Фаза замораживания определяет микроструктуру затвердевшего раствора и, следовательно, также микроструктуру высушиваемого продукта. Различают две принципиально разные структуры замороженного материала: кристаллическую структуру и аморфную структуру. Преобладающая кристаллическая форма характеризуется наличием кристаллов льда с четкими границами кристаллов.
Это справедливо для большинства водных растворов с низким содержанием сахаров или белков. Если замораживание происходит достаточно медленно, то постепенное разделение фаз будет гарантировать, что последняя капля жидкости замерзнет при минимально возможной температуре, известной как эвтектическая температура.
На практике даже при обычных скоростях охлаждения термодинамическое равновесие часто теряется и жидкость переохлаждается. Тогда он имеет более низкую температуру при данном давлении, чем это было бы возможно при термодинамическом равновесии. Переохлаждение может достигать 10–20 К. Затем перемешивание или введение затравки инициирует спонтанную кристаллизацию и высвобождает энтальпию плавления. Выделение энтальпии плавления вызывает самопроизвольное повышение температуры.
Напротив, аморфные вещества характеризуются отсутствием каких-либо границ кристаллов, подобно переохлаждённому расплаву, например оконному стеклу. Нагревание такого затвердевшего раствора также не вызывает резкого плавления, а скорее приводит к вытеканию размягченного материала. Поэтому это известно как температура коллапса, TC. Точка затвердевания из жидкости в аморфное состояние называется температурой стеклования TG и обычно на несколько Кельвинов ниже температуры коллапса.
В фармацевтических препаратах аморфные матрицы предпочтительны для внедрения чувствительных биомолекул, поскольку они лучше способны стабилизировать активное вещество. Кристаллические продукты, напротив, можно легче и быстрее подвергать сублимационной сушке, поскольку границы зерен облегчают перенос водяного пара. Хотя плавление продукта в кристаллической области во время сушки может вызвать разбрызгивание и, следовательно, перекрестное загрязнение, аморфные медоподобные вещества первоначально демонстрируют «только» потерю структуры. Продукт, застывший как стекло, начинает течь. Хотя продукт, возможно, еще не поврежден, любой покупатель будет жаловаться на слипшиеся липкие крошки. Многие вещества фармацевтического сектора демонстрируют большую стабильность при хранении, когда они внедрены в аморфную матрицу.
Важным аспектом определения необходимой температуры замерзания на полке и рабочего вакуума во время первичной сушки является определение точки затвердевания (= точки замерзания) материала, подлежащего сушке. Это зависит в первую очередь от продукта, но также зависит и от скорости заморозки. В литературе показан пример большой ширины полосы только для микробиологических культуральных сред.
Точку замерзания можно определить
• с использованием теоретических термодинамических значений (Источник: химические руководства, техническая литература [например, VDI-Thermal Atlas], Ссылки)
• Криомикроскоп
• ДСК (дифференциальная сканирующая калориметрия)
• Измерение кривых температуры и сопротивления во время фазы замерзания.
Электрическое сопротивление высушиваемого продукта почти всегда резко возрастает при переходе из жидкого агрегатного состояния в твердое. Причиной этого является снижение подвижности ионов и электронов в твердых телах. Это явление можно использовать для определения точки замерзания путем измерения температуры продукта и электрического сопротивления в одной и той же точке.
Из-за типичного резкого и очень крутого подъема сопротивления пересечение кривой сопротивления LyoRx и температурной кривой можно с высокой степенью точности принять за точку замерзания. LyoRx означает нормализованное логарифмическое увеличение измеренного сопротивления продукта. Многочисленные измерения с решениями из практического опыта подтвердили это. Однако для некоторых веществ этот метод имеет ограниченную эффективность. На рисунке на графической иллюстрации показан математически правильный способ определения точки замерзания. Для более плавного, неопределенного повышения значения LyoRx во время затвердевания, чтобы быть в безопасности, за точку затвердевания следует принять температуру продукта, при которой сопротивление LyoControl (значение LyoRx) больше не изменяется.
Сопротивление образца при замораживании изменяется на несколько порядков. Поскольку конкретное числовое значение не имеет значения при определении точки замерзания, измеренное сопротивление нормируется логарифмически по линейной процентной шкале. Определение точки замерзания по пересечению кривой сопротивления и температурных кривых называется LyoControl. Одним из преимуществ системы является возможность контроля и мониторинга процесса.
Во время первичной сушки можно избежать оттаивания продукта, которое обычно сопровождается разбрызгиванием, перекрестным загрязнением и потенциальной потерей партии, контролируя уровень LyoRx. В статье показаны технологические журналы для нечувствительного продукта (LyoRx около 100%) и для очень чувствительного продукта (значение устойчивости LyoRx резко падает с 95% до 25%), которые оттаивали после нескольких часов первичной сушки. Среди причин, по которым устойчивость может упасть, можно назвать слишком агрессивный профиль сублимационной сушки (слишком быстрый нагрев полок).
Пилотные и производственные системы предоставляют возможность указать минимальное значение LyoRx. Если значение падает ниже этого предела, система переключается в режим заморозки, чтобы повторно заморозить размороженный продукт. Система LyoControl может очень хорошо определять точку замерзания кристаллических замораживающих растворов. Для аморфных веществ, используемых в фармацевтике, определение температуры разрушения менее точное.
Для кристаллических систем скорость замерзания существенно влияет на морфологию системы.
Слева раствор маннита медленно охлаждается до –2 °C, а затем кристаллизуется. На разрезах справа показан результат более быстрого охлаждения, более быстрая кристаллизация при –8 °C. Быстрое замораживание приводит к более длительной первичной сушке из-за меньшего диаметра пор и небольшого количества трещин в структуре поверхности. С другой стороны, медленное замораживание приводит к так называемой концентрации замораживания.
В качестве примера здесь используется раствор хлорида натрия, который при замерзании разделяется на два типа кристаллов, а именно на ледяную фазу с низким содержанием NaCl и вторую фазу с очень высокой концентрацией NaCl. Последняя капля жидкости в смеси затвердевает при минимально возможной температуре, известной как эвтектическая температура. На практике скорости замораживания от 1 до 2 К в минуту (умеренное замораживание) используются как оптимальные, позволяющие избежать замерзающих концентраций, с одной стороны, и для образования подходящих кристаллических структур — с другой.
Для исходных материалов, содержащих растворители, или материалов с высокой концентрацией солей, в процессе сушки может произойти оттаивание. Затем необходимо как можно глубже заморозить материал, например, с помощью жидкого азота. Исходный материал с высокой концентрацией растворителей, например, или кислотный материал, нельзя сушить без специальных защитных мер. Для этих применений существуют специально разработанные сублимационные сушилки, например, с более низкой температурой ледяного конденсатора и механическими средствами защиты, такими как дополнительная охлаждающая ловушка с жидким азотом для защиты вакуумного насоса.