真空冷凍干燥

真空冷凍干燥的定義與優(yōu)點(diǎn)制品經(jīng)完全凍結(jié)，并在一定的真空條件下使冰晶升華，從而達(dá)成低溫脫水的目的，此過程即稱為冷凍干燥（Freeze-drying），簡稱凍干。凍干的固體物質(zhì)由于微小的冰晶體的升華而呈現(xiàn)多孔構(gòu)造，并保持原先凍結(jié)時(shí)的體積，加水后極易溶解而復(fù)原，制品在升華過程中溫度保持在較低溫度狀態(tài)下（普通低于-250℃），因而對(duì)于那些不耐熱的物質(zhì)，諸如酶、激素、核酸、血液和免疫制品等的干燥尤為適宜。干燥的成果能排出95~99%以上的水份，有助于制品的長久保存。制品干燥過程是在真空條件下進(jìn)行的，故不易氧化。針對(duì)部分生化藥品的化學(xué)、物理、生物的不穩(wěn)定性，凍干已被實(shí)踐證明是一種非常有效的手段。隨著生化藥品與生物制劑的快速發(fā)展，凍干技術(shù)將越來越顯示其重要性與優(yōu)越性。二、醫(yī)用冷凍干燥機(jī)的構(gòu)造與功效介紹醫(yī)用冷凍干燥機(jī)系由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、電器儀表控制系統(tǒng)所構(gòu)成。重要部件為干燥箱、凝結(jié)器、冷凍機(jī)組、真空泵加熱/冷卻裝置等。制品的凍干是在干燥箱中進(jìn)行，干燥箱內(nèi)擱板采用不銹鋼板制成，內(nèi)有媒體導(dǎo)管分布其中，可對(duì)制品進(jìn)行冷卻或熱，干燥箱的背面裝有真空傳感器，它將真空度轉(zhuǎn)變成電訊號(hào)，箱門四周鑲嵌有密封橡膠圈，臨用前可涂以真空硅脂確保箱體的密封。凝結(jié)器最佳為纏繞柱面式，不銹鋼柱面外繞有多組冷氣盤管，其工作溫度低于干燥箱內(nèi)制品的溫度，最低可達(dá)-550℃，從制品中升華出來的水蒸氣能充足地凝結(jié)在與冷盤管相接觸的不銹鋼柱面的內(nèi)表面上，從而確保凍干過程的順利進(jìn)行，光滑的柱面式構(gòu)造最大的優(yōu)點(diǎn)是容易清潔，在凍干結(jié)束后，可用電熱將霜層除去。旋片式真空泵用以對(duì)系統(tǒng)抽真空，在機(jī)械泵的進(jìn)氣口安裝了一種帶自動(dòng)放氣的電磁真空閥，它與旋片泵為同一電源控制，當(dāng)停泵時(shí)，電磁閥門自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)向真空泵內(nèi)放氣，既保護(hù)了真空系統(tǒng)，又避免了真空泵向系統(tǒng)返油。在制冷系統(tǒng)中，二臺(tái)2.2Kw的半封閉冷凍機(jī)并聯(lián)使用，由風(fēng)冷凝器出來的高壓制冷劑液體（無氟制冷劑V55℃），通過干燥過濾器及電磁閥達(dá)成毛細(xì)管，經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，由于冷凍機(jī)的抽吸作用，使蒸發(fā)器內(nèi)的壓力下降，液體制冷劑吸取環(huán)境的熱量而快速沸騰蒸發(fā)。低壓制冷劑氣體被冷凍抽回，再經(jīng)壓縮成高壓氣體，完畢一次制冷循環(huán)，加熱/冷卻裝置中的冷排管以凝結(jié)器中的冷排管以及凝結(jié)器中的冷氣盤管恪于制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)，它們是通過兩個(gè)不同的電磁閥來供應(yīng)制冷劑的。加熱系統(tǒng)由電熱管，媒體（硅油）、媒體泵、媒體箱等構(gòu)成一種循環(huán)管路，硅油經(jīng)電熱管加熱后，由媒體泵輸送至干箱擱板中的媒體導(dǎo)管，對(duì)制品進(jìn)行加溫，提供升華熱，當(dāng)凍結(jié)時(shí)，則由冷卻排管對(duì)硅油進(jìn)行降溫，由媒體泵輸送至干燥箱擱板中心的媒體導(dǎo)管，對(duì)制品進(jìn)行冷卻及凍結(jié)。電器儀表控制系統(tǒng)為機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，由一種專用工控電機(jī)控制，全部的擱板溫度、媒體溫度、制品溫度均可在集中的顯示上顯示出來，具體的調(diào)節(jié)控制請(qǐng)參考系統(tǒng)闡明書。三、凍干的基本原理與實(shí)踐對(duì)凍干制品的質(zhì)量規(guī)定是：生物活性不變、外觀色澤均勻、形態(tài)飽滿、構(gòu)造牢固、溶解速度快，殘存水分低。要獲得高質(zhì)量的制品，對(duì)凍干的理論和工藝應(yīng)有一種比較全方面的理解。凍干工藝涉及預(yù)凍、升華和再干凍三個(gè)分階段。合理面有效地縮短凍干的周期在工業(yè)生產(chǎn)上含有明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。（一）制品的凍結(jié)溶液速凍時(shí)（每分鐘降溫10～50℃），晶粒保持在顯微鏡下可見的大?。幌喾绰齼鰰r(shí)（1℃/分），形成的結(jié)晶肉眼可見。粗晶在升華留下較大的空隙，能夠提高凍干的效率，細(xì)晶在升華后留下的間隙較小，使下層升華受阻，速成凍的成品粒子細(xì)膩，外觀均勻，比表面積大，多孔構(gòu)造好，溶解速度快，便成品的引濕性相對(duì)也要強(qiáng)些。藥品在凍干機(jī)中預(yù)凍在兩種方式：一種是制品與干燥箱同時(shí)降溫，；另一種是待干燥箱擱板降溫至-40℃左右，再將制品放入，前者相稱于慢凍，后者則介于凍與慢凍之間，因而常被采用，以兼顧凍干效率與產(chǎn)品質(zhì)量。此法的缺點(diǎn)是制品入箱時(shí)，空氣中的水蒸氣將快速地凝結(jié)在擱板上，而在升華早期，若板升溫較快，由于大面積的升華將有可能超越凝結(jié)器的正常負(fù)荷。此現(xiàn)象在夏季尤為明顯。制品的凍結(jié)處在靜止?fàn)顟B(tài)。經(jīng)驗(yàn)證明，過冷現(xiàn)象容易發(fā)生至使制品溫度雖已達(dá)成共晶點(diǎn)。但溶質(zhì)仍不結(jié)晶，為了克服過冷現(xiàn)象，制品凍結(jié)的溫度應(yīng)低于共晶點(diǎn)下列一種范疇，并需保持一段時(shí)間，以待制品完全凍結(jié)。（二）升華的條件與速度冰在一定溫度下的飽和蒸汽壓不不大于環(huán)境的水蒸氣分壓時(shí)即可開始升華；比制品溫更低的凝結(jié)器對(duì)水水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維護(hù)升所必需的條件。氣體分子在兩次持續(xù)碰撞之間所走的距離稱為平均自由程，它與壓力成反比。在常壓下，其值很小，升華的水分子很容易與氣體碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升華速度很漫。隨著壓力減少13.3Pa下列，平均自由程增大105倍，使升華速度明顯加緊，飛離出來的水分子極少變化自己的方面，從而形成了定向的蒸汽流。真空泵在凍干機(jī)中起著抽除永久氣體的作用，以維護(hù)升華所必需的低壓強(qiáng)。1g水蒸氣在常壓下為1.25L而在13.3Pa時(shí)卻膨脹為10000升，普通的真空泵在單位時(shí)間內(nèi)抽除如此大量的體積是不可能的。凝結(jié)器事實(shí)上形成了專門捕集水蒸氣的真空泵。制品與凝結(jié)的溫度普通為-25℃與-50℃。冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分別為63.3Pa與1.1Pa,因而在升華面與冷凝面之間便產(chǎn)生了一種相稱大的壓力差,如果此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體分壓能夠無視不計(jì),它將促使制品升華出來的水蒸氣,以一定的流速定向地達(dá)成凝結(jié)器表面結(jié)成冰霜。冰的升華熱約為2822J/克，如果升華過程不供應(yīng)熱量，那末制品只有減少內(nèi)能來賠償升華熱，直至其溫度與凝結(jié)器溫度平衡后，升華也就停止了。為了保持升華與冷凝來的溫度差，必須對(duì)制品提供足夠的熱量。（三）升華過程在升溫的第一階段（大量升華階段），制品溫度要低于其共晶點(diǎn)一種范疇。因此擱板溫要加以控制，若制品已經(jīng)部分干燥，但溫度卻超出了其共晶點(diǎn)，此時(shí)將發(fā)生制品融化現(xiàn)象，而此時(shí)融化的液體，對(duì)冰飽和，對(duì)溶質(zhì)卻未飽和，因而干燥的溶質(zhì)將快速溶解進(jìn)去，最后濃縮成一薄僵塊，外觀極為不良，溶解速度很差，若制品的融化發(fā)生在大量升華后期，則由于融化的液體數(shù)量較少，因而被干燥的孔性固體所吸取，造成凍干后塊狀物有所缺損，加水溶解時(shí)仍能發(fā)現(xiàn)溶解速度較慢。在大量升華過程，即使擱板和制品溫度有很大懸殊，但由于板溫、凝結(jié)器溫度和真空溫度基本不變，因而升華吸熱比較穩(wěn)定，制品溫度相對(duì)恒定。隨著制品自上而下層層干燥，冰層升華的阻力逐步增大。制品溫度對(duì)應(yīng)也會(huì)小幅上升。直至用肉眼已不到冰晶的存在。此時(shí)90%以上的水分已除去。大量升華的過程至此已基本結(jié)束，為了確保整箱制品大量升華完畢，板溫仍需保持一種階段后再進(jìn)行第二階段的升溫。剩余百分之幾的水分稱殘存水分，它與自由狀態(tài)的水在物理化學(xué)性質(zhì)上有所不同，殘存水分涉及了化學(xué)結(jié)合之水與物理結(jié)合之水，諸如化合的結(jié)晶水結(jié)晶、蛋白質(zhì)通過氫鍵結(jié)合的水以及固體表面或毛細(xì)管中吸附水等。由于殘存水分受到種引力的束縛，其飽和蒸汽壓則是不同程度的減少，因而干燥速度明顯下降。即使提高制品溫度增進(jìn)殘存水分的氣化，但若超出某極限溫度，生物活性也可能急劇下降。確保制品安全的最高干燥溫度要由實(shí)驗(yàn)來擬定。普通我們?cè)诘诙A段將板溫+30℃左右，并保持恒定。在這一階段早期，由于板溫升高，殘存水分少又不易氣化，因此制品溫度上升較快。但隨著制品溫度與板溫逐步靠攏，熱傳導(dǎo)變得更為緩慢，需要耐心等待相稱長的一段時(shí)間，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，殘存水分干燥的時(shí)間與大量升華的時(shí)間幾乎相等有時(shí)甚至還會(huì)超出。（四）凍干曲線：將擱板溫度與制品溫度隨時(shí)間的變化統(tǒng)計(jì)下來，即可得到凍干曲線。比較典型的凍干曲線系將擱板升溫分為兩個(gè)階段，在大量升華時(shí)擱板溫度保持較低，根據(jù)實(shí)際狀況，普通可控制在-10至+10之間。第二階段則根據(jù)制品性質(zhì)將擱板溫度適宜調(diào)高，此法合用于其熔點(diǎn)較低的制品。若對(duì)制品的性能尚不清晰，機(jī)器性能較差或其工作不夠穩(wěn)定時(shí)，用此法也比較穩(wěn)妥。如果制品共晶點(diǎn)較高，系統(tǒng)的真空度也能保持良好，凝結(jié)器的制冷能力充裕，則也可采用一定的升溫速度，將擱板溫度升高至允許的最高溫度，直至凍干結(jié)束，但也需確保制品在大量升華時(shí)的溫度不得超出共晶點(diǎn)。若制品對(duì)熱不穩(wěn)定，則第二階段板溫不適宜過高。為了提高第一階段的升華速度，可將拉板溫度一次升高至制品允許的最高溫度以上；待大量升華階段基本結(jié)束時(shí)，再將板溫降至允許的最高溫度，這后兩種方式即使使大量的升華速度有某些提高，但其抗干擾的能力對(duì)應(yīng)減少，真空度和制冷能力的忽然減少或停電都可能會(huì)使制品融化。合理而靈活地掌握第一種方式，仍是現(xiàn)在較慣用的方式。一、預(yù)凍樣品盤或西林瓶盛裝的液態(tài)樣品需放在超低溫冰箱中預(yù)凍。預(yù)凍溫度取決于所做樣品的冰點(diǎn)，Tpre-freezingTfreezingpoint-10℃。如果冰點(diǎn)未知，應(yīng)在-40℃下冷凍2小時(shí)以上。最佳過夜。有兩種冷凍方式：1.靜態(tài)冷凍：將樣品盤或西林瓶放在擱板上，擱板與樣品應(yīng)同時(shí)放在超低溫冰箱中預(yù)凍。2.旋轉(zhuǎn)冷凍：圓底燒瓶或桶形凍干瓶盛裝的液態(tài)樣品需放在旋凍器或液氮中旋轉(zhuǎn)冷凍，直至樣品均勻地涂布在凍干瓶表面。注意：以上兩種冷凍方式，樣品厚度均不能超出1cm。二、準(zhǔn)備儀器及使用儀器操作次序：1.先打開真空泵，預(yù)熱約20～30分鐘；關(guān)閉泵。2.打開主機(jī)電源開關(guān)，觀察控制器上的冷凝室溫度顯示，當(dāng)冷凝室內(nèi)的溫度降至-40℃下列時(shí)，將預(yù)凍好的樣品和擱板從超低溫冰箱中取出，放在干燥室內(nèi)。3.檢查全部的外掛瓶閥，確認(rèn)其處在關(guān)閉狀態(tài)（大頭向上）。4.檢查儀器右側(cè)的放水閥，確認(rèn)其處在關(guān)閉狀態(tài)。5.打開真空泵，使系統(tǒng)開始抽真空。觀察控制器上的真空值顯示，當(dāng)真空值降至0.1mbar下列時(shí)，主干燥開始。外掛瓶操作的注意事項(xiàng)：1.只有當(dāng)真空值降至0.1mbar下列時(shí)，才可掛外掛瓶。2.將預(yù)凍好樣品的凍干瓶頂在閥口，將橡膠閥非常緩慢地旋至啟動(dòng)狀態(tài)（大頭向下），擬定瓶被吸牢后，外掛瓶掛好。干燥時(shí)間應(yīng)根據(jù)樣品種類的不同及干燥條件的不同，控制在12～24小時(shí)左右。三、結(jié)束實(shí)驗(yàn)及關(guān)閉儀器關(guān)閉儀器次序：1.先卸外掛瓶：將橡膠閥緩慢地旋至關(guān)閉狀態(tài)（大頭向上），待放氣聲完全停止后，再拆下外掛瓶。2.外掛瓶全部卸完后，關(guān)閉真空泵。3.從任一橡膠閥口非常緩慢地向啟動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)閥門，聽到輕微放氣聲時(shí)，停止等待氣體進(jìn)入.觀察控制器上的真空值顯示，當(dāng)真空值顯示在200mbar以上時(shí)，可稍微增大放氣量.直至與外界大氣壓平衡時(shí)，將全部閥門打開。4.關(guān)閉主機(jī)，移走罩子（注意：一定要將罩子反放在墊子上），取出樣品。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，必須要對(duì)冷凝室進(jìn)行除霜，用干凈的布擦凈腔內(nèi)的水分，保持腔體內(nèi)清潔；從主機(jī)側(cè)板上拉出排水管，接好容器，打開放水閥，將除霜水放凈，關(guān)閉放水閥。四、特別注意1.罩子的下密封表面一定要