Lyofilizace je technika sušení, při které je produkt solidifikován zmrazením, přičemž rozpouštědlo, které obsahuje (obvykle voda), je odstraněno sublimací. Tento sublimační proces je pak často podpořen vakuem a zahříváním. Podstatné je, že k přeměně pevné fáze na fázi plynnou dochází, aniž by voda či obecně rozpouštědlo procházely přes fázi kapaliny.

Během procesu lyofilizace ztrácí materiál vždy více než 90 % vody, kterou původně obsahoval. Jednou z vlastností lyofilizace, která ji odlišuje od ostatních dehydratačních technik, je, že dehydratace probíhá ze zmrazeného, a tedy chemicky méně aktivního produktu a také ve vakuu, které minimalizuje účinky případné oxidace u materiálů senzitivních na působení kyslíku. V neposlední řadě nízká teplota významným způsobem přispívá k potlačení případných termo-degradačních procesů v sušeném materiálu. Tyto benefity učinily z lyofilizace široce přijímanou techniku pro zpracování z mnoha důvodů nestabilních produktů, jako jsou zejména materiály biologického původu (např. enzymy, proteiny, DNA, RNA apod.) nebo účinné látky pro použití v lécích.

Dalším důležitým rysem lyofilizace je, že si produkt ve velké míře zachovává svou původní strukturu a po přidání vhodného množství rozpouštědla (obvykle vody) získá svou původní morfologii (například buněčné materiály apod.). Lyofilizace tak ušetří materiál nejen před strukturními degradacemi, ale i před negativními denaturačními jevy způsobenými ohřevem při běžně používaných konvenčních metodách sušení. V takových materiálech, jelikož je lyofilizace vysoce účinným způsobem odstranění vody (rozpouštědla), brání tak mikrobiálnímu růstu a chemickým změnám v důsledku přítomnosti vody vedoucím ke znehodnocení vzorku.

V materiálech, kde je důležité zachování i senzorických vlastností, tak vzhledem ke snadné sublimaci vody, nedochází při lyofilizaci k odstranění většiny ostatních těkavých složek, což je v případě potravin velmi důležité. Příkladem může být zachování přítomnosti acetaldehydu, který u citrusových plodů významně podporuje jejich typické vonné a chuťové vlastnosti.

Není bez zajímavosti, že výhody lyofilizace byly známé už ve starověku. Např. peruánští Inkové v Andách tak zvyšovali trvanlivost svých zásob potravin tím, že je ukládali na vrcholky Machu Picchu, kde je nízká teplota zamrazila a spolu s nízkým vzdušným tlakem vedla vlastně k pomalému lyofilizačnímu procesu a odstranění vody z těchto potravin. Přesto proces lyofilizace nebyl komerčně dostupný až do druhé světové války, kdy získal široké použití jako prostředek k uchovávání krevní plazmy potřebné pro zraněné vojáky na frontě. Krátce nato byl proces lyofilizace aplikován při výrobě penicilínu a lyofilizace byla uznána jako jedna z důležitých technik pro konzervaci biologických vzorků.

V současné době má lyofilizace velmi široké uplatnění. Dominantní postavení má potravinářský a farmaceutický výzkum, vývoj a průmysl. Je to dáno jednak historicky (viz - úvodní část tohoto příspěvku) a dále pak i principiálními důvody – pracuje se s chemicky a tepelně citlivými materiály. V neposlední řadě hrají roli i důvody čistě ekonomické, jako je potřeba prodloužení doby exspirace u potravin, léčiv apod.

Kromě zmíněných dvou dominantních oborů postupně přibývá využití lyofilizace i v dalších oblastech, jako je například restaurování starých knihtisků a obrazů poškozených vlhkostí (takto byly například ošetřovány vzácné knihy z pražských archivů postižené povodní v roce 2002). Je možné vyjmenovat mnoho dalších příkladů použití lyofilizace, které zahrnují tvorbu mikrobiálních a tkáňových databank, konzervace tkání a bakteriálních kultur apod.

Technika lyofilizace se také používá v narůstající míře v analytických laboratořích, kde velmi efektivně pomáhá předpřipravit celou řadu vzorků pro další zpracování a analýzy – například zeminy, kaly v rámci hydrogeologických studií v krajině. V následující tabulce je uvedeno stručné shrnutí aktuálního aplikačního využití lyofilizace.

Tab. 1 - Shrnutí aplikačních oblastí lyofilizace

Instrumentace umožňující úspěšné provedení lyofilizace (v jakémkoliv měřítku) musí respektovat fázové stavy odstraňovaného rozpouštědla (vody). Na příkladu fázového diagramu vody (obr. 1) je jasně patrné, v jakých hodnotách teplot a tlaků je možné se pohybovat, aby nastala právě sublimace - tedy přechod mezi pevnou (led) a plynnou fází vody (rozpouštědla).

Obr. 1 - Fázový diagram vody

Obr. 2 - Záznam fyzikálních hodnost během lyofilizace na zařízení CHRIST (Germany)

V dnešní době je lyofilizace instrumentována stejně jako celá řada jiných fyzikálních technologických procesů do tří obvyklých měřítek:

Hlavním znakem laboratorního měřítka je práce s malým množstvím vzorků (jednotky g až jednotky kg roztoků či suspenzí) s možností pohotových změn fyzikálních parametrů v průběhu vlastní lyofilizace. Je možné pracovat se všemi obvyklými nádobami (baňky, Petriho misky, vialky apod.). Laboratorní lyofilizátory se výborně hodí pro práci v oblasti základního výzkumu a všude tam, kde je potřeba spíše nahodile lyofilizovat velké množství různých typů malých vzorků. S výhodou tyto lyofilizátory používají vědečtí pracovníci základního výzkumu (chemici, biologové, mikrobiologové apod.) Na obr. 3 je uveden typický laboratorní lyofilizátor.

Obr. 3 - Laboratorní lyofilizátor Alpha 2-4 LSCbasic společnosti CHRIST (Německo)

Lyofilizátory pilotního měřítka zpracovávají středně velké množství vzorků (jednotky až desítky kg roztoků či suspenzí) s možností změn fyzikálních parametrů v průběhu vlastní lyofilizace. Většinou už ale pracují s vialkami, přičemž mohou být uzpůsobeny i na ostatní běžné nádoby jako stroje laboratorního měřítka (baňky, Petriho misky apod.). Sledování fyzikálních parametrů lyofilizace je u pilotních lyofilizátorů sofistikovanější než u laboratorních a lze tak lépe optimalizovat lyofilizační proces pro případný přechod na výrobní měřítko. Není výjimkou též možnost měření teploty přímo v samotných vzorcích a sledovat tak jednotlivé fázové přechody probíhající v samotném lyofilizovaném materiálu. V dnešní době toto lze řešit např. unikátním bezdrátovým systémem, např. WTMplus vyvinutý společností CHRIST. Obr. 5 znázorňuje bezdrátové teplotní čidlo umístěné do vialek. Výjimkou není též rozšíření i o možnost vážení vzorků (viz obr. 6) či dalších instrumentací v podobě různých spektroskopických metod, které dále umožňují monitorovat děje ve zpracovávaném materiálu. Samozřejmostí také je, že pilotní stroje umožňují jít do většího rozsahu základních fyzikálních hodnot během lyofilizace (nižší teploty, hlubší vakuum) a jsou také lépe uzpůsobeny na práci i s nevodnými rozpouštědly. Samozřejmostí bývají kvalifikace IQ/OQ a provedení do čistých prostor. Pilotní stroje jsou obvykle využívány ve výrobních podnicích pro účely malovýroby nebo optimalizace přechodu na velkou výrobu. Na obr. 4 je zobrazen typický pilotní lyofilizátor.

Obr. 4 - Pilotní lyofilizátor Epsilon 2-10D LSCplus společnosti CHRIST (Německo)

Obr. 5 - Bezdrátové teplotní čidlo systému WTMplus společnosti CHRIST (Německo)

Obr. 6 - Systém LyoBalance společnosti CHRIST (Německo)

Výrobní lyofilizátory jsou již uzpůsobeny na opakované zpracovávání velkého množství vzorků (stovky kg roztoků či suspenzí). Nejčastěji pracují s velkým množstvím vialek (farmaceutické výroby), ale jelikož se vždy jedná o systémy stavěné na míru uživateli, lze pak lyofilizovat i z jiných nádob. V celku se vždy jedná o stavebnicový systém, kdy je myšleno i na případné budoucí změny. U výrobních lyofilizátorů jsou samozřejmostí veškeré další vlastnosti, které již měly lyofilizátory pilotní, a taktéž soulad s dalšími standardy farmaceutických a potravinářských výrob, a tedy i práce ve sterilním prostředí a návazné technologie umožňující pravidelnou sterilizaci vlastního zařízení. Jeden z možných výrobních lyofilizátorů společnosti CHRIST je zobrazen na obr. 7.

Obr. 7 - Produkční lyofilizátor společnosti CHRIST (Německo)

U výrobních lyofilizátorů společnosti CHRIST jsou samozřejmostí též další rozšiřující technologie v podobě automatických podavačů vzorků apod. Ukázka výrobního lyofilizátoru s automatickým podáváním a odběrem vzorků je na obr. 8 a na obr. 9 a 10 je uveden detail takového zařízení.

Obr. 8 - Produkční lyofilizátor s automatickým podáváním a odběrem vzorků CHRIST (Německo)

Obr. 9 - Nakládací zařízení pro vialky pro výrobní lyofilizátor společnosti CHRIST (Německo)

Obr. 10 - Vykládací zařízení pro vialky pro výrobní lyofilizátor společnosti CHRIST (Německo)

U pilotních a výrobních lyofilizátorů je samozřejmostí precizní řídící software a jako příklad lze uvést software LCSplus SCADA System společnosti CHRIST, který poskytuje uživatelsky přívětivé a intuitivní rozhraní pro řízení veškerých procesů a systémů lyofilizátoru. Mezi základní vlastnosti tohoto softwarového rozhraní patří:

• Řízení procesu pro ruční a/nebo plně automatizované procesy sušení.
  
• Vizualizace veškerých klíčových hodnot a částí systému.  
  
• Protokolování procesu (data měření a audit trail).  
  
• Dokumentace procesu.  
  
• Zálohování a obnova dat.  
  
• Správa programů a receptů lyofilizace.  
  
• Správa uživatelů. 

Software LPCplus byl vyvinut v souladu s ustanoveními předpisu 21 CFR část 11 amerického úřadu pro kontrolu potravin a léčiv (FDA), pokud jde o data uložená v elektronické podobě a elektronické podpisy.

LPCplus lze použít s různými řadiči (včetně LSCplus a Siemens PLC) a běží pod různými operačními systémy pro PC.

Ukázky vybraných dialogových oken řídícího software LCSplus SCADA System společnosti CHRIST jsou na obr. 11 a 12.