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必看干货|详解冷冻干燥第一步冻结

 更新时间:2023-06-07 点击量:852

冻结过程介绍

冷冻干燥包括三个基本过程:冻结(预冻阶段)、升华干燥(一次干燥阶段)、解析干燥(二次干燥阶段)。

干燥过程与冻结过程密切相关,冻结的程度或状态直接影响干燥过程中水分去除地快慢和冻干产品的质量。

盛有溶液的容器与冷表面接触后,溶液内部存在一定的温度分布。产品底部的温度zui低,过冷度最大,也最易产生冰核,并且由于结晶放出的潜热传给过冷溶液和容器壁等原因,溶液各个位置的温度分布不同,因而也形成了不同的结构,产品内部结构主要取决于产品在冻结过程中冻结界面的性状和推进速度。一般完全冻结的溶液品内存在三个部分:

01底部均匀的冰晶层,晶核主要在此区形成,溶质少;

02柱状区,为冰晶生长区,溶质主要存在于冰晶间隙,并且随冰晶向上推进核温度梯度的存在,溶质产生由下至上的迁移;

03表面浓缩层,在这部分由于预冻过程中溶质的迁移而形成高浓度的表层区。

02共晶点或共熔点

溶液的结冰过程与纯液体不一样,纯液体如纯水降温至0°C时即可结冰,此时水、冰混合物共存,水的温度并不下降,直到全部水结冰之后温度才下降,这说明纯液体有一个固定的结冰点;同时当对冰进行升温时,一开始也出现的是冰水混合物,体系仍保持0°C直至冰完全熔化,而冻干产品冻干前的溶液一般都是双组分或多组分溶液,所以情况要更复杂得多。

多组分的冻于溶液不是在某一固定温度完全凝结成固体,而是在某一温度时,晶体开始析出,随着温度的下降,晶体的数量不断增加,最后才全部凝结,因此药液并不是在某一固定温度,而是在某一温度范围内凝结的。冷却时开始析出晶体的温度称为冰点温度,而溶液全部凝结的温度叫做溶液的凝固点。由于凝固点就是融化的开始点(即熔点),对于溶液来说也就是溶质和溶剂共同熔化的点,所以又叫做共晶点或共熔点,可见溶液的冰点与共熔点是不相同的、共晶(熔)点才是溶液真正全部凝成固定的温度。

在冷冻干燥过程中,如产品温度超过最低共晶点,部分溶质或全部溶质处于液体中,冰晶升华就会被液体蒸发取代,干燥后的产品易发生萎1缩,溶解度下降,故最低共晶点温度是获得最佳冻干效果的临界温度。

03测定共晶点的方法

测定共晶点主要有以下三种方法,各有优劣势,电导(阻)法测共晶点操作简单、方便易行,目前应用最多;但对非电解质溶液则无法准确测定。

(1)电导或电阻测定法

在冻结过程中,从外表的观察来确定产品是否完全冻结成固体是不可能的,也无法通过测量温度确定产品内部的结构状态。通过测量冻结过程中产品结构发生变化时的导电性能变化,可判断冻结是否完成。

原理:最低共晶点是从液相转变为固相的临界温度。纯水几乎是不导电的,含水物质的导电性主要是通过溶液中的带电离子定向移动实现的。当物料中的水分被完全冻结,带电离子也随之被固定下来,不能自由移动,物料的导电能力因而显著下降,而少量液体存在时,电导会显著增加。故通过测定冻结过程的电导变化可求得最低共晶点。

此外,也可通过测定电阻变化确定共晶点。当物料完全冻结时,物料的电阻会急剧增加。利用这一原理,测量冻结后的物料升温融化过程中电阻值的变化,其中电阻值变化最为剧烈时对应的温度即为物料的共晶点温度。

(2)电容测定法

原理:在冷冻与加热过程中,随水分的结晶与熔化,电容量将发生显著改变,利用这一性质,可用于测定共晶点并探测产品是否冻结完全,因此可设定一个合适的电容值直接控制加热升华。

水和冰的介电常数不同,水的介电常数为78.5(25℃),冰的介电常数为4,而物理吸附和化学结合的水分随着结合程度的不同,介电常数在10~80之间。采用绝缘体分开的两片金属电极组成一电容器,将样品溶液作为电介质置于电极之间,则在冻干各相变化过程中,电容器的电容量将发生不同程度变化。在升华过程中,由于冰晶逐渐减少,电容量也随之降低,故电容量随时间的变化的斜率反应了质量转移的速率,所以实际上电容变化曲线就是冰晶的干燥曲线。另外,电介质的性能在真空与空气间差别很小,介电常数的测定可认为与压力无关,因此电容法可直接在冻干过程中应用。

优点:较电导法使用范围更广泛,可用于电解质和非电解质溶液,也可用于粒状或不均匀的块状物。

(3) 热分析法

热分析法是基于冻结的药品在升温过程中温度达到共熔点时会有能量的吸收用热分析仪来测定该能量吸收棒,可计算得到共晶点温度。

差示扫描量热法(DSC)是在温度程序(升温或降温)控制下,测量输送给样品和参比物质的能量差值与温度之间的关系的一种方法。DSC可以精确快速地控温度和进行热焓的测量。

在冻干机上采用热分析原理测定药品共熔点的一般步骤:

① 制少量样品溶液,取25mL置于50mL的烧杯中;

② 启动冻干机,将搁板温度调到-25℃,并维持这一温度;

③ 将装有样品溶液的烧杯放在冻干机的搁板上,插人温度探头,测定样品溶液的温度变化;

④ 以温度对时间作图,便可获得该产品溶液的共熔点。

此外亦可采用低温显微镜直接观察或数字公式计算等方法得到溶液的共晶(熔)点。

04玻璃化转变温度

所谓玻璃化即物质以非晶态存在的一种固体状态,它可看作是凝集的液体,但因黏度极大,流动性差,所以呈固体状态。研究发现,许多溶质在冷冻过程中不能形成共熔相。当温度降低时,冷冻浓缩液会变得更浓更黏稠,同时有冰产生;当降到某一温度时,很小的温度变化就可能引起冷冻浓缩液黏度的显著增加,同时冰的结晶停止,此时的温度叫玻璃化转变温度(Tg),即指最大冻结浓缩液发生玻璃化转变时的温度。

冷冻干燥过程中Tg与降温速度和溶质比有关。一般溶液的Tg随浓度的增大而升高,而且Tg的高低直接影响冻干产品的外观,以不同保护剂条件下脂质体的冻干为例。分别采用 15%的葡萄糖、蔗糖、甘露醇、海藻糖浓度为保护剂时,脂质体混悬液的Tg分别为-38.5℃,-32.4℃,-30.4℃,-29.2℃。冻干后的结果也显示以葡萄糖作为保护剂的脂质体外观很差,呈泡沫状,且随其浓度增加,冻干后体积膨胀。以Tg较高的海藻糖作为保护剂时冻干脂质体外观最好,表面无收缩的疏松块状物。

05富睿捷冷冻干燥设备

杭州富睿捷科技有限公司(FTFDS)是一家专业从事真空冷冻干燥系统研发、生产、销售及服务的高科技企业,致力于为客户打造定制化、专业化、品质化的冻干工艺解决方案。

公司联合浙江大学专业科研组,成立高质量的科研团队,拥有雄厚的科研力量,获得国家知识产权局颁发的实用新型专利多项,通过ISO9001/ISO14001/ISO45001三大体系认证,多个产品通过省级以上第三方计量机构检测并获得报告证书。

公司产品主要是实验型及研发型冷冻干燥系统及其配套解决方案,凭借专业的研发团队、强大的生产能力和优质的售后服务,富睿捷用户群涵盖了生物材料、生物医药、环境、食品、大健康等诸多行业,在市场上赢得了较高的声誉。

富睿捷原位冻干机Mercury 6L 0.3㎡采用内置直立式不锈钢冷阱盘管的设计,冷阱温度最低可达到-80°C。并配有高精度皮拉尼真空传感器,可确保真空度的准确性。制冷系统采用系统化设计,可根据程序需求进行制冷功率的实时自动调节,大大缩短预冻时间。真空泵内置,无需放置于主机外部,更简洁美观。机器配有隔板板层硅油储油罐油位报警系统,可以保证腔体隔板不产生任何气泡,确保腔体温度的永1久一致均匀性。并配置西林瓶压盖装置,便于冻干完成后在真空状态下进行压盖。另外,整机配备了热分析法和电阻法双重共晶点测试系统,更利于冻干工艺的摸索研究,可大大缩短冻干的时间,提高工作效率。