Liofilizzazione
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La liofilizzazione (in inglese detta anche freeze-drying) è un processo tecnologico che permette l'eliminazione dell'acqua da una matrice organica. Viene principalmente utilizzato nell'industria farmaceutica su matrici biologiche, secondariamente per la conservazione di alimenti, quando non siano utilizzabili tecniche più economiche.
Il metodo comprende due processi fisici: la surgelazione e la sublimazione. Il principio del metodo prevede l'applicazione del calore all’alimento surgelato mantenuto sottovuoto; l’acqua contenuta nel prodotto e segregata sotto forma di ghiaccio, viene estratta direttamente come vapore per sublimazione, poiché si lavora con valori di pressione molto al di sotto di 6,10 mbar (o 4,58 mmHg) che corrisponde al punto triplo dell'acqua. Il vapore acqueo estratto deve essere catturato per congelamento su serpentine fredde, mentre i gas incondensabili vengono aspirati dalla pompa da vuoto. Il processo viene condotto in condizioni di temperatura e pressione accuratamente controllate per evitare danni alla struttura del prodotto, così che la matrice originale sia quasi perfettamente ripristinabilie durante la reidratazione.
Il processo si svolge in tre tappe:
- Surgelazione o congelamento rapido, con varie metodologie, a –30° / -50°C, in fiale (es. colture di cellule), in contenitori (es. baby-foods), o allo stato sfuso in vassoi metallici (es. carni, verdure e frutta). Un congelamento troppo rapido con produzione di numerosi cristalli di ghiaccio intracellulari non è desiderabile, poiché la sublimazione è difficile o lenta all’interno delle cellule. Un congelamento più lento, al contrario, produce cristalli grandi che sublimano rapidamente ma possono danneggiare le strutture cellulari; la scelta del ciclo termico dipende dal substrato e dalle caratteristiche che se ne vogliono preservare.
- Sublimazione o essiccamento primario: la sublimazione comincia a –20°C con vuoto inferiore a 1.33 mbar, con riscaldamento per conduzione o per irraggiamento da piastre metalliche percorse internamente da olio caldo, condotto in modo da fornire in ogni istante al prodotto il calore latente di sublimazione. Il calore viene trasferito dalla piastra alla superficie del prodotto e da questo al fronte di sublimazione, ove si trova presenza di prodotto congelato e di prodotto già essiccato. Il fronte di sublimazione man mano avanza verso l’interno del prodotto e lo strato esterno essiccato agisce come un isolante via via più efficiente dei cristalli di ghiaccio interni, per cui serve più calore. Il vapore si trasferisce dal fronte di sublimazione all’esterno creando una struttura porosa. Impianti più moderni avvicinano man mano le piastre radianti contro il prodotto fornendo calore per conduzione. Il vapore d’acqua deve essere rimosso dalla camera di sublimazione o per congelamento su serpentine refrigerate oppure con mezzi essiccanti.
- Desorbimento o essiccamento secondario: un piccolo quantitativo di acqua resta, dopo l'essiccamento primario, come monostrato molecolare adsorbito sulla superficie porosa del substrato. Quest'acqua residua viene parzialmente asportata facendo innalzare la temperatura superficiale (non più di 60 °C) ed eventualmente abbassando la pressione (0.13-0.67 mbar). In questa fase l’umidità residua passa dal 10% all'1% – 3% finale. Il riscaldamento radiante è il più usato (soprattutto in campo alimentare), ma è stato introdotto anche il riscaldamento con microonde, con numerosi vantaggi, come la diminuzione di imbrunimenti superficiali e la facilità di controllo.
In relazione alla quantità, alla natura ed alla geometria del substrato, il processo può durare da alcune ore ad alcuni giorni. A processo concluso, la "rottura" del vuoto si fa spesso con un gas inerte (es. azoto) che, andando a permeare la superficie porosa del prodotto, lo protegge dall'ossidazione. Il confezionamento finale può avvenire per chiusura in loco dei contenitori o in altra sede in imballaggi sigillati in gas inerte o sotto vuoto.
I vantaggi di questa tecnica di conservazione sono:
- Conservazione a temperatura ambiente
- Facilità di trasporto perché molto leggeri (cibo degli astronauti)
- Minime modifiche strutturali
- Rapida e completa reidratabilità
- Odore, sapore, colore e nutrienti abbondantemente rispettati
L'unico svantaggio è il costo particolarmente elevato. Questo deriva dalla quantità di energia necessaria al processo, più che doppia rispetto all'essiccazione, come si può vedere nel diagramma, nonché agli ammortamenti del costo degli impianti, maggiore che per l'essiccazione circa nelle stesse proporzioni. Il fabbisogno energetico relativo al prodotto solo surgelato è molto limitato; per fare un raffronto corretto sul piano commerciale si deve però aggiungere l'energia, e quindi i costi, legati alla catena del freddo.
