凍干的基本過程

概要

冷凍干燥的基本過程。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要介紹。

此篇非常適合剛開始進入凍干領(lǐng)域的初學者，對整個過程有一個基本藍圖。后續(xù)，在此基礎(chǔ)上再逐步鉆研每個步驟。解決特定問題。

1 冷凍干燥

冷凍干燥也叫凍干，是一個干燥過程，濕的產(chǎn)品先被冷凍成固體，隨后通過將其暴露在低的水分分壓下，溶劑直接通過升華變?yōu)闅庀?，整個過程不經(jīng)過液相。

凍干的英文“l(fā)yophilisation"，在希臘詞根中：

通過凍干獲得的干燥產(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 凍干過程中的主要步驟

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

·       真空干燥：去除溶劑（通常是水）,分兩步進行：

一次干燥，以升華的方式去除冰；

二次干燥 ，通過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，水在整個過程中經(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)開始結(jié)晶；

·       無定型物質(zhì)濃縮，形成一個剛性的結(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 過程

凍干是一個以升華的方式去除溶劑的干燥過程：

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

·       溶劑晶體通過升華的方式去除；

·       剩余水分通過解析干燥的方式去除。

8 一個西林瓶的樣品，在中式及工業(yè)凍干設(shè)備中的過程

升華是在一個“面"上發(fā)生的過程，而不是整瓶樣品一起升華。

9 西林瓶內(nèi)外不同位置的真空度

壓力差，是升華的主要動力。

10 凍干機的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？

真空是讓凍干過程很好進行的必要條件，凍干過程中需要對真空進行精準的控制以及通過控制真空把凍干過程控制在一個“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；

升華開始之后，真空泵只負責：

·       補償設(shè)備泄露氣體；

·       移除產(chǎn)品中的不可凝結(jié)性氣體；

·       補償滲氣閥進入的氣體。

羅茨泵可以使得抽真空速率更快以及達到一個更低的真空度

13 干燥速度

·       干燥速度通常為1mm/ h:

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

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

·       理論上說，升華從上往下平行進行。實際因為傳熱的原因，是從上往下同時從外往里進行。

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。帶來塌陷和融化的風險。

樣品裝載量通常不會高于西林瓶容量的一半，以利于重建。

15 凍干設(shè)備

個人觀點：

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

如果對任何一個點有困惑和不解，都需要去弄懂?；蛘呷タ磿?，或者去上課。

文章來源——凍干工藝之家公眾號  •  星德科 TELSTAR 凍干工藝實驗室