ליופיליזציה

גלידה יבשה שהוקפאה בוואקום

דיאגרמת פאזות המתארת בחץ הכחול את החוק הפיזיקלי עליו מבוסס ייבוש בהקפאה

ייבוש בהקפאה מוכר גם בשם ליופיליזציה או הקפאה בוואקום (על פי האקדמיה ללשון: סִרְטוּב) הוא תהליך ייבוש המשמש באופן טיפוסי לשימורו של חומר מתכלה או להפיכת חומר לנוח יותר לשינוע. בתהליך זה מקפיאים את החומר ומורידים את לחץ האוויר מסביבו (בדרך כלל תוך שימוש במשאבת ואקום), על מנת לגרום להמראה של המים.

בין היתר, מאכלים שונים שעברו תהליך זה, נשלחים בתור מזון בחלל, שם מוסיפים להם מים.

ייבוש בהקפאה משמש בין השאר בתהליכים כימיים בהם רוצים להפריד אבקה הנמצאת כתרחיף בנוזל, כך שגרגרי האבקה יהיו יותר חופשיים מאשר בייבוש רגיל שבו המים מתאדים ומשאירים אבקה גושית. קפה נמס מיובש בהקפאה הוא דוגמה למוצר נפוץ שבו משתמשים בטכנולוגיה מסיבה זו.

יתרונות וחסרונות

בין היתרונות של ייבוש בהקפאה על פני שיטות ייבוש אחרות:

• הייבוש מתבצע בטמפרטורה נמוכה המאפשרת שמירה על חלק מתכונות החומר המקוריות כמו מבנה חלבונים, ריחות, טעמים וצבעים.
• המוצר המיובש נוטה לשמור על צורתו המקורית.
• לאחר הייבוש המוצר שומר על מבנה נקבובי המקנה לו יחס רהידרציה גבוה יותר לעומת ייבוש באוויר חם (כלומר, ספיגה של כמות מים גדולה יותר). תכונה זו מועילה במיוחד במוצרים המיועדים לשיחזור כגון "מנה חמה".

חסרונותיו של התהליך הם בעיקר זמן ייבוש ארוך וצריכת אנרגיה גבוהה.

תיאור התהליך

בתהליך יש ארבעה שלבים: הכנה לטיפול, הקפאה, ייבוש ראשוני וייבוש שניוני.

הכנה לטיפול

תהליך ההכנה לטיפול נועד להכין את החומר לקראת הקפאה. ההכנה יכולה לכלול את ריכוז החומר, הגדלת שטח הפנים או הפחתת לחץ האדים של התמיסה. במקרים רבים ההחלטה לבצע הכנה לייבוש נובעת מרצון לשמור על איכות מוצר גבוהה יותר לאחר תהליך הייבוש בהקפאה.

הקפאה

בשלב השני החומר המיועד לליופיליזציה עובר הקפאה. הקפאה של כמויות חומר קטנות (למשל במעבדה) ניתנת לביצוע בשיטות שונות כמו קירור מכני, שימוש בקרח יבש ומתנול או שימוש בחנקן נוזלי; הקפאה של כמויות חומר גדולות (למשל בתעשייה) מתבצעת במכשירי ליופיליזציה המכונים בשם הכולל "ליופילייזר".

הדבר החשוב ביותר בשלב זה של התהליך הוא קירור החומר מתחת לנקודה האוטקטית שלו, שהיא הנקודה הנמוכה ביותר בה הפאזה המוצקה והנוזלית של חומר יכולות להתקיים ביחד; החומר המקורר מתחת לנקודה זו נמצא במצב בו אין הוא יכול לעבור התכה ולכן המים בו ממריאים ישירות לפאזה גזית. טמפרטורת ההקפאה היא לרוב בין חמישים לשמונים מעלות צלזיוס מתחת לאפס.

על מנת לאפשר למים להמריא בקלות ולהבטיח ליופיליזציה מוצלחת, עדיף להשתמש בגבישים גדולים של החומר; אולם כאשר החומר המיועד לליופיליזציה הוא ממקור ביולוגי (למשל חומרי מזון או תאים חיים), גבישי קרח גדולים עלולים לגרום לנזק לתאים. שלב ההקפאה הוא השלב החשוב ביותר בתהליך ליופיליזציה מוצלח, מכיוון שתקלה בשלב זה יכולה לגרום בקלות לקלקול החומר שמיועד לליופיליזציה.

ייבוש ראשוני

בשלב הייבוש הראשוני, מורידים את הלחץ בסביבה לטווח של מיליברים בודדים, ומוסיפים לחומר מספיק חום על מנת לגרום למים להמריא. את כמות החום שיש להוסיף ניתן לחשב על פי חישוב החום הכמוס של המים. בשלב זה של הליופיליזציה, כ-95% מכמות המים בחומר ממריאים; שלב זה עשוי לארוך זמן ממושך (עשוי לקחת ימים בתעשייה), מכיוון שאם מוסיפים חום רב מדי לחומר המבנה שלו עלול להשתנות. הבקרה על הלחץ מבוצעת באמצעות שמירה על ריק (ואקום) חלקי; הריק מאיץ את תהליך ההמראה והופך אותו לשימושי לצורך הייבוש.

בליופילייזרים תעשייתיים נעשה גם שימוש בתא או בלוחית עיבוי מקוררים, שתפקידם לספק מקום לאדי המים להתעבות; בצורה כזו נמנע מצב שבו אדי המים מגיעים אל משאבת הוואקום ומפריעים לפעולתה. הטמפרטורה האופיינית ללוחית\תא עיבוי היא בסביבות 50 מעלות צלזיוס מתחת לאפס.

חשוב לציין כי בטווח טמפרטורות זה, החום מועבר בעיקר באמצעות תהליכי קרינה או הולכה, בעוד הסעה כמעט ואינה משפיעה (ראו זרימת חום).

יבוש שניוני

מטרת שלב הייבוש השניוני היא להוציא מהחומר מולקולות מים שלא קפאו (המולקולות שקפאו - כלומר קרח - הוצאו כבר בשלב הייבוש הראשוני). חלק זה של תהליך הליופיליזציה נקבע על פי פרופיל הספיחה של החומר. בשלב זה, הטמפרטורה גבוהה ממה שהייתה בשלב הייבוש השניוני, לעיתים אף מעל אפס מעלות צלזיוס, וזאת על מנת לשבור קשרים פיזיקו-כימיים כלשהם שנוצרו בין מולקולות המים לחומר הקפוא.

הלחץ לרוב נמוך יותר מבשלב הקודם (עד למיקרוברים בודדים) כדי לעודד את שחרור הנוזל דרך פני השטח של המוצק; אולם, קיימים גם חומרים אשר דרוש להם לחץ גבוה יותר כדי להביא לליופיליזציה מוצלחת.

לאחר שהליך הליופיליזציה נשלם, מעלים את הלחץ באמצעות גז אינרטי (לדוגמה חנקן) ואוטמים את החומר. כמות המים במוצר בסוף התהליך היא לרוב 1%-4%.

• 
• 
• 
• 
•