Принципы процесса

Примеры лиофилизированных продуктов включают антибиотики, бактерии, сыворотки, вакцины, препараты для диагностирования, продукты с содержанием белка и биотехнологические продукты, клетки, ткани и химические вещества. Продукт, который должен быть высушен, замораживается при атмосферном давлении. Затем на первоначальном этапе сушки - называемом первичная сушка - происходит удаление воды (льда) сублимацией; а на втором этапе - вторичная сушка - вода (лед) удаляется десорбцией. Сублимационная сушка выполняется в условиях вакуума.

Условия, при которых происходит процесс, определяют качество лиофилизированного продукта. Во время процесса сублимационной сушки необходимо учитывать следующие аспекты:

Замораживание: преобразование основного продукта посредством отвода тепла для создания состояния, подходящего для сублимационной сушки. При охлаждении водяного продукта происходит образование кристаллических ядер. Окружающая вода поглощается в центрах кристаллизации, что приводит к образованию кристаллов разных размеров и формы. Скорость заморозки, состав основного продукта, содержание влаги, вязкость жидкости и наличие некристаллизующегося вещества - все эти факторы определяют форму и размер кристаллов и влияют на последующий процесс сублимации. Крупные кристаллы образую относительно открытую решетку после сублимации, а мелкие кристаллы льда занимают небольшое пространство в высушенном продукте, замедляя удаление водяных паров.

Точка замерзания чистой воды - 0 °C. Если в воде растворены другие вещества, точка замерзания будет ниже. Если присутствуют неорганические соли, тока замерзания будет значительно ниже. Если заморожен неконцентрированный раствор, на первом этапе будет отделен лед без примесей, в результате чего повысится концентрация растворенного вещества в остаточном растворе (с дополнительным снижением точки замерзания). Влияние концентрации продукта всегда различается, и его необходимо учитывать при выборе наиболее подходящей технологии замораживания.

Наиболее подходящая технология замораживания конкретного продукта и ее параметры должны быть определены до сублимационной сушки. Параметры замораживания продукта могут быть определены методом измерения сопротивления. Для фармацевтической продукции используются два разных метода заморозки: заморозка в контакте с охлажденной поверхностью и динамическая заморозка/заморозка вращением в охлаждающей ванне.

Первый метод - это технология статичной заморозки, в которой универсальная сублимационная сушилка должна обладать функционалом регулировки интенсивности заморозки, в зависимости от конкретного продукта и контроля скорости заморозки. Конечной температуры -50 °C в большинстве случаев достаточно для выполнения большинства требований. Второй метод используется, если необходимо заморозить большие количества жидкой продукции и высушить в колбах или больших бутылках. В результате использования правильной технологии заморозки будет получен замороженный продукт, подходящий для сублимации, т.е. однородный и максимально тонкий для сокращения времени сушки.

Первичная сушка

В начале первой фазы сушки происходит сублимация льда на поверхности продукта. По мере продолжения продукта сублимирующая поверхность проникает в продукт, а получившийся пар должен быть отведен через ранее высушенные наружные слои. Это означает, что процесс сушки зависит от скорости перемещения и отвода пара, а также необходимой теплоты сублимации. Теплота, необходимая для сублимации, обеспечивается конвекцией и теплопроводимостью и, в меньшей степени, температурным излучением.

Помимо теплоотдачи с применением теплопроводимости и излучения необходимо оптимизировать теплоотдачу конвекцией. Однако необходимо отметить, что конвекция практически невозможна при температурах ниже 10^-2 мбар. Поэтому, в зависимости от необходимой температуры сублимации, давление в камере сушки регулируется, в основном, во время первичной сушки до максимально допустимой величины. Теплота сублимации нужна не на поверхности продукта, а на границе ледяного ядра, которое погружается в центр продукта в процессе заморозки.

В то время, как водяные пары протекают изнутри продукта наружу, теплоотдача должна происходить в обратном направлении. Благодаря низкой теплопроводимости высушенных слоев продукта перепад температур, необходимый для теплоотдачи, постепенно повышается. Для того, чтобы избежать повреждения продукта, запрещено превышать максимально допустимую температуру высушенного продукта. В то же время, необходимо поддерживать необходимую температуру сублимации в процессе сушки, поддерживать подвод тепла к границе ледяного ядра в равновесии и не допускать перегрева зоны сублимации. Первичный этап сушки продолжается до тех пор, пока весь лед в продукте не будет сублимирован.

Вторичная сушка

На вторичном или итоговом этапе сушки уровень остаточной влажности максимально снижается, чтобы обеспечить состояние продукта для длительного хранения. Воду, связанную адсорбцией на внутренней поверхности продукта, необходимо удалить. Для этого необходимо преодолеть капиллярные силы воды. Конструкцией для сублимационной сушки должен быть предусмотрен высокий градиент давления во время вторичного этапа сушки (в большинстве случаев невозможно повысить температуру, не повредив продукт). Вторичный этап сушки необходимо строго контролировать, чтобы не допустить пересушивания продукта.