1. Заморозка продуктов
При быстром замораживании раствора (температура падает на 10~50 градусов в минуту) кристаллиты сохраняют размер, видимый под микроскопом; наоборот, при медленном замораживании (1 град/мин) образовавшиеся кристаллы видны невооруженным глазом. Крупные кристаллы оставляют большой зазор при сублимации, что может повысить эффективность лиофилизации. Мелкие кристаллы после сублимации оставляют небольшую щель, которая препятствует сублимации нижнего слоя. Готовые частицы, полученные путем быстрого замораживания, являются мелкими, с достоинствами однородного внешнего вида, большой удельной поверхности, хорошей пористой структурой, быстрого растворения и относительно более сильного влагопоглощения готовых продуктов. Лекарственные препараты предварительно замораживают в сублимационной сушилке двумя способами: один заключается в одновременном охлаждении продуктов в сушильном шкафу; Другой способ — дождаться, пока полка сушильного шкафа остынет примерно до -40 градусов, а затем поместить туда продукт. Первый вариант эквивалентен медленной заморозке, а второй находится между быстрой и медленной заморозкой, поэтому часто используется для учета эффективности сублимационной сушки и качества продукта. Недостатком этого метода является то, что, когда продукт помещается в коробку, водяной пар в воздухе быстро конденсируется на полке. Однако на ранней стадии возгонки, если температура полки повышается быстрее, возможно превышение нормальной нагрузки конденсатора за счет сублимации больших площадей. Особенно ярко это явление проявляется летом. Замораживание продукта происходит в статическом состоянии. Опыт показал, что легко возникает явление переохлаждения, которое приводит к тому, что температура продукта достигает эвтектической точки, но растворенное вещество еще не кристаллизуется. Чтобы преодолеть явление переохлаждения, температура замерзания продукта должна быть ниже диапазона ниже точки эвтектики, и ее следует поддерживать в течение определенного периода времени, пока продукт полностью не замерзнет.
2. Условия и скорость сублимации.
Сублимация может начаться, когда давление насыщенного пара льда при определенной температуре выше, чем парциальное давление водяного пара в окружающей среде; Всасывание и улавливание водяного пара конденсатором, температура которого ниже температуры продукта, является необходимым условием поддержания сублимации. Расстояние, пройденное газом между двумя последовательными столкновениями, называется средней длиной свободного пробега, которая обратно пропорциональна давлению. При нормальном давлении молекулы сублимированной воды крошечные и легко сталкиваются с газом, а затем возвращаются на поверхность источника пара, поэтому скорость сублимации очень низкая. При снижении давления ниже 13,3 Па средний свободный пробег увеличивается в 105 раз, что значительно увеличивает скорость сублимации. Молекулы воды, вылетающие наружу, редко меняют свои аспекты, образуя направленный поток пара. Вакуумный насос выполняет функцию удаления газа в сублимационной сушилке для поддержания низкого давления, необходимого для сублимации. 1 грамм водяного пара составляет 1,25 л при нормальном давлении, но он расширяется до 10,000 л при 13,3 Па. Обычные вакуумные насосы не могут перекачать такой большой объем за единицу времени. Фактически конденсатор образует специальный вакуумный насос для улавливания паров воды. Температура производства и конденсации обычно составляет -25 градусов и -50 градусов. При этой температуре давление насыщенных паров льда составляет 63,3 Па и 1,1 Па соответственно, что создает значительную разницу давлений между поверхностью сублимации и поверхностью конденсации. Если парциальным давлением неконденсируемого газа в системе можно пренебречь в это время, это будет способствовать тому, что водяной пар, сублимированный из продукта, будет направленно достигать поверхности конденсатора с определенной скоростью потока и образует иней. Теплота сублимации льда составляет около 2822 Дж/г. Если процесс сублимации не дает тепла, продукт может только уменьшить свою внутреннюю энергию, чтобы компенсировать тепло сублимации, пока его температура не сравняется с температурой конденсатора, после чего сублимация прекратится. К продукту подводится достаточное количество тепла для поддержания разницы температур между сублимацией и конденсацией.
3. Процесс сублимации
На первой стадии нагрева (массовая сублимация) температура продукта должна быть ниже его точки эвтектики на определенный диапазон. Поэтому температуру на полке следует контролировать. Если продукт был частично высушен, но температура превышает точку эвтектики, продукт в это время расплавится. В это время расплавленная жидкость насыщается льдом, но не растворенным веществом, поэтому высушенное растворенное вещество быстро растворяется в нем и, наконец, концентрируется в тонкий замороженный блок, который имеет плохой внешний вид и низкую скорость растворения. Если продукт плавится на более поздней стадии сублимации, он будет поглощаться сухим пористым твердым телом из-за небольшого количества расплавленной жидкости, что приводит к повреждению комка после лиофилизации, а скорость растворения также может быть низкой. при добавлении воды для растворения. В процессе сублимации, хотя температура полки и продукта сильно различается, температура плиты, конденсатора и вакуума практически не меняется. Таким образом, поглощение тепла сублимацией относительно стабильно, а температура продукта относительно постоянна. По мере высыхания продукта сверху вниз сопротивление сублимации льда постепенно увеличивается. Соответственно, температура продукта также немного повысится, пока кристаллы льда не станут невидимыми невооруженным глазом. На данный момент удалено более 90 процентов воды. На данный момент процесс сублимации в основном закончился. Чтобы обеспечить сублимацию всего ящика с продуктами, температуру полки еще нужно поддерживать в течение одного этапа перед вторым этапом нагрева. Оставшийся процент воды называется остаточной водой, которая отличается от свободной воды по физическим и химическим свойствам. Остаточная вода включает химически объединенную воду и физически объединенную воду, такую как кристаллизация объединенной кристаллической воды, воду, связанную белком через водородные связи, и воду, адсорбированную на твердой поверхности или в капилляре. Давление насыщенных паров остаточной воды уменьшается в разной степени из-за сопротивления определенной силы тяжести, поэтому скорость сушки явно снижается. Хотя повышение температуры продукта может способствовать газификации остаточной воды, при превышении определенной температуры биологическая активность также может резко снизиться. Наивысшая температура сушки для обеспечения сохранности изделий должна определяться опытным путем. Обычно на втором этапе температура плиты составляет около 30 градусов и поддерживается постоянной. В начале этой стадии температура продукта быстро повышается по мере увеличения температуры пластины и меньшего испарения остаточной воды. Однако по мере того, как температура продукта постепенно приближается к температуре плиты, теплопроводность замедляется, и требуется много времени для терпеливого ожидания. Практический опыт показывает, что время высыхания остаточной воды почти равно времени сублимации, а иногда даже превышает его.
4. Кривая лиофилизации
Кривая лиофилизации получается путем регистрации изменения температуры полки и температуры продукта в зависимости от изменения времени. Типичная кривая лиофилизации делит температуру полки на две стадии. Температура полки поддерживается низкой во время массовой сублимации, которую обычно можно контролировать в диапазоне от -10 до 10 градусов в зависимости от реальной ситуации. На втором этапе температура полки будет повышена в соответствии со свойствами продукта. Этот метод подходит для продуктов с низкой температурой плавления. Если производительность продукта неизвестна, а производительность машины низкая или ее работа недостаточно стабильна, безопаснее использовать этот метод. Если точка эвтектики продукта высока, степень вакуума в системе может поддерживаться хорошо, а холодопроизводительность конденсатора достаточна, тогда может быть выбрана определенная скорость нагрева, чтобы поднять температуру полки до максимально допустимой температуры до тех пор, пока лиофилизация завершена. Однако необходимо также следить за тем, чтобы температура продукта при возгонке массы не превышала точку эвтектики. Если продукт нестабилен при нагревании, температура плиты второй ступени не должна быть слишком высокой. Чтобы повысить скорость сублимации на первом этапе, температура полки может быть увеличена до уровня выше максимально допустимой температуры продукта за один раз; Когда стадия массовой сублимации в основном завершена, температура полки будет снижена до максимально допустимой температуры. Хотя последние два метода улучшили скорость сублимации массы, способность к подавлению помех будет соответственно снижена, а внезапное снижение степени вакуума и холодопроизводительности или сбой питания могут расплавить продукты. Разумный и гибкий подход к первому методу становится все более распространенным методом, используемым сегодня.