1. 冷冻干燥技术与冻干机
1、冻干面积 冻干机型号中的数字代表该型号冻干机的冻干面积,例如,LGJ-18C型冻干机的冻干面积为0.18㎡。用户应根据自己的需要,通过计算来确定需用多大冻干面积的冻干机。
例如每批需冻干1.8公斤(升)液体量的产品,用物料盘装载物料,每盘装载10㎜厚,则可计算得冻干板层的负荷面积: A(面积,㎡)=V(体积,m)/H(高度,m)=0.0018m/0.01m=0.18㎡ 即需选用板层负荷面积为0.18㎡的冻干机。
2、冷阱温度 冷阱是冷冻干燥过程捕获水分的装置,理论上讲,冷阱温度越低,冷阱的捕水能力越强,但冷阱温度低,对制冷要求高,机器成本及运转费用高。
实验系列冷冻干燥机的冷阱温度主要有-45℃左右、-60℃左右、-80℃左右等几个档次。
冷阱温度为-45℃的冻干适用于一些容易冻干的产品,冷阱温度为-60℃左右的冻干机适用于大部分产品的冻干,冷阱温度为-80℃的冻干适用于一些特殊产品的冻干。
冷阱温度对捕水能力的影响实验表明冷阱温度从-35℃下降到-55℃,捕水能力有提升明显,冷阱温度低于-55℃,冷阱的捕水能力提升不明显。
因此,在没有特殊需求的情况下,选用冷阱温度-60℃左右是理想的选择。
3、降温速率 降温速率体现制冷系统的制冷能力,在空载情况下,冷阱温度应在1小时内达到指标规定的最低温度。
例如,冷阱温度≤-60℃的冻干机,机器从打开制冷开始计时,冷阱温度达到-60℃的时间应不大于1小时。
4、极限真空度 极限真空度体现冻干机的泄漏情况及真空泵的抽气效率。冻干箱的真空度,过去的观点认为真空度是越高越好,现在的观点认为真空度应在一个合理的范围之内。
真空度太高了,不利于传热,干燥速度反而下降,但无论如何冻干箱的空载极限真空度应达到15Pa以上。
5、抽真空时间 冻干箱空载的抽空速度,应在半小时之内从大气压抽到15Pa。
6、板层温度均匀性及平整度: 板层温度的均匀性和平整度,对产品质量的均一性有很大的影响,温度均匀性和平整度越好,则冻干产品质量的均一性也越好。冻干机搁板温度控制有加热器型和中间流体型,采用中间流体控制板层的冻干机搁板温度均匀性和平整度好,这种冻干机板层为空心夹层结构,板层的制冷和加热均通过中间流体在板层内部的流体通道循环来实现,因此板层温度均匀一致。
冷冻干燥机就采用搁板中间流体的技术。
钟罩型冻干机的搁板温度控制基本上都是采用加热器,板层温度一致性稍差。但总体而言,医药用冻干机板层温差应控制在±1.5℃,板内温差为±l℃ ,食品冻干机可适当放宽。 7、控制系统 冻干机的控制系统类型及功能各异,对于实验系列的冻干机,主要应用于物料的冻干工艺摸索和少量试生产。
因此,控制系统应可实时显示冻干过程参数并自动记录;设定、修改及有效地执行冻干工艺程序;具备通讯接口,便于数据采集、保存。
2. 真空干燥冻干机
为保证货品的生物活性和品质,需要把样品先行预冻,冻结实后进行冻干,进行样品的主干燥过程,此时样品中的水分在冻干机的低温和高真空作用下直接升华为蒸汽被低温冷阱和真空泵补捉,经过几十个小时的主干燥后,样品的绝大部分水分被升华掉了,而样品被完整的保留了下来,达到了样品干燥的目的。
为了保证样品的更高纯度,此时可以对样品进行升温冻干也可以叫后干燥过程,样品温度达到室温即可,全部冻干过程完成。
3. 连续式冷冻干燥机
冷干机的作用是:
由空压机出来的压缩空气,首先在换热器中与干燥过的低温压缩空气进行热交换,降低温度,然后进入蒸发器被进一步降温至2℃左右,在此露点,压缩空气中的大部分水已成液态被排出,将含水量极少的压缩空气进入吸附塔内,进一步干燥除水,最后低温的干燥压缩空气进入换热器,冷却高温湿空气,同时本身温度也升高,可防止压缩空气输送管路外壁结露,经升温后的压缩空气中取一小部分用作吸附剂的再生,提高再生效率,降低能耗。
利用冷媒与压缩空气进行热交换,把压缩空气温度降到2~10℃范围的露点温度,使压缩空气中含水量趋于超饱和的状态,从而除去压缩空气中的水分(水蒸气成分)。
当压缩空气的压力高、温度低、环境温度低、且处理空气量小时,则可得到低压力露点。 大气压露点只能达到-17℃。
为了实现压缩空气干燥的目的,又体现节能的目标,一台标准的冷干机应包括以下部件,具体为:
1)冷却降温部分:包括换热器(空气与空气的热交换器)、蒸发器(空气与制冷剂液体的热交换器);
2)气水分离与排放部分:包括气水分离器、自动排水器;
3)制冷部分:包括制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、氟路电磁阀、压力开关、压力控制器(水量调节阀)、贮液罐、过滤干燥器、截止阀等;
4)电气部分:包括启停开关、接触器、继电器、PC电脑板等;
5)仪表部分:包括进出口空气压力表、制冷剂高、低压力表等。
4. 冷冻干燥技术与冻干机的区别
冷冻干燥可以用玻璃和不锈钢材料,不会被冻裂。最好口用滤纸之类的封一下,防止开冻干机的时候混进去灰尘
在喷射式冷冻干燥装置中,药品、食品、化妆品等的原料的原料液是喷射在真空室 内的,该原料液是将原料用溶剂或分散剂溶解或分散而制成。在喷射工序中,利用溶剂的汽 化热从原料中吸热,从而不仅可使原料冻结还能使其干燥而呈微粒状,呈微粒状原料被设 置在真空室内下部的收集器收集起来。
5. 冷冻干燥技术与冻干机的关系
真空冷冻干燥技术是将湿物料或溶液在较低的温度(-10℃~-50℃)下冻结成固态,然后在真空(1.3~13帕)下使其中的水分不经液态直接升华成气态,最终使物料脱水的干燥技术。我国是原料药生产大国,因此该技术应用前景十分广阔。但是,应当引起注意的是,近年来真空冷冻干燥技术在我国推广得非常迅速,相比之下,其基础理论研究相对滞后、薄弱,专业技术人员也不多。并且,与气流干燥、喷雾干燥等其他干燥技术相比,真空冷冻干燥设备投资大,能源消耗及药品生产成本较高,从而限制了该技术的进一步发展。因此,切实加强基础理论研究,在确保药品质量的同时,实现节能降耗、降低生产成本,已经成为真空冷冻干燥技术领域当前面临的最主要的问题。 ■技术优势突出 由于真空冷冻干燥在低温、低压下进行,而且水分直接升华,因此赋予产品许多特殊的性能。如真空冷冻干燥技术对热敏性物料亦能脱水比较彻底,且经干燥的药品十分稳定,便于长时间贮存。由于物料的干燥在冻结状态下完成,与其他干燥方法相比,物料的物理结构和分子结构变化极小,其组织结构和外观形态被较好地保存。在真空冷冻干燥过程中,物料不存在表面硬化问题,且其内部形成多孔的海绵状,因而具有优异的复水性,可在短时间内恢复干燥前的状态。由于干燥过程是在很低的温度下进行,而且基本隔绝了空气,因此有效地抑制了热敏性物质发生生物、化学或物理变化,并较好地保存了原料中的活性物质,以及保持了原料的色泽。 ■加强基础理论研究 目前,我国真空冷冻干燥设备趋于完善,但与发达国家相比,该技术基础理论的研究显得滞后和薄弱,阻碍了技术应用水平的提高。因此,研究的重点正向这方面转移。目前,研究的焦点集中在真空冷冻干燥的物性参数及其影响因素、过程参数、过程机理和模型、过程优化控制等的研究。 真空冷冻干燥技术的基本参数包括物性参数和过程参数,它们是实现真空冷冻干燥过程的基础。这些数据的缺乏会使干燥过程难以实现针对原料的优化,不能充分发挥系统效率。物性参数指物料的导热系数、传递系数等。这方面的研究内容包括物性参数数据的测定及测定方法,以及环境条件压强、温度、相对湿度和物料颗粒取向等对物性参数的影响。过程参数包括冷冻、供热和物料形态等有关参数。对冷冻过程的研究意在为系统找到最优冷冻曲线。供热过程的研究则集中在两方面:一是对原料载体的改良;二是加热方式(传热方式和供热热源)的选择。确定恰当的物料形态也是重要的研究内容,它包括原料的颗粒形态和料层厚度等。 从热量传递和质量传递入手研究真空冷冻干燥的机理,并建立相应的数学模型,有助于找出过程的影响因素,预测时间、温度及蒸气压强的分布状况。目前的研究主要限于均质液相,并提出了一些数学模型,如冰前沿均匀退却模型、升华模型、吸附-升华模型等。这些模型虽然对真空冷冻干燥的过程作了不同程度的描述,但在实际应用中仍然存在许多限制条件。过程优化控制是建立在上述数学模型的基础上的。控制方案又有准稳态模型和非稳态模型之分。 ■严控生产工艺 由于生物制品和药品的冻干工艺比较复杂,为保证冻干产品的质量和节能,在生产过程中需要严格控制预冻温度、升华吸热等,使冻干过程各阶段按照预先制订的工艺路线工作。 *应用提示一:保持合理的预冻温度 在真空冷冻干燥过程中,需要先对被干燥的药品进行预冻,然后在真空状态下,使水分直接由冰变为气而使药品干燥。在整个升华阶段,药品必须保持在冻结状态,否则就不能得到性状良好的产品。在药品预冻阶段,要严格控制预冻温度(通常比药品的共熔点低几度)。如果预冻温度不够低,则药品可能没有完全冻结,在抽真空升华时会膨胀起泡;若预冻温度太低,不仅会增加不必要的能量消耗,而且对于某些生物药品,会降低其冻干后的成活率。 *应用提示二:关注升华吸热 在干燥升华阶段,物料需要吸收热量(每克冰完全升华成水蒸气约吸收2.8千焦耳的热量)。如果不对药品进行加热或热量不足,则在水分在升华时会吸收药品本身的热量而使药品的温度降低,致使药品的蒸气压降低,于是引起升华速度的降低,整个干燥的时间就会延长,生产率下降;如果对药品加热过多,药品的升华速率固然会提高,但在抵消了药品升华所吸收的热量之后,多余的热量会使冻结药品本身的温度上升,使药品可能出现局部甚至全部熔化,引起药品的干缩起泡现象,整个干燥就会失败。 *应用提示三:采用计算机自动化控制 为了获得良好的冻干药品,一般在冻干时应根据每种冻干机的性能和药品的特点,在经过试验的基础上制订出一条冻干曲线,然后控制机器,使冻干过程各阶段的温度变化符合预先制订的冻干曲线。目前,真空冷冻干燥的生产过程控制可借助于计算机来控制生产系统按照预先设定的冻干曲线工作。如计算机对链霉素硫酸盐的冻干过程控制可分为两个阶段:第一阶段,在低于熔点的温度下,将水分从冷冻的物料内升华,约有98%~99%的水分均在此时被除去。第二阶段,将物料温度逐渐升到或略高于室温,经此阶段水分可以减少到低于0.5%。此过程预冻温度为-40℃左右,时间约两小时。冻干药品的干燥升华阶段,物料温度约为-30℃~-35℃,绝对压强约为4~7帕。链霉素的最终干燥温度可升至40℃,总干燥时间约18小时。采用计算机自动化控制系统,有助于保证药品符合质量要求。