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干货|一文了解冻干曲线是如何生成的

 更新时间:2024-03-21 点击量:213

冻干曲线是在冻干过程中通过机械和电脑记录样品和搁板的温度、冷凝器温度和真空度随时间变化的曲线。因为样品温度是受搁板温度支配的,控制了搁板温度也就控制了样品温度(一般相差3~5℃),故实际应用中常用搁板温度与时间的关系曲线来表示,它反映了在冻干过程中,不同时间搁板温度的变化情况。冻干曲线与制品成分、性质、浓度、装量(液面高度)、升华面积和共熔点,热传导的介质和方式、凝结器的温度、冷凝器面积和制冷能力以及系统真空度和设备的性能等诸多因素有关,因此不同的样品在不同条件下冻干,其冻干曲线也不相同。

一、影响冻干曲线的因素

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01样品类型

不同样品的最1低共熔点也不同。共熔点低的制品要求的冻结温度低,加热时导热搁板的温度亦相应要低一些。不同产品对残余水分的要求也不同,对于残余水的含量要求低的产品,冻干时间较长,反之,冻干时间可缩短。另外,不同产品受冷冻的影响也不同,以生物制品为例,一般细菌性的产品受冷冻的影响较大,而病毒性产品受冷冻的影响较小,还有一些大分子链状化合物在冻干过程中的某一特定温度下,制品会出现收缩卷曲现象,冻干块状物变形并与容器的底部脱离,影响热传导,导致出现冻干缺陷。

02样品的装量

通常装量的影响有两个方面,一是整个冻干机冻干仓总装量的多少,二是每个样品容器内装量的多少。但两者装量越多,冻干的时间均越长。若瓶内液面高度超过2cm,水分难以升华出来,而且可能引起分层,尤其对有颜色的样品,可能导致色泽不匀或随着水分迁移。

03样品容器的种类

底部平整或较薄的玻璃瓶传热较好,而底部不平整且厚者传热较差、后者需要的干燥时间也较长。金属容器的传导性能校好,有利于冻干。但采用托盘冻干原料样品时,因底部面积较大,不容易保持平整。有时托盘材料较薄,在干燥时因受热变形,也会影响样品的冻干。

04冻干机的性能

冻干机的性能直接关系到冻干曲线的制定。有些机器的性能较好,如板层之间、每个板层的各部分之间温差小。冷凝器的温度低,冰负荷能力大。冻干仓与冷凝器之间的水蒸气流动阻力小。真空泵抽速快,真空度稳定。有些机器则差一些,因此即使同一样品采用不同品牌型号的冻干机进行冻干时,工艺曲线也是不一样的。

二、制定冻干曲线的参数

1.冻结温度

理论上冻结的温度必须低于品的共熔点温度。如果冻结温度高于产品的共熔点温度,则品不能固化,导致真空干燥时液体沸腾,造成冻干失败。冻结与品的品种、溶液的浓度等因素有关,需通过实验确定。

2.冻结时间

样品冻结过程需要一定的时间。若品装量较多且所用容器底厚也不平整,或未把制品直接放在冻干仓板层上冻干,或冻干仓冷冻机能力差,或板层间及每个板层各个部位温差大时,都将导致预冻的时间更长一些。一般为保证仓内品冻实,要求在品的温度到达预冻温度后,再保持1~2h的时间。具体的时间还应根据冻干机类型、样品性质等通过试验调整。

3.冻结速率

冻结速率不同直接影响到品的冻干质量。但冻干设备的最大制冷能力是不变的,多数情况下品的冻结速率不能通过设备进行有效地控制。故只能以冻结温度和进仓时间点来决定冻结速率。例如,若要求冻结速率快,干燥仓体应预先降至较低的温度再让品进仓。反之,可在品进仓后再对体降温。

4.冷凝器降温时间

冷凝器在冻结结束阶段,只要设备的冷冻能力有余,抽真空开始之前就可以开始降温。冷凝器开始降温的时间由冷凝器的降温性能来决定,冷阱空载降温的时间可从冻干机的性能表中查得,一般冷凝器的温度应达到-40°C左右可开始抽真空。性能较好的机器一般提前半小时开始降温。冻干结束前,冷凝器的温度应始终在-40℃以下。

5. 抽真空时间

冻结结束时即为开始抽真空的时间。通常要求在半小时左右时间内,仓体内的真空度就能达到20Pa。在抽真空的同时,打开干燥体冷凝器之间的真空阀,真空泵和真空阀门打开的时间应一直持续到冻干结束。

6. 冻结结束时间

冻结过程结束后,就停止对干燥仓体搁板层的降温,通常在抽真空的同时或真空度抽到规定要求时,即停止对导热搁板的降温。

7. 升华过程加热的时间

一般认为开始加热的时间就是升华干燥开始的时间(实际上抽真空开始时升华即已开始)。当冻干仓内的压力降到10Pa时,可打开电加热器给搁板供热。有些冻于机利用真空继电器自动接通加热,即真空度达到预定要求后,加热自动开始;有些冻干机是在抽真空之后半小时开始加热,这时真空度已达到10Pa甚至更高。

8. 对干燥仓体内真空进行控制的时间

仓体内进行真空控制的目的是改进干燥仓体内热量的传递,通常在升华干燥阶段时使用,待产品升华干燥结束后即可停止控制。在解析干燥阶段,系统应恢复到能得到的最高真空度,恢复高真空状态使用时间的长短由产品的品种、装量和调定的真空度数值来决定。

9. 不同冻干阶段样品加热的最高允许温度

搁板加热的最高允许温度应根据样品理化性质而定。在升华干燥时,搁板的加热温度可超过产品的最高允许温度,因这时样品仍停留在低温阶段,提高搁板温度可提高升华干燥速度。冻干后期导热搁板温度须下降到与样品的最高允许温度一致。此时,由于传热产生的温差,板层的实际温度可比产品的最高允许温度略高。

10.冻干的总时间

冻干的总时间是预冻时间、升华干燥时间和解析干燥时间的总和,主要由样品品种,冻干瓶的种类、上样方式、样品量、机器性能等来决定,一般需18-24h左右,但有些特殊的品需要几天的时间。


以上各个参数确定后,整个冻干曲线就能绘制出来了,进而制定与之同步的冻干时序、如果冻干过程为手动操作,操作者可按程序内容,逐步控制冻干机的运行;如果冻干机有自动程序运行装置,可根据冻干程序,制作凸轮或调节电子温度程序仪等,使冻干机进行自动程序控制。


三、富睿捷冻干机推荐

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富睿捷原位冻干机Mercury系列包含0.1㎡、0.3㎡、0.6㎡、1㎡机型,不仅可以做冻干处理,还能真正实现整个冻干过程可控,使得样品冻干效率更高,能耗更低,冻干的品质更佳,样品结果均一性高,冻干工艺的重复性好。另外,还可以实现冻干工艺的摸索,优化,放大工艺,共晶点测试等。制冷系统采用自主研发混合制冷技术,可实现温度更低,稳定性更好。


原位冻干机优势:

■内置直立式不锈钢冷阱盘管,能够更捕获样品冻干过程中升华的水汽,使得冻干仓里的水汽更少,避免水汽在冻干仓內形成內循环,让仓体內的水汽液化成液滴附着在样品,整个过程是放热反应,如若处理不当会造成有些样品融化、变质或坍塌等;

■标配高精度皮拉尼真空计,保证真空度的准确性,能够更好的完成冻干实验,最终实现品质、效率,能耗的平衡;

智慧化冻干终点判定系统,可以预判冻干完成时间点。可避免通过采样检测,外1挂检测等方式判断冻干是否完成,让整个实验过程省时,省心,省力。

■预冻温度可达-76℃,可充分保证样品冻结状态,做好样品的预冻处理,也保证了诸如一些低共晶点样品不会因为温度不够而融化或预冻不结实等问题。

■隔板温度范围-55℃到55℃;更大的温度调控范围,为冻干曲线摸索和优化,工艺放大提供便利条件,提供更大范围的冻干过程的隔板温度调控,实现冻干效率的最1大化,包括探寻最佳的冻干曲线等。

■隔板的温差为±1℃,能够保证均一性,合格率更高。