Proses Prensipleri

Dondurarak kurutulmuş ürünlere örnek olarak antibiyotikleri bakteri, serum, aşılar, diyagnostik ilaçlar, protein içeren ve biyoteknolojik ürünler, hücreler ve dokular ile kimyasallar verilebilir. Kurutulacak olan ürün, atmosfer basıncı altında kurutulur. Daha sonra — birincil kurutma olarak tanımlanan — ilk kurutma aşamasında su (buz halinde) süblimasyon yoluyla giderilir; ikinci aşamada — ikincil kurutma — desorpsiyon yoluyla giderilir. Dondurarak kurutma, vakum altında yapılır.

Prosesin gerçekleştiği koşullar, dondurarak kurutulan ürünün kalitesini belirler. Dondurarak kurutma prosesi esnasında göz önünde bulundurulması gereken bazı önemli hususlar aşağıdaki gibidir:

Dondurma: temel ürünün, süblimasyon kurutma için uygun hale getirilmesi için ısıyı çıkartmak yoluyla dönüştürülmesidir. Sulu bir ürün soğutulduğunda, kristal çekirdekler oluşur. Çevredeki su, çekirdek bölgelerin etrafından alınarak, farklı boy ve şekillerde kristaller oluşturulur. Dondurma hızı, temel ürün kompozisyonu, su içeriği, sıvının viskozitesi ve kristalleşmeyen maddelerin varlığı, kristal şekli ve boyutunu belirleyen faktörlerdir ve müteakip süblimasyon prosesini etkiler. Büyük kristaller, süblimasyon sonrasında nispeten açık kafes oluştururken, küçük buz kristalleri ise kurutulmuş ürün içinde küçük alanlar içerir ve suyun buharlaşmasını yavaşlatır.

Saf suyun donma noktası 0 °C'dir. Su içinde çözülmüş diğer maddeler, donma noktasını düşürür. Organik tuzlar mevcut ise çok daha fazla düşebilir. Eğer zayıf bir solüsyon donmuşsa, saf buz ilk başta ayrılacak, solüsyon kalıntısı içindeki çözünmüş madde konsantrasyonu artacaktır (donma noktası daha da düşer). Bu ürün konsantrasyonunun etkisi duruma göre değişir ve en uygun dondurma tekniği seçilirken göz önünde bulundurulmalıdır.

Belirli bir ürün için en uygun dondurma tekniği belirlenmelidir ve parametreleri süblimasyon kurutma öncesinde kesinleştirilmelidir. Ütünün donma davranışı araştırılabilir, örneğin, direnç-ölçüm metodu kullanılabilir. Farmasötik ürünler için iki farklı dondurma metodu kullanılmaktadır: soğutulmuş yüzeyle temas; veya soğutucu banyosu içinde döndürme/dinamik dondurma.

İlk metot statik dondurma tekniğidir, çok yönlü bir dondurucunun dondurma hızını ürün türüne göre ayarlayabilmesi ve dondurma hızını kontrol edebilmesi gerekir. Nihai -50 °C sıcaklığı, bir çok durumda bu gereksinimleri karşılamak için yeterli olacaktır. İkinci metot, daha büyük miktarlarda sıvı ürünün tüpler veya büyük şişeler içinde dondurulması gerektiğinde kullanılır. Uygun dondurma tekniği ayrıca süblimasyona uygun ürün sağlar; yani kısa bir dondurma süresi elde etmek için üniform ve mümkün olduğunca ince olmalıdır.

Birincil Kurutma

Birincil kurutma fazının başlangıcında buz süblimasyonu ürün yüzeyinde gerçekleşir. Proses devam ederken, süblimleşen yüzey ürünün içine çekilir ve ortaya çıkan buharın, daha önceden kurutulan dış tabakalardan iletilmesi gerekir. Bu, kurutma prosesinin buhar transfer ve giderim hızına ve gereken süblimasyon ısısına bağlı olduğu anlamına gelmektedir. Süblimasyon için gereken ısı, konveksiyon ve termal iletimle, ayrıca daha düşük seviyede termal ışınım ile sağlanır.

Termal iletim ve ışınımla sağlanan ısı transferinin yanı sıra, konveksiyon ile ısı transferi de optimize edilmelidir. Ancak konveksiyonun, 10^-2 mbar altındaki basınçlarda neredeyse duracağı unutulmamalıdır. Bu yüzden, gereken süblimasyon sıcaklığının bir işlevi olarak, kurutma odasındaki basınç birincil kurutma esnasında izin verilen en yüksek değere ayarlanır. Ürün yüzeyinde süblimasyon ısısı gerekli değildir, ancak kurutma devam ettikçe ürünün içine çekilen buz çekirdeğinin sınırında gerekir.

Su buharı ürünün içinden dışına doğru akarken, ısı transferi ters yönde ilerlemelidir. Kurutulan ürün tabakalarının düşük termal iletkenliği nedeniyle ısı transferi için gereken sıcaklık kademesi, sabit şekilde artar. Ürünün hasar görmesini önlemek için kurutulan ürünün mümkün olan maksimum sıcaklığı aşılmamalıdır. Bunun aksine, kurutma boyunca gereken süblimasyon sıcaklığının korunması, buz-çekirdeği sınırındaki ısı beslemesinin dengede tutulması ve süblimasyon bölgesinde aşırı ısınmanın önlenmesi için özen gösterilmelidir. Birincil kurutma fazı, ürün içindeki buz süblimleşene kadar devam eder.

İkincil Kurutma

İkincil veya son kurutma fazında, ürünü kalıcı şekilde depolanabilir hale getirmek için kalıntı nem içeriği, mümkün olduğunca azaltılır. Ürünün iç yüzeyinde adsorpsiyon ile tutulan suyun giderilmesi gerekir. Bunu sağlamak için çoğunlukla suyun kapiler güçlerinin üstesinden gelinmelidir. O nedenle dondurarak kurutma tesisinin, ikincil kurutma fazı esnasında yüksek basınç kademesi üretmek üzere tasarlanması gerekir (çoğu durumda, ürüne zarar vermeden sıcaklığı yükseltmek mümkün olmaz). İkincil kurutma prosesi, ürünün aşırı kurumasını önlemek için hassas şekilde kontrol edilmelidir.