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技術(shù)文章
冷凍干燥設備的工作原理
閱讀：1757 發(fā)布時間：2011-6-22
1凍干技術(shù)原理及其特點
1.1凍干技術(shù)原理冷凍干燥的機理就是將需干燥的物料在低溫下先行凍結(jié)至其共熔點以下,使物料中的水分變成固態(tài)的冰,然后在適當?shù)恼婵窄h(huán)境下,通過加熱,使冰直接升華為水蒸氣而除去,從而獲得干燥的制品。
1.2凍干技術(shù)特點凍干是一種使物料在低溫低壓下脫水的干燥工藝,與其他干燥方法相比,具有藥品不變質(zhì)、易長期儲存、藥劑定量準確、脫水*、易復水再生、易進行無菌操作、利于熱敏性藥物保持活性、揮發(fā)成分損失少等優(yōu)點[2～4];但也存在設備要求高、投資大、干燥速率低、時間長、能耗高、產(chǎn)品成本高等缺點和不足[5]。
2凍干過程的技術(shù)指標
2.1產(chǎn)品的預凍預凍主要為了固定產(chǎn)品、形成有利于升華的結(jié)晶、保證全部產(chǎn)品獲得相同細微結(jié)構(gòu)。預凍不僅影響干燥速率,而且影響凍干產(chǎn)品質(zhì)量。因此在凍結(jié)過程中必須考慮配方、凍結(jié)速率、凍結(jié)方式、凍結(jié)時間以及是否退火等問題。
2.1.1配方的影響如果配方中固體含量太少,凍干藥品結(jié)構(gòu)的機械性能不穩(wěn)定,外觀可能會塌陷。尤其在干燥過程中,藥品微粒不能粘在基質(zhì)上,逸出的水蒸氣會把這些微粒帶到小瓶的塞子上,甚至會帶到真空室中[6]。若用量太多,除增加成本外,還會影響到配制過程,如溶解度問題、凍干后的復溶等。為獲得均勻一致、表面光滑、穩(wěn)定的產(chǎn)品,配方中須有填充劑、賦形劑、穩(wěn)定劑等保護劑,文獻[7～9]對不同的保護劑進行了詳盡的研究。
2.1.2凍結(jié)方式的影響凍結(jié)方式不同,產(chǎn)生的冰晶形態(tài)大小不同,干燥速率也不同。凍結(jié)分為全域過冷結(jié)晶和定向結(jié)晶兩類[10],全域過冷結(jié)晶指全部藥液處于相同或相近的過冷度下進行凍結(jié)的方式,分慢速凍結(jié)（制品每分鐘降溫1℃）和快速凍結(jié)（制品每分鐘降溫10～15℃）[11]。速凍的冰晶細小,沒有凍結(jié)濃縮現(xiàn)象,但升華阻力大,存在不*凍結(jié)現(xiàn)象。而慢凍晶格較大,存在凍結(jié)濃縮的現(xiàn)象[12]。定向結(jié)晶指一小部分藥液處于過冷狀態(tài)下進行凍結(jié)的方式。Thomas[13]將溶液用濕冰冷卻,瓶底用干冰冷卻,形成晶核,然后放到-50℃的擱板上凍結(jié)得到了表面無凍結(jié)濃縮層,結(jié)構(gòu)均一的樣品。Martin[14]在真空為011kPa,擱板溫度為+10℃的條件下,讓溶液開始表面凍結(jié),形成1～3mm的冰晶薄層。然后解除真空,降低擱板溫度到結(jié)晶溫度以下進行凍結(jié),同樣實現(xiàn)了定向凍結(jié)。實驗證明,定向結(jié)晶凍結(jié)的干燥速率比全域過冷結(jié)晶的快。
2.1.3預凍速率的影響預凍過程產(chǎn)生的機械效應和溶質(zhì)效應會對生物細胞產(chǎn)生一定的破壞作用并引起生化藥品失活或變性[15]。
對這種現(xiàn)象可采用下列措施解決:①預凍采用速凍法,先將擱板溫度降至-45℃,再放入產(chǎn)品急速冷凍,形成細微冰晶,使
其來不及產(chǎn)生機械效應和溶質(zhì)效應。②緩沖液要選用溶解度相當?shù)木彌_配對鹽。③加入產(chǎn)品保護劑[16,17]。實驗證明,快速凍結(jié)導致升華速率低,解吸速率快;慢速凍結(jié)導致升華速率快,解吸速率慢[18]。
2.1.4zui低凍結(jié)溫度的影響zui低凍結(jié)溫度和所凍樣品的共熔點有關,安全的凍結(jié)溫度低于共熔點10℃左右。若溫度太低,則會造成能源浪費。
2.1.5凍結(jié)時間的影響適宜的凍結(jié)時間可以確保抽真空之前所有的產(chǎn)品都能凍實,避免因抽真空而噴瓶。由于物體的傳熱先表后里,凍干箱內(nèi)的產(chǎn)品存在一定的溫度梯度,因此需要相應的保溫時間和改善傳熱效率來縮小溫差。
2.1.6退火退火是指把凍結(jié)藥品升溫接近共熔點,保溫一段時間,再降低到凍結(jié)溫度的過程[19]。增加退火的原因:①強化結(jié)晶[20]。在凍結(jié)特別是快速凍結(jié)過程中,配方中結(jié)晶成分往往來不及*結(jié)晶,凍結(jié)濃縮液中還會有一部分水達不到zui大濃縮狀態(tài)。當退火的溫度高于配方的zui大濃縮玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’時,會促進再結(jié)晶的形成使結(jié)晶成分和未凍結(jié)水結(jié)晶*[21,22]。②提高非晶相的zui大濃縮液玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。從非晶相中除去Tg’較低的結(jié)晶成分,能夠提高非晶相的Tg’。Barry[23]在研究非晶態(tài)碳水化合物的水合物結(jié)晶規(guī)律時發(fā)現(xiàn),經(jīng)過退火之后的海藻糖干燥溶液的Tg’由31℃上升到79℃,大大提高了穩(wěn)定作用。③改變冰晶形態(tài)和大小分布,提高干燥效率。James[21]認為不同成核溫度產(chǎn)生不同的冰晶形態(tài)和粒徑大小,繼而導致升華干燥的速率不均勻。而一個過程中的干燥速率是由zui慢的干燥藥品確定的,因此不均勻的干燥速率會影響藥品質(zhì)量和生產(chǎn)經(jīng)濟性。退火過程中的相行為和重結(jié)晶可以減小由于成核溫度差異造成的冰晶尺寸差異及干燥速率的不均勻性,提高干燥效率和藥品均勻性。但由于目前實驗手段不夠*和理論知識缺乏,退火機理尚有疑問,加熱速率、退火溫度、退火時間等參數(shù)的選取還沒有依據(jù)。
1.1凍干技術(shù)原理冷凍干燥的機理就是將需干燥的物料在低溫下先行凍結(jié)至其共熔點以下,使物料中的水分變成固態(tài)的冰,然后在適當?shù)恼婵窄h(huán)境下,通過加熱,使冰直接升華為水蒸氣而除去,從而獲得干燥的制品。
1.2凍干技術(shù)特點凍干是一種使物料在低溫低壓下脫水的干燥工藝,與其他干燥方法相比,具有藥品不變質(zhì)、易長期儲存、藥劑定量準確、脫水*、易復水再生、易進行無菌操作、利于熱敏性藥物保持活性、揮發(fā)成分損失少等優(yōu)點[2～4];但也存在設備要求高、投資大、干燥速率低、時間長、能耗高、產(chǎn)品成本高等缺點和不足[5]。
2凍干過程的技術(shù)指標
2.1產(chǎn)品的預凍預凍主要為了固定產(chǎn)品、形成有利于升華的結(jié)晶、保證全部產(chǎn)品獲得相同細微結(jié)構(gòu)。預凍不僅影響干燥速率,而且影響凍干產(chǎn)品質(zhì)量。因此在凍結(jié)過程中必須考慮配方、凍結(jié)速率、凍結(jié)方式、凍結(jié)時間以及是否退火等問題。
2.1.1配方的影響如果配方中固體含量太少,凍干藥品結(jié)構(gòu)的機械性能不穩(wěn)定,外觀可能會塌陷。尤其在干燥過程中,藥品微粒不能粘在基質(zhì)上,逸出的水蒸氣會把這些微粒帶到小瓶的塞子上,甚至會帶到真空室中[6]。若用量太多,除增加成本外,還會影響到配制過程,如溶解度問題、凍干后的復溶等。為獲得均勻一致、表面光滑、穩(wěn)定的產(chǎn)品,配方中須有填充劑、賦形劑、穩(wěn)定劑等保護劑,文獻[7～9]對不同的保護劑進行了詳盡的研究。
2.1.2凍結(jié)方式的影響凍結(jié)方式不同,產(chǎn)生的冰晶形態(tài)大小不同,干燥速率也不同。凍結(jié)分為全域過冷結(jié)晶和定向結(jié)晶兩類[10],全域過冷結(jié)晶指全部藥液處于相同或相近的過冷度下進行凍結(jié)的方式,分慢速凍結(jié)（制品每分鐘降溫1℃）和快速凍結(jié)（制品每分鐘降溫10～15℃）[11]。速凍的冰晶細小,沒有凍結(jié)濃縮現(xiàn)象,但升華阻力大,存在不*凍結(jié)現(xiàn)象。而慢凍晶格較大,存在凍結(jié)濃縮的現(xiàn)象[12]。定向結(jié)晶指一小部分藥液處于過冷狀態(tài)下進行凍結(jié)的方式。Thomas[13]將溶液用濕冰冷卻,瓶底用干冰冷卻,形成晶核,然后放到-50℃的擱板上凍結(jié)得到了表面無凍結(jié)濃縮層,結(jié)構(gòu)均一的樣品。Martin[14]在真空為011kPa,擱板溫度為+10℃的條件下,讓溶液開始表面凍結(jié),形成1～3mm的冰晶薄層。然后解除真空,降低擱板溫度到結(jié)晶溫度以下進行凍結(jié),同樣實現(xiàn)了定向凍結(jié)。實驗證明,定向結(jié)晶凍結(jié)的干燥速率比全域過冷結(jié)晶的快。
2.1.3預凍速率的影響預凍過程產(chǎn)生的機械效應和溶質(zhì)效應會對生物細胞產(chǎn)生一定的破壞作用并引起生化藥品失活或變性[15]。
對這種現(xiàn)象可采用下列措施解決:①預凍采用速凍法,先將擱板溫度降至-45℃,再放入產(chǎn)品急速冷凍,形成細微冰晶,使
其來不及產(chǎn)生機械效應和溶質(zhì)效應。②緩沖液要選用溶解度相當?shù)木彌_配對鹽。③加入產(chǎn)品保護劑[16,17]。實驗證明,快速凍結(jié)導致升華速率低,解吸速率快;慢速凍結(jié)導致升華速率快,解吸速率慢[18]。
2.1.4zui低凍結(jié)溫度的影響zui低凍結(jié)溫度和所凍樣品的共熔點有關,安全的凍結(jié)溫度低于共熔點10℃左右。若溫度太低,則會造成能源浪費。
2.1.5凍結(jié)時間的影響適宜的凍結(jié)時間可以確保抽真空之前所有的產(chǎn)品都能凍實,避免因抽真空而噴瓶。由于物體的傳熱先表后里,凍干箱內(nèi)的產(chǎn)品存在一定的溫度梯度,因此需要相應的保溫時間和改善傳熱效率來縮小溫差。
2.1.6退火退火是指把凍結(jié)藥品升溫接近共熔點,保溫一段時間,再降低到凍結(jié)溫度的過程[19]。增加退火的原因:①強化結(jié)晶[20]。在凍結(jié)特別是快速凍結(jié)過程中,配方中結(jié)晶成分往往來不及*結(jié)晶,凍結(jié)濃縮液中還會有一部分水達不到zui大濃縮狀態(tài)。當退火的溫度高于配方的zui大濃縮玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg’時,會促進再結(jié)晶的形成使結(jié)晶成分和未凍結(jié)水結(jié)晶*[21,22]。②提高非晶相的zui大濃縮液玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。從非晶相中除去Tg’較低的結(jié)晶成分,能夠提高非晶相的Tg’。Barry[23]在研究非晶態(tài)碳水化合物的水合物結(jié)晶規(guī)律時發(fā)現(xiàn),經(jīng)過退火之后的海藻糖干燥溶液的Tg’由31℃上升到79℃,大大提高了穩(wěn)定作用。③改變冰晶形態(tài)和大小分布,提高干燥效率。James[21]認為不同成核溫度產(chǎn)生不同的冰晶形態(tài)和粒徑大小,繼而導致升華干燥的速率不均勻。而一個過程中的干燥速率是由zui慢的干燥藥品確定的,因此不均勻的干燥速率會影響藥品質(zhì)量和生產(chǎn)經(jīng)濟性。退火過程中的相行為和重結(jié)晶可以減小由于成核溫度差異造成的冰晶尺寸差異及干燥速率的不均勻性,提高干燥效率和藥品均勻性。但由于目前實驗手段不夠*和理論知識缺乏,退火機理尚有疑問,加熱速率、退火溫度、退火時間等參數(shù)的選取還沒有依據(jù)。