.е. снижения допустимого содержания влаги ниже 1%.

Окончание сушки.

Для хранения высушенных препаратов используют стеклянные флаконы, закрываемые резиновыми пробками и запаянные ампулы. Для увеличения сроков хранения закрывание флаконов осуществляется в атмосфере инертного газа, а запайка ампул - под вакуумом.

Характерные признаки, свидетельствующие о неправильном лиофильном высушивании биопрепарата:

- появление пузырьков на поверхности материала, как результат наличия в замороженной массе некоторого количества жидкости;

- крупная неравномерная пористость;

- неравномерная окраска сухого препарата

- значительное сокращение объема, по сравнению с исходным;

- плохое отставание сухой массы от стенок ампулы или флакона;

- плохая растворимость высушенного материала.

Контроль процесса сублимационной сушки

Технологический процесс лиофилизации, таким образом, включает ряд этапов:

1. Подготовка материала для сушки и выбор соответствующих компонентов среды высушивания;

2. Подготовка установки для высушивания;

3. Предварительное охлаждение препарата, подлежащего сушке, после расфасовки в ампулы или флаконы. Определение эвтектических температур;

4. Сублимация и досушивание препарата при подогреве;

5. Создание условий для длительного хранения сухих препаратов;

6. Определение активности, стерильности или наличия посторонних компонентов, остаточной влажности и другие показатели согласно нормативным документам на препарат.

Заключение

Высушивание является одним из наиболее совершенных процессов стабилизации свойств биопрепаратов. Процесс сушки - это разнообразный комплекс тепловых, диффузионных, биологических и химических явлений. Лиофилизация применяется как лабораторный метод в микробиологии для консервирования на длительный срок бактерий, вирусов с целью создания "музеев" культур, в гистохимии для фиксирования и сохранения гистологических препаратов. Широко используется в медицинской промышленности при производстве лечебных, профилактических и диагностических препаратов - вакцин и сывороток, антибиотиков, консервированных препаратов крови (сухой плазмы для переливания, кровезаменителей), а также для создания "банков" сухих препаратов (гомокости, гомокожи, гомососудов), применяемых при хирургических операциях. Лиофилизированные препараты могут сохраняться длительное время; они малочувствительны к колебаниям температуры в процессе хранения, легко переводятся в нативное состояние после введения растворителя (вода, физиол. раствор).

Список литературы

1. "Биотехнология" под редакцией академика РАСХН Е.С. Воронина, изд. Санкт-Петербург ГИОРД, 2005.

2. Технология ферментных препаратов. /И.М. Грачева, А.Ю. Кривова - М.: Элевар, 2000. - 512 с.

3. http://dic.academic.ru

4. http://zoovet.info

Размещено на Allbest.ru