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凍干機的工藝你知道多少呢?

更新日期: 2024-05-14
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一、技術(shù)簡(jiǎn)介:

  真空冷凍干燥是先將制品凍結到共晶點(diǎn)溫度以下,使水分變成固態(tài)的冰,然后在適當的溫度和真空度下,使冰升華為水蒸氣。再用真空系統的冷凝器(水汽凝結器)將水蒸氣冷凝,從而獲得干燥制品的技術(shù)。

  技術(shù)優(yōu)點(diǎn):(1)它是在低溫下干燥,不使蛋白質(zhì)、微生物之類(lèi)產(chǎn)生變性或失去生物活力。這對于那些熱敏性物質(zhì),如疫苗、菌類(lèi)、毒種、血液制品等的干燥保存特別適用。  

2)由于是低溫干燥,使物質(zhì)中的揮發(fā)性成分和受熱變性的營(yíng)養成分損失很小,是化學(xué)制品、藥品和食品的優(yōu)質(zhì)干燥方法。

3)在低溫干燥過(guò)程中,微生物的生長(cháng)和酶的作用幾乎無(wú)法進(jìn)行,能最好地保持物質(zhì)原來(lái)的性狀。

4)干燥后體積、形狀基本不變,物質(zhì)呈海棉狀,無(wú)干縮;復水時(shí),與水的接觸面大,能迅速還原成原來(lái)的性狀。

5)因系真空下干燥,氧氣極少,使易氧化的物質(zhì)得到了保護。

6)能除去物質(zhì)中9599%的水分,制品的保存期長(cháng)

二、凍干流程

  樣品預凍、升華干燥(第一干燥階段)、解析干燥(第二干燥階段)以及干燥后保存:

 2.1樣品預凍階段:

 2.1.1 預凍過(guò)程變化

     溶液在冷凍過(guò)程中溶質(zhì)和溶劑存在一個(gè)相互分離的過(guò)程,大多數凍干藥品是以水為溶劑,所以以水為例來(lái)說(shuō)明溶液的凝結過(guò)程。隨著(zhù)溫度的下降到某一溫度時(shí),水開(kāi)始結晶,這時(shí)的溫度是制品的過(guò)冷溫度。由于結晶放熱,制品溫度開(kāi)始升高后再下降,隨著(zhù)水結晶的增加,溶液的濃度會(huì )增加(為了有利于干燥,一般凍干產(chǎn)品溶液配制成含固體物質(zhì)4%-15%的稀有溶液)。此外,根據產(chǎn)品的性質(zhì)不同,這時(shí)會(huì )有兩種情況:

一種是溶質(zhì)可以結晶的產(chǎn)品,隨著(zhù)制品溫度的下降,稀溶液變?yōu)闈馊芤?,并逐步成為飽和溶液,溫度繼續降低時(shí),由于溶解度降低,將會(huì )有溶質(zhì)析出,最后成為冰晶體和溶質(zhì)晶體的共晶混合物,晶體的大小和冷凍速率有關(guān),這時(shí)的溫度就是產(chǎn)品的共晶點(diǎn)溫度。這個(gè)過(guò)程也是一個(gè)放熱過(guò)程,在冷凍曲線(xiàn)上也出現過(guò)冷和平臺。

另一種是溶質(zhì)不結晶的產(chǎn)品,隨著(zhù)制品溫度的下降,稀溶液變?yōu)闈馊芤?,溫度繼續降低時(shí),溶液以玻璃態(tài)形式凍結,這時(shí)的溫度就是產(chǎn)品的凍結溫度。在冰晶的間隙中就形成了微觀(guān)的玻璃態(tài)結構。

    預凍會(huì )對細胞和生命產(chǎn)生一定的破壞作用,其機理是非常復雜的,一般認為,預凍過(guò)程中水結冰所產(chǎn)生的機械效應和溶質(zhì)效應是引起生化藥品在凍干過(guò)程中失活或變性的重要因素。機械效應是指水結冰時(shí)體積增大,致使活性物質(zhì)活性部位中一些弱分子力鍵受到破壞,從而使活性損失;溶質(zhì)效應是指水結冰以后引起溶質(zhì)濃度上升以及由于各種溶質(zhì)在各種溫度條件下溶解度變化不一致引起pH值的變化,導致活性物質(zhì)所處的環(huán)境發(fā)生變化而造成失活或變性。

2.1.2 常見(jiàn)預凍方法及控制

    冷凍方式要根據產(chǎn)品的特性,采用慢凍、快凍、預凍退火

    一般來(lái)說(shuō),預凍速度越快,形成的晶體顆粒越小,越有利于后期干燥的進(jìn)行,同時(shí),一般制品預凍溫度在共熔點(diǎn)以下10-20℃保持2-3h,保證冷凍標準。預凍速度決定了制品體積大小、形狀和成品最初晶格及其微孔的特性,其速度可控制在每分鐘降溫1℃左右。

對結晶性制劑而言,凍結速度一般不要太慢,凍結速度慢雖然便于形成大塊冰晶體,維持通暢的升華通道,使升華速度加快,但如果結晶過(guò)大、晶核數量過(guò)少、制劑的結晶均勻性差,也不利于升華干燥。對于一些分子呈無(wú)規則網(wǎng)狀結構的高分子藥物,速凍能使其在藥液中迅速定型,使包裹在其中的溶媒蒸汽在真空條件下迅速逸出,反而能使升華速度加快。因此,溶液的最佳冷凍速度是因制劑本身的特性不同而變化的。如蛋白多肽類(lèi)藥物的凍干,慢速凍結通常是有利的,而對于病毒、疫苗來(lái)說(shuō),快速降溫通常是有利。

控制: 1、探索最佳預凍速率

      2、合理控制預凍溫度

      3、適當控制及調整預凍時(shí)間

   

2.2升華干燥(干燥第一階段)

 一次干燥(升華干燥)是指低溫下對制品加熱,同時(shí)用真空泵抽真空,使其中被凍結成冰的自由水直接升華成水蒸氣。待成品中看不到冰時(shí),則可認為一次干燥已完畢,此時(shí)制品溫度迅速上升,接近板溫,制品中最初水分的90%以上已被除去。

 在升華干燥過(guò)程中,制品吸收熱量后所含水分在真空下升華成水蒸氣,消耗大量熱能,使得制品溫度較板層溫度低十幾甚至幾十度。在該干燥過(guò)程中,如果溫度過(guò)高,會(huì )出現軟化、塌陷等現象,造成凍干失??;如果溫度過(guò)低,不僅給制冷系統提出了過(guò)高的要求,而且大大降低了升華過(guò)程的速率,費時(shí)又耗能。

該過(guò)程中,主要把握溫度和真空度。干燥過(guò)程中,隨外界真空度變化,界面層傳熱性也會(huì )隨之變化,對于不同的產(chǎn)品特性,真空度大小不同,一般而言保持在1030Pa(可依據實(shí)際情況作調整或在50100Pa),與此同時(shí),溫度的把握也至關(guān)重要。升溫速度及溫度保持時(shí)間,大多數而言,為保證樣品完整度,升溫速度可以控制在5/h,過(guò)快導致大量水分不能及時(shí)出去,造成制品溫度超過(guò)共晶點(diǎn)而融化。溫度限度上應當保持在共熔點(diǎn)或產(chǎn)品崩解溫度以下,以防止樣品復熔或塌陷。

升華階段結束標志或判斷方法:

1、外觀(guān)上,干燥層和凍結層交界面到達瓶底并消失

2、曲線(xiàn),產(chǎn)品的溫度上升或者平行于導熱油溫度                            

2.3解析干燥

    此階段為干燥第二階段,在第一階段干燥結束后,在干燥物質(zhì)的毛細血管壁和極性基團上還吸附有一部分水分,這些水分是未被凍結的,當他們達到一定含量,就為微生物的生長(cháng)繁殖和某些化學(xué)反應提供了條件。實(shí)驗證明:即使是單分子層吸附以下的低含水量,也可以成為某些化和物的溶液,產(chǎn)生與水溶液相同的移動(dòng)性和反應性。因此為了改善產(chǎn)品的儲存穩定性,延長(cháng)其保存期,需要除去這些水分。這就是解析干燥的目的。

第一階段是將水以冰晶的形式除去,因此其溫度和壓力都必須控制在產(chǎn)品共溶點(diǎn)以下,才不致使冰晶溶化。但對于吸附水,由于其吸附能量高,如果不給它們提供足夠的能量,如果不給它們提供足夠的能量,它們就不可能從吸附中解析出來(lái)。因此,這一階段產(chǎn)品的溫度應足夠的高,只要燒毀產(chǎn)品和不造成主品過(guò)熱而變性就可,由于這一部分水分是通過(guò)范德華力、氫鍵等弱分子力吸附在藥品上的結合水,因此要除去這部分水,需要克服分子間的力,需要更多的能量。此時(shí)可以把制品溫度加熱到其允許的最高溫度以下(產(chǎn)品的允許溫度視產(chǎn)品的品種而定,一般為25-40℃左右。病毒性產(chǎn)品為25℃,細菌性產(chǎn)品為30℃,血清、抗菌素等可高達40℃)。

三、常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法

如下圖:

凍干機的工藝你知道多少呢?

典型的凍干產(chǎn)品塊,其中(a)是良好的產(chǎn)品塊(b)有硬殼或凍膠層的結構不均一產(chǎn)品塊(c)自我支撐結構弱的產(chǎn)品塊(d)部分塌陷的產(chǎn)品塊(e)復溶(f)消失的產(chǎn)品塊(g)凸起

如圖a•產(chǎn)品塊性質(zhì)應該多孔而有彈性,并且一般表觀(guān)均一,包括結構和顏色,。在有高過(guò)冷度(>10 )的產(chǎn)品中,產(chǎn)品塊結構良好,像壓好的藥片。凍干產(chǎn)品塊的體積應該和填充液體的原始體積接近。圖b•是冷凍過(guò)程不合適造成的結構不均一的產(chǎn)品塊。在該圖的底部是結構良好的區域,表明一部分溶液經(jīng)歷了過(guò)冷。產(chǎn)品塊的中間部分是長(cháng)針狀冰晶慢速生長(cháng)的結果。該基質(zhì)的頂部是一個(gè)硬殼或凍膠層。硬殼或凍膠層不但阻礙 蒸汽從產(chǎn)品塊中流出,而且濃縮溶質(zhì),使活性成分變性 的幾率變大??梢愿淖兘禍毓に嚥⑹垢囿w積的溶液在 干燥過(guò)程開(kāi)始前經(jīng)歷過(guò)冷來(lái)避免這種基質(zhì)。

c•是裂開(kāi)的基質(zhì)。容器頂部附近的物質(zhì)是第二階段干燥階段物質(zhì)離開(kāi)容器的證明。大多數情況下,斷裂基質(zhì)是由于固體物質(zhì)的百分比小于2%,產(chǎn)品塊的結構脆弱造成的可以用減慢第二階段干燥的速度來(lái)限制物質(zhì)的損失,但是增加整體賦形劑的濃度來(lái)加強產(chǎn)品塊的結構將是更好的選擇。塌陷和產(chǎn)品塊從容器壁凸起是典型的現象,在第一階段干燥過(guò)程中干燥溫度高于塌陷溫度時(shí)會(huì )發(fā)生這種情況。當溫度高于塌陷溫度時(shí),將有足夠多的自由水存在,使間隙物質(zhì)在第二階段干燥完成前移動(dòng)。消除這種基質(zhì)形成的最好辦法是知道塌陷溫度并采取步驟確保第一階段干燥階段在該溫度以下進(jìn).

e•表示復溶。這種情況中,有足夠的自由水存在而引起產(chǎn)品塊的符合塌陷。在這種形式下,產(chǎn)品塊的復水可能耗時(shí)很長(cháng)。知道融解溫度并調節第一階段干燥的溫度使其最少在融解溫度以下5℃,可以避免復溶的發(fā)生.

f•顯示的是一個(gè)空容器。產(chǎn)品塊的消失是第二階段干燥不合適或者塞子中水分含量太高而引起產(chǎn)品回到溶液并在容器壁上形成一層透明的膜。產(chǎn)品塊消失并非不正常。如果這種現象發(fā)生,應該檢查第二階段干燥參數和塞子中水分的含量g顯示的是產(chǎn)品塊凸起。這樣的產(chǎn)品塊缺陷一般是由于第一階段干燥開(kāi)始前產(chǎn)品預凍不到位。解決這種問(wèn)題的合適正確的途徑是知道冷卻溫度,確保整個(gè)產(chǎn)品在箱體抽真標準溫度低于塌陷溫度

常見(jiàn)現象分析:

1、凍干分層后,下層縮小?;蛘哒麄€(gè)制品縮小。一部分產(chǎn)品凍的很好,一部分縮小成很少的幾乎是空瓶。

可能原因分析及解決方案:沒(méi)有預凍好,升華過(guò)快

有可能是局部溫度過(guò)高或壓力過(guò)大導致局部溶了。

A、如果你的藥品溶質(zhì)比較少,比較容易出現此類(lèi)問(wèn)題。

B、發(fā)生縮小的產(chǎn)品膠塞是否密封的很好,反之如果產(chǎn)品比較容易吸潮也會(huì )發(fā)生此類(lèi)現象

   2、凍干表面起一層皮

現象:抽真空時(shí),表面起了很多小泡,凍干后表面一層脫離。很難看,有時(shí)飄的箱體里到處都是。

可能原因分析及解決方案:真空度達到要求之前物料表面已部分解凍預凍不好,水沒(méi)有到達凍結,抽真空時(shí)水外溢形成氣泡。

這種現象多半是凍干樣品中鹽遷移到表面所致??梢约訌婎A凍解決。

3、關(guān)于凍干的起泡現象

1、凍結不牢固

2、沒(méi)有掌握好物料的性質(zhì)

3、真空沒(méi)有控制好

4、加熱的程序出現問(wèn)題

5、被凍干物體表面結構密實(shí),干燥時(shí)內部氣體排出時(shí)所致。

主要現象是預凍沒(méi)有凍好所致,在預凍好的情況下真空控制不好不會(huì )起泡,而加熱太快會(huì )引起干損.

7如果真空控制不好的話(huà)也會(huì )有起泡現象,

設備要養護好

8.凍結 首先要將制品凍透,物料厚度盡可能控制在15mm以下,賦形劑使用,緩慢凍結有助形成大的冰晶,因而有助于提高升華干燥速率,共晶點(diǎn)以下10度到達后保持1-2小時(shí)

9.升華干燥 冷凝器(捕水器)預冷至-45度后開(kāi)始抽真空,真空控制在50-100pa(關(guān)于真空度的話(huà)有的書(shū)本上說(shuō)在10-30pa,根據不同的物料視實(shí)際情況選擇合適的真空度,真空過(guò)低或者制品沒(méi)有凍透的話(huà),制品表面會(huì )產(chǎn)生沸騰,有氣泡從制品內往外跑,影響制品的外觀(guān)和升華速率) 同時(shí)對制品開(kāi)始緩慢加熱,溫度控制應該控制制品溫度不超過(guò)其共晶溫度以下,因為簡(jiǎn)單一點(diǎn)說(shuō)就是加熱溫度不可使制品熔化(還有其他方法判定)

10.一抽真空就起泡,屬于沒(méi)有凍結,物料沒(méi)有到達結晶.

11.一抽真空就起泡,屬于沒(méi)有凍結,物料沒(méi)有到達結晶.

12.加熱一段時(shí)間再起泡的,屬于加熱過(guò)快,料溫超過(guò)共晶點(diǎn)溫度,使物料融化而起泡.

13.第一干燥階段(升華階段)沒(méi)有結束就進(jìn)入了解析,使沒(méi)升華完的含冰物料溫升而融化起泡

14.濃度過(guò)高沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的,在預凍時(shí)在物料表面形成了一層結晶鹽.這層結晶鹽嚴重影響物料升華時(shí)水蒸汽的通道,使在剛加溫很短(大概在1個(gè)小時(shí)左右)的時(shí)間內就會(huì )出現鼓起現象,嚴重會(huì )起泡.

含水量超標,對于凍干制品,含水量要求3%。


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