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必看干货|详解冷冻干燥第二步升华干燥

 更新时间:2023-06-21 点击量:692



升华干燥原理


升华干燥也称一次干燥,是一个恒温减压过程。将冻结后的产品置于密闭的真空容器中加热,其冰晶就会升华成水蒸气后逸出,而使产品脱水干燥,实际操作中可一次升华,亦可多次升华。当全部冰晶除去时,第一阶段干燥就完成了,此时约除去全部水分的90%左右。 


01

真空冷冻干燥中的加热方式

医药冻干机一般均采用电加热,常用的加热方式包括辐射加热、接触加热和微波加热。一般辐射加热随干燥中升华表面逐渐向内退缩,已干层的厚度越来越厚,传热和传质阻力都增加;接触加热随升华表面不断向内退缩,已千层越来越厚,冻结层越来越薄,相应的传质限力越来越大,传热阻力愈来愈小;微波加热可以克服常规干燥热传导率低的缺点,从物料内部开始升温,并由于热发作用使冰块内层温度高于外层、对升华的排湿通道无1阻碍作用。它还可以有选择性地针对冰块加热,面已干燥部分却很少吸收微波能量,从而干燥速率大大增加,干燥时间可比常规干燥缩短一倍以上。此外,因微波真空冷冻干燥物料速度快,物料内冰块迅速升华,因而使得物料呈多孔性结构,更易复水和压缩,而且可更好地保留挥发性组分。

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溶液类产品冻结后形成的冰块导热性能好,用搁板、玻璃瓶壁到产品的接触供热效果更佳。搁板用循环介质间接加热,其板温均匀,所以医药冻干机广泛采用搁板接触供热的加热方式,辐射加热应用也较多。微波加热更适合于较厚的物料和具有较低的热降解温度或高附加值的物料,可使加热周期大大缩短,加工成本低。


02

升华过程中水蒸气的流动阻力

物质在干燥层中的转运有两个基本机理:即主流量(物质的运动随着压力梯度方向,可能是分子运动或是黏性运动)或是分散流量(物质沿着浓度梯度或局部压力的分子运动)。随着已干物质层的厚度增加,物质转运阻力增大,且在一次干燥阶段,冻干箱也会影响干燥物料对物质转运的阻力大小。

干燥过程中水蒸气的传质阻力主要取决于冻结产品的内部结构,升华过程中水气流动阻力的分布情况如图

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首先,表面致密层(浓缩层)给水蒸汽的传递造成很大的阻力,在产品未发生崩解的前提下,水蒸汽以扩散的方式通过表面致密层。在结晶和浓缩溶质层,曾被冰晶充满的空间成为水蒸气的主要通道。

另外,水蒸汽分子也可通过表面扩散被通道表面吸附。在干燥过程中水气的扩散系数主要取决于产品冻结界面的形状和产品的内部结构。概括地讲,水蒸气的流动阻力主要来源于以下几个方面:

(1)来自产品内部的阻力:即水分子通过已经干燥层的阻力,是水蒸气升华的主要阻力,约占总阻力的90%。该阻力的大小与干燥层的结构、产品的种类、成分、浓度、保护剂等有关。

(2)来自容器的阻力:主要来自瓶口,因为瓶口的截面较小,瓶口处可能还有某些物品,如带槽的橡皮塞、纱布等,瓶口截面大,则阻力小。

(3)来自机器本身的阻力:主要是冻干箱与冷凝器之间管道的阻力,管道粗、短、直,则阻力相对较小。 

此外,水蒸气的流动阻力还与冻干箱的结构和几何形状有关。


03

升华过程的热量传递

在升华干燥过程中,热量首先通过托盘及小瓶从搁板转换到冻结产品上,再传导至升华面;冰的升华以及形成的水蒸气通过产品的干燥部分传到表面层;从产品表面逸出的水蒸气通过容器进人水气凝结器,然后在冷凝器中冷凝。

(1)热量传至药品冻结块的升华表面

产品中冰的升华是在升华界面处进行的,升华时所需的热量由搁板提供。搁板将热量传至产品的升华界面的途径主要有以下几种。

(a)固体传导:由玻璃瓶底与搁板接触部位传到玻璃瓶底,穿过瓶底和产品的冻结部分到达升华界面。

(b)辐射:上搁板的下表面和下搁板的上表面向玻璃瓶及产品干燥层上表面辐射,再通过玻璃瓶壁及冻结层或已干燥层的导热到达升华界面。

(c)通过搁板与玻璃瓶外表面间残存的气体对流;由于传热过程中必然存在传热温差,各段传热温差与其相应热阻成正比,于是形成明显的产品温度分布。例如搁板表面温度为+50℃,到升华界面的温度可能约为-25℃,冰层最高温度约 -20℃,干燥层上表面温度可能为+25℃。

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(2)冰的升华及水蒸气通过干燥层的通路

冰的升华过程取决于产品的温度以及水蒸气通过产品的干燥部分所遇到的阻力。冰的蒸汽压力随温度而变化,产品到冷凝器之间的水蒸气的转换可通过产品和冷凝器之间冰的蒸汽压力梯度来反映。所以在给定冷凝温度下,产品温度越高(即冰的蒸汽压力越高),压力差越大,干燥速率也就越快。这也是冷冻溶液通常在不引起中间体的熔化状态下尽可能地接近始熔温度条件下完成干燥的原因。对于一些产品,产品的已干燥部分会导致压力大幅度衰减,使水蒸气通路的固态到气态界面的阻力增大,采用“循环压力冷冻干燥"方法可以解决这个问题。另外,如果能够不停地移去已干燥部分,事实上就消除了对蒸汽流的阻碍。但这种方式不适用于瓶装溶液的冻干。

(3)固、汽态界面来的水蒸气转换到水气凝结器

由于升华,在产品表面存在的气体分子以及因此产生与水分子的碰撞,可能导致已升华的水分子又产生回潮现象,因此必须除去产品上面的气体分子。在药剂生产中,常通过控制产品上的局部水分压力使水分子转移到冷凝器,使升华一直持续到产品表面上水分的局部压力等于产品内部冰的蒸汽压力时为止。在真空冷冻干燥中,产品表面上的局部水蒸气压是通过总压力来进行控制,干燥室的总压力低于产品中冰的蒸气压力时,干燥速率会显著地增强。


04

升华时的温度限制

产品升华受下列几种温度限制:

(1)产品冻结部分的温度应低于产品共晶(熔)点温度;

(2) 产品干燥部分的温度必须低于其崩解温度或允许的最高温度(不烧焦或变形);

(3)最高搁板温度:在冻干过程中应控制搁板温度,使产品温度维持在共晶点以下10℃左右。产品温度与许多因素有关,如产品本身的性质、冷凝器制冷量与制冷面积、系统真空度等,因此搁板温度控制在怎样的水平,需根据实际情况定。

产品温度是冷冻干燥的一个重要参数,需采用直接或间接方法对其进行连续不断的显示、记录和控制。直接控制即通过直接测量产品的温度来控制加热,但这种方法由于温度测量存在过冲或滞后现象会造成控制状态周期性变化;间接控制是通过检测、控制冻干过程中搁板温度并利用时间、温度程序获得所需的产品温度,该法是一种取平均值的统计方法,重复运行的一致性程度高。


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