Сублимационная сушка — это удаление льда или других замороженных растворителей из материала посредством процесса сублимации и удаление связанных молекул воды посредством процесса десорбции. Лиофилизация и сублимационная сушка — это термины, которые используются как взаимозаменяемые в зависимости от отрасли и места, где происходит сушка. Контролируемая сублимационная сушка поддерживает достаточно низкую температуру продукта во время процесса, чтобы избежать изменений внешнего вида и характеристик высушенного продукта. Это превосходный метод сохранения широкого спектра термочувствительных материалов, таких как белки, микробы, фармацевтические препараты, ткани и плазма.
Сублимация
Сублимация — это когда твердое вещество (лед) превращается непосредственно в пар, минуя сначала жидкую фазу (воду). Тщательное понимание концепции сублимации является ключевым строительным блоком для получения знаний о сублимационной сушке. Как показано ниже на фазовой диаграмме воды, для сублимации требуется низкое давление. Сублимация представляет собой фазовый переход, и для того, чтобы это произошло, к замороженному продукту необходимо добавить тепловую энергию. Сублимацию в процессе сублимационной сушки можно описать просто как:
1. ЗАМОРАЖИВАНИЕ. Продукт полностью замораживают, обычно во флаконе, колбе или лотке.
2. ВАКУУМ. Затем продукт помещают в глубокий вакуум, значительно ниже тройной точки воды.
3. СУШКА – к продукту добавляется тепловая энергия, вызывающая сублимацию льда.
Шаги, необходимые для лиофилизации продукта в периодическом процессе, можно резюмировать следующим образом:
• Предварительная обработка/формуляция
• Загрузка/контейнер (сыпучая часть, колба, флаконы)
• Замораживание (термическая обработка) при атмосферном давлении.
• Первичная сушка (сублимация) под вакуумом.
• Вторичная сушка (десорбция) под вакуумом.
• Заполнение и закупорка (для продукта во флаконах) под частичным вакуумом.
• Удаление высушенного продукта из сублимационной сушилки
Успешная лиофилизация не только обеспечивает более длительный срок хранения, но и позволяет получить продукт, который имеет короткое время восстановления и приемлемый уровень эффективности. Процесс должен быть повторяемым с четко определенными параметрами температуры, давления и времени для каждого этапа. Визуальные и функциональные характеристики высушенного продукта также важны для многих применений.
Оборудование для сублимационной сушки
Основными компонентами сублимационного оборудования являются:
• Система охлаждения
• Вакуумная система
• Система контроля
• Камера продукта или коллектор
• Конденсатор
Система охлаждения охлаждает (ледяной) конденсатор, расположенный внутри сублимационной сушилки. Система охлаждения также может использоваться для охлаждения полок в камере для продуктов при замораживании продукта. Вакуумная система состоит из отдельного вакуумного насоса, соединенного с герметичным конденсатором и прикрепленной к нему камерой для продукта. Системы управления различаются по сложности и обычно включают в себя функцию измерения температуры и давления.
Усовершенствованные контроллеры позволят программировать полный «рецепт» сублимационной сушки и будут включать в себя опции для мониторинга хода процесса сублимационной сушки. Выбор системы управления для сублимационной сушилки зависит от области применения и использования (т. е. лаборатория или производство). Камеры для продукта обычно представляют собой либо коллектор с прикрепленными к нему колбами, либо камеру большего размера с системой полок, на которых можно разместить продукт.
Назначение конденсатора — отводить пары, сублимируемые из продукта. Поскольку в конденсаторе поддерживается более низкий уровень энергии по сравнению с получаемым льдом, пары конденсируются и снова превращаются в твердую форму (лед) в конденсаторе. Сублимированный лед накапливается в конденсаторе и удаляется вручную в конце цикла сублимационной сушки (этап размораживания). Требуемая температура конденсатора определяется точкой замерзания и температурой разрушения продукта.
Холодильная система должна быть способна поддерживать температуру конденсатора существенно ниже температуры продукта. В полочных лиофилизаторах конденсатор может быть расположен внутри камеры продукта (внутренний конденсатор) или в отдельной камере (внешний конденсатор), соединенной с камерой продукта через порт для испарения. Коллекторные сублимационные сушилки полагаются на условия окружающей среды, чтобы обеспечить тепло сублимации продукта. Это поступление тепла не приводит к плавлению продукта, поскольку эквивалентное количество тепла удаляется за счет испарения растворителя.
Усовершенствованные полочные сублимационные сушилки могут служить источником тепла для контроля/ускорения процесса сушки, а также могут использовать систему охлаждения, позволяющую заморозить продукт внутри устройства.
Сублимационные сушилки можно неофициально классифицировать по типу камеры для продукта:
(1) Коллекторные сушилки, в которых продукт обычно предварительно замораживается и находится в колбах
(2) Полочные сушилки, в которых продукт размещается на лотке или непосредственно на полке
(3) Комбинированные агрегаты с обоими вариантами сушки.
Сублимационные сушилки также можно сгруппировать по размеру и назначению:
(1) лабораторные настольные установки для исследований и разработок
(2) пилотные установки для разработки процессов и масштабирования и
(3) более крупные установки промышленного масштаба.
Следует отметить, что в дополнение к масштабированию процесса пилотные сублимационные сушилки часто используются для исследований и разработок продукции, а также для мелкосерийного производства.
Выбор сублимационной сушилки зависит от характеристик продукта, а также от многих других переменных, связанных с применением, включая контейнер, в котором будет сушиться продукт, площадь полки или количество отверстий, необходимых для размещения количества, подлежащего сушке в каждой партии, общей суммы. объем льда, который необходимо сконденсировать, и наличие в нем органических растворителей. Также необходимо учитывать тип и форму высушиваемого продукта и его конечное использование.
Контейнеры для продукции и системы защиты изделий
Для продукта необходимо выбрать подходящую контейнерную систему. Наиболее распространенными контейнерами для продуктов являются колбы, флаконы и лотки. Если возможно, рекомендуется выбирать контейнер, в котором максимальная толщина продукта не превышает ¾ дюйма (2 см). Специальные контейнеры из Gore-Tex® и Tyvek® также доступны для особых случаев применения, когда загрязнение продукта является проблемой. При работе с флаконами доступны лотки для продуктов со съемным дном. Лоток загружается флаконами, помещается на полку в лиофилизаторе, а затем нижняя часть лотка выдвигается. Это позволяет флаконам стоять прямо на полке и увеличивает передачу тепла к продукту. Для сублимационной сушки некоторых продуктов требуются специальные системы хранения, такие как перчаточные боксы, особенно при наличии токсичных материалов.
Физические свойства материалов
Понимание физических свойств сублимированных материалов является ключевым моментом в разработке успешного процесса лиофилизации. Хотя некоторые продукты представляют собой простые кристаллические материалы, подавляющее большинство лиофилизированных продуктов являются аморфными и при замораживании образуют стекловидное состояние. Обработка и разработка рецептуры являются важными шагами, которые часто предпринимаются, чтобы подготовить продукт к сублимационной сушке и использовать его для конкретного применения. Выбор вспомогательных веществ, добавляемых в рецептуру, может серьезно повлиять на термические характеристики продукта и его способность подвергаться сублимационной сушке в разумные сроки.
Рецептуры для сублимационной сушки
Лиофилизация в полочной сублимационной сушилке требует разработки рабочего процесса или цикла, который иногда называют «рецептом». Как правило, как замораживание, так и сушка продукта включают несколько этапов. Для каждого этапа необходимо определить индивидуальные настройки температуры, давления и времени. Каждый конкретный продукт или состав, подвергаемый лиофилизации, требует разработки процесса сублимационной сушки, основанного на уникальных характеристиках продукта, количестве продукта и используемом контейнере. Не существует универсального «безопасного» рецепта, который подойдет для любого продукта.
Заморозка
Чрезвычайно важно, чтобы образец был полностью и полностью заморожен перед созданием вакуума и началом процесса сушки. Незамороженный продукт может расширяться за пределы контейнера при помещении его под вакуум.
В простых лиофилизаторах с коллектором продукт помещается во флакон или колбу в зависимости от количества, а затем замораживается в отдельном оборудовании. Варианты включают стандартные лабораторные морозильники, ванны для раковин и прямое погружение в жидкий азот. Замораживание в кожухе (ванне) включает вращение колбы, содержащей образец, в морозильной ванне, так что образец замерзает на стенках колбы. Этот метод замораживания максимально увеличивает площадь поверхности продукта и минимизирует его толщину. Лучше не замораживать большой блок образца на дне колбы, поскольку образец будет слишком толстым для эффективного удаления воды. Кроме того, колба может сломаться из-за неравномерного напряжения.
Более совершенные полочные сублимационные сушилки имеют встроенную в полку функцию замораживания, что позволяет осуществлять замораживание продукта внутри сублимационной сушилки. Продукт либо предварительно загружается во флаконы, которые затем передаются на полку, либо загружается в нерасфасованном виде непосредственно на лоток для продукта.
Полочные сублимационные сушилки позволяют точно контролировать скорость охлаждения, что влияет на скорость замораживания продукта и размер кристаллов. Более крупные кристаллы льда улучшают скорость процесса сублимационной сушки, поскольку в высушенной части продукта остаются более крупные пути пара, когда кристаллы льда сублимируются. Более медленные скорости охлаждения полки не обязательно приводят к образованию более крупных кристаллов льда из-за эффекта переохлаждения.
Когда переохлажденная жидкость наконец замерзает, это происходит очень быстро, в результате чего кристаллы льда становятся меньше. В чистом помещении с очень небольшим количеством частиц, способствующих зародышеобразованию льда, происходит значительно большее переохлаждение. Некоторые биологические продукты не переносят крупные кристаллы льда, и их необходимо подвергать сублимационной сушке с кристаллами льда меньшего размера.
Температура разрушения
Определение критической температуры разрушения продукта является важным шагом в создании и оптимизации процесса сублимационной сушки. Эта критическая температура определяет максимальную температуру, которую может выдержать изделие при первичной сушке без его плавления или разрушения. Термический анализ (дифференциальная сканирующая калориметрия и сублимационная микроскопия) и анализ диэлектрического сопротивления являются распространенными методами, используемыми для определения критической температуры продукта. По структуре замороженные продукты можно разделить на кристаллическое или аморфное стекло. Кристаллические продукты имеют четко определенную «эвтектическую» температуру замерзания/плавления, которая является температурой их коллапса.
Аморфные продукты имеют соответствующую температуру «стеклования», и их гораздо труднее высушить замораживанием. Температура распада аморфных продуктов обычно на несколько градусов выше температуры стеклования. Хотя большинство материалов, подвергаемых сублимационной сушке, на самом деле аморфны, термин «эвтектика» часто используется (ошибочно) для описания температуры замерзания/плавления любого продукта. В Руководстве говорится, что производитель должен знать точку эвтектики (критическую температуру разрушения) продукта. Эффективная практика заключается в определении температуры разрушения всех новых лекарственных форм для инъекций или приема внутрь, подлежащих сублимационной сушке. Не зная критической температуры продукта, необходимо методом проб и ошибок определить подходящие температуры первичной сушки. На начальном этапе можно использовать медленный консервативный цикл с низкими температурами и давлениями. Затем температуру и давление можно повышать в последующих циклах до тех пор, пока не появятся признаки разрушения или обратного расплавления, что указывает на то, что продукт был слишком теплым.
Отжиг
Некоторые аморфные продукты (например, маннит или глицин) при первом замораживании образуют метастабильное стекло с неполной кристаллизацией. Эти продукты можно извлечь из процесса термической обработки, который также называется отжигом. Во время отжига температуру продукта периодически меняют (например: от -40°С до -20°С в течение нескольких часов, а затем обратно до -40°С) для получения более полной кристаллизации. Отжиг имеет дополнительное преимущество, заключающееся в более крупном росте кристаллов и соответствующем более коротком времени сушки.
Органические растворители
Использование органических растворителей требует большего внимания в процессе сублимационной сушки. Для замерзания и конденсации растворителей требуются более низкие температуры, и они могут легко обойти конденсатор и в конечном итоге привести к повреждению вакуумного насоса. Доступны конструкции холодильных установок сублимационной сушки, обеспечивающие температуру нижней полки и конденсатора, необходимую для замораживания, а затем конденсации некоторых органических растворителей.
Для улавливания/конденсации некоторых растворителей при очень низких температурах замерзания могут потребоваться специальные фильтрующие картриджи или ловушки с жидким азотом (LN2). При работе с летучими и/или потенциально вредными материалами необходимо соблюдать меры безопасности.
Основная часть органических растворителей обычно удаляется на ранних стадиях процесса сублимационной сушки.
Первичная сушка
Сублимационная часть сушки на самом деле состоит из двух частей: первичной и вторичной сушки. Основная часть воды, удаляемая из продукта во время сублимационной сушки, происходит за счет сублимации всех кристаллов свободного льда на этапе первичной сушки. Органические растворители также удаляются при первичной сушке. Первичная сушка (сублимация) — это медленный процесс, проводимый при более низких температурах, значительно ниже критической температуры разрушения продукта. Сублимация требует тепловой энергии для запуска процесса фазового перехода из твердого состояния в газообразное.
При сублимационной сушке продукта необходимо учитывать все три метода теплопередачи – проводимость, конвекцию и излучение. В простой коллекторной сушилке тепло передается к колбе/продукту в основном за счет конвекции и излучения из окружающей среды. При недостаточном контроле над тепловым потоком в продукте труднее контролировать процесс. При работе с продуктами с низкими температурами разрушения может возникнуть необходимость укутать или изолировать колбу, чтобы замедлить скорость теплопередачи и избежать разрушения. В полочной сублимационной сушилке большая часть тепла передается продукту за счет проводимости, и важно обеспечить максимальный контакт поверхности продукта/контейнера/подноса с полкой. Однако влияние радиации и конвекции также необходимо учитывать в целях обеспечения однородности продукта и контроля процесса.
Излучение тепла от внутренних стенок камеры для продукта приведет к тому, что продукт/флаконы по периметру полки высохнут быстрее, чем продукт в центре полки (при сублимационной сушке это называется «краевым эффектом»). Излучение, проникающее через акриловые дверцы, обычно используемые в пилотных и научно-исследовательских сублимационных сушилках, имеет еще больший эффект, и продукт, расположенный в передней части этих сушилок, обычно высыхает быстрее всех. По этой причине производственные сублимационные сушилки имеют металлические двери и небольшие смотровые окна. Кусок алюминиевой фольги можно повесить перед продуктом внутри пилотной сублимационной сушилки в качестве щита – конечно, это закроет обзор продукта и не позволит наблюдать во время процесса.
Поскольку контакт с полкой часто бывает непостоянным, конвективная теплопередача может способствовать равномерной сушке продукта. Давление в системе в диапазоне от 100 мТорр до 300 мТорр обычно способствует достаточной конвекции. При сверхнизком давлении в системе менее 50 мТорр присутствует меньше молекул газа, обеспечивающих конвекцию, и вероятно неравномерное/медленное высыхание.
Теплопередача в сублимационной сушилке
Первичная сушка представляет собой процесс сверху вниз с четко выраженным фронтом сублимации, проходящим через продукт по мере его высыхания. Над поверхностью льда находится высушенный продукт, или «жмых»; ниже границы раздела находится продукт с кристаллами льда, которые еще предстоит сублимировать. В конце первичной сушки, когда все кристаллы свободного льда сублимированы, продукт будет выглядеть высушенным. Однако содержание влаги все равно может находиться в диапазоне 5-10% из-за присутствия «сорбированных» молекул воды, прикрепленных к продукту.
Давление и температура во время первичной сушки
Как упоминалось ранее, каждый замороженный продукт имеет уникальную критическую температуру. Во время первичной сушки необходимо поддерживать температуру продукта ниже этой критической температуры, чтобы избежать разрушения. Температура продукта зависит от давления пара на границе раздела льда, а это давление пара, в свою очередь, зависит как от скорости теплопередачи в продукт (которая контролируется путем регулирования температуры полки), так и от заданного значения уровня вакуума в системе. Как только целевая температура продукта определена (обычно на несколько градусов ниже критической температуры), остается определить/контролировать только две переменные: температуру полки и уровень вакуума в системе. Во время первичной сушки давление в системе и температура на полке устанавливаются и контролируются совместно для получения соответствующей температуры продукта.
Рекомендуемый подход — сначала установить давление в системе, используя давление паров ледяного стола. Температура продукта контролируется с помощью термопар, а затем заданное значение температуры на полке медленно увеличивается до тех пор, пока продукт не достигнет целевой температуры. Когда достигается целевая температура продукта, температура полки поддерживается постоянной для баланса первичной сушки. Для некоторых продуктов с высоким сопротивлением потоку пара в высушенной части кека может потребоваться снижение температуры на полке к концу первичной сушки, чтобы поддерживать температуру продукта на заданном уровне и избежать разрушения.
Не рекомендуется произвольно и неоднократно повышать температуру полки во время первичной сушки, как это наблюдалось в некоторых старых устаревших циклах.
Использование давления пара ледяного стола — это научный способ определить подходящее давление для сублимационной сушки. Общая рекомендация – выбирать давление в системе, составляющее от 20% до 30% давления паров льда при целевой температуре продукта. Когда заданное значение уровня вакуума превышает давление паров льда при текущей температуре продукта, может произойти сублимация. Обычно уровень вакуума для сублимационной сушки составляет от 50 до 300 мТорр, причем наиболее распространенным диапазоном является диапазон от 100 до 200 мТорр.
Поскольку большинство коммерческих лиофилизаторов не могут постоянно контролировать вакуум ниже 30 мТорр, при очень низких температурах продукта (ниже -40°C) становится невозможным обеспечить заданное значение давления в системе, составляющее от 20% до 30% давления паров льда. При таких низких температурах продукта сублимационная сушка происходит очень медленно. При лиофилизации с использованием коллектора процесс определяется заданным давлением в системе и температурой окружающей среды в помещении. Из-за отсутствия контроля над скоростью передачи тепла в продукт большинство коллекторных сушилок работают консервативно при более низких давлениях, чтобы поддерживать более низкую температуру продукта.
Определение окончания первичной сушки
Для определения завершения первичной сушки доступно несколько аналитических методов. Самый простой метод — контролировать температуру продукта с помощью термопары. Измеренная температура продукта будет ниже заданной температуры полки во время активной первичной сушки, поскольку тепло с полки используется для изменения фазы сублимации. Когда сублимация кристаллов льда завершится, температура продукта повысится и приблизится к температуре полки. Когда температура продукта сравняется с температурой полки, можно сделать вывод, что первичная сушка завершена.
Конкретный флакон, содержащий проволоку термопары, обычно высыхает быстрее, чем другие флаконы на полке, поскольку проволока проводит больше тепла в этот конкретный флакон. Аналогичным образом, при массовой сушке область вокруг провода термопары высыхает быстрее, чем другие области лотка для продукта. Важно обеспечить небольшое дополнительное время сушки (от 30 минут до 2 часов, в зависимости от характеристик продукта) после повышения температуры термопары продукта, чтобы гарантировать, что весь лед во всей партии продукта полностью сублимирован. Поскольку продукт высыхает сверху вниз, кончик термопары всегда следует располагать в самом низу и в центре контейнера. Ничего страшного, если термопара касается дна контейнера. При сушке во флаконах рекомендуется вставлять термопару в флакон, расположенный в середине полки. Эффект лучистого нагрева приведет к более быстрому высыханию флаконов/продукта по периметру полки.
Дополнительные инструменты определения конечной точки первичной сушки доступны на более крупных лиофилизаторах, оснащенных современными системами управления процессом. Один из таких методов заключается в сравнении параллельных показаний давления манометра Пирани и емкостного манометра. Емкостный манометр всегда дает истинные показания давления в камере продукта. Однако манометр Пирани даст ложно высокие показания в присутствии водяного пара. Когда показание давления Пирани уменьшается и приближается к истинному показанию емкостного манометра, водяного пара присутствует мало или он отсутствует, и можно сделать вывод, что первичная сушка завершена. Доступен другой инструмент с конструкциями сублимационной сушки с внешними конденсаторами. К паровому отверстию, соединяющему камеру продукта с конденсатором, можно добавить запорный клапан. Этот клапан можно закрыть на короткий период времени и измерить последующее повышение давления в камере продукта. Когда это повышение давления приближается к нулю, водяной пар больше не образуется в результате сублимации.
Вторичная сушка
Помимо свободного льда, который сублимируется при первичной сушке, остается значительное количество молекул воды, связанных с продуктом. Это вода, которая удаляется (десорбируется) при вторичной сушке. Поскольку при первичной сушке весь свободный лед был удален, температуру продукта теперь можно значительно повысить, не опасаясь его таяния или разрушения. Вторичная сушка фактически начинается во время первичной фазы, но при повышенных температурах (обычно в диапазоне от 30°C до 50°C) десорбция протекает гораздо быстрее. Скорость вторичной сушки зависит от температуры продукта. Вакуум в системе можно поддерживать на том же уровне, который использовался во время первичной сушки; более низкий уровень вакуума не улучшит время вторичной сушки. Для аморфных продуктов может потребоваться, чтобы повышение температуры от первичной к вторичной сушке контролировалось с низкой скоростью, чтобы избежать разрушения. Вторичную сушку продолжают до тех пор, пока содержание влаги в продукте не станет приемлемым для длительного хранения. В зависимости от применения содержание влаги в полностью высушенных продуктах обычно составляет от 0,5% до 3%. В большинстве случаев, чем суше продукт, тем дольше будет срок его хранения. Однако некоторые сложные биологические продукты могут стать слишком сухими для достижения оптимальных результатов хранения, и процесс вторичной сушки следует контролировать соответствующим образом. Во время вторичной сушки можно использовать механизм «похитителя проб» для периодического извлечения флаконов из сублимационной сушилки для определения остаточного содержания влаги.
Оптимизация цикла
Помимо разработки рецепта успешной сушки продукта, также чрезвычайно важно оптимизировать (сократить) продолжительность цикла, особенно если существует вероятность повторения процесса или масштабирования производства. Сублимационная сушка может занять несколько дней. Время цикла часто можно существенно сократить, исследуя несколько факторов: Замораживание и отжиг – максимизируйте размер кристаллов и кристаллизацию для увеличения скорости сушки. Толщина продукта – молекулы водяного пара испытывают сопротивление при выходе из высушенной части продукта. Более тонкие образцы дают меньшее сопротивление потоку пара и приводят к более быстрому высыханию. Замораживание скорлупы может помочь при сушке сыпучего продукта в колбах. Критическая температура разрушения – это наиболее важная информация для оптимизации цикла. Возможность проводить первичную сушку при более высоких температурах продукта значительно сокращает время сушки за счет создания большей разницы давлений между давлением пара над льдом в продукте и давлением в конденсаторе. Каждое повышение температуры продукта на 1°C может сократить время первичной сушки на 13%. Оптимизация цикла с использованием информации о температуре эвтектики/коллапса требует итеративного подхода, заключающегося в измерении температуры продукта в реальном времени во время первичной сушки, а затем внесении соответствующих корректировок в настройки температуры на полке. Это можно сделать вручную с помощью термопар продукта или, при сушке во флаконах, можно использовать автоматизированную систему.
Масштабирование процесса
Лабораторные полочные сублимационные сушилки пилотного размера часто используются для разработки цикла, который будет использоваться для масштабирования процесса до более крупного производства. Сходство характеристик теплопередачи и однородность температуры на полках важны для обеспечения того, чтобы процесс лиофилизации, разработанный в лаборатории, мог быть успешно перенесен в производственную сублимационную сушилку. Одним из наиболее важных факторов, которые следует учитывать, является разница между чистой комнатой, типичной для производственной сублимационной сушилки, и лабораторной средой, в которой работает большинство пилотных установок. Разница в твердых частицах может сильно повлиять на замораживание продукта и размер кристаллов льда. Производственные сублимационные сушилки обычно настраиваются для работы в чистых помещениях и могут иметь возможность очистки на месте (CIP) и стерилизации паром (SIP).
Хранение высушенной продукции
Лиофилизированные продукты чрезвычайно гигроскопичны, и после сублимационной сушки их необходимо запечатывать в герметичные контейнеры, чтобы предотвратить регидратацию от воздействия атмосферы. Сублимационные сушилки могут быть оснащены функцией «пробки», позволяющей запечатывать продукт, пока он все еще находится под частичным вакуумом внутри устройства. Обычно закупорку производят на флаконах с частично вставленными пробками. Полки сложены так, что каждая полка выталкивает вниз флаконы/пробки, расположенные на соседней полке. Перед герметизацией продукта также часто заполняют его инертным газом, например сухим азотом.