Основная цель статьи — понять и модифицировать процессы замораживания и сублимационной сушки, чтобы обеспечить производство лиофилизированного продукта из изначально высококонцентрированных растворов. В этой статье рассматривается первый этап сублимационной сушки, процесс замораживания для исследования кристаллизации воды из высококонцентрированных растворов углеводов. Максимальное образование кристаллов льда идеально подходит для последующего успешного процесса сублимационной сушки.
Методы применялись и развивались для изучения фазовых переходов (особенно кристаллизации воды) при замораживании растворов сахара с высокой концентрацией, и эти методы будут также применяться в дальнейших исследованиях в следующей главе для исследования более сложных систем.
В этой статье исследовались:
- Факторы (как рецептура, так и условия обработки), влияющие на кристаллизацию воды;
- Трудности с кристаллизацией воды в системах с высокой концентрацией и самая высокая концентрация, при которой может происходить кристаллизация воды;
- Способ индуцирования кристаллизации воды и скорость роста кристаллов при индуцированной кристаллизации.
В этой статье в качестве исследуемого материала используются растворы углеводов, изучаются два типа кристаллизации: спонтанная и индуцированная кристаллизация.
Спонтанная кристаллизация
Этот раздел начинается с изучения спонтанной кристаллизации. Были задействованы методы DSC, XRD и SEM. Исследовано влияние концентрации, скорости охлаждения и отжига на спонтанную кристаллизацию.
Впервые эксперименты были проведены с помощью ДСК, измеряя температуры фазового перехода и изменение энтальпии. Изучено влияние концентрации, скорости охлаждения, отжига и растворенного вещества.
Затем XRD и DSC были использованы вместе для изучения кристаллизации воды при одинаковых термических условиях, чтобы сравнить результаты и увидеть, работают ли эти два метода или нет.
Также были предприняты попытки визуализировать кристаллы льда непосредственно в замороженных 30% растворах сахарозы с помощью крио-ESEM.
Измерение энтальпии с помощью ДСК. Влияние концентрации
ДСК-измерения проводились для 20, 30, 40, 50 и 60% растворов сахарозы. Образцы испытывали путем охлаждения от 20°С до -70°С и последующего нагревания до 20°С с постоянной скоростью 1°С/мин. Кривые охлаждения показаны на Рисунке.
Все образцы показали экзотермический пик при охлаждении, соответствующий кристаллизации воды. По мере увеличения концентрации сахарозы от 20 до 50% температура начала кристаллизации постепенно снижалась от -19°С до -25°С. Дальнейшее увеличение концентрации до 60% привело к резкому снижению температуры кристаллизации до -37°С. Наблюдаемые температуры кристаллизации намного ниже равновесной температуры замерзания, которая, как сообщается, составляет -11°C для 60% сахарозы (Roos 1995).
Система переохлаждается, когда она охлаждается до температуры ниже равновесной температуры замерзания, в этом состоянии молекулы воды могут группироваться в упорядоченные структуры, но кластеры могут быть недостаточно стабильными, чтобы вызвать кристаллизацию во всей системе, и они плавятся (Айель, Лоттин и др. 2006). Необходимое переохлаждение для образования стабильных зародышей, разница между температурами нуклеации и равновесной температурой замерзания, увеличивается с увеличением концентрации (разница 26°C для системы с 60% твердого вещества), что, возможно, связано с увеличением вязкости (Roos 1997, Goff, Verespej и др. 2003, Айель, Лоттин и др. 2006).
Когда концентрация системы увеличивалась с 20% до 60%, изменение энтальпии уменьшалось примерно на 70%, с более чем 250 (Дж/г раствора) до 74 (Дж/г раствора), что указывает на уменьшение количества образования льда с 76% общая система до 22%. При этом доля незамерзшей воды в системе увеличилась с 3,5% до 18%. Уменьшение расчетного изменения энтальпии при увеличении содержания хорошо соответствует линейной модели.
Поскольку вода продолжает кристаллизоваться в образце, оставшийся раствор постепенно становится более концентрированным в сахарозе, пока не достигнет максимальной концентрации, выше которой дальнейшая кристаллизация невозможна. Эту критическую концентрацию можно оценить путем линейной экстраполяции уравнения 4.2 до ΔH=0 Дж/г (Роос и Карел, 1991, Фуруки, 2002, Шаве, 2006).
Подбор данных дает A=338 Дж/г, B=4,5 Дж/г и максимальную концентрацию твердого вещества 76%. Это согласуется со значениями, указанными в литературе (Роос и Карел, 1991, Фуруки, 2002, Шаве, 2006), которые варьируются от 69% до 78% (Фуруки, 2002, Шаве, 2006). Следует отметить, что точное количество сильно зависит от выбора скорости охлаждения и определения базовой линии пика.
После охлаждения образцы нагревали до 20°С со скоростью 1°С/мин, кривые нагрева 20, 30, 40, 50 и 60% сахарозы показаны на рис. 4-3. На каждой кривой можно увидеть эндотермические пики, соответствующие плавлению кристаллов льда при нагревании. При увеличении концентрации твердого вещества с 20% до 60% температура начала плавления снижается с -3,4 до -20,6 °С. Начало температуры плавления оценивается с помощью программного обеспечения ДСК с использованием точки пересечения базовой линии перед переходом и касательной перегиба. Температура плавления в каждом образце всегда выше температуры кристаллизации, поскольку переохлаждение необходимо во время кристаллизации, а не во время плавления.
Изменение энтальпии также уменьшается с 246 Дж/г до 75 Дж/г при увеличении концентрации, что хорошо согласуется с изменением энтальпии во время замораживания. Энергия, необходимая для плавления льда, равна количеству энергии, выделяемой воде при кристаллизации.
Влияние скорости охлаждения
В этом разделе представлены работы о влиянии скорости охлаждения на кристаллизацию воды в трех растворах сахарозы с разной концентрацией (20, 40 и 60%).
На рисунке показаны кривые охлаждения (а) и нагревания (б) 20% растворов сахарозы, сканированные со скоростью 1°С/мин и 5°С/мин. Пики экзотермической кристаллизации возникали во время охлаждения при обеих скоростях охлаждения, однако более высокая скорость охлаждения приводила как к более низкой температуре начала кристаллизации, так и к более широкому пику. Сдвиг температуры начала кристаллизации от –19°С до –21°С можно заметить, когда скорость охлаждения увеличивается с 1°С/мин до 5°С/мин. Аналогичная тенденция смещения температуры кристаллизации в сторону более низких температур и расширения пика кристаллизации была обнаружена при повышении скорости температуры в системе с высокой концентрацией посредством исследования ДСК (Танатуксорн, Кадживара и др., 2008). ДСК обнаруживает фазовые переходы, регистрируя изменение теплового потока, когда образец и эталон поддерживаются при одинаковой температуре во время постоянного повышения температуры. Кристаллизация воды наблюдается в виде экзотермического пика при сканировании ДСК, и более высокая скорость сканирования может привести к более широкому пику замерзания из-за затухания теплопередачи (Марколли, Гедамке и др., 2007).
Результаты ДСК для 40% и 60% сахарозы при различной скорости охлаждения показаны на рисунке.
Такую же тенденцию к замедлению температуры начала кристаллизации и более широкому пику кристаллизации можно увидеть в системе с 40% сахарозы при более высокой скорости охлаждения (а). Кривые нагрева показаны на рисунке (b).
Кривые ДСК замораживания и плавления для 60% сахарозы показаны на рис. 4-5 (с и d). При охлаждении образца со скоростью 1˚C/мин можно увидеть пик кристаллизации при -37˚C, а последующий нагрев привел к ступенчатому изменению теплового потока при -36˚C, что указывает на начало плавления.
Когда скорость охлаждения увеличивалась до 5°С/мин, во время охлаждения кристаллизация не происходила. Однако, как показано на рисунке 4-5 (d), нагревание быстро замороженной 60% сахарозы привело к (i) экзотермическому пику при -60°C из-за кристаллизации воды и (ii) эндотермическому пику плавления, возникшему после кристаллизации. . То же явление – кристаллизация при нагревании быстрозамороженного раствора – расстекловывание. Это отмечено в 66,4% растворе сахарозы при ДСК; автор пришел к выводу, что вода не кристаллизуется после быстрого охлаждения, поскольку сахароза и вода хорошо смешиваются в аморфной стеклообразной фазе (Schawe 2006). Нагревание придает системе большую подвижность при снижении вязкости, так что молекулы могут двигаться и образовывать кристаллическую матрицу (Роос и Карел, 1991).
Даже при медленном охлаждении присутствие углеводов препятствует кристаллизации воды (Schawe 2006). Скорость охлаждения влияет на количество льда, который может образоваться во время охлаждения, т.е. увеличение скорости охлаждения приводит к меньшему образованию льда (Роос и Карел, 1991). Когда скорость охлаждения достаточно высокая, кристаллизации воды не происходит (Schawe 2006).
Кристаллизация в высоких концентрациях при чрезвычайно высокой скорости замораживания
Предыдущие статьи продемонстрировали, что увеличение содержания твердых веществ и/или увеличение скорости охлаждения задерживает кристаллизацию воды. В этом разделе использовалась очень высокая скорость охлаждения 30°С/мин и скорость нагрева 5°С/мин. Об этом параметре сообщалось при исследовании температуры стеклования (Roos and Karel 1991). Эта настройка использовалась в литературе для измерения температуры стеклования, поскольку высокая скорость охлаждения снижает вероятность кристаллизации воды и способствует образованию стекла. Здесь эта скорость охлаждения использовалась, чтобы проверить, возможна ли кристаллизация воды из растворов с высокой концентрацией твердых веществ.
Кривые охлаждения быстрозамораживаемых 50-70%-ных растворов сахарозы представлены на рисунке. На кривой охлаждения 50% сахарозы имеется экзотермический пик, который относится к кристаллизации воды. Вода в 50% растворе сахарозы кристаллизуется при охлаждении даже при такой высокой скорости охлаждения. Таяние льда, о чем свидетельствует эндотермический пик, наблюдалось при последующем нагреве.
Для 55% и 60% сахарозы при охлаждении отчетливого пика кристаллизации не наблюдается, но наблюдается постепенное уменьшение и увеличение теплового потока. На кривых нагрева присутствуют эндотермические пики (соответствующие таянию льда), хотя площадь пика очень мала.
Явление таяния льда, но не кристаллизации воды, которое можно наблюдать в 55% и 60% случаев, может быть результатом (i) только ограниченного количества кристаллизованной воды из-за быстрого охлаждения, поэтому количество льда недостаточно велико, чтобы его можно было обнаружить как пик при сканировании ДСК (ii) быстрая скорость замораживания расширяет пик кристаллизации, что затрудняет его идентификацию.
Для 70%-ных растворов сахарозы во время циклов быстрого замораживания и плавления не может быть обнаружено ни пика кристаллизации, ни пика плавления. При таком быстром замораживании и такой концентрации кристаллизации воды не произошло.
Эффект отжига
В этом разделе изучается влияние отжига на кристаллизацию воды. Обнаружено, что отжиг является важным процессом для создания максимального образования льда, и он зависит от времени, что означает, что более длительное время отжига приводит к более крупным пикам таяния льда (Roos и Karel 1991). Температурный профиль сканов ДСК отжига показан на рисунке.
После помещения образца в ДСК его выдерживали при 20°C в течение 15 минут для стабилизации температуры образца. Затем образец быстро охлаждали со скоростью 30°С/мин до -100°С, нагревали до -35°С со скоростью 10°С/мин. Затем его выдерживали при -35°С в течение одного часа для отжига. После отжига образец снова охлаждали до -100°С (10°С/мин), а затем нагревали до 20°С со скоростью 5°С/мин. Температуру отжига установили равной -35°С, поскольку это несколько ниже температуры начала плавления (Т’м=-34°С) и выше температуры стеклования (Т’г=-46), а следовательно, при температуре диапазон, обеспечивающий максимальное образование льда. И T’m, и T’g взяты из литературы (Roos and Karel 1991).
Кривые нагревания 60% сахарозы показаны на рисунке. Начало плавления было трудно оценить из-за его наложения на пик стеклования. Известно, что температура стеклования очень чувствительна к содержанию влаги, и даже очень небольшое изменение содержания воды будет иметь драматические последствия (Роос и Карел, 1991). Повышенная температура стеклования в отожженном образце указывает на то, что образуется больше кристаллов льда, чем в неотожженном образце, в результате чего в оставшейся аморфной системе остается меньше воды. Как только образуются новые кристаллы льда, аморфная система становится более концентрированной, поэтому температура стеклования увеличивается. Однако трудно сравнить изменение энтальпии плавления отожженных и неотожженных образцов.
Небольшой эндотермический пик плавления можно увидеть во время нагревания 65% растворов сахарозы как с обработкой отжигом, так и без нее. Неудивительно, что размер пика плавления был больше в отожженном образце, а изменение энтальпии немного увеличилось с 1,5 Дж/г до 2,4 Дж/г, что указывает на большее образование кристаллов льда при отжиге 65% раствора сахарозы.
При атмосферном давлении были описаны три различные формы льда: гексагональный кристалл, кубический кристалл и аморфный (Доуэлл, Молин и др., 1962). При рентгеновском сканировании гексагональные кристаллы льда обозначены пиками при 22°, 24°, 26°, 34°, 40°, 44° и 47°, тогда как кубические кристаллы льда показывают пики при 24°, 40° и 47° одновременно. (Доуэлл, Молин и др., 1962). Алмазные структуры этих двух кристаллов тесно связаны, что приводит к тому, что они имеют схожие дифракционные пики (Dowell, Moline et al., 1962). Кубический лед представляет собой метастабильную форму кристаллов льда, и это предпочтительная форма, развивающаяся при быстром замерзании воды до достаточно низких температур (Мерфи, 2003), что соответствует правилу Оствальда, согласно которому сначала возникает менее термодинамически стабильная кристаллическая форма. Для формирования критического кубического зародыша требуется меньше энергии активации, чем для формирования критического гексагонального зародыша (Такахаши 1982), поэтому кубический лед предпочтительно зарождается при более низкой температуре. Однако при повышении температуры преобладает гексагональный лед, который является более стабильной формой кристаллов льда (Кифте, Клоутер и др., 1984). Из-за того, что давление пара кубического льда больше, чем у гексагонального льда, массоперенос от кубического льда к гексагональному льду будет происходить самопроизвольно (Мюррей, Кнопф и др., 2005). Скорость трансформации сильно зависит от температуры (Мерфи, 2003). Когда температура превышает -80°C, кубический лед легко превращается в шестиугольный лед (Флетчер, 1970).
Процент гексагонального/кубического льда можно рассчитать по соотношению интенсивностей пика при 44° и пика при 40°: I44/I40 (Мюррей, Кнопф и др., 2005). Минимальное значение — 0, когда весь лед имеет кубическую форму. Значение будет постепенно увеличиваться по мере увеличения шестиугольного льда до максимального значения 0,8, что указывает на то, что весь лед имеет шестиугольную форму.
Для температур ≤ -40°C диаграммы сканирования показали смесь кубических и гексагональных кристаллов льда. Похоже, что в этом диапазоне температур подвижность структуры недостаточна для того, чтобы молекулы воды могли перемещаться и превращаться из кубических кристаллов в гексагональные в течение исследованного временного масштаба. При нагреве образца до -30°С отношение I44/I40 увеличилось до 0,39, что указывает на переход от кубического льда к гексагональному. При дальнейшем повышении температуры до -20°C соотношение достигло максимума 0,82 (теоретически должно быть 0,8), что означает, что весь лед в образце принял гексагональную форму. Результат согласуется с рентгенограммами кристаллов льда в высококонцентрированных системах. Авторы сообщили, что кубические кристаллы льда преобразуются в гексагональную форму при нагревании в растворе глюкозы с высокой концентрацией (Танатуксорн, Кадзивара и др., 2008), различных растворах дисахаридов (Учида и Такея, 2010) и желатиновых гелях (Доуэлл, Молин и др., 1962). .
Переход кристаллической формы обычно происходит после стеклования, поскольку тогда молекулы в системе будут иметь большую подвижность (Учида и Такея, 2010). Сообщается, что температура перехода от кубического к гексагональному льду составляет от -40°C до -30°C в растворах сахарозы и мальтозы (Uchida and Takeya 2010). Сравнивая кривые, полученные при -50°С и -30°С, можно заметить, что пик максимальной интенсивности менялся от 24° до 22°С. Пик при 24° может происходить как от кубического, так и от гексагонального льда, тогда как пик 22° относится только к гексагональному льду, можно сделать вывод, что при нагревании от -50°С до -30° происходит некоторая трансформация кубического льда в гексагональный лед. С. Кубический лед сформируется и превратится в шестиугольный лед, даже если концентрация системы не очень высока (20%).
Хотя ДСК обнаружил кристаллизацию и плавление образца, не удалось обнаружить переход кристаллической формы на кривой нагревания ДСК. Это может быть связано с тем, что скрытое тепло очень мало (Fletcher 1970): всего 12,6-42 Дж/моль (Hobbs 1974). Учитывая небольшую массу образца при ДСК-сканировании (5-20 мг), обнаружить переход при ДСК сложно. Кристаллизацию воды в 70% растворе сахарозы исследовали с помощью комбинированного исследования XRD и DSC при высокой скорости сканирования (6°C/мин). Это самая высокая концентрация, используемая в этой главе, поскольку она приближается к самой высокой концентрации (76% согласно предыдущим исследованиям), которая позволяет воде кристаллизоваться.
При охлаждении до -100 ˚C экзотермический пик не наблюдается. Единственное заметное изменение кривой охлаждения – это ступенчатое изменение при температуре около -70 ˚C, что может указывать на стеклование аморфной системы. Во время нагрева также наблюдается небольшое изменение наклона при -70 ˚C, что может быть переходом стекло-резина. При дальнейшем нагревании ДСК обнаружил небольшой эндотермический сдвиг при -34 ˚C, что указывает на ситуацию, когда вода приобрела достаточную подвижность для перехода в кристаллическую форму (Танатуксорн, Кадживара и др., 2008).
Первое рентгеновское сканирование было проведено, когда система была охлаждена до -100°C со скоростью 6°C/мин (набор данных i). Очень широкую область пика можно увидеть под углом 24°, что указывает на существование аморфного льда (Доуэлл, Молин и др., 1962). Это свидетельствует о том, что вода в образце вместо кристаллов льда переходит в аморфное стеклообразное состояние. В системе углевод-вода вода не кристаллизуется в лед при охлаждении до достаточно низкой температуры с высокой скоростью охлаждения, поскольку скорость кристаллизации ограничена (Schawe 2006). .
Нагревание 70% сахарозы до -60 ˚C привело к уменьшению интенсивности пика при 24 ˚, что соответствует частичному плавлению аморфного льда. Дальнейшее нагревание до -35 ˚C (набор данных iv) приводит к появлению на кривой кристаллических пиков при 40 ˚ и 44 ˚, которые можно идентифицировать как пики кристаллов льда. Кривая показывает рентгеновское сканирование, выполненное при -30°, несколько пиков можно увидеть при 22°, 24°, 26°, 34°, 40° и 44°, относящихся к кристаллам льда. Рассчитанное по кривым соотношение I44/I40 дало число 0,68, что позволяет предположить, что лед в образце представляет собой смесь гексагональных и кубических кристаллов.
Когда скорость охлаждения достаточно высокая, вода в сахарозе с высокой концентрацией кристаллизуется не во время охлаждения, а при нагревании (расстекловывании) (Roos and Karel 1991, Roos 1997). В 70% растворах сахарозы общее содержание воды составляет 30%, и определенное ее количество связано с твердыми веществами, оставляя только часть из 30% свободной для кристаллизации. Кроме того, вязкость 70% сахарозы высока и увеличивается при более низкой температуре; уменьшение подвижности молекул воды в системе. Так, при быстром охлаждении вода затвердевает в аморфный лед, а не в кристаллы льда. Во время согревания выше температуры стеклования молекулы воды приобретают большую подвижность по мере уменьшения вязкости и образуют кристаллический лед (Роос и Карел, 1991, Гофф, Вереспеж и др., 2003).
Рентгеновский анализ был использован для изучения влияния концентрации на кристаллизацию воды Доуэллом и др. (Dowell, Moline et al. 1962). Исследовали раствор желатина концентрацией от 10% до 75%. Было обнаружено, что в разбавленной системе (например, до 50% желатина) было достаточно воды для образования кристаллов льда при охлаждении. Когда концентрация или скорость охлаждения увеличивались, кристаллизацию становилось очень трудно наблюдать, что и наблюдается в наших экспериментах. Они объяснили это наблюдение высокой вязкостью раствора и редким пространственным распределением воды.
В целом, ДСК и РФА показывают хорошее согласие при изучении кристаллизации воды. ДСК предоставляет информацию, включая температуры фазовых переходов (кристаллизация, плавление и стеклование) и изменение энтальпии фазовых переходов первого рода (кристаллизация и плавление). Рентгенографический анализ позволяет идентифицировать кристаллическую форму и контролировать переход кристаллической формы.
Визуализация кристаллов льда в замороженном образце сахарозы с помощью Cryo-SEM
В этом разделе были предприняты попытки визуализировать кристаллы льда непосредственно с помощью низкотемпературной сканирующей электронной микроскопии окружающей среды (крио-ESEM). Было получено лишь ограниченное количество изображений крио-ESEM, и три из них для замороженной 30% сахарозы показаны на рисунке.
При замораживании растворов сахарозы вода может кристаллизоваться в кристаллы льда. Однако сахароза не кристаллизуется, а раствор концентрируется только в аморфном состоянии (Roos 1997). Таким образом, замораживание раствора сахара обычно приводит к образованию кристаллов льда в замороженном концентрированном стекле (Танатуксорн, Кадзивара и др., 2008).
Различные части образца (лед и стекло) можно различить с помощью разных методов микроскопа. Учида и Такея использовали просвечивающий электронный микроскоп автоэмиссионного типа (FEG-TEM) для изучения разделения фаз в растворе дисахарида, включая сахарозу, во время быстрого замораживания, и определили три области в замороженном растворе дисахарида: (i) Некоторое количество воды образует гексагональный лед. кристаллы; (ii) твердые дисахариды с гидратированной водой образуют гигантские кластеры, которые вряд ли образуют кристаллы (iii) концентрированный замороженный аморфный материал (Uchida and Takeya 2010).
Некоторые формы кристаллов могут относиться к кристаллам льда. Размер кристаллов составляет несколько микрометров, что хорошо согласуется с данными Учиды и Такеи (2010). Обнаружены два разных типа структуры, которые предполагают существование дисперсных кристаллов льда и замерзшей концентрированной замороженной области, что указывает на то, что во время замерзания вода кристаллизуется в кристаллы льда и отделяется от растворов; при этом раствор становился более концентрированным по сахарозе и образовывал аморфную структуру.
Из-за практических трудностей с пробоподготовкой это был единственный образец замороженной сахарозы, исследованный с помощью крио-СЭМ. Из этих изображений сложно сделать много выводов. Для будущих исследований предлагается провести дополнительные исследования замороженных растворов сахарозы с помощью крио-СЭМ для лучшего понимания морфологии замороженных растворов сахарозы.
Исследование роста кристаллов путем добавления зародышей льда
Результаты как ДСК, так и РФА показали, что первичная нуклеация становится все более трудной по мере увеличения концентрации сахарозы, при этом требуется переохлаждение до 26°C (температура -37°C), чтобы кристаллизация произошла спонтанно в системе с 60% твердой фазы. В этом разделе изображения микроскопа обеспечивают прямую визуализацию 60% сахарозы при низких температурах. Световые круги на изображениях — это отражение света светодиодов микроскопа.
Поскольку в системах с 40% сахарозы имеется только три точки данных, график соответствует только одной прямой линии, а энергия активации составляет -219 кДж/моль. Подробное обсуждение этой системы невозможно из-за ограниченного объема данных, и требуется дополнительная работа.
Данные для 60%-ного раствора сахарозы свидетельствуют о 70%-ном уменьшении значений энергии активации при понижении температуры ниже -20°С (от -120 кДж моль-1 до -37 кДж моль-1). Уменьшение энергии активации указывает на то, что скорость роста кристаллов меньше зависит от температуры (Аткинс, де Паула и др., 2013), таким образом, меняется контролирующий механизм кристаллизации (Левеншпиль, 1972).
Энергия активации диффузионных процессов составляет от 10 до 20 кДж моль-1 (Муллин, 2001). Поскольку все расчетные энергии активации были больше, можно сделать вывод, что все измеренные кинетики кристаллизации были обусловлены переохлаждением (а не диффузией). Однако эффект диффузии становится более выраженным при более низкой температуре (Муллин, 2001). При понижении температуры на скорость роста кристаллов действуют два противоположных эффекта (Будиаман и Феннема, 1987): повышенное переохлаждение способствует более быстрому росту кристаллов из-за более быстрого отвода тепла, тогда как одновременное снижение скорости диффузии из-за более низкой температуры, ограничивающей молекулярная подвижность снижает скорость роста за счет уменьшения массопереноса, например, при движении сахарозы от замерзающей поверхности. Соответствующая важность этих двух эффектов будет определять фактическую скорость роста кристаллов. Это хорошо согласуется с различными опубликованными исследованиями, например. в этиленгликоле (Тераока, Сайто и др., 2002) или в чистой воде (Пруппачер, 1967).
Кроме того, увеличение концентрации указывает на возможное уменьшение наклона и, следовательно, на уменьшение энергии активации. При более низкой концентрации скорость роста более чувствительна к температуре кристаллизации (Аткинс, де Паула и др., 2013).
Влияние КМЦ: вязкость
Изучено влияние температуры и вязкости на скорость роста кристаллов льда. Вязкость системы изменяли добавлением cmc при сохранении постоянного содержания воды (на уровне 40%). При всех исследованных температурах наблюдается снижение скорости роста кристаллов при добавлении КМЦ. Добавление 0,5% или 1% КМЦ не показало существенной разницы в кинетике роста кристаллов; добавление КМЦ привело к снижению скорости роста на 40% с 0,4 мм/мин до 0,25 мм/мин при 20°С.
О различных формах кристаллов при разной степени переохлаждения также сообщили Хиндмарш и др. (Хиндмарш, Рассел и др., 2005). Авторы наблюдали дендритные кристаллы в 20% растворах сахарозы при переохлаждении 13,5°С, а ячеистую структуру получали при переохлаждении 18°С. Сообщалось также о аналогичных наблюдениях при кристаллизации полиэтиленового полимера из расплава: низкие температуры приводят к сферилитам (гладкая округлая структура), а высокие температуры — к аксилитам (дендритная структура) (Sperling 2005).
Сравнение растворов сахарозы с растворами гуммиарабика
Для изучения влияния растворенного вещества на кинетику роста кристаллов в качестве исследуемой системы был использован гуммиарабик, так как его высокая растворимость позволяет сравнить 60%-ный раствор с сахарозой и он имеет гораздо более высокую молекулярную массу (342 г/моль для сахарозы и 105-106 г/моль для сахарозы и 105-106 г/моль для сахарозы). /моль для гуммиарабика (Renard, Lavenant-Gourgeon et al. 2006).
При 50% гуммиарабике кристаллизация наблюдалась при переохлаждении на 2°С, и кристаллы росли со скоростью 1 мм/мин. В 60% системах минимальный уровень переохлаждения, необходимый для роста кристаллов льда, составлял 10°C.
Для 50% раствора гуммиарабика при увеличении уровня переохлаждения от 2°C до 10°C скорость роста монотонно увеличивалась, тогда как дальнейшее понижение температуры, по-видимому, мало влияло на скорость роста, хотя и в пределах экспериментальной ошибки. Это может свидетельствовать об изменении лимитирующей стадии кристаллизации с контролируемой переохлаждением на диффузионно-контролируемую. Скорость роста достигала максимального значения 4 мм/мин при переохлаждении на 10°С.
Увеличение концентрации твердого вещества до 60% значительно замедлило рост кристаллов до значений ниже 1 мм/мин. В системе с 60% гуммиарабиком, когда уровень переохлаждения увеличивался с 10°C до 18°C, скорость роста увеличивалась, однако сохранялась низкие значения (<1 мм/мин) по сравнению с 50% раствором. Интересно, что при концентрации 60% наблюдался противоположный эффект: скорость роста гуммиарабика всегда была медленнее, чем у сахарозы, с разницей около 2 мм/мин.
Это могло быть результатом высокой вязкости высококонцентрированной системы гуммиарабика и наличия большого количества пузырьков воздуха (при такой концентрации невозможно было освободить систему от всех пузырьков воздуха). Молекулярная подвижность ограничена в высоковязких системах, и поэтому рост кристаллов замедляется. Пузырьки воздуха могут задерживать кристаллизацию воды двумя способами: (1) пузырьки воздуха в системе замедляют скорость теплопередачи из-за плохой теплопроводности (Sofjan and Hartel 2004); и (2) они физически займут пространство в растворе, что может замедлить массоперенос.
Некоторые наблюдения из экспериментов под микроскопом
Помимо равномерного роста, как обсуждалось выше, в экспериментах по визуализации был замечен ряд различных эффектов.
Вторичная нуклеация
Показаны эксперименты для 60% растворов при -18 ˚C, в которых в капле рядом с добавленным зародышем образовывались многочисленные мелкие зародыши, а рост кристаллов следовал как из добавленного зародыша, так и из более мелких зародышей. Это дополнительное зародышеобразование происходило нечасто, но показывает, что раствор может образовывать несколько зародышей.
Выводы
ДСК использовали для измерения изменения энтальпии. Увеличение содержания твердых веществ (от 20% до 60%) приводило к задержке кристаллизации воды (требуется большее переохлаждение) и меньшему изменению энтальпии (меньшее образование кристаллов льда). Линейное уменьшение изменения энтальпии по мере увеличения концентрации твердого вещества хорошо вписывается в представленную модель. Максимальная концентрация при замерзании, рассчитанная по результатам экспериментов, составляет 76%, что хорошо согласуется с литературными данными.
Увеличение скорости охлаждения и концентрации может привести к отсутствию кристаллизации и расстекловыванию образца, как в эксперименте с 70% сахарозой при скорости охлаждения 30˚C/мин.
Отжиг проводился для 60, 65 и 70% сахарозы. После отжига достигалось большее образование льда, что определялось разными способами: повышением температуры стеклования (в 60% сахарозе); повышенное изменение энтальпии (в 65% сахарозе); и появление пика плавления (в 70% сахарозе).
Кристаллы льда были идентифицированы при рентгеновском сканировании при замораживании 60% раствора сахарозы, а изменение формы кристаллов (кубической на гексагональную) наблюдалось при повторном нагревании.
При скорости охлаждения 6 ˚C/мин переход кристаллической формы можно наблюдать даже при 20% сахарозы во время повторного нагревания.
В целом ДСК и РФА показывают хорошее согласие при изучении кристаллизации воды. ДСК предоставляет информацию, включая температуру фазового перехода (кристаллизация, расстекловывание, плавление и стеклование), а также значение изменения энтальпии для фазовых переходов первого рода; в то время как XRD позволяет идентифицировать кристаллическую форму и контролировать переход кристаллической формы.
Крио-ESEM использовали для наблюдения за замороженным 30% раствором сахарозы, при этом были обнаружены кристаллы льда и замороженный концентрат.
Оптическая микроскопия доказала, что воде трудно самопроизвольно кристаллизоваться в лед даже при переохлаждении при температуре 9°C. Однако в тех же условиях добавление ядра льда вызвало кристаллизацию воды. Кинетику роста кристаллов изучали тем же методом, а также исследовали влияние концентрации, переохлаждения и вязкости.
Для 40, 50 и 60% сахарозы скорость роста кристаллов возрастала по мере увеличения уровня переохлаждения. При заданном уровне переохлаждения скорость роста значительно снижается по мере увеличения концентрации (например, снижение скорости роста на 95% при увеличении концентрации с 40% до 60% при переохлаждении на 7 ˚C).
Энергия активации роста кристаллов была рассчитана для растворов сахарозы с концентрацией от 40 до 60%, и результаты показывают, что этот процесс обусловлен переохлаждением, а не диффузией.
В раствор сахарозы добавляли смц в количествах от 0,5% до 1%, чтобы увеличить вязкость системы, сохраняя при этом то же содержание воды на уровне 40% (мас./мас.). Для системы с добавлением cmc скорость роста увеличивалась с понижением температуры, и при каждой заданной температуре добавление cmc приводило к снижению скорости роста примерно на 40%. 0,5% и 1% cmc не показали существенной разницы с точки зрения кинетики роста кристаллов. Различные формы кристаллов также наблюдались при разной скорости роста. Низкие температуры кристаллизации приводят к образованию гладких и круглых кристаллов в результате высоких скоростей роста, тогда как высокие температуры кристаллизации приводят к дендритным кристаллам с медленной скоростью роста.
Растворы гуммиарабика также использовались при исследовании роста кристаллов. Для 50% раствора гуммиарабика скорость роста кристаллов увеличивалась (максимум 4 мм/мин) при переохлаждении до 10 ˚C и оставалась стабильной при дальнейшем увеличении переохлаждения. Скорость роста в 60% сахарозе была намного медленнее (<1 мм/мин) и медленно возрастала.
Скорость роста в двух разных системах (сахароза или гуммиарабик) сравнивали при одинаковой концентрации (50% и 60%). Для 50%-ной системы скорость роста сахарозы была примерно на 1 мм/мин медленнее, чем скорость роста гуммиарабика при том же уровне переохлаждения. При концентрации 60% гуммиарабик действовал медленнее, чем сахароза, с разницей в 2 мм/мин.