冷凍乾燥曲線的制定

2021-01-08 冷凍乾燥技術服務

生物製品的冷凍乾燥產品,需要有一定的物理形態、均一的顏色、合格的殘餘水分含量、良好的溶解性、高的存活率或效價,長的保存期。因此,不僅要對配製過程和凍幹後的密封保存進行控制。更重要的是對冷凍乾燥過程的每一階段的各參數進行全面的控制,才能得到優質的產品。凍幹曲線是進行冷凍乾燥過程控制的基本依據。

設備運行冷凍乾燥曲線數據

凍幹曲線就是表示凍幹過程中產品的溫度、壓力隨時間變化的關係曲線。凍幹加工中最重要的過程參數是製品的溫度和乾燥箱內的壓力。對於某一具體的凍幹機,由於製品的溫度與擱板溫度或箱內空間溫度有一定依從關係,許多設備又不能控制產品表面的壓力,所以實踐中凍幹曲線往往用擱板溫度(或箱內空間溫度)與時間的關係曲線來表示。為了監測凍幹過程的主要參數,配自動記錄儀的凍幹機一般均自動記錄下擱板的溫度、製品溫度、冷凝器溫度、凍幹箱壓力等四個參數和時間的曲線。這些曲線均為凍幹曲線。

實際上,凍幹曲線的形狀與產品的性能、裝量的多少、分裝容量的種類、設備條件等許多因素有關。制定凍幹曲線要考慮下列因素:① 產品的品種:有些產品受冷凍的影響較大,有些產品則影響較小;一般細菌性的產品受冷凍的影響較大,病毒性的產品受冷凍的影響較小。共熔點低的產品要求預凍的溫度低,加熱時板層的溫度亦相應要低些;為了長期保存產品,殘餘水分含量要求低的產品,凍幹時間需長些。殘餘水分含量要求高的產品,凍幹時間可縮短;② 裝液量:總裝液量和每一容器內產品裝液量的多少,裝液量多則凍幹時間長;③ 容器的品種:底部平整則傳熱較好。底部不平或玻璃較厚則傳熱較差,後者顯然凍幹時間較長;④ 凍幹機性能:生產廠家不同,凍幹曲線也不完全一樣。生產中應根據各自的具體條件,從試驗中制定出最佳的凍幹曲線。

實驗型冷凍乾燥設備

制定凍幹曲線和凍幹時序主要確定下列數據:

預凍速率

預凍速率的快慢,對產品凍結中晶粒的大小、活菌的存活率和升華的速率均有直接的影響。一般來說,慢凍晶粒大,產品外觀粗糙、不容易損傷活菌,升華速率快,而速凍則與此相反。通常凍幹機是不能調節凍結速率的(目前國內東富龍、楚天、松源凍幹三家有產品可調節速率)。如需凍結得快一些,則先將乾燥室(箱)預冷至較低溫度,再將製品入箱凍結。若使乾燥箱與製品一起降溫,其凍結速率較慢。

預凍溫度

根據預凍方法不同而略有差異。一般來說,擱板溫度應低於製品共熔點5~10℃。

預凍時間

預凍所需的時間要根據不同的具體條件而定,總的原則是應使產品的各部分完全凍牢。一般來說,製品裝量多,分裝的容器底不平,託盤與擱板接觸傳熱不良,凍幹機製冷能力小,產品的過冷度小,擱板間的溫差大等均應延長預凍時間。反之預凍時間可以縮短。通常擱板式凍幹機,乾燥箱的擱板從室溫30℃降到-40℃約需1個小時,在制品樣品溫度降到預定的最低溫度後,還需在此溫度下保持1~2小時,才能升華。

冷凍乾燥設備監控界面

冷凝器的降溫時間與溫度

在產品預凍結束前30-50分鐘(視其製冷能力決定時間長短)就應使水汽凝結器降溫。溫度降到-40℃左右,起動真空泵抽真空,當產品表面壓力降至10-20Pa以下,起動加熱循環泵,給產品供熱升華。

抽真空時間

預凍結束就是開始抽真空,要求在0.5h左右的時間真空度能達到10Pa;預凍結束就是停止凍幹箱冷凍機的運轉,通常在抽真空的同時或真空抽到規定要求時停止冷凍機的運轉。

預凍結束的時間

預凍結束就是停止凍幹箱板層的降溫,通常在抽真空的同時或真空抽到規定要求時停止板層的降溫。

開始加熱時間

一般認為開始加熱的時間始於抽真空(實際上抽真空開始,升華即已開始)。開始加熱是在真空度達到10Pa之後,有些凍幹機利用真空繼電器自動接通加熱,即真空度達到10Pa時,加熱便自動開始;有些凍幹機是在抽真空之後半小時開始加熱,這時真空度已達到10Pa甚至更高。

真空報警工作時間

由於真空度對於升華是極其重要的,因此新式的凍幹機均設有真空報警裝置。真空報警裝置的工作時間在加熱開始之時到校正漏孔使用之前,或從開始一直到凍乾結束。一旦在升華過程中真空度下降而發生真空報警時,一方面發出報警信號,一方面自動切斷凍幹箱的加熱。同時還啟動凍幹箱的冷凍機對產品進行降溫,以保護產品不致發生熔化。

真空控制的工作時間

真空控制的目的是為了改進凍幹箱內的熱量傳遞,通常在第二階段乾燥時使用,待產品溫度達到最高許可溫度之後即可停止,繼續恢復真空狀態,使用時間的長短由產品的品種、裝量和真空度的數值所決定。也可第一階段乾燥時使用。

產品加熱的最高許可溫度

板層加熱的最高許可溫度根據產品來決定,在升華時板層的加熱溫度可以超過產品的最高許可溫度因為這時產品仍停留在低溫階段,提高板層溫度可促進升華;但凍幹後期板層溫度需下降到與產品的最高許可溫度相一致。由於傳熱的溫差,板層的溫度可比產品的最高許可溫度略高少許。

冷凍乾燥工藝編輯界面

凍幹的總時間

凍幹的總時間是預凍時間,加上升華時間和第二階段工作的時間。總時間確定,凍乾結束時間也確定。凍幹總時間根據產品的品種、瓶子的品種、裝箱方式、裝量、機器性能等來決定,一般冷凍工作的時間較長,在18~24h左右,有些產品需要幾天的時間。

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