ASTRONAUT ICE CREAM, ANYONE?

Astronaut ice cream, anyone?

Breeze-drying is a technique that can help to provide food for astronauts. But it also has other applications nearer home.

Freeze-drying is like suspended animation for food: you can store a freeze-dried meal for years, and then, when you’re finally ready to eat it. you can completely revitalise it with a little hot water. Even after several years, the original foodstuff will be virtually unchanged.

The technique basically involves completely removing the water from some material, such as food while leaving the rest of the material virtually intact. The main reason for doing this is either to preserve the food or to reduce its weight. Removing the water from food keeps it from spoiling, because the microorganisms such as bacteria that cause spoiling cannot survive without it. Similarly, the enzymes which occur naturally in food cannot cause ripening without water, so removing water from food will also stop the ripening process.

Freeze-drying significantly reduces the total weight of the food because most food is largely made up of water; for example, many fruits are more than 80 00% water. Removing this makes the food much lighter and therefore makes transportation less difficult. The military and camping-supply companies freeze-dry foods to make them easier for an individual to carry and NASA has also freeze-dried foods for the cramped quarters on board spacecraft.

The process is also used to preserve other sorts of material, such as pharmaceuticals. Chemists can greatly extend pharmaceutical shelf life by freeze-drying the material and storing it in a container free of oxygen and water. Similarly, research scientists may use freeze-drying to preserve biological samples for long periods of time. Even valuable manuscripts that had been water damaged have been saved by using this process.

Freeze-drying is different from simple drying because it is able to remove almost all the water from materials, whereas simple drying techniques can only remove 90-95%. This means that the damage caused by bacteria and enzymes can virtually be stopped rather than just slowed down. In addition, the composition and structure of the material is not significantly changed, so materials can be revitalised without compromising the quality of the original.

This is possible because in freeze-drying, solid water – ice – is converted directly into water vapour, missing out the liquid phase entirely. This is called ‘sublimation’, the shift from a solid directly into a gas. Just like evaporation, sublimation occurs when a molecule gains enough energy to break free from the molecules around it. Water will sublime from a solid (ice) to a gas (vapour) when the molecules have enough energy to break free but the conditions aren’t right for a liquid to form. These conditions arc determined by heat and atmospheric pressure. When the temperature is above freezing point, so that ice can thaw, but the atmospheric pressure is too low for a liquid to form (below 0.06 atmospheres (ATM)) then it becomes a gas.

This is the principle on which a freeze-drying machine is based. The material to be preserved is placed in a freeze-drying chamber which is connected to a freezing coil and refrigerator compressor. When the chamber is sealed the compressor lowers the temperature inside it. I he material is frozen solid, which separates the water from everything around it on a molecular level, even though the water is still present. Next, a vacuum pump forces air out of the chamber, lowering the atmospheric pressure below to 0.06 ATM. The heating units apply a small amount of heat to the shelves in the chamber, causing the ice to change phase. Since the pressure in the chamber is so low, the ice turns directly into water vapour, which leaves the freeze-drying chamber, and flows past the freezing coil. The water vapour condenses onto the freezing coil in the form of solid ice, in the same way that water condenses as frost on a cold day.

The process

Kem khô, liệu bạn muốn thử?

Sấy khô là một công nghệ có thể giúp cung cấp thực phẩm cho các phi hành gia. Nhưng công nghệ này cũng có các ứng dụng khác rộng rãi hơn.

Công nghệ sấy đông khô là làm ngưng trệ quá trình phân hủy của thực phẩm: bạn có thể lưu trữ những thức ăn được sấy đông trong nhiều năm và sau đó, khi bạn cuối cùng đã sẵn sàng để sử dụng bạn hoàn toàn có thể làm chúng tươi mới lại bằng một ít nước nóng. Thậm chí sau vài năm, thực phẩm ban đầu sẽ hầu như không hề bị hư hoại.

Về cơ bản, công nghệ này bao gồm việc loại bỏ hoàn toàn nước ra khỏi một số nguyên vật liệu, chẳng hạn như thực phẩm trong khi không làm tác động đến chất lượng của thực phẩm đó. Lý do chính để làm điều này là để bảo quản thực phẩm hoặc để giảm trọng lượng của chúng. Loại bỏ nước khỏi thực phẩm sẽ giữ cho thực phẩm không bị hư hỏng, bởi vì các vi sinh vật như vi khuẩn gây hư hỏng không thể tồn tại nếu không có nó. Tương tự như vậy, các enzym xuất hiện tự nhiên trong thực phẩm không thể làm cho nó chín mà không có nước, vì vậy việc loại bỏ nước khỏi thực phẩm cũng sẽ làm ngừng quá trình chín.

Sấy đông làm giảm đáng kể tổng trọng lượng của thực phẩm vì hầu hết thực phẩm chủ yếu được tạo thành từ nước; Ví dụ, nhiều loại trái cây có hơn 80 00% là nước. Việc loại bỏ này làm cho thực phẩm nhẹ hơn nhiều và do đó làm cho việc vận chuyển ít khó khăn hơn. Các công ty cung cấp thực phẩm đông khô cho quân đội và cắm trại để giúp cá nhân mang theo dễ dàng hơn và NASA cũng đã cung cấp thực phẩm đông khô cho các khu chật hẹp trên tàu vũ trụ.

Quá trình này cũng được sử dụng để bảo quản các loại nguyên vật liệu khác, chẳng hạn như dược phẩm. Các nhà hóa học có thể kéo dài thời hạn sử dụng dược phẩm một cách đáng kể bằng cách làm đông khô nguyên liệu và bảo quản trong bình chứa không có oxy và nước. Tương tự, các nhà khoa học nghiên cứu có thể sử dụng phương pháp đông khô để bảo quản các mẫu sinh học trong thời gian dài. Ngay cả những bản thảo có giá trị đã bị nước làm hỏng cũng được lưu lại bằng cách sử dụng quy trình này.

Công nghệ sấy đông khác với việc sấy khô thông thường vì nó có thể loại bỏ gần như toàn bộ nước khỏi nguyên liệu, ngược lại các kỹ thuật sấy đơn giản chỉ có thể loại bỏ 90-95%. Điều này có nghĩa là thiệt hại do vi khuẩn và enzym gây ra hầu như có thể được ngăn chặn thay vì chỉ làm chậm lại. Ngoài ra, thành phần và cấu trúc của vật liệu không bị thay đổi đáng kể, vì vậy vật liệu có thể được hồi sinh mà không làm giảm chất lượng ban đầu.

Điều này có thể xảy ra vì trong quá trình đông khô, nước rắn – nước đá – được chuyển đổi trực tiếp thành hơi nước, loại bỏ hoàn toàn bước pha lỏng. Quá trình này được gọi là ‘sự thăng hoa’, sự chuyển dịch trực tiếp từ chất rắn thành chất khí. Cũng giống như sự bay hơi, sự thăng hoa xảy ra khi một phân tử nhận đủ năng lượng để phá vỡ các phân tử xung quanh nó. Nước sẽ thăng hoa từ thể rắn (đá) thành khí (hơi) khi các phân tử có đủ năng lượng để phá vỡ các liên kết nhưng ở các điều kiện không phù hợp để hình thành thể lỏng. Những điều kiện này được xác định bởi nhiệt và áp suất khí quyển. Khi nhiệt độ trên điểm đóng băng, để băng có thể tan, nhưng áp suất khí quyển quá thấp để hình thành chất lỏng (dưới 0,06 atm (ATM)) thì nó sẽ trở thành khí.

Đây là nguyên lý hoạt động của máy sấy đông khô. Nguyên liệu cần bảo quản được đưa vào buồng đông khô được nối với cuộn cấp đông và máy nén của tủ đông. Khi buồng đông khô được đóng kín, máy nén sẽ hạ nhiệt độ bên trong nó. Vật chất là chất rắn đóng băng, tách biệt nước với mọi thứ xung quanh ở cấp độ phân tử, mặc dù nước vẫn còn tồn tại. Tiếp theo, một máy bơm chân không đẩy không khí ra khỏi buồng, làm giảm áp suất khí quyển xuống 0,06 ATM. Các bộ gia nhiệt tác dụng một lượng nhiệt nhỏ lên các ngăn trong buồng, làm cho nước đá chuyển pha. Vì áp suất trong buồng quá thấp, nước đá chuyển trực tiếp thành hơi nước, rời khỏi buồng đông khô và chảy qua cuộn dây đông lạnh. Hơi nước ngưng tụ trên cuộn dây đóng băng ở dạng băng rắn, giống như cách nước ngưng tụ thành sương giá