凍干的基本過(guò)程

概要

冷凍干燥的基本過(guò)程。從凍干的基本概念，到發(fā)展歷史。從預(yù)凍、一次干燥、二次干燥以及其他輔助步驟的簡(jiǎn)要介紹。

此篇非常適合剛開(kāi)始進(jìn)入凍干領(lǐng)域的初學(xué)者，對(duì)整個(gè)過(guò)程有一個(gè)基本藍(lán)圖。后續(xù)，在此基礎(chǔ)上再逐步鉆研每個(gè)步驟。解決特定問(wèn)題。

1 冷凍干燥

冷凍干燥也叫凍干，是一個(gè)干燥過(guò)程，濕的產(chǎn)品先被冷凍成固體，隨后通過(guò)將其暴露在低的水分分壓下，溶劑直接通過(guò)升華變?yōu)闅庀啵麄€(gè)過(guò)程不經(jīng)過(guò)液相。

凍干的英文“l(fā)yophilisation”，在希臘詞根中：

通過(guò)凍干獲得的干燥產(chǎn)品，具有很好地“溶劑親和性”

2 歷史

印加文明-在馬丘比丘的高山上存儲(chǔ)他們的馬鈴薯和其他食物。

·       1906-凍干技術(shù)應(yīng)用在血清和疫苗的保存上。

·       1909-基本的凍干（Shackell）

·       1937-雀巢開(kāi)始在巴西凍干咖啡

·       1939-1945-二戰(zhàn)，凍干用于保存血液制品。

·       1945-發(fā)明盤(pán)尼西林，凍干技術(shù)用于抗生素（Chain）

·       至今-用于生物技術(shù)、納米技術(shù)樣品、脂質(zhì)體、蛋白等

3 水的不同相

水的相圖和不同的干燥方法：

·       熱空氣干燥：溶劑在大氣壓和“高溫”下蒸發(fā)；

·       真空干燥：溶劑在“低”壓力和溫度下蒸發(fā)；

·       凍干：溶液先冷凍然后在真空下溶劑升華。

4 凍干過(guò)程（原理）

三相圖解釋了冰如何升華為水蒸氣：

1、水在大氣壓下冷凍成固體；

2、壓力降低到低于三相點(diǎn)以下；

3、升高溫度冰升華為水蒸氣；

4、升華的水蒸氣以冰的形式捕捉在冷阱里；

5、干燥結(jié)束后，被捕捉的冰融化成水排出；

5 凍干過(guò)程中的主要步驟

·       全部的冷凍：樣品獲得一個(gè)剛性的結(jié)構(gòu)，不發(fā)生變性、低溫濃縮或者其他化學(xué)變化；

·       真空干燥：去除溶劑（通常是水）,分兩步進(jìn)行：

一次干燥，以升華的方式去除冰；

二次干燥 ，通過(guò)解吸干燥的方式去除殘余的水分；

·       最終條件：使得凍干的產(chǎn)品不會(huì)受環(huán)境濕度、氧氣、光照的影響，通常是在一定真空度的條件下。

6 水的變化

結(jié)合上圖，水在整個(gè)過(guò)程中經(jīng)歷了以下變化：

·       樣品在液體狀態(tài)下降溫；

·       可凝結(jié)性的水冷凍成冰；

·       溶質(zhì)開(kāi)始結(jié)晶；

·       無(wú)定型物質(zhì)濃縮，形成一個(gè)剛性的結(jié)構(gòu)；

·       冰升華；

·       吸附水和結(jié)合水以解析干燥的方式去除；

·       升華的水汽凝結(jié)在冷阱里；

·       冷阱里除霜排出。

7 過(guò)程

凍干是一個(gè)以升華的方式去除溶劑的干燥過(guò)程：

·       溶液冷凍到低于共晶點(diǎn)溫度或者關(guān)鍵溫度（通常是低于關(guān)鍵溫度10-15℃）；

·       溶劑晶體通過(guò)升華的方式去除；

·       剩余水分通過(guò)解析干燥的方式去除。

8 一個(gè)西林瓶的樣品，在中式及工業(yè)凍干設(shè)備中的過(guò)程

升華是在一個(gè)“面”上發(fā)生的過(guò)程，而不是整瓶樣品一起升華。

9 西林瓶?jī)?nèi)外不同位置的真空度

壓力差，是升華的主要?jiǎng)恿Α?/span>

10 凍干機(jī)的P&ID圖

作為凍干工藝摸索的研發(fā)人員，看懂上圖是屬于必須。

11 能量流

12 為什么要有真空？

真空是讓凍干過(guò)程很好進(jìn)行的必要條件，凍干過(guò)程中需要對(duì)真空進(jìn)行精準(zhǔn)的控制以及通過(guò)控制真空把凍干過(guò)程控制在一個(gè)“合理”的速率。

預(yù)凍完成之后，系統(tǒng)將真空度降低到可以升華的真空數(shù)值；

升華開(kāi)始之后，真空泵只負(fù)責(zé)：

·       補(bǔ)償設(shè)備泄露氣體；

·       移除產(chǎn)品中的不可凝結(jié)性氣體；

·       補(bǔ)償滲氣閥進(jìn)入的氣體。

羅茨泵可以使得抽真空速率更快以及達(dá)到一個(gè)更低的真空度

13 干燥速度

·       干燥速度通常為1mm/ h:

·       一個(gè)12-13mm高度的產(chǎn)品，完成整個(gè)凍干過(guò)程通常需要20-24小時(shí)（包含上料、下料、預(yù)凍、二次干燥和壓塞時(shí)間）

·       散裝產(chǎn)品干燥速度比西林瓶樣品慢（沒(méi)有瓶壁帶來(lái)的額外傳熱）。每個(gè)裝載面積上的產(chǎn)品更多，也容易使得冷阱過(guò)載；

·       理論上說(shuō)，升華從上往下平行進(jìn)行。實(shí)際因?yàn)閭鳠岬脑?，是從上往下同時(shí)從外往里進(jìn)行。

14 濃度

樣品初始濃度通常為3-15%之間：

·       濃度低于2%，則需要加入額外賦形劑，不然很難形成蛋糕狀；

·       濃度太高，升華通道不順暢。升華界面蒸氣壓容易升高，從而導(dǎo)致升華界面溫度升高。帶來(lái)塌陷和融化的風(fēng)險(xiǎn)。

樣品裝載量通常不會(huì)高于西林瓶容量的一半，以利于重建。

15 凍干設(shè)備

個(gè)人觀點(diǎn)：

此篇全部?jī)?nèi)容，屬于凍干領(lǐng)域?qū)I(yè)人員必會(huì)內(nèi)容。

如果對(duì)任何一個(gè)點(diǎn)有困惑和不解，都需要去弄懂。或者去看書(shū)，或者去上課。

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