ฟรีซดรายกับอบแห้งต่างกันที่สถานะของน้ำตอนถูกดึงออก ฟรีซดราย (freeze drying หรือ lyophilization) แช่แข็งตัวอย่างก่อน แล้วลดความดันจนน้ำแข็งระเหิดกลายเป็นไอโดยไม่ละลายเป็นน้ำ ส่วนการอบแห้งด้วยลมร้อนใช้ความร้อนระเหยน้ำที่ยังเป็นของเหลวออกจากผิวชิ้นอาหาร ผลคือฟรีซดรายรักษารูปทรง สี และกลิ่นได้ใกล้ของสดกว่า แต่แลกกับเวลาที่นานกว่า พลังงานที่มากกว่า และเครื่องที่ราคาสูงกว่า
ทั้งสองวิธีเป็นการถนอมอาหารด้วยการทำแห้ง เป้าหมายเหมือนกันคือลดน้ำจนเก็บได้นาน แต่เส้นทางที่น้ำออกจากชิ้นอาหารต่างกันตั้งแต่ขั้นแรก บทความนี้ไล่ตั้งแต่หลักการ ขั้นตอนของรอบการทำแห้ง ข้อดีข้อเสีย ไปจนถึงวิธีเลือกเครื่องระดับแล็บหรือ Pilot
ฟรีซดรายคืออะไร และหลักการทำงานของเครื่อง Freeze Dryer
ฟรีซดรายคือการดึงน้ำออกด้วยสองกลไก คือการระเหิด (sublimation) ที่น้ำแข็งกลายเป็นไอโดยไม่ผ่านสถานะของเหลว และการคายน้ำที่เกาะอยู่กับเนื้อวัสดุ (desorption) คำว่า freeze drying กับ lyophilization หมายถึงกระบวนการเดียวกัน วงการยามักเรียกตัวเครื่องว่า lyophilizer
หลักการ lyophilization มีสามจังหวะ คือแช่แข็งตัวอย่างให้แข็งทั้งหมด ดูดอากาศจนความดันต่ำกว่าจุดสามสถานะของน้ำซึ่งอยู่ราว 610 ปาสกาล แล้วจึงให้ความร้อน น้ำแข็งจะระเหิดเป็นไอแทนการละลาย ไอน้ำวิ่งไปจับตัวเป็นน้ำแข็งอีกครั้งที่คอนเดนเซอร์ซึ่งเย็นกว่าตัวอย่างมาก คอนเดนเซอร์จึงทั้งเก็บน้ำออกจากระบบและกันไอน้ำไม่ให้เข้าปั๊มสุญญากาศ ความดันที่ใช้ส่วนใหญ่อยู่ที่ 50 ถึง 300 mTorr ตัวเครื่องจึงมีห้าส่วน คือระบบทำความเย็น ระบบสุญญากาศ ระบบควบคุม ห้องตัวอย่างที่มีชั้นวางหรือแมนิโฟลด์ และคอนเดนเซอร์
Lyophilization cycle มี 3 ขั้น: แช่แข็ง ทำแห้งขั้นต้น และทำแห้งขั้นที่สอง
ขั้นแช่แข็ง (freezing) ทำที่ความดันบรรยากาศ ตัวอย่างต้องแข็งทั้งก้อนก่อนดูดสุญญากาศ ไม่เช่นนั้นส่วนที่ยังเหลวอาจพองล้นภาชนะ ผลึกน้ำแข็งที่ใหญ่ทิ้งช่องให้ไอน้ำออกง่าย ขั้นถัดไปจึงเร็วขึ้น
ขั้นทำแห้งขั้นต้น (primary drying) คือช่วงที่น้ำแข็งอิสระระเหิดออกจากผิวบนลงล่าง เป็นขั้นที่กินเวลานานที่สุดของรอบ ชั้นที่แห้งแล้วกลายเป็นโครงรูพรุนที่เรียกว่าเค้ก ผู้ผลิตแนะนำให้ตัวอย่างหนาไม่เกิน 2 เซนติเมตร เมื่อจบขั้นนี้ตัวอย่างดูแห้งแล้ว แต่ความชื้นอาจยังเหลือร้อยละ 5 ถึง 10
ขั้นทำแห้งขั้นที่สอง (secondary drying) ไล่น้ำที่เกาะอยู่กับเนื้อวัสดุ เมื่อไม่มีน้ำแข็งเหลือจึงเพิ่มอุณหภูมิได้ มักอยู่ที่ 30 ถึง 50 °C จนความชื้นสุดท้ายเหลือราวร้อยละ 0.5 ถึง 3 ขึ้นกับผลิตภัณฑ์ ถ้าบรรจุในไวอัล ขั้นปิดท้ายคือเติมแก๊สกลับและปิดจุกภายในเครื่องขณะยังอยู่ใต้สุญญากาศบางส่วน
น้ำอิสระกับน้ำที่เกาะกับเนื้อวัสดุนี้ เป็นเรื่องเดียวกับที่ทำให้การวัดความชื้นคลาดเคลื่อน ซึ่งเราอธิบายไว้ที่ https://thaiunique.co.th/blog/what-to-know-about-moisture-analysis/
ฟรีซดรายกับอบแห้งด้วยลมร้อนต่างกันอย่างไร ประโยชน์และข้อเสียของ freeze dry
การอบลมร้อนระเหยน้ำที่ยังเป็นของเหลวออกจากผิว เนื้อเยื่อที่เสียน้ำจึงหดตัว และความร้อนที่ใช้นานทำให้สีเปลี่ยนและสารหอมระเหยเสื่อม ส่วนฟรีซดรายดึงน้ำออกขณะเป็นน้ำแข็ง น้ำแข็งค้ำโครงไว้ไม่ให้ยุบ เมื่อระเหิดออกจึงเหลือรูพรุน ผลิตภัณฑ์เบาและคืนตัวในน้ำเร็ว อุณหภูมิต่ำยังชะลอปฏิกิริยาเคมีและการเปลี่ยนแปลงจากเอนไซม์และจุลินทรีย์
บทความทบทวนในวารสาร Foods ปี 2020 รวบรวมผลไว้ว่า แครอทฟรีซดรายหดตัวร้อยละ 20.83 เทียบกับร้อยละ 35.53 เมื่ออบลมร้อน และเนื้อผลซีบัคธอร์นฟรีซดรายเก็บแคโรทีนอยด์ได้มากกว่าร้อยละ 93 วิตามินซีมากกว่าร้อยละ 34 งานวิจัยส่วนใหญ่จึงใช้ฟรีซดรายเป็นวิธีอ้างอิง
แต่ฟรีซดรายไม่ได้นำทุกตัวชี้วัด บทความเดียวกันระบุว่าวิตามินซีในบลูเบอร์รีลดลงเมื่อฟรีซดรายทุกสภาวะที่ทดลอง และงานวิจัยผงส้มปี 2023 พบว่าผงอบลมร้อนมีวิตามินซีและฟีนอลิกสูงกว่าเพราะใช้สภาวะอบอ่อน แม้ผงฟรีซดรายจะมีสีสดและสารหอมระเหยมากชนิดกว่า ผลจึงขึ้นกับวัตถุดิบและสภาวะเสมอ
ข้อเสียของ freeze dry มีสามเรื่อง คือเรื่องเวลา เพราะทำเป็นรอบและขั้นระเหิดช้า ผลิตภัณฑ์ที่ต้องคุมให้เย็นกว่า -40 °C อาจใช้ 5 ถึง 7 วัน เรื่องพลังงาน ซึ่งมากกว่าการอบลมร้อนทั่วไป 4 ถึง 10 เท่า และสุดท้ายเรื่องราคาที่สูงกว่า ผลิตภัณฑ์ยังดูดความชื้นกลับเร็ว ต้องปิดผนึกกันอากาศทันทีหลังออกจากเครื่อง
| หัวข้อ | ฟรีซดราย | อบแห้งด้วยลมร้อน |
|---|---|---|
| วิธีดึงน้ำออก | แช่แข็งก่อน แล้วให้น้ำแข็งระเหิดใต้สุญญากาศ | ลมร้อนระเหยน้ำที่เป็นของเหลวที่ความดันบรรยากาศ |
| สภาวะทำงาน | ความดันต่ำกว่า 610 Pa ส่วนใหญ่ 50–300 mTorr | ความดันบรรยากาศ งานที่อ้างถึงใช้ลม 50–60 °C |
| การหดตัว | น้อย รูพรุนสูง แครอทหดร้อยละ 20.83 | มากกว่า เนื้อแน่นกว่า แครอทหดร้อยละ 35.53 |
| สีและกลิ่น | สีใกล้ของสด ผงส้มพบสารหอมระเหย 19 ชนิด | สีเข้มขึ้นได้ ผงส้มพบสารหอมระเหย 14 ชนิด |
| สารอาหาร | ส่วนใหญ่เก็บได้มากกว่า แต่บางตัวยังลดลง | บางงานได้วิตามินซีและฟีนอลิกสูงกว่าเมื่ออบแบบอ่อน |
| เวลาและการใช้งาน | ทำเป็นรอบ ขั้นระเหิดช้า | ขั้นตอนและการใช้งานไม่ซับซ้อน |
| พลังงาน | มากกว่าการอบลมร้อน 4–10 เท่า | น้อยกว่า |
| ราคาเครื่อง | ราคาสูงกว่า | ราคาต่ำกว่า |
| เหมาะกับ | สินค้ามูลค่าสูง ไวต่อความร้อน หรือต้องคืนรูปเร็ว | สินค้าที่ทนความร้อนและต้องการต้นทุนการทำแห้งต่ำ |
ทำไมต้องพัฒนาสูตรในเครื่องระดับแล็บหรือ Pilot ก่อน: collapse temperature และการขยายขนาด
ไม่มีสูตรฟรีซดรายกลางที่ใช้ได้กับทุกผลิตภัณฑ์ เอกสารของผู้ผลิตระบุว่าแต่ละสูตรต้องพัฒนาจากลักษณะผลิตภัณฑ์ ปริมาณ และภาชนะ ฝั่งงานวิจัยอาหารก็สรุปว่าค่าตั้งเครื่องควรมาจากการทดลองกับวัตถุดิบจริง
ตัวเลขสำคัญที่สุดคือ collapse temperature หรืออุณหภูมิสูงสุดที่ผลิตภัณฑ์ทนได้ระหว่างทำแห้งขั้นต้นโดยไม่ยุบ ผลิตภัณฑ์ที่แข็งตัวเป็นผลึกมีจุดยูเทคติก (eutectic) ชัดเจน ส่วนผลิตภัณฑ์อสัณฐาน (amorphous) ซึ่งพบเป็นส่วนใหญ่ มักยุบที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (glass transition) เพียงไม่กี่องศา หาค่าจุด collapse temperature ได้ด้วย Differential Scanning Calorimetry หรือ Freeze Dry Microscopy
ร้อนเกินจุดนี้ เค้กจะยุบ รูพรุนลดลง คืนตัวในน้ำแย่ลง และความชื้นสุดท้ายสูงขึ้น วัตถุดิบที่มีน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวหรือเกลือสูงมีจุดเยือกแข็งต่ำลง จึงต้องคุมละเอียดกว่า แต่ถ้าตั้งอุณหภูมิต่ำเกินไปก็เสียเวลา ผู้ผลิตระบุว่าอุณหภูมิผลิตภัณฑ์ที่สูงขึ้น 1 °C อาจลดเวลาทำแห้งขั้นต้นได้ราวร้อยละ 13 การหาจุดที่พอดีต้องวัดอุณหภูมิผลิตภัณฑ์แล้วปรับทีละรอบ ซึ่งควรทำในเครื่องเล็ก
เมื่อขยายขนาด ผู้ผลิตแนะนำให้เลือกเครื่อง Pilot ที่การถ่ายเทความร้อนและคอนเดนเซอร์ใกล้เคียงเครื่องผลิตเป้าหมาย เช่น SP VirTis Genesis หรือ Ultra Prime ใช้ vapor port ขนาดใหญ่และชั้นวางแบบมีของเหลวไหลเวียนเพื่อควบคุมอุณหภูมิและจำลองเครื่องผลิต
สำหรับผู้ผลิตอาหารในไทย การผลิตเพื่อจำหน่ายยังต้องเป็นไปตามประกาศกระทรวงสาธารณสุข (ฉบับที่ 420) พ.ศ. 2563 เรื่อง วิธีการผลิต เครื่องมือเครื่องใช้ในการผลิต และการเก็บรักษาอาหาร ซึ่งมีผลเต็มรูปแบบตั้งแต่ 7 ตุลาคม 2564 จึงควรวางแผนสถานที่ตั้งเครื่องผลิตไปพร้อมกับการขยายสูตร
เลือกเครื่องฟรีซดรายขนาดเล็ก ระดับแล็บ หรือ Pilot และอะไรทำให้ราคาต่างกัน
เครื่องฟรีซดรายแบ่งตามห้องตัวอย่างได้เป็นแบบแมนิโฟลด์ ที่แช่แข็งตัวอย่างในขวดจากภายนอกแล้วนำมาต่อกับเครื่อง กับแบบชั้นวางที่แช่แข็งและทำแห้งบนชั้นคุมอุณหภูมิภายในเครื่อง และแบ่งตามขนาดเป็นเครื่องตั้งโต๊ะสำหรับงานวิจัย เครื่อง Pilot สำหรับพัฒนากระบวนการและขยายขนาด และเครื่องระดับผลิต ก่อนเลือกรุ่นให้ตอบว่าใช้ภาชนะแบบไหน ต้องการพื้นที่ชั้นหรือจำนวนหัวต่อ manifold เท่าไร น้ำแข็งต่อรอบมากแค่ไหน และมีตัวทำละลายอินทรีย์หรือไม่
งานวิจัยที่ตัวอย่างอยู่ในขวด เช่น สารสกัดหรือส่วนที่เก็บจาก HPLC ใช้เครื่องแมนิโฟลด์อย่าง SP VirTis Freezemobile 25L ได้ แต่ความร้อนมาจากอากาศรอบขวด จึงคุมสูตรได้น้อย ถ้าต้องการเครื่องฟรีซดรายขนาดเล็กที่พัฒนาสูตรได้จริง ควรเลือกแบบชั้นวาง เช่น SP VirTis AdVantage Pro ที่วางบนโต๊ะได้ ชั้นวางตั้งได้ -55 ถึง 60 °C สูงสุด 3 ชั้น คอนเดนเซอร์ 6 ลิตร
ระดับ Pilot เช่น SP VirTis Genesis 30 มีคอนเดนเซอร์ 30 ลิตร สูงสุด 6 ชั้น คุมอุณหภูมิชั้นวางได้แม่นยำ โดยมีความคลาดเคลื่อนไม่เกิน ± 0.5 °C ส่วนตระกูล Ultra Prime ใส่ได้ถึง 15 ชั้น และผู้ผลิตระบุงานโปรไบโอติกไว้ในกลุ่มงานที่รองรับ ระดับผลิตเต็มรูปแบบคือ SP VirTis Benchmark ซึ่งสั่งประกอบตามงาน พื้นที่ชั้นวาง 2 ถึง 20 ตารางเมตร
ราคาเครื่องจึงต่างกันมากตามระดับและสิ่งที่ประกอบ เช่น ความจุคอนเดนเซอร์ จำนวนชั้น ระบบปิดจุก ระบบควบคุมที่รองรับ 21 CFR Part 11 รุ่น Cleanroom ชุดสำหรับตัวทำละลาย ระบบระบายความร้อน และปั๊มสุญญากาศ ซึ่งบางรุ่นไม่ได้รวมมากับเครื่อง
การอ่านสเปกในไทยมีสองเรื่องที่ต้องรู้ ไฟฟ้าในไทยเป็น 50 Hz ค่าที่เขียนคู่แบบ 50 / 60 Hz ให้ใช้ฝั่ง 50 Hz เช่น ชั้นวาง Genesis 30 ลงได้ -67 °C ไม่ใช่ -70 °C และผู้ผลิตแนะนำห้องที่ 15 ถึง 25 °C ขณะที่กรมอุตุนิยมวิทยารายงานอุณหภูมิเฉลี่ยทั้งปีของไทยปี 2568 ที่ 27.4 °C ห้องตั้งเครื่องจึงต้องปรับอากาศให้รับความร้อนจากเครื่องได้ เช่น Ultra Prime 50 แบบระบายความร้อนด้วยอากาศปล่อยความร้อนสูงสุดราว 22,900 BTU/ชม. ส่วนแบบระบายด้วยน้ำราว 5,400 BTU/ชม.
การดูแลหลังการขายและการขอใบเสนอราคาเครื่องฟรีซดรายในประเทศไทย
เครื่องฟรีซดรายเดินงานครั้งละหลายชั่วโมงถึงหลายวัน ความเสียหายที่หนักจึงมักเป็นผลิตภัณฑ์ทั้งแบตช์ เมื่อสุญญากาศรั่วกลางรอบหรือหัววัดอุณหภูมิอ่านค่าเพี้ยน งานดูแลตามรอบจึงควรมีทั้งทดสอบการรั่ว สอบเทียบหัววัดอุณหภูมิและเกจความดัน และดูแลน้ำมันหรือซีลของปั๊มสุญญากาศ อ่านเรื่องการสอบเทียบเครื่องมือในไทยได้ที่ https://thaiunique.co.th/blog/instrument-calibration-service-thailand/
เค้กที่ยุบเกิดได้ทั้งจากสูตรที่ร้อนเกินจุดวิกฤตและจากเครื่องที่คุมสุญญากาศไม่อยู่ ผลลัพธ์หน้าตาเหมือนกันแต่แก้คนละทาง ทีมบริการระดับปริญญาเอกของเราในไทยอ่านกราฟอุณหภูมิผลิตภัณฑ์คู่กับความดันในห้องตัวอย่าง เพื่อแยกต้นเหตุก่อนลงมือแก้ ปัญหาเกินกว่าร้อยละ 95 ปิดงานได้ในประเทศ มีราวร้อยละ 5 ที่ต้องส่งกลับโรงงานผู้ผลิต
ขอใบเสนอราคาได้ที่ https://thaiunique.co.th/ขอใบเสนอราคา/ โดยแจ้งชนิดตัวอย่าง ปริมาณน้ำหรือตัวทำละลายต่อรอบ ภาชนะ จำนวนรอบต่อสัปดาห์ เป้าหมายว่าเป็นงานวิจัย พัฒนาสูตร หรือผลิต และพื้นที่กับระบบไฟของห้องที่จะติดตั้ง
Thai Unique Co., Ltd. เป็นตัวแทนจำหน่ายอย่างเป็นทางการของ SP VirTis ในประเทศไทย พร้อมทีมบริการหลังการขายในประเทศ · 0-2629-0191-6 · customer.service@thaiunique.com
คำถามที่พบบ่อย
อบแห้งกับฟรีซดรายเหมือนกันไหม
ไม่เหมือน ทั้งคู่เป็นการทำแห้ง แต่การอบแห้งด้วยลมร้อนไล่น้ำที่เป็นของเหลว ส่วนฟรีซดรายไล่น้ำที่เป็นน้ำแข็งภายใต้สุญญากาศ ผลิตภัณฑ์ฟรีซดรายจึงหดน้อยและคืนตัวเร็วกว่า ขณะที่การอบลมร้อนใช้พลังงานน้อยกว่าและเครื่องมีราคาต่ำกว่า
ฟรีซดราย กับ อบกรอบ ต่างกันยังไง
อบกรอบเป็นคำเรียกสินค้า ไม่ได้บอกกระบวนการเสมอไป มาตรฐานผลิตภัณฑ์ชุมชน มผช.1038/2554 ผักและผลไม้ทอดกรอบ ของสำนักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม นิยามสินค้ากลุ่มนี้ว่านำไปทอดและอาจอบแห้งด้วย ยกตัวอย่างชื่ออย่างขนุนทอดอบกรอบ และกำหนดค่าเพอร์ออกไซด์ซึ่งบอกการหืนของน้ำมันไว้ไม่เกิน 30 มิลลิกรัมสมมูลเพอร์ออกไซด์ออกซิเจนต่อกิโลกรัม ส่วนฟรีซดรายไม่มีขั้นที่ใช้น้ำมัน ถ้าส่วนประกอบบนฉลากมีน้ำมันพืช แสดงว่าไม่ได้ทำแห้งด้วยฟรีซดรายอย่างเดียว
Lyophilizer ใช้ทำอะไร
Lyophilizer คือชื่อที่วงการยาใช้เรียกเครื่องฟรีซดราย ใช้ทำแห้งวัสดุที่ไวต่อความร้อน เช่น โปรตีน จุลินทรีย์ ยา เนื้อเยื่อ และพลาสมา รวมถึงชุดตรวจวินิจฉัยและรีเอเจนต์ ส่วนงานอาหารใช้กับผักผลไม้ กาแฟ และเครื่องดื่มผงที่ต้องคืนรูปเร็ว
Lyophilizer ต่างจากเครื่องระเหยแบบหมุนเหวี่ยงภายใต้สุญญากาศอย่างไร
เครื่องระเหยแบบหมุนเหวี่ยง (centrifugal evaporator) ระเหยตัวทำละลายที่ยังเป็นของเหลวจากหลอด ไวอัล หรือไมโครเพลตจำนวนมากพร้อมกัน การหมุนช่วยกันการเกิดฟองและการปนเปื้อนข้ามหลอด และรองรับทั้งน้ำและตัวทำละลายอินทรีย์ ส่วน lyophilizer ทำแห้งจากสถานะแช่แข็ง เหมาะกับตัวอย่างน้ำที่ต้องการผลิตภัณฑ์แบบผงฟูและละลายกลับง่าย เครื่องระเหยแบบหมุนเหวี่ยงบางรุ่นก็มีโหมดทำแห้งแบบแช่แข็งสำหรับส่วนที่เก็บจาก HPLC จึงควรเลือกจากชนิดตัวทำละลายและจำนวนตัวอย่าง
เครื่องฟรีซดรายราคาขึ้นกับอะไร
ขึ้นกับระดับเครื่อง ตั้งแต่แมนิโฟลด์ ตั้งโต๊ะแบบชั้นวาง Pilot ไปจนถึงเครื่องผลิต และอุปกรณ์ที่เลือกประกอบ วิธีที่ได้คำตอบตรงงานคือแจ้งชนิดตัวอย่าง ปริมาณน้ำต่อรอบ และภาชนะ แล้วให้ทีมเสนอชุดที่พอดี