Этот материал был разработан в качестве основного руководства по процессу сублимационной сушки. Представленная информация носит общий характер и является результатом исследований и опыта сотрудников и пользователей оборудования для сублимационной сушки. Мы намерены предоставить объективный обзор методов приготовления и методов сублимационной сушки. Цель данной статьи – помочь вам сделать осознанный выбор оборудования для ваших лабораторных исследований.
Метод
Мы начнем обсуждение сублимационной сушки в лаборатории с рассмотрения трех этапов этого процесса: предварительного замораживания, первичной сушки и вторичной сушки. Далее мы рассмотрим типичный цикл сублимационной сушки и доступные методы, облегчающие процесс сублимационной сушки с использованием оборудования, предназначенного для использования в лабораториях. Наконец, обсуждаются предложения по оптимизации успешных результатов, включая определение конечной точки, загрязнения, засыпки высушенных образцов и стабильности продукта.
Общие сведения
Сублимационная сушка уже много лет используется в ряде применений, чаще всего в пищевой и фармацевтической промышленности. Однако существует множество других применений этого процесса, включая подготовку термочувствительных образцов, исследование растительного материала, стабилизацию живых материалов, таких как микробные культуры, долгосрочное хранение образцов ВЭЖХ, консервацию целых образцов животных для музейной экспозиции, реставрацию книги и другие предметы, поврежденные водой, а также концентрирование и восстановление продуктов реакции.
Для создания условий, способствующих процессу сублимационной сушки, необходимо специальное оборудование. Это оборудование в настоящее время доступно и может обеспечить сублимационную сушку материалов от проектов лабораторного масштаба до промышленного производства. Сублимационная сушка включает удаление воды или другого растворителя из замороженного продукта с помощью процесса, называемого сублимацией. Сублимация происходит, когда замороженная жидкость переходит непосредственно в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Напротив, сушка при температуре окружающей среды из жидкой фазы обычно приводит к изменениям в продукте и может быть пригодна только для некоторых материалов. Однако при сублимационной сушке материал не переходит в жидкую фазу, что позволяет получить стабильный продукт, удобный в использовании и эстетичный на вид.
Преимущества сублимационной сушки очевидны. Правильно сублимированные продукты не требуют охлаждения и могут храниться при температуре окружающей среды. Поскольку стоимость специального оборудования, необходимого для сублимационной сушки, может быть значительной, этот процесс может оказаться дорогостоящим мероприятием. Однако экономия, достигаемая за счет стабилизации нестабильного продукта при температуре окружающей среды и, таким образом, устранения необходимости в охлаждении, более чем компенсирует инвестиции в оборудование для сублимационной сушки.
Принципы сублимационной сушки
Процесс сублимационной сушки состоит из трех этапов: предварительное замораживание, первичная сушка и вторичная сушка.
Предварительное замораживание
Поскольку сублимационная сушка представляет собой изменение состояния твердой фазы в газообразную, материал, подлежащий сублимационной сушке, сначала должен быть соответствующим образом предварительно заморожен. Способ предварительного замораживания и конечная температура замороженного продукта могут повлиять на возможность успешной сублимационной сушки материала. Быстрое охлаждение приводит к образованию мелких кристаллов льда, полезных для сохранения структур, подлежащих микроскопическому исследованию, но в результате получается продукт, который труднее высушить замораживанием. Более медленное охлаждение приводит к увеличению кристаллов льда и уменьшению ограничительных каналов в матрице во время процесса сушки.
Продукты замораживают двумя способами, в зависимости от состава продукта. Большинство продуктов, подвергаемых сублимационной сушке, состоят в основном из воды (растворителя) и материалов, растворенных или суспендированных в воде (растворенное вещество). Большинство образцов, подлежащих сублимационной сушке, представляют собой эвтектики, представляющие собой смесь веществ, которые замерзают при более низких температурах, чем окружающая вода. При охлаждении водной суспензии происходят изменения в концентрациях растворенных веществ матрицы продукта.
По мере охлаждения вода отделяется от растворенных веществ и превращается в лед, создавая более концентрированные области растворенных веществ. Эти карманы концентрированных материалов имеют более низкую температуру замерзания, чем вода. Хотя продукт может показаться замороженным из-за присутствия в нем льда, на самом деле он не заморожен полностью, пока все растворенные вещества в суспензии не замерзнут. Смесь растворенных веществ различной концентрации с растворителем составляет эвтектику суспензии. Только когда вся эвтектическая смесь замерзнет, суспензия замерзнет должным образом. Это называется эвтектической температурой.
При сублимационной сушке очень важно предварительно заморозить продукт до температуры ниже эвтектической температуры перед началом процесса сублимационной сушки. Небольшие карманы незамороженного материала, оставшиеся в продукте, расширяются и ухудшают структурную стабильность лиофилизированного продукта. Второй вид замороженного продукта представляет собой суспензию, в которой в процессе замораживания происходит стеклообразование. Вместо образования эвтектики вся суспензия становится все более вязкой при понижении температуры. Наконец, продукт замерзает в точке стеклования, образуя стекловидное твердое вещество. Этот тип продукта чрезвычайно сложно заморозить.
Первичная сушка
На возможность сублимационной сушки замороженной суспензии могут повлиять несколько факторов. Хотя эти факторы можно обсуждать независимо, следует помнить, что они взаимодействуют в динамической системе, и именно этот тонкий баланс между этими факторами приводит к получению правильно сублимированного продукта. После предварительного замораживания продукта должны быть созданы условия, при которых лед может быть удален из замороженного продукта путем сублимации, в результате чего получается сухой, структурно неповрежденный продукт. Это требует очень тщательного контроля двух параметров, температуры и давления, используемых в системе сублимационной сушки.
Скорость сублимации льда из замороженного продукта зависит от разницы давления пара продукта по сравнению с давлением пара ледосборника. Молекулы мигрируют из образца с более высоким давлением в область с более низким давлением. Поскольку давление пара зависит от температуры, необходимо, чтобы температура продукта была выше температуры холодной ловушки (ледяного коллектора). Чрезвычайно важно, чтобы температура, при которой продукт подвергается сублимационной сушке, была сбалансирована между температурой, которая поддерживает замороженную целостность продукта, и температурой, которая максимизирует давление паров продукта. Этот баланс является ключом к оптимальной сушке.
Типичная фазовая диаграмма иллюстрирует этот момент. Большинство продуктов замораживают значительно ниже точки эвтектического перехода или стеклования (точка А), а затем температуру повышают чуть ниже этой критической температуры (точка Б) и подвергают продуктам пониженному давлению. На этом этапе начинается процесс сублимационной сушки.
Некоторые продукты, такие как водные растворы сахарозы, могут претерпевать структурные изменения в процессе сушки, что приводит к явлению, известному как коллапс. Хотя продукт замораживается ниже эвтектической температуры, нагревание в процессе сублимационной сушки может повлиять на структуру замороженной матрицы на границе фронта сушки. Это приводит к коллапсу структурной матрицы. Чтобы предотвратить разрушение продуктов, содержащих сахарозу, температура продукта должна оставаться ниже критической температуры разрушения во время первичной сушки.
Температура разрушения сахарозы составляет -32°C. Независимо от того, какой тип системы сублимационной сушки используется, необходимо создать условия, способствующие свободному выходу молекул воды из продукта. Таким образом, вакуумный насос является важным компонентом системы сублимационной сушки и используется для понижения давления окружающей среды вокруг продукта (до точки С). Другим важным компонентом является система сбора, представляющая собой холодную ловушку, используемую для сбора влаги, выходящей из замороженного продукта. Коллектор конденсирует все конденсирующиеся газы, т.е. молекулы воды, а вакуумный насос удаляет все неконденсирующиеся газы.
Важно понимать, что давление паров продукта приводит к сублимации молекул водяного пара из матрицы замороженного продукта в коллектор. Молекулы имеют естественное стремление двигаться к коллектору, поскольку давление пара у него ниже, чем у продукта. Поэтому температура коллектора (точка D) должна быть значительно ниже температуры продукта. Как можно отметить, повышение температуры продукта оказывает большее влияние на перепад давления пара, чем понижение температуры коллектора.
Третий компонент, важный в системе сублимационной сушки, — это энергия. Энергия поставляется в виде тепла. Для сублимации грамма воды из замороженного состояния в газообразное требуется почти в десять раз больше энергии, чем для замораживания грамма воды. Следовательно, при соблюдении всех других условий к продукту необходимо приложить тепло, чтобы способствовать удалению воды в виде пара из замороженного продукта. Нагрев необходимо очень тщательно контролировать, поскольку подача большего количества тепла, чем может удалить испарительное охлаждение в системе, нагревает продукт выше его эвтектической температуры или температуры разрушения. Тепло можно применять несколькими способами. Один из методов заключается в подаче тепла непосредственно через полку с теплопроводом, например, которая используется при сушке на лотках. Другой метод заключается в использовании окружающего тепла, как при сушке в коллекторе.
Вторичная сушка
После завершения первичной сублимационной сушки и сублимации всего льда в продукте все еще присутствует связанная влага. Продукт выглядит сухим, но остаточная влажность может достигать 7-8%. Продолжение сушки необходимо при более высокой температуре, чтобы снизить остаточную влажность до оптимальных значений. Этот процесс называется изотермической десорбцией, поскольку связанная вода десорбируется из продукта. Вторичную сушку обычно продолжают при температуре продукта выше температуры окружающей среды, но совместимой с чувствительностью продукта. Все остальные условия, такие как давление и температура коллектора, остаются прежними. Поскольку процесс является десорбционным, вакуум должен быть как можно более низким (без повышенного давления), а температура коллектора должна быть как можно более низкой. Вторичная сушка обычно занимает примерно от 1/3 до 1/2 времени, необходимого для первичной сушки.
Как работает сублимационная сушка
Обратитесь к фазовой диаграмме и типичному циклу сублимации.
Продукт сначала охлаждают до температуры ниже эвтектической температуры (точка А). Коллектор охлаждают до температуры примерно на 20°C ниже, чем температура продукта, обычно от -50 до -105°C. Продукт следует подвергать сублимационной сушке при температуре немного ниже его температуры эвтектики или разрушения (точка B), поскольку Чем холоднее продукт, тем больше времени требуется для завершения первичной сушки и тем ниже температура коллектора, необходимая для адекватной сублимационной сушки продукта.
После того, как продукт достаточно заморожен и достигнута температура коллектора, систему вакуумируют с помощью вакуумного насоса (точка C). В этот момент начинается первичная сушка продукта, которая продолжается до тех пор, пока вся замороженная матрица не станет сухой. Подвод тепла к продукту может быть достигнут несколькими способами, такими как повышение температуры полки в случае сушки на лотках или использование жидкой ванны для сушки в коллекторе. Хотя коллектор и вакуумный насос создают условия для сублимации, на самом деле движущей силой всего процесса является поступление тепла.
Теплоемкость образца можно увеличить, контролируя давление в системе на некотором уровне выше предельной мощности вакуумного насоса. Некоторые сублимационные сушилки оснащены системами контроля вакуума, которые автоматически регулируют давление до заданного уровня. Это позволяет дополнительным молекулам газа находиться в системе, тем самым улучшая проводимость тепла к образцу. Это повышает скорость сублимации, сокращая время процесса и связанные с этим затраты энергии. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы давление внутри системы не превышало давление паров льда продукта, иначе может произойти плавление образца.
Поступление тепла в продукт необходимо очень тщательно контролировать, особенно на ранних стадиях сушки. Конфигурация контейнера для продукта и объем содержащегося в нем продукта могут влиять на количество подводимого тепла. Для небольших объемов материала испарительное охлаждение компенсирует высокий уровень тепла, и сушка ускоряется. Объем и конфигурация суспензии, подлежащей сублимационной сушке, часто определяют способ сублимационной сушки материала. Например, чем больше соотношение площади поверхности к объему суспензии, тем быстрее происходит высыхание. Это связано с тем, что существует большая площадь, на которой молекулы воды могут покинуть продукт, по сравнению с расстоянием, которое им приходится преодолевать, чтобы достичь поверхности замороженной матрицы.
Сушка происходит сверху продукта, и первоначально удаление молекул воды происходит эффективно. Однако по мере продвижения фронта сушки вниз по продукту сушка становится все труднее. Молекулы воды теперь должны проходить через высушенные части продукта, что препятствует их продвижению. По мере того как фронт сушки продвигается все дальше и дальше вниз по матрице, применение тепла к продукту становится все более важным.
Замораживание оболочки как метод предварительного замораживания продукта позволяет увеличить соотношение площади поверхности к объему за счет распределения замороженного продукта внутри сосуда.
Замораживание оболочки осуществляется путем вращения сосуда в низкотемпературной бане, в результате чего продукт замерзает тонким слоем на внутренней поверхности сосуда. Толщина замороженной суспензии зависит от объема продукта по сравнению с размером сосуда. Замораживание скорлупы в основном используется в сочетании с сушкой в коллекторе. Вакуумная система очень важна во время сублимационной сушки, поскольку давление необходимо поддерживать на низком уровне, чтобы обеспечить достаточный поток водяного пара из продукта в коллектор.
Манометр (обычно называемый вакуумметром) используется для контроля давления в системе во время процесса сушки. Давление может быть выражено в нескольких различных единицах. Некоторые манометры измеряют конденсирующиеся газы, а другие — нет. Манометры, которые не измеряют конденсирующиеся газы, показывают общее давление в системе. Манометры, которые распознают конденсирующиеся газы, указывают на изменение давления во время сушки. Эти датчики можно использовать в качестве индикаторов скорости сушки, а также конечной точки процесса сушки.
Методы сублимационной сушки
Обычно используются три метода сублимационной сушки: (1) сушка в коллекторе, (2) периодическая сушка и (3) сушка в массе. Каждый метод имеет определенную цель, и используемый метод зависит от продукта и желаемой окончательной конфигурации.
Сушка в коллекторе
При методе коллектора колбы, ампулы или флаконы индивидуально прикрепляются к портам коллектора или сушильной камеры. Продукт замораживают либо в морозильной камере, либо путем непосредственного погружения в низкотемпературную баню, либо путем замораживания оболочки, в зависимости от природы продукта и объема, подлежащего сублимационной сушке. Предварительно замороженный продукт быстро прикрепляется к сушильной камере или коллектору во избежание нагревания. Вакуум в контейнере с продуктом должен быть создан быстро, и для поддержания низкой температуры продукта оператор полагается на испарительное охлаждение. Эту процедуру можно использовать только для относительно небольших объемов и продуктов с высокими температурами эвтектики и коллапса.
Сушка в коллекторе имеет ряд преимуществ по сравнению с сушкой на лотках периодического действия. Поскольку сосуды подключаются к коллектору индивидуально, каждый флакон или колба имеет прямой путь к коллектору. Это устраняет некоторую конкуренцию за молекулярное пространство, создаваемое в периодической системе, и наиболее идеально реализуется в цилиндрической сушильной камере, где расстояние от коллектора до каждого резервуара для продукта одинаково. В тройничном коллекторе молекулы воды, покидающие продукт в сосудах, наиболее удаленных от коллектора, испытывают некоторые заторы на дорогах, проходя мимо портов других сосудов.
На поступление тепла можно повлиять, просто подвергая сосуды воздействию температуры окружающей среды или с помощью циркуляционной ванны. Для некоторых продуктов, где требуется точный контроль температуры, сушка в коллекторе может оказаться неприемлемой. Несколько емкостей могут быть размещены в системе коллекторов, что позволяет одновременно сушить разные продукты в емкостях разного размера с различными системами закрытия. Поскольку продукты и их объемы могут различаться, каждый сосуд можно снимать с коллектора отдельно по мере завершения его сушки. Непосредственная близость к коллектору также создает среду, максимально повышающую эффективность сушки.
Периодическая сушка
При периодической сушке большое количество сосудов одинакового размера, содержащих одинаковые продукты, помещают вместе в лотковую сушилку. Продукт обычно предварительно замораживают на полке лотковой сушилки. Можно поддерживать точный контроль температуры продукта и количества тепла, подаваемого на продукт во время сушки. Обычно в процессе сушки все флаконы в партии обрабатываются одинаково, хотя в системе могут возникать некоторые различия. Небольшие различия в поступлении тепла от полки можно наблюдать в разных зонах.
Флаконы, расположенные в передней части полки, можно нагревать лучистым излучением через прозрачную дверцу. Эти небольшие изменения могут привести к небольшим различиям в остаточной влажности. Периодическая сушка позволяет закрыть все флаконы в партии одновременно и в одинаковых атмосферных условиях. Флаконы можно закупоривать в вакууме или после заполнения инертным газом. Одновременное закупоривание всех флаконов обеспечивает однородную среду в каждом флаконе и равномерную стабильность продукта при хранении. Периодическая сушка используется для приготовления большого количества ампул или флаконов одного продукта.
Сушка в массе
Массовая сушка обычно осуществляется в лотковой сушилке, как и периодическая сушка. Однако продукт сливают в объемную кастрюлю и сушат как единое целое. Хотя продукт распределяется по всей площади поверхности полки и может иметь ту же толщину, что и продукт, высушенный во флаконах, отсутствие пустых пространств в массе продукта изменяет скорость подвода тепла.
Подводимое тепло ограничивается в первую очередь теплом, обеспечиваемым контактом с полкой. Массовая сушка не позволяет герметизировать продукт в контролируемых условиях, как это происходит при групповой или периодической сушке. Обычно продукт вынимают из системы сублимационной сушки перед закрытием, а затем упаковывают в герметичные контейнеры. Массовая сушка обычно предназначена для стабильных продуктов, которые не очень чувствительны к кислороду или влаге.
Определение конечных точек сушки
Для определения конечной точки первичной сушки можно использовать несколько способов. Граница сушки в контейнерах для периодической сушки переместилась на дно контейнера с продуктом, и проверка показала, что в продукте не видно льда. Отсутствие видимого льда указывает только на то, что высыхание по краям контейнера завершено, и не указывает на состояние продукта в центре. Электронный вакуумметр можно использовать для измерения количества конденсируемых газов в системе. Когда давление, указанное электронным манометром, достигает минимального давления, достижимого системой, водяной пар больше не выходит из продукта.
Поскольку подвод тепла к продукту увеличивается, испарительное охлаждение поддерживает температуру продукта значительно ниже температуры окружающей атмосферы. Когда первичная сушка завершена, температура продукта повышается до температуры окружающей среды. В коллекторных системах и лотковых сушилках с внешними коллекторами путь к коллектору может быть перекрыт клапаном, а давление над продуктом измеряется вакуумметром. Если высыхание все еще происходит, давление в системе увеличивается.
Загрязнение в системе сублимационной сушки
В лиофилизированной системе могут возникнуть два типа загрязнения. Один из них возникает в результате сублимационной сушки микроорганизмов, а другой — в результате сублимационной сушки коррозионных материалов. Потенциал загрязнения системы сублимационной сушки микроорганизмами реален в любой системе, где микроорганизмы подвергаются сублимационной сушке без защитного барьера, такого как бактериологический фильтр. Загрязнение наиболее заметно в сушильных системах периодического действия, где большое количество флаконов сушат в одной камере.
Доказательства загрязнения можно обнаружить путем отбора проб с поверхностей флаконов, полок и коллектора. Наибольшая степень загрязнения обычно обнаруживается на флаконах и коллекторе. Хотя некоторое загрязнение флакона может быть вызвано небрежным первоначальным дозированием материала, загрязнение сборника происходит из-за микроорганизмов, перемещающихся из продукта в сборник через поток паров.
Возможность загрязнения необходимо учитывать каждый раз, когда микроорганизмы подвергаются сублимационной сушке, и необходимо принимать меры предосторожности при обращении с материалом после завершения процесса сублимационной сушки. Признавая, что флаконы потенциально загрязнены, оператор должен переместить флаконы в безопасное место, например, в ламинарный шкаф, для обеззараживания. Обеззараживание системы сублимационной сушки зависит от типа используемой системы сублимационной сушки. Некоторые сушильные системы на лотках предназначены для обеззараживания под давлением с использованием стерилизации оксидом этилена. Оксид этилена считается опасным, коррозионным и вредным для резиновых компонентов. Его использование должно тщательно контролироваться.
В сочетании с риском загрязнения в системе сублимационной сушки существует риск перекрестного загрязнения при сублимационной сушке более чем одного продукта одновременно. Не рекомендуется смешивать микробиологические продукты в лиофилизированной системе, если только не используется какой-либо бактериологический фильтр для предотвращения выхода микробиологического продукта из самого флакона.
Хотя сублимационная сушка коррозионно-активных материалов не обязательно представляет риск для оператора, она все же представляет риск повреждения самой системы сублимационной сушки. Хотя системы сублимационной сушки разработаны с использованием материалов, устойчивых к коррозии и предотвращающих накопление коррозийных материалов, следует тщательно очищать систему после каждого использования, чтобы защитить ее от повреждений.
Обратная засыпка
Для многих лиофилизированных продуктов наиболее идеальной системой укупоривания является вакуум. Это обеспечивает среду, в которой предотвращается контакт влаги и кислорода, вредных для лиофилизированного материала, с продуктом. В некоторых случаях вакуум в контейнере может быть далеким от идеального, особенно когда для извлечения продукта используется шприц или когда открытие сосуда приводит к выбросу потенциально загрязняющего воздуха. В этих случаях часто бывает полезным заполнение контейнера с продуктом инертным газом, таким как аргон или азот.
Инертный газ должен быть сверхчистым, не содержащим кислорода и влаги. Заполнение контейнера с продуктом обычно полезно в сушильной системе периодического действия. Засыпку также следует осуществлять через бактериологический фильтр. Важно, чтобы поток газа во время засыпки был достаточно медленным, чтобы обеспечить охлаждение газа и предотвратить повышение температуры коллектора. Заполнение может осуществляться до любого желаемого давления в лотковых сушилках, которые имеют возможность внутренней закупорки, а затем флаконы закупориваются при желаемом давлении.
Стабильность лиофилизированных продуктов
Несколько факторов могут повлиять на стабильность лиофилизированного материала. Двумя наиболее важными являются влага и кислород. Во всех сублимированных продуктах остается небольшое количество влаги, называемое остаточной влажностью. Количество влаги, остающейся в материале, зависит от характера продукта и продолжительности вторичной сушки. Остаточную влажность можно измерить несколькими способами: химически, хроматографически, манометрически или гравиметрически. Выражается в массовых процентах от общей массы высушенного продукта.