Лиофилизация – это в микробиологии и других сферах эффективный способ продления сроков хранения различных биологических материалов, микроорганизмов, препаратов. Такой метод активно используется в исследованиях, в фармацевтике, медицине и пищевой промышленности. Он позволяет сохранять важные свойства образцов и предотвращать их разрушение под действием повышенных температур. В статье расскажем, как проводится лиофилизация, что это такое, для чего нужно.
Суть и принцип действия
Под лиофилизацией понимается физическое высушивание, обезвоживание замороженного материала в условиях вакуума. При реализации такого способа вода, которая находится в свободном состоянии и не имеет прочных связей с гидрофильными компонентами клеток, замораживается. Далее происходит сублимация льда. Последний из исходного твёрдого состояния переходит сразу в газообразную фазу. При этом жидкая стадия пропускается, а в итоге образуется пористая сухая твёрдая масса, которая может быть доведена до необходимой консистенции добавлением нужного количества воды.
Этапы
Процесс лиофилизации включает несколько этапов:
- Предварительная заморозка. Она осуществляется либо в морозильной камере, в которой поддерживаются низкие минусовые температуры от -40 градусов Цельсия до -60, либо путём погружения материала в смесь, состоящую из сухой углекислоты и спирта. В последнем случае температурные значения при замораживании ещё ниже – до -78°C.
- Сублимация. Это первичная сушка. Замороженный образец, находящийся во флаконе или пробирке, оперативно перемещают в сублиматор – специальную сушильную камеру. В ней создаётся и постоянно поддерживается вакуум с низкой температурой, достигающей -40°C. После сублимационной обработки происходит отведение с поверхности свободной воды. А сам материал, который изначально был замороженным и твёрдым, становится пористым и сухим. Его объём практически не отличается от первоначального.
- Десорбация или досушивание. Так называют вторичную сушку, которая выполняется в прежней камере, но при более высокой температуре – обычно выше 0, иногда до +20 градусов. На этой стадии вся связанная вода выводится из структуры.
- Укупорка полностью высушенного образца для хранения. Обычно для этих целей используют ампулы, которые предварительно наполняются инертным газом или сухим воздухом либо подвергаются вакуумированию. Эти ёмкости запаиваются или закупориваются резиновыми пробками, дополняемыми металлическими колпачками.
Сфера применения
Метод лиофилизации востребован в различных областях. Это:
- Фармацевтика. Возможно получать активные вещества и лекарственные препараты с длительными сроками хранения, со стабильными характеристиками и с высокой эффективностью, не изменяемой под влиянием факторов окружающей среды, например, температурного режима.
- Микробиология. В этой области науки лиофилизация микроорганизмов позволяет в течение долгого периода сохранять вирусы, грибки, бактерии, клетки растений, биоматериалы человека, ткани животных. Это необходимо для их масштабного изучения, проведения многоэтапных исследований или опытов.
- Пищевая промышленность. Лиофилизированные продукты питания, которые активно используются в спорте, походах и экстремальных условиях, хранятся при комнатной температуре очень долго – до нескольких лет. При этом сохраняются их питательность, польза, ароматические и вкусовые качества.
- Военный сектор и аэрокосмический комплекс. Для этих нужд производятся компактные и имеющие малую массу сухие пайки для военных, для космонавтов.
- Медицина, биотехнологии. Сублимационное высушивание помогает получать стабильные биологические образцы (плазму или сыворотку крови, кровяные клетки, мягкие ткани), перевозить их на дальние расстояния и длительно хранить, а также использовать для трансфузий (переливаний), донорства.
- Химическая промышленность. Способ применим к особо чувствительным соединениям и веществам, которые во влажном состоянии и при изменениях температурного режима быстро портятся и разлагаются.
Решаемые задачи
Главная цель – это сохранение исходных важных свойств, а также стабильность структуры при любых условиях окружающей среды, то есть независимо от температуры, к которой многие материалы очень чувствительности, например, быстро разрушаются даже при незначительном нагреве.
Лиофилизация помогает продолжительно хранить и использовать по назначению различные медикаменты, компоненты крови (сыворотку, плазму), исследуемые биологические жидкости, изучаемые животные или растительные ткани и клетки.
Вода из обрабатываемых объектов выводится без нарушения белковой нативной структуры. При этом биохимические реакции значительно замедляются или полностью останавливаются, благодаря чему материалы становятся стабильными, стойкими к внешним факторам.
В микробиологии возможно продолжительное сохранение изучаемых микробов и биообразцов. В фармацевтике рассматриваемый метод увеличивает сроки годности чувствительных к условиям хранения препаратов, а также упрощает их упаковку и транспортировку благодаря уменьшению объёма и массы. Последняя сокращается до 10-20%, то есть на 80-90% от исходного веса. В объёме материалы уменьшаются на 10-15%, в зависимости от исходного содержания влаги.
Примеры использования
Рассмотрим некоторые лиофилизированные препараты:
- Пробиотики, используемые для восстановления микрофлоры кишечника после курса антибактериальной терапии или перенесённых кишечных инфекций.
- Вакцины. Некоторые подвергаются лиофилизации, хранятся при пониженных отрицательных температурах и перед введением разводятся специальной водой для инъекций.
- Препараты с биологическими нестабильными молекулами, например, белками.
- Антибиотики, в частности с содержанием цефтриаксона.
- Прочие лекарственные средства: обезболивающие, антигистаминные, противовирусные, витаминные комплексы, антидепрессанты, препараты для терапии сердечно-сосудистых заболеваний и болезней дыхательной системы, некоторые растворы для инъекций, гормоны.
Плюсы, минусы
К преимуществам относятся:
- Сохранение дисперсной фазы, а также основных физико-химических, биологических свойств.
- Нейтрализация разрушающего воздействия на препараты высоких температур или их перепадов.
- Допустимость применения летучих растворителей.
- Изготовление сухих продуктов, образцов тканей и препаратов без утраты их биологической активности и целостности структуры.
- Возможность восстановления некоторых свойств, а также исходного состояния лиофилизированного материала.
- Значительное продление сроков хранения – иногда в несколько десятков раз.
- Отсутствие процесса денатурации, то есть изменения природной естественной формы белков.
Недостатки следующие:
- Применение дорогого, сложного оборудования, которое требует обслуживания, грамотной эксплуатации и комплексного ухода.
- Непростая, долгая подготовка образцов. Она может занимать много времени, отнимать немало сил.
- Необходимость создания определённых условий – давления, точного времени обработки, температуры. Эти параметры подбираются по структуре, составу препаратов. Также обязательно соблюдение санитарных норм для исключения загрязнения образцов, их контаминации.
Используемое оборудование и приспособления
Для лиофилизации применяют:
- Лиофильные сушилки. Это камера в корпусе, которая функционирует с подключением вакуумного насоса, нагревателя, компрессора. Ход и рабочие параметры процесса контролируются датчиками давления и температуры. Время регистрируется таймером.
- Лабораторные ёмкости и пробки, алюминиевые колпачки для укупорки.
- Устройства для розлива, закупоривания сосудов. Это конвейерные секции, укупорочные и разливные полуавтоматы и автоматы, тележки для транспортировки.
- Различные аксессуары, такие как адаптеры для ёмкостей, колбы для лиофилизации, манифолды для колб, устройства для присоединения тары, системы укупорки.
Заключение
Лиофилизация – метод высушивания, востребованный в различных сферах: от фармацевтической и химической промышленности до медицины и пищевых производств. Для успешного использования такого способа нужно соблюдать его технологию, знать важные нюансы, а также использовать качественное оборудование и аксессуары, которые возможно заказать в интернет-магазине «Пять Капель».
