Сублимационная сушка, или лиофилизация, является наиболее щадящим методом сушки материалов. Основное физическое явление сублимации относится к прямому переходу из твердого состояния в парообразное, минуя жидкое состояние. Таким образом, замороженный продукт сушится под вакуумом, не оттаивая. Метод имеет широкий спектр потенциальных применений:
• Сохранение свойств исходных веществ продукта (например, фармацевтические продукты, молоко)
• Сохранение первоначальной формы (например, таксидермия, археологические объекты, цветы)
• Кондиционирование материала (например, замораживание). сухофрукты)
• Химический анализ, подготовка проб (например, определение органических следов в пищевых продуктах, осадке и почве).
Сублимационная сушка используется для более чем 30 различных категорий веществ и материалов, причем наиболее важными рынками являются фармацевтика и биотехнология, подготовка проб в лабораториях и стабилизация пищевых продуктов.
В целом лиофилизацию разделяют на системы периодического и непрерывного действия. Системы прерывистого действия доступны на рынке в версиях от 2 кг до примерно 1 метрической тонны на партию. На мировом рынке производятся как серийное лабораторное оборудование, так и пилотные сублиматоры и крупные производственные линии.
Лабораторные системы сублимационной сушки
• Емкость ледяного конденсатора от 2 до 24 кг
• Системы охлаждения с воздушным охлаждением
• Широкий выбор аксессуаров для различных применений
• Обычно для сушки предварительно замороженных продуктов
Пилотные системы сублимационной сушки
• Емкость ледяного конденсатора от 4 до 16 кг
• Холодильные системы с воздушным или водяным охлаждением
• Замораживание и сушка в сушильной камере на полках с жидкостным охлаждением
• Возможна интеграция изолятора
Производственные системы сублимационной сушки
• Емкость ледяного конденсатора от 20 до 500 кг
• Системы охлаждения с водяным охлаждением
• Замораживание и сушка в сушильной камере на полках с жидкостным охлаждением
• Одно- или двухкамерные системы
• Специальные системы по индивидуальному заказу с очисткой и стерилизацией
• Интеграция процессов с автоматической загрузкой и разгрузкой (LyoShuttle) и интеграцией изоляторов.
Основы
Принцип сублимации объясняется ниже с использованием фазовой диаграммы воды.
На практике этот процесс почти всегда используется для водных систем, но в последние годы возросла популярность лиофильной сушки специальных смесей растворителя и воды. На фазовой диаграмме чистого материала каждое из трех состояний пара, жидкости и твердого тела ограничено кривой функции давления и температуры. На каждой из этих кривых происходят фазовые переходы. Фазовая диаграмма воды более подробно объясняется в этом примере.
Кривая давления пара (I) описывает фазовый переход кипение/конденсация. Например, оно описывает кипение воды при температуре 100 °С при атмосферном давлении. Более низкое давление смещает точку кипения вниз (принцип вакуумной перегонки), а более высокое давление повышает точку кипения (что является причиной того, что время приготовления в скороварке сокращается). Кривая давления сублимации (II) описывает фазовый переход сублимации или десублимации/ресублимации. Пар переходит непосредственно в проданную фазу (лед).
Одним из примеров этого является сублимация CO2 в атмосферных условиях. Кривая давления расплава (III) описывает переход между плавлением и замерзанием. Если давление больше 6,11 мбар, то H2O проходит через все три состояния (твердое, жидкое, пар) при повышении или понижении температуры. Однако ниже этой точки, то есть если давление меньше 6,11 мбар, H2O переходит непосредственно из твердого состояния в парообразное. Точно при давлении 6,11 мбар и температуре 0,01 °C кривая давления расплава, кривая давления пара и кривая сублимации встречаются в одной точке, тройной точке. В этот момент все три состояния возникают одновременно. Выше так называемой критической точки, при 373,95 °C и 220,64 бар, не наблюдается четко выраженного фазового перехода из паровой фазы в жидкость. Все фазовые переходы актуальны для лиофилизации. Кривая давления сублимации здесь особенно важна, поскольку сублимация из льда в пар, желательная для сушки вымораживанием, возможна только ниже тройной точки. На практике процессы сублимационной сушки обычно происходят при температуре от –20 °C до –40 °C.
Структура системы
Сублимационная сушилка или лиофилизатор состоит, по существу, из ресивера (камеры для продукта), сепаратора водяного пара (ледяного конденсатора) и насосно-откачивающего устройства (вакуумного насоса). На основе этой концепции существует множество технических решений. Основными компонентами системы сублимационной сушки являются:
• Вакуумная сушильная камера
• Вакуумный насос для откачивания воздуха из сушильной камеры (газовый насос) и регулирования вакуума при сушке с помощью клапана регулирования давления
• Ледяной конденсатор с температурой от –55 °C до –105 °C (в зависимости от типа системы) для ресублимации водяного пара из сушильной камеры (паровой насос)
К основным компонентам можно добавить обширные аксессуары, такие как:
• Отапливаемые или неотапливаемые зоны хранения для сушки в лотках
• Полки с крышками для сушки в бутылках.
• Резиновые клапаны для подключения круглодонных колб, широкогорлых бутылей и т.п.
• Коллектор для подключения круглодонных колб, широкогорлых бутылей и т.п.
• Контроллер для управления и наблюдения за параметрами процесса.
Как для лабораторных систем, так и для систем сублимационной сушки коммерческого производства различают однокамерные и двухкамерные системы. В однокамерной системе замораживание и последующая сушка продукта выполняются в камере ледяного конденсатора. Образец замораживается из-за низкой температуры ледяного конденсатора (–55 °С или –105 °С). Внутреннее пространство можно охладить примерно до –20 °C или –40 °C. Значительного улучшения передачи холода от ледяного конденсатора к образцу можно добиться с помощью вентилятора на этапе замораживания в лабораторной системе. В более крупных сублимационных сушилках для замораживания используются охлаждаемые полки. Умеренная энергозатратность замороженного образца, необходимая для первичной сушки, обеспечивается через обогреваемую полку, на которой находится продукт.
Укупорочное устройство может закрывать флаконы после завершения сушки в вакууме или инертном газе, так что лиофилизированный образец затем в некоторой степени дополнительно герметизируется под вакуумом. Расположение полок под ресивером из акрилового стекла снаружи ледового конденсатора называется двухкамерным принципом. Его преимуществом является существенно большая производительность по продукту, даже при использовании той же базовой системы. Закрыв камеру продукта от камеры ледяного конденсатора (см. промежуточный клапан на рисунке), можно также использовать тест на повышение давления, чтобы определить, когда сушка завершена. Недостатком является дополнительная обработка образцов, которые необходимо предварительно заморозить снаружи, например, в морозильной камере или камере глубокой заморозки. Как только они передаются в сублимационную сушилку и акриловая камера устанавливается на место, начинается фактическая первичная сушка. Все лабораторные системы с возможностью контроля температуры на полках могут работать по одно- или двухкамерному принципу по желанию.
Последовательность технологического процесса сублимационной сушки
Прежде чем подробно описывать различные этапы процесса лиофилизации, в этом разделе представлен обзор последовательности технологического процесса. Перед загрузкой нового продукта система сублимационной сушки должна быть сухой, а из камеры ледяного конденсатора должна быть удалена вся остаточная вода от предыдущего запуска. Затем сливной клапан для опорожнения ледяного конденсатора и вентиляционный клапан для вентиляции камеры с продуктом после завершения процесса сублимационной сушки закрываются. Толщина изделия не должна быть более 1–2 см, иначе время высыхания будет чрезмерно долгим.
Как показано на рисунке, процессом сублимационной сушки можно управлять, выбрав и изменив всего два основных параметра устройства: — настройку вакуума — температуру на полке, где оба целевых значения могут представлять собой кривые, зависящие от времени. Как указано выше, продукт замораживают в небольших количествах внутри камеры ледяного конденсатора (однокамерный метод) или отдельно в морозильной камере в помещении лаборатории (двухкамерный метод). Как правило, замораживание происходит при атмосферном давлении, аналогичном в обычную морозильную камеру. Сушка продукта в круглодонных колбах или закрывающихся широкогорлых фильтрах является популярной и имеет то преимущество, что эти контейнеры можно помещать или удалять отдельно в сублимационной сушилке, не нарушая процесс сушки других бутылок.
Толщина, которая так важна для времени высыхания в этой области применения, может быть значительно уменьшена путем замораживания при вращении, в отличие от обычного статического замораживания. Используя центробежную силу, на цилиндрической стенке стеклянного контейнера образуется равномерный слой льда. При раздельной заморозке полезно предварительно охладить полки, особенно при небольших объемах продукта, во избежание частичного оттаивания при транспортировке в сублиматор и вакуумировании. Параллельно с процессом замораживания устройство должно пройти так называемую фазу прогрева/охлаждения: затем вакуумный насос может прогреться, работая против закрытого клапана регулирования давления, что улучшает его производительность и устойчивость к воде. пар. В то же время ледяной конденсатор предварительно охлаждается, чтобы можно было отделить водяной пар, образующийся на следующем этапе — первичной сушке. Фаза подготовки должна длиться от 15 до 30 минут. Чтобы начать процесс сублимации, клапан регулирования давления вакуумного насоса открывается, так что в сублимационной сушилке создается вакуум. Начинается первичная сушка. Во время первичной сушки замороженная вода или растворитель удаляются в виде паров из продукта, подлежащего сушке, путем сублимации. Пар выводится из продукта за счет перепада давления и температуры в камере на поверхность ледяного конденсатора и десублимируется в холодном ледяном конденсаторе.
На рисунке показана технологическая диаграмма керамической суспензии. Благодаря температуре замерзания, близкой к 0 °C, и несложным свойствам продукта, его можно подвергать сублимационной сушке в достаточно грубом вакууме 1 мбар с высоким энергозатратом (температура на полке +40 °C). Датчики температуры продукта в суспензии (желтая, зеленая, синяя кривые) при приближении к концу сушки достигают значений, близких к температуре полки. Перед этим измеряется «смешанная температура»: температура льда и температура уже высушенного пирога. Температура ледяного конденсатора (черная кривая) падает с -83 °C до примерно -70 °C, когда начинается первичная сушка, поскольку необходимо десублимировать большое количество водяного пара. Примерно через 20 часов это количество упадет настолько, что ледяной конденсатор снова достигнет температуры -85 °C.
Дополнительная окончательная сушка включает в себя снижение вакуума до максимально низкого значения в сочетании с повышением температуры на полке. Эти две меры улучшают десорбцию. На этом этапе десорбции применяются другие термодинамические принципы, чем те, которые используются при фактической сублимации. Повышение температуры и понижение давления положительно влияют на уровень остаточной влажности, которого можно достичь. По окончании процесса сушильная камера вентилируется через вентиляционный клапан. Также возможно «продуть» систему азотом или другим инертным газом через вентиляционный клапан. После этого продукт можно будет удалить. Последующее оттаивание ледяного конденсатора происходит при комнатной температуре или наиболее быстро с помощью оттайки горячим газом, встроенной в лиофилизатор. Талая вода сливается через сливной кран и собирается в емкость. Перед началом нового процесса из системы следует удалить остатки воды. Сливной и вентиляционный клапаны снова закрываются, и система снова нагружается.