Zasady procesowe

Przykładem produktów liofilizowanych są antybiotyki, bakterie, sera, szczepionki, leki diagnostyczne, produkty zawierające białka i biotechnologiczne, komórki i tkanki oraz środki chemiczne. Produkt przeznaczony do suszenia jest mrożony pod ciśnieniem atmosferycznym. Następnie, w początkowej fazie suszenia — definiowanej jako suszenie podstawowe — woda (pod postacią lodu) jest usuwana w procesie sublimacji, a w drugiej fazie — suszenia wtórnego — usuwana w procesie desorpcji. Liofilizacja przebiega z podciśnieniem.

Warunki w których przebiega proces determinują jakość liofilizowanego produktu. Oto istotne czynniki, które należy rozważyć podczas procesu liofilizacji:

Zamrażanie: przeobrażanie podstawowego produktu poprzez odciąganie ciepła, aż do utworzenia stanu odpowiedniego do suszenia sublimacyjnego. Kiedy roztwór wodny jest chłodzony, tworzone są zarodki krystalizacji. Wokół miejsc nukleacji gromadzi się woda, co powoduje powstawanie kryształków o różnych rodzajach i kształtach. Tempo liofilizacji, skład podstawowego produktu, zawartość wody, lepkość płynu oraz obecność substancji niekrystalicznej, to kluczowe czynniki decydujące o kształcie i rozmiarze kryształków oraz wpływające na późniejszy proces sublimacji. Po sublimacji duże kryształki tworzą stosunkową otwartą siatkę, natomiast małe kryształki lodu zajmują małą przestrzeń w wysuszonym produkcie, spowalniając usuwanie pary wodnej.

Temperatura zamrażania czystej wody wynosi 0°C. Jeżeli w wodzie rozpuszczane są inne substancje, temperatura zamrażania spada. Jeśli obecne są sole nieorganiczne, może być znacznie niższa. Jeżeli zamrażany jest słaby roztwór, czysty lód zostanie początkowo oddzielony, co zwiększy gęstość rozpuszczonej substancji w roztworze resztkowym (i dodatkowo zmniejszy punkt zamrażania). Proces zagęszczania produktu jest różny w zależności od przypadku i powinno to być wzięte od uwagę podczas wyboru odpowiedniej techniki zamrażania.

Przed suszeniem sublimacyjnym należy ustalić najodpowiedniejszą technikę zamrażania dla konkretnego produktu oraz jego parametry. Charakterystykę zamrażania danego produktu można na przykład sprawdzić za pomocą metody pomiaru oporu. W wypadku produktów farmaceutycznych stosowane są dwie różne metody zamrażania: zamrażanie przez styczność ze schłodzoną substancją lub zamrażanie rotacyjne/dynamiczne w chłodziwie.

Pierwszą metodą jest technika zamrażania statycznego, w której wszechstronny liofilizator musi dostosować prędkość zamrażania do konkretnego produktu oraz sterować prędkością zamrażania. W większości przypadków wymogi te pozwoli spełnić końcowa temperatura -50°C. Druga metoda jest stosowana, gdy większe ilości produktu płynnego są zamrażane i suszone w kolbach lub dużych butelkach. Odpowiednia technika zamrażania pozwala otrzymać zamrożony produkt nadający się do sublimacji, to znaczy jednolity i tak cienki jak to możliwe, a wszystko to w krótkim czasie suszenia.

Suszenie podstawowe

Na początku podstawowej fazy suszenia na powierzchni produktu przebiega sublimacja lodu. Na dalszym etapie procesu powierzchnia sublimująca cofa się do produktu, a powstała para przechodzi przez wysuszone wcześniej powłoki zewnętrzne. Oznacza to, że proces suszenia zależy od prędkości transportu i usuwania pary, a także od koniecznego ciepła sublimacji. Ciepło wymagane do sublimacji jest dostarczane poprzez konwekcję i przewodnictwo cieplne oraz w mniejszym stopniu przez promieniowanie termiczne.

Poza transferem ciepła za pomocą przewodnictwa cieplnego i promieniowania termicznego zoptymalizować należy transfer ciepła przez konwekcję. Należy jednak wspomnieć, że konwekcja prawie dobiegnie końca w ciśnieniu poniżej 10^-2 mbar. Dlatego, aby zapewnić wymaganą temperaturę sublimacji, ciśnienie w komorze suszącej jest regulowane podczas pierwszego suszenia do najwyższej dozwolonej wartości. Ciepło sublimacji nie jest potrzebne na powierzchni produktu, ale na granicy rdzenia lodu, która wycofuje się do środka produktu wraz z postępującym suszeniem.

Podczas gdy para wodna przepływa wewnątrz produktu w kierunku na zewnątrz, transfer ciepła musi przebiegać w kierunku przeciwnym. Dzięki niskiej przewodności cieplnej wysuszonych warstw produktu, stopień temperatury wymagany do transferu ciepła stopniowo wzrasta. Aby uniknąć zniszczenia produktu, nie można przekroczyć maksymalnej dozwolonej temperatury wysuszonego produktu. Należy natomiast zadbać o utrzymanie wymaganej temperatury suszenia w trakcie suszenia, zachować równomierny transfer ciepła do granicy lodu i unikać przegrzania w strefie sublimacji. Podstawowa faza suszenia trwa do momentu, w którym produkt zostanie poddany sublimacji.

Suszenie wtórne

Na etapie suszenia wtórnego lub ostatecznego resztkowa zawartość wilgoci jest redukowana do możliwie niskiego poziomu, aby umożliwić trwałe przechowywanie produktu. Woda związana przez adsorpcję na wewnętrznej powierzchni produktu musi zostać usunięta. Aby to osiągnąć, często należy pokonać siły kapilarne wody. Dlatego instalację liofilizacyjną należy zaprojektować tak, aby generowała wysokie ciśnienie podczas fazy suszenia wtórnego (w większości wypadków nie można podnieść temperatury bez niszczenia produktu). Proces suszenia wtórnego należy precyzyjnie kontrolować, aby zapobiec nadmiernemu wysuszeniu produktu.