フリーズドライ

凍結乾燥は、凍結乾燥または極低温乾燥とも呼ばれ、製品を凍結させて圧力を下げ、昇華によって氷を除去する低温脱水プロセスです^[1]。^[2]これは、熱を使用して水を蒸発させる従来のほとんどの方法による脱水とは対照的です。^[3]

処理に低温が使用されるため、^[1]再水和された製品は元の品質の多くを保持します。イチゴなどの固体を凍結乾燥させると、製品の元の形状が維持されます。^[4]乾燥される製品が医薬品用途でよく見られるように液体の場合、最終製品の特性は賦形剤（不活性成分）の組み合わせによって最適化されます。凍結乾燥の主な用途には、生物学的（細菌や酵母など）、生物医学的（外科的移植など）、食品加工（コーヒーなど）、保存などがあります。^[1]

インカ人は13世紀からジャガイモを凍結乾燥させてチュニョを作っていた。その工程は、夕方にアンデス山脈の山頂でジャガイモを氷点下の気温にさらし、日中に水を絞り出して日光で乾燥させるという複数のサイクルを繰り返すものだった。^{[5]インカ人は}アルティプラノの独特の気候を利用して肉を凍結乾燥させた。^[6]

日本の高野豆腐は、凍結乾燥させた豆腐で、長野では1500年代半ば、高野山では1600年代にまで遡ります。^[7]

現代の凍結乾燥は、1890年にリチャード・アルトマンが植物や動物の組織を凍結乾燥させる方法を考案したことで始まりましたが、1930年代までほとんど注目されませんでした。^[8] 1909年にLFシャッケルは電気ポンプを使用して真空チャンバーを独自に作成しました。^[9]凍結乾燥に関する情報は、1927年にティヴァルが、1934年にエルザーが凍結と凝縮のステップを改良した凍結乾燥システムの特許を取得するまで文書化されていませんでした。^[9]

凍結乾燥の大きな転機は第二次世界大戦中に起こりました。戦場での負傷者の治療に血漿とペニシリンが必要になったときです。冷蔵輸送がなかったため、多くの血清供給品は受取人に届く前に腐ってしまいました。 ^[9]凍結乾燥プロセスは、血漿とペニシリンを化学的に安定させ、冷蔵せずに生存できるようにする商業技術として開発されました。^[9] 1950年代から1960年代にかけて、凍結乾燥は医薬品と食品加工の両方に使用できる多目的ツールとして見られるようになりました。^[9]

2023年には、スキットルズ、ナードクラスター、スイートタルトなどの人気キャンディーのフリーズドライバージョンが店頭に並び、フリーズドライキャンディーの人気が急上昇しました。 ^{[10] [11] [12]}

フリーズドライ食品は、宇宙飛行士や軍の食糧の主要な構成要素となった。宇宙飛行士の乗組員のためにチューブ入りの食事やフリーズドライスナックとして始まったものは、水分補給が困難であったが^[13]、フリーズドライ食品を水で水分補給する工程を改良することで、宇宙での温かい食事へと変貌した。^[13]技術と食品加工が進歩するにつれ、NASAは、パンくず、病原菌、毒素を減らしながら、完全な栄養プロファイルを提供する方法を模索した。^[14]藻類ベースの植物性油を加えて多価不飽和脂肪酸を加えることで、完全な栄養プロファイルが改善された。^[14]多価不飽和脂肪酸は、精神と視覚の発達に有益であり、宇宙旅行中にも安定したままであるため、宇宙飛行士にさらなる利益をもたらすことができる。 ^[14]パンくずの問題は、食品にゼラチンコーティングを施してパンくずを閉じ込めて防止することで解決した。^[13]病原菌や毒素は品質管理と危害分析重要管理点（HACCP）計画の開発によって減少しました。これは今日、加工前、加工中、加工後の食品を評価するために広く使用されています。^[14]これら3つの革新を組み合わせることで、NASAはフリーズドライ食品から安全で健康的な食品を乗組員に提供できるようになりました。^[14]

軍のレーションも、塩漬け豚肉とコーンミールからマッシュルームのグレービーソースをかけたビーフステーキまで、長い道のりを歩んできました。^[15]レーションの選択と開発は、受け入れやすさ、栄養、健康、生産性、コスト、衛生に基づいています。^[16]レーションの追加要件には、最低3年間の保存期間、航空輸送可能、世界中の環境で消費可能、完全な栄養プロファイルの提供などがあります。^[16]新しいTレーションは、許容されるアイテムを増やすことで改良され、野外で高品質の食事を提供します。また、食事のすぐに食べられるカテゴリーで、スプレードライコーヒーに代わってフリーズドライコーヒーが取り入れられました。^[16]

完全な凍結乾燥プロセスには、前処理、凍結、一次乾燥、二次乾燥の 4 つの段階があります。

前処理には、凍結前に製品を処理するあらゆる方法が含まれます。これには、製品の濃縮、配合の修正 (安定性の向上、外観の保持、および/または処理の改善のための成分の追加)、高蒸気圧溶媒の減少、または表面積の増加が含まれます。食品片は、凍結乾燥前に流動性を高めるためにIQF処理されることがよくあります。凍結乾燥医薬品は、ほとんどの場合、注射による再構成後に投与される非経口薬であり、滅菌されているだけでなく不純物粒子がない必要があります。これらの場合の前処理は、溶液の調製とそれに続く多段階の濾過で構成されます。その後、液体は滅菌状態で最終容器に充填され、生産規模の凍結乾燥機では、容器は自動的に棚に積み込まれます。

多くの場合、製品を前処理するかどうかの決定は、凍結乾燥の理論的知識とその要件に基づいているか、サイクルタイムや製品品質の考慮によって要求されます。^[17]

凍結段階では、材料は三重点（固体、液体、気体の各相が共存できる温度）以下に冷却される。これにより、次のステップで溶融ではなく昇華が起こるようになる。より速く効率的な凍結乾燥を促進するには、より大きな氷結晶が望ましい。大きな氷結晶は製品内でネットワークを形成し、昇華中に水蒸気をより速く除去する。^{[2]より大きな結晶を生成するには、製品をゆっくりと凍結するか、}アニーリングと呼ばれるプロセスで温度を上げ下げする。凍結段階は、凍結方法が再構成の速度、凍結乾燥サイクルの期間、製品の安定性、適切な結晶化に影響を与える可能性があるため、凍結乾燥プロセス全体で最も重要である。^[18]

非晶質材料には共晶点はありませんが、臨界点があり、製品をその温度以下に維持しないと、一次乾燥および二次乾燥中にメルトバック^{[さらなる説明が必要]}や崩壊が発生するのを防ぐことができません。

食品やかつて生きていた細胞を持つ物体など、構造の保存が必要な物品の場合、大きな氷結晶は細胞壁を破壊し、食感が悪化し、栄養分が失われます。この場合、材料を共晶点以下に急速に凍結することで、大きな氷結晶の形成を回避できます。^[2]通常、凍結温度は-50°C（-58°F）から-80°C（-112°F）の間です。

一次乾燥段階では、圧力が下げられ（数ミリバールの範囲まで）、氷が昇華するのに十分な熱が材料に供給されます。必要な熱量は、昇華する分子の 昇華潜熱を使用して計算できます。この初期乾燥段階では、材料内の約 95% の水分が昇華します。この段階は、熱を加えすぎると材料の構造が変化する可能性があるため、遅くなる場合があります（業界では数日かかる場合があります）。

この段階では、部分的な真空を適用して圧力を制御します。真空により昇華が加速されるため、計画的な乾燥プロセスとして役立ちます。さらに、冷たい凝縮室や凝縮プレートにより、水蒸気が再液化して固化する表面が提供されます。

この圧力範囲では、熱は主に伝導または放射によってもたらされ、空気密度が低いため対流の影響は無視できることに注意することが重要です。

二次乾燥段階の目的は、一次乾燥段階で氷が除去されたため、凍結していない水分子を除去することです。凍結乾燥プロセスのこの部分は、材料の吸着等温線によって決まります。この段階では、水分子と凍結した材料の間に形成された物理化学的相互作用を破壊するために、温度が一次乾燥段階よりも高く上げられ、0 °C (32 °F) を超えることもあります。通常、この段階では脱着を促進するために圧力も下げられます (通常はマイクロバールの範囲、つまりパスカルの数分の1 )。ただし、圧力を高めることでメリットを得られる製品もあります。

凍結乾燥プロセスが完了した後、材料を密封する前に、通常は窒素などの不活性ガスを使用して真空を破ります。

操作終了時には、製品中の最終残留水分含有量は 1 ～ 4% 程度と極めて低くなります。

凍結乾燥は、高温を使用する他の脱水方法よりも物質へのダメージが少ない。乾燥目的で熱処理を取り入れたプロセスと比較して、熱に敏感な栄養素の損失が少ない。 ^[2]凍結乾燥では通常、乾燥対象の物質が縮んだり硬くなったりすることはありません。さらに、風味、匂い、栄養成分は一般的に変化しないため、食品の保存方法として人気があります。ただし、昇華できる化学物質は水だけではなく、酢酸（酢）やアルコールなどの他の揮発性化合物の損失も望ましくない結果をもたらす可能性があります。

凍結乾燥製品は、微細な孔が残るため、はるかに迅速かつ容易に再水和（再構成）できます。孔は昇華した氷結晶によって生成され、その場所に隙間または細孔が残ります。これは、医薬品の用途では特に重要です。凍結乾燥は、一部の医薬品の保存期間を何年も延ばすためにも使用できます。

製薬会社は、生ウイルスワクチン、^[19]、生物製剤、^[20]、その他の注射剤などの製品の保存期間を延ばすために凍結乾燥をよく使用します。材料から水分を除去してガラス瓶に密封することで、材料は簡単に保管、輸送でき、後で注射用に元の形に戻すことができます。製薬業界の別の例としては、凍結乾燥を使用して錠剤やウエハーを製造することが挙げられます。その利点は、賦形剤が少なく、吸収が速く、投与しやすい剤形であることです。

凍結乾燥医薬品は、バイアルで再構成するための凍結乾燥粉末として製造され、最近では患者による自己投与用にプレフィルドシリンジで製造されています。

凍結乾燥生物学的製剤の例としては、生麻疹ウイルスワクチン、腸チフスワクチン、髄膜炎菌多糖体ワクチンA群とC群の組み合わせなど多くのワクチンがあります。その他の凍結乾燥生物学的製剤には、抗血友病因子VIII、インターフェロンアルファ、抗血栓薬ストレプトキナーゼ、スズメバチ毒アレルギー抽出物などがあります。^[21]

モノクローナル抗体などの治療用タンパク質をベースにしたバイオ医薬品の多くは、安定性を保つために凍結乾燥が必要です。凍結乾燥バイオ医薬品の例としては、エタネルセプト（アムジェン社のエンブレル）、インフリキシマブ（ヤンセンバイオテック社のレミケード）、リツキシマブ、トラスツズマブ（ジェネンテック社のハーセプチン） などのブロックバスター医薬品があります。

ポイントオブケア診断やバイオ製造などの無細胞バイオテクノロジーアプリケーションをサポートする細胞抽出物も、室温での保存時の安定性を向上させるために凍結乾燥されます。^{[22] [23]}

プロバイオティクスの乾燥粉末は、乳酸菌やビフィズス菌などの生きた微生物を大量に凍結乾燥することによって製造されることが多い。^[24]

凍結乾燥された生物製剤はペレットや錠剤に圧縮され、生物学的製剤の無水かつ高密度の固体状態での保存に用いられる。 ^[25]

食品業界における凍結乾燥の主な目的は、品質を維持しながら食品の保存期間を延ばすことです。 [ ^1]凍結乾燥は、風味の保存とともに構造的完全性が維持されるため、すべての乾燥技術の中で最も高品質の食品を生み出すことが知られています。^{[1]凍結乾燥は高価なため、主に}高価値製品に使用されます。^[4]高価値の凍結乾燥製品の例としては、入手が限られている季節の果物や野菜、コーヒー、軍の食糧、宇宙飛行士、ハイカーに使用される食品などがあります。^[4]

フリーズドライ製品は再構成食品の体積当たりの重量が軽いため、ハイカー、軍の糧食、宇宙飛行士の食事として人気があり便利です。^[1]同じ重量のウェットフードと比較して、乾燥食品はより多くの量を運ぶことができます。ウェットフードの代わりに、フリーズドライ食品は必要に応じて水で簡単に戻すことができ、乾燥製品の保存期間は新鮮/ウェット製品よりも長いため、ハイカー、軍人、宇宙飛行士の長期旅行に最適です。フリーズドライの発達により、食事やスナックの種類が増え、シュリンプカクテル、チキンと野菜、バタースコッチプディング、アップルソースなどが含まれるようになりました。^[13]

コーヒーには焙煎時のメイラード反応によって生み出される風味と香りが含まれており^[26]、凍結乾燥によって保存することができます。^[2]室温乾燥、熱風乾燥、天日乾燥などの他の乾燥方法と比較して、凍結乾燥したロブスタコーヒー豆には、ロイシン、リジン、フェニルアラニンなどの必須アミノ酸が多く含まれていました。 ^[26]また、味に大きく貢献する非必須アミノ酸はほとんど保存されていませんでした。^[26]

ベリー類は構造が繊細で水分を多く含むため、従来の乾燥方法では品質が低下する可能性があります。イチゴは凍結乾燥すると色、風味、水分補給能力が保持され、最高の品質が得られることがわかりました。^[27]

凍結乾燥は、昆虫を食用として保存するために広く使用されています。凍結乾燥した昆虫は丸ごとエキゾチックなペットフード、鳥の餌、魚の餌として販売されており、人間の食用にもますます使用されています。^{[28] [29]}粉末状の凍結乾燥昆虫は、動物飼料のタンパク質ベースとして使用され、一部の市場では人間の栄養補助食品として使用されています。 ^{[29] [28]野生の昆虫を収穫するのではなく、} 養殖昆虫が前述のすべての目的に一般的に使用されていますが、バッタは畑作物から収穫されることがよくあります。^[28]

化学合成では、製品をより安定させたり、後で使用するために 水に溶かしやすくしたりするために、凍結乾燥されることがよくあります。

バイオセパレーションでは、凍結乾燥は溶媒を効果的に除去できるため、後期の精製手順としても使用できます。さらに、ろ過膜では除去できない低分子量の物質を濃縮することもできます。凍結乾燥は比較的高価なプロセスです。機器は他の分離プロセスに使用される機器の約 3 倍高価であり、高いエネルギー需要によりエネルギー コストが高くなります。さらに、凍結乾燥では、材料に過度の熱を加えると溶解や構造変形を引き起こす可能性があるため、処理時間も長くなります。そのため、凍結乾燥は、タンパク質、酵素、微生物、血漿などの熱に敏感な材料にのみ使用されることがよくあります。プロセスの動作温度が低いため、これらの熱に敏感な製品の損傷は最小限に抑えられます。

ナノテクノロジーでは、通常の熱蒸発乾燥中に毛細管力による凝集を避けるために、 凍結乾燥がナノチューブの精製に使用されています^{[30] 。}

凍結乾燥は、剥製術の分野で動物を保存するために使用される方法の1つです。動物がこの方法で保存されると、「凍結乾燥剥製術」または「凍結乾燥標本」と呼ばれます。凍結乾燥は、甲殻類、魚類、両生類、爬虫類、昆虫、小型哺乳類の保存によく使用されます。^{[31]凍結乾燥は、死後のペットの追悼手段としても使用されます。剥製術でペットを保存することを選択する場合、}従来の皮膚標本ではなく、ペットの体への侵襲性が低いため、多くの飼い主が凍結乾燥を選択します。^[32]

米国国立公文書記録管理局（NARA）の文書保存研究所などの組織は、水害を受けた書籍や文書の修復方法として凍結乾燥に関する研究を行ってきました。^[33]修復は可能ですが、修復の質は文書の材質によって異なります。文書がさまざまな材質で作られており、それぞれ吸収特性が異なる場合、膨張が不均一な速度で発生し、変形につながる可能性があります。また、水はカビの発生やインクのにじみの原因にもなります。これらの場合、凍結乾燥は効果的な修復方法ではない可能性があります。

細菌学では、凍結乾燥は特殊な菌株を保存するために使用されます。

高度なセラミックス製造プロセスでは、噴霧されたスラリーミストから成形可能な粉末を作成するために凍結乾燥が使用されることがあります。凍結乾燥では、従来のホットスプレー乾燥よりも化学組成がより均一な柔らかい粒子が作成されますが、コストも高くなります。

スウェーデンの企業プロメッサ・オーガニックABは、これまでは液体窒素で遺体を凍結乾燥させていた新しい埋葬法を開発した。同社はこれを、伝統的な棺や火葬による埋葬に代わる環境に優しい方法として提唱している。

凍結乾燥は、食品の品質が保たれ、香り、再水和、生物活性などの食品の特性が他の技術で乾燥させた食品に比べて著しく高いため、食品の脱水に最適な方法と考えられています。^[1]

保存期間の延長は、低い処理温度と昇華による水の急速な移行によって生じます。^[1]これらの処理条件により、非酵素的褐変、酵素的褐変、タンパク質変性などの劣化反応が最小限に抑えられます。^[1]製品が適切に乾燥され、適切に包装され、理想的な保管条件に置かれた場合、食品の保存期間は12か月以上になります。^[2]

乾燥製品が簡単にまたは完全に再水和できない場合、その製品は品質が低いとみなされます。なぜなら、最終的な凍結乾燥製品が多孔質である場合、食品内で完全な再水和が起こる可能性があるからです。^{[1]これは製品の品​​質が高いことを意味し、}すぐに食べられるインスタント食品に最適です。^[4]

加工温度が低く、劣化反応が最小限に抑えられているため、栄養素が保持され、色が維持されます。^[2] フリーズドライフルーツは元の形状を維持し、特徴的な柔らかくサクサクした食感を持っています。

凍結乾燥における微生物除染の主な方法は低温脱水プロセスであるため、これらの条件に耐性のある腐敗菌や病原菌が製品内に残る可能性があります。微生物の増殖は低湿度条件によって抑制されますが、それでも食品内で生き残ることができます。^[34]一例として、2016年に米国で発生した冷凍イチゴに関連したウイルス性 A型肝炎の発生があります。 ^[35]製品が適切に包装および/または保管されていない場合、製品は水分を吸収し、かつては抑制されていた病原菌も繁殖し始める可能性があります。^[2]

凍結乾燥は従来の乾燥に比べて約5倍のコストがかかるため^[4] 、加工することで価値が上がる製品に最適です。^[2]コストは製品、包装材料、加工能力などによっても異なります。^[4]最もエネルギーを消費する工程は昇華です。^[4]

シリコーンオイルは、凍結乾燥機の棚を加熱または冷却するためによく使用される液体です。連続加熱/冷却サイクルにより、棚とホースを接続する弱い部分からシリコーンオイルが漏れることがあります。これにより製品が汚染され、医薬品や食品の大きな損失につながる可能性があります。したがって、この問題を回避するために、質量分析計を使用してシリコーンオイルから放出される蒸気を特定し、すぐに是正措置を講じて製品の汚染を防ぎます。^[36]

哺乳類細胞は、凍結乾燥によって保存できるものの、通常は生き残ることはできない。^{[37] [38]}

凍結乾燥機には多くの種類がありますが、通常はいくつかの必須コンポーネントで構成されています。これらは、真空チャンバー、^[2]棚、プロセスコンデンサー、棚流体システム、冷却システム、真空システム、および制御システムです。

チャンバーは高度に研磨されており、内部には断熱材が入っています。ステンレススチールで製造されており、製品を保管するための棚が複数あります。^[要出典]ドアが閉じられたときに真空密閉状態を保つために、油圧モーターまたは電動モーターが設置されています。

プロセスコンデンサーは、チャンバーの外部または内部に設置できる冷却コイルまたはプレートで構成されています。^{[引用が必要]}乾燥プロセス中、コンデンサーは水を閉じ込めます。効率を高めるには、一次乾燥中にコンデンサーの温度を製品より 20 °C (36°F) 低くし、 ^{[引用が必要]}空気中の水蒸気が最大量凝縮されるように霜取り機構を備える必要があります。

一次乾燥段階と二次乾燥段階に必要な熱エネルギーの量は、外部の熱交換器によって調整されます。^[要出典]通常、シリコンオイルはポンプによってシステム内に循環されます。

このシステムは、コンプレッサーまたは液体窒素を使用して棚とプロセスコンデンサーを冷却し、製品を凍結するために必要なエネルギーを供給します。^{[引用が必要]}

乾燥プロセス中、真空システムによって 50～100 マイクロバールの真空が適用され、溶媒が除去されます。^[要出典] 2 段回転真空ポンプが使用されますが、チャンバーが大きい場合は複数のポンプが必要になります。このシステムは、凝縮器を通して非凝縮性ガスを圧縮します。

最後に、制御システムは、製品やプロセスに応じて棚の温度、圧力、および時間の制御値を設定します。^{[39] [40]}凍結乾燥機は、製品に応じて数時間または数日間稼働します。^{[引用が必要]}

接触型凍結乾燥機は、食品と加熱要素との接触（伝導）を利用して昇華エネルギーを供給します。このタイプの凍結乾燥機は、サンプル分析用に簡単にセットアップできる基本モデルです。接触型凍結乾燥機の主な加熱方法の 1 つは、サンプルに接触する棚のようなプラットフォームを使用することです。棚は、凍結乾燥プロセスのさまざまな時点で熱交換器のように動作するため、重要な役割を果たします。棚は、凍結中に熱エネルギーを除去し、乾燥時にエネルギーを供給するシリコン オイル システムに接続されています。^{[引用が必要]}

さらに、棚流体システムは、低圧で流体（通常はシリコンオイル）をポンプで送り込むことで、乾燥中に棚に特定の温度を提供します。このタイプの凍結乾燥機の欠点は、熱が加熱要素からヒーターに直接触れているサンプルの側面にのみ伝達されることです。この問題は、リブ付きトレイを使用して加熱要素に接触するサンプルの表面積を最大化するか、サンプルを上下の2つの固体加熱プレートの間でわずかに圧縮するか、加熱メッシュで上下から圧縮することで最小限に抑えることができます。^[2]

放射凍結乾燥機は、赤外線放射を利用してトレイ内のサンプルを加熱します。このタイプの加熱では、単純な平らなトレイを使用できます。平らなトレイの上に赤外線源を配置し、製品に向かって下向きに放射します。赤外線放射加熱は製品の表面を均一に加熱できますが、浸透能力が小さいため、主に浅いトレイと均質なサンプルマトリックスで使用されます。^[2]

マイクロ波を利用した凍結乾燥機は、マイクロ波を利用してサンプルのより深いところまで浸透させ、凍結乾燥における昇華と加熱のプロセスを早めます。この方法は、マイクロ波が電界を生成し、サンプル室内のガスをプラズマ化させる可能性があるため、セットアップと実行が複雑になることがあります。このプラズマはサンプルを燃やす可能性があるため、真空レベルに適したマイクロ波の強度を維持することが不可欠です。製品の昇華速度はマイクロ波インピーダンスに影響を与える可能性があり、それに応じてマイクロ波の電力を変更する必要があります。^[2]

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• 非経口剤の凍結乾燥検査に関する FDA ガイド