Optimization of freeze-drying process for lactic acid bacterium Lactobacillus rhamnosus

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2012
Major/Subject
Bioprosessitekniikka
Mcode
Kem-70
Degree programme
Language
fi
Pages
x + 70 + [5]
Series
Abstract
Freeze-drying is widely used for improving the stability of heat-sensitive biological products during long-term storage. Process parameters determining the drying time play a critical role in the physical and biochemical attributes of the dried product. The aim of this study was to optimize freeze-drying process cycle for lactic acid bacterium Lactobacillus rhamnosus in order to shorten process time without compromising product yield and storage stability. The focus was on optimizing primary drying pressure and temperature program using statistical design of experiments. Yield, residual water content and cell death rate during storage at 37°C were determined in order to evaluate the effect of process variables. Within the range of this study product yield and stability were not affected by the more aggressive freeze-drying programs when product temperature was kept under -15°C and chamber pressure under 1.65 mbar during primary drying. Response surface modeling revealed that higher chamber pressure and shelf temperature increased drying rate. When using aggressive drying programs lower pressure increased product yield but decreased stability slightly. Local structural collapse of the freeze-dried cake during drying had no effect on yield or stability. Cell survival rate decreased with decreasing residual water content at levels under 2.1 %. Yield and stability were highly dependent on cell culture batch. Based on this study the primary drying time can be reduced by 42%. Low residual moisture levels and good storage stability of the freeze-dried powders also suggest that the secondary drying program can be shortened.

Kylmäkuivausta käytetään lämpöherkkien biologisten materiaalien pitkäaikaiseen säilömiseen. Kuivausohjelman prosessiparametrit vaikuttavat merkittävästi kuivausaikaan sekä tuotteen fysikaalisiin ja biokemiallisiin ominaisuuksiin. Tämän työn tavoitteena oli optimoida tilastollisen koesuunnittelun avulla kylmäkuivausohjelma Lactobacillus rhamnosus -maitohappobakteerille ja lyhentää kuivaukseen kuluvaa aikaa vaikuttamatta kuivatun jauheen säilyvyyteen ja saantoon. Työssä keskityttiin primaarikuivausvaiheen paineja lämpötilaolosuhteiden optimointiin. Prosessiparametrien vaikutusta tutkittiin määrittämällä kuivauksen jälkeinen saanto, jauheen vesipitoisuus ja solujen kuolemisvakio säilytyslämpötilassa 37 °C. Koesuunnitelman muuttujien puitteissa solusaanto ja kuolemisvakio eivät kärsineet aggressiivisemmista kuivausohjelmista, jos tuotteen lämpötila pidettiin primäärikuivausvaiheen aikana alle -15 °C ja paine alle 1,65 mbar:n. Vastepintamallinnuksen perusteella kuivuminen oli sitä nopeampaa, mitä korkeampi paine ja lämpötila olivat käytössä. Paineen alentaminen nopeissa ohjelmissa kasvatti solusaantoa, mutta huononsi hieman säilyvyyttä. Kylmäkuivatun kakun paikallinen rakenteen romahtaminen ei vaikuttanut saantoon tai säilyvyyteen. Alle 2,1 % vesipitoisuuksilla solusaannon todettiin huonontuvan vesipitoisuuden laskiessa. Solusaanto ja säilyvyys olivat myös vahvasti riippuvaisia kasvatuserästä. Tutkimuksen perusteella primaarikuivausaikaa voidaan lyhentää 42 %. Jauheiden alhaiset vesipitoisuudet ja säilyvyystulokset viittaavat myös siihen, että kuivausohjelman sekundaarikuivausvaihetta voidaan lyhentää.
Description
Supervisor
Leisola, Matti
Thesis advisor
Kiviharju, Kristiina
Keywords
freeze-drying, kylmäkuivaus, Lactobacillus rhamnosus, Lactobacillus rhamnosus, lactic acid bacteria, maitohappobakteerit, viability, elävyys, stability, säilyvyys
Other note
Citation