冻干机生产使用培训.ppt

冻干理论知识 生产部 冻干理论知识 冷冻干燥概念冻结真空干燥 以下简称冻干 是一个稳定化的物质干燥过程 是将含水的物质 先冻结成固态 而后使其中的水分从固态直接升华变成气态排出 以除去水分而保存物质的方法 溶液状态的产品经冷冻处理后 先经过升华和解吸作用 使产品中的溶剂减少到一定程度 从而阻止微生物的生成或溶质与溶剂间的化学反应 使产品得以长时间保存并保持原有的性质 真空冷冻干燥法是液态 固态 气态的过程 在冻干过程中 溶质颗粒之间的 液态桥 已被冻成 固态桥 两颗粒间的相对位置已经被固定下来 并且两颗粒之间不存在气液界面的表面张力 随着溶剂的不断升华 固桥 不断减少 但两颗粒之间的相对位置已不再发生变化 直至 固态桥 完全消失 冻干理论知识 冷冻干燥的优点和通常的干燥方法如晒干 烘干 煮干 喷雾干燥相比 有以下优点 它是在低温下干燥 不使蛋白质产生变性 使微生物之类失去生物活力 由于是低温干燥 使物质中的挥发性成分和受热变性的营养成分和芳香成分损失很小 在低温干燥过程中 微生物的生长和酶的作用几乎无法进行 能最好的保持物质原来的性状 干燥后体积 形状基本不变 复水性好 因一般系真空下干燥 氧气极少 使易氧化的物质得到了保护 能除区物质中95 99 5 的水分 制品的保存期长 冻干理论知识 冷冻干燥技术的应用医疗行业如 生物工程 生物制品 疫苗 血制品 中药西制 抗菌素 兽药 保健品等 微生物和藻类方面如 各种细菌 酵母 酵素 原生动物 微细藻类的长期保存等 制作用于光学显微镜 电子扫描和透射显微镜的小组织片 食品的干燥如 咖啡 茶叶 水果 蔬菜 方便食品 高级营养品及中草药方面 如 蜂王浆 蜂蜜 花粉 中草药制剂等 超细微粉的制备如 已有用冷冻干燥法制取Al2O3 ZrO2 TiO2 Ba2Cu3O7 8 Ba2Ti9O10 等超微细粉的报导 其它领域的应用如 化工 以及在宇航 军队 登山 航海 探险 潮湿的木制文物 淹坏的书籍稿件等用冻干法干燥 能最大限度地保持原状 冻干理论知识 水和溶液的性质物质有固 液 汽三态 物质的状态与其温度和压力有关 如图所示 水 H2O 的状态平衡图 图中OA OB OC三条曲线分别表示冰和水 水和水蒸气 冰和水蒸气两相共存时其压力和温度之间的关系 分别称为溶化线 沸腾线和升华线 此三条曲线将图面分成 三个区域 分别称为固相区 液相区 和气相区 箭头1 2 3分别表示冰溶化成水 水汽化成水蒸汽和冰升华成水蒸汽的过程 曲线OB的顶端有一点K 其温度为374 称为临界点 若水蒸汽的温度高于其临界温度374 时 无论怎样加大压力 水蒸汽也不能变成水 三曲线的交点O 为固 液 汽三相共存的状态 称为三相点 其温度为0 01 压力为610Pa 在三相点以下 不存在液相 若将冰面的压力保持低于610Pa 且给冰加热 冰就会不经液相直接变成气相 这一过程称为升华 水的三相点的温度是0 01 压强是546 84Pa 冻干理论知识 溶液的冷冻干燥过程冻干溶液一般都是配置成含固体物质4 15 的稀溶液 溶液里水的组成 1 大部分水是以水分子的形式存在于溶液中的自由水 2 少部分是吸附于固体物质晶格间隙中或以氢键方式结合在一些极性基团上的结合水 3 固定于生物体和细胞中的水 大部分也是可以冻结和升华的自由水 也含有一些不能冻结 很难去除的结合水 冻干的目的就是在低温 真空环境中除去物质中的自由水和一部分吸附于固体晶格间隙中的吸附水 冻干过程分为以下几个步一 预冻结预冻是将溶液中的自由水固化 赋予干后产品与干燥前有相同的形态 防止抽空干燥时起泡 浓缩 收缩和溶质移动等不可逆变化发生 溶液在冻结过程中 需过冷到冰点以下 其内产生晶核以后 自由水才开始以纯冰的形式结晶 同时放出结晶热 使其温度上升到冰点 随着晶体的生长 溶液浓度增加 当浓度到达共晶浓度 温度下降到共晶点以下时 溶液就全部冻结 冻干理论知识 冻干过程的几个关键概念共晶温度几种物质组成的混合溶液 在冻结过程中 开始时某些组分结晶析出 使剩下的溶液浓度发生变化 当达到某一温度或温度区域时 其液态和所形成的固态中的组分完全相同 这时的溶液称为共晶溶液 这时的温度或温度区间称为该溶液的共晶点或共晶区 也称为完全固化温度 它是产品在冷却过程中从液态结束转向固态的最高温度 共晶温度为冻干过程中预冻应达到的最高温度 一般预冻过程应低于其共晶温度10 20 共溶温度固态混合溶液在升温融化过程中 当达到某一温度时 固体中开始出现液态此温度称为溶液的共溶点 或称为开始溶化温度 它是产品升温过程中从固态开始出现液态的最低温度 在一次干燥中物料冻结层温度一定要低于共溶点 共晶点的测定有电阻测定法 热差分析测定 低温显微镜直接观察 数字公式计算测定 溶液冻结过程中 由于离子的飘逸率随温度的下降而逐步降低 电阻增大 只要有液体存在 电流就可流动 一旦全部冻结 带电离子不能移动 电阻会忽然增大 根据这个原理 测出溶液的共晶点 冻干理论知识 冻干过程的几个关键概念塌陷温度冻干时物料中的冰晶消失 原先为冰晶所占据的空间成为空穴 因此冻干层呈多孔蜂窝状海绵体结构 此结构与温度有关 当蜂窝状结构体的固体基质温度较高时 其刚性降低 当温度达到某一临界值时 固体基质的刚性不足以维持蜂窝状结构 空穴的固形物基质壁将发生塌陷 原先蒸汽扩散的通道被封闭 此临界温度称为冻干物料的崩溃温度或塌陷温度 玻璃化转变温度 当温度降低时 液态转变为固态 有两种不同状态 晶态和非晶态 在非晶态固体材料中 原子 离子或分子的排列是无规则的 因为人们已习惯将融化物质在冷却过程中不发生结晶的无机物称为玻璃 所以后来逐渐的将其他非晶态均称为玻璃态 由于在药品冻干中要求更加严格 希望药品在冻干过程处于玻璃化温度以下 但这里玻璃化转变温度不是指完全的玻璃化 因为完全的玻璃化是指整个样品都形成了玻璃态 实现完全玻璃化要求极高的地降温速率 几乎是不可能的 冻干过程呢个的玻璃化温度指最大冻结浓缩液的玻璃化转变温度 因为在冻结过程中随着冰晶的析出 剩余溶液的浓度逐渐增加 当达到一定浓度时 剩余的水分不再结晶 此时的溶液达到最大冻结浓缩状态 对应得温度称为最大冻结浓缩液的玻璃化转变温度 冻干理论知识 冻干的三个关键要素一 处方确定处方是最关键的步骤 溶液的组成关系到冷冻 升华等步骤地实施 处方包括 活性成分 赋形剂 工艺用水 二 重要的热力学性能 冻干工艺曲线 过冷的程度 结晶的程度 崩解温度或共晶温度 亚稳状态间隙物质的相变化 溶液的结晶热 间隙物质的熔化温度 三 好的冻干机满足GMP要求 性能卓越 能量随意调节 重演性强 冻干理论知识 冻干曲线的测定冻干曲线是表示冻干过程中产品的温度 压力随时间而变化的曲线冻干曲线的形状与产品的性能 装量的多少 分装容器的种类 设备条件等许多因素有关 制定冻干曲线 主要确定以下参数 a 预冻速率预冻速率的快慢 对产品中晶粒的大小 活菌的存活率和升华速率有直接影响 慢冻晶粒大 产品外观粗糙 不易损伤活菌 但升华速率快 速冻晶粒小 产品外观细腻升华速率慢 b 预冻温度制品温度应低于其共溶点5 10 c 预冻时间预冻所需时间要根据不同的具体条件而定 总的原则是应使产品各部分完全冻牢 在制品温度降到预定的最低温度后 还需在此温度下保持1 2h 才能进行升华 d 冷凝器降温时间和温度冷凝器温度的高低 应根据制品升华的温度而定 升华温度低 相应要求冷凝器的温度也低 升华的最佳速率是在产品升华温度的饱和蒸汽压力的二分之一左右 冻干理论知识 冻干曲线的测定过低的压力不仅不能加快升华 相反还会向产品的供热性能差 降低升华速率 e 升华速率和干燥时间升华速率主要由搁板的供热能力和冷凝器的捕水能力而定 只要干燥箱内的压力维持在允许的最高压力下 升温速率就可提高 一次干燥时 可粗略的以每小时干燥制品厚度1mm计 可以根据下列现象来判断 1 干燥层和冻结层的交界面达到瓶底并消失 2 产品温度上升到接近导热油的温度 3 干燥箱内压力下降到冷凝器的压力 两者接近且压力维持不变 4 关闭中隔阀 箱内压力上升速率与干箱的泄漏率接近 上述现象发生后 再延长0 5 1h 一次干燥结束 二次干燥时 产品的温度可提高到允许的最高温度以下 使结合水和吸附于干燥层中的水获得足够的能量 从分子吸附中解析出来 二次干燥的时间为一次干燥时间的0 35 0 5倍 冻干理论知识 几种冻结升华方法制品冻结方法低温冻结低温冻结 10 15 分 对于保证质量有利 形成的微结晶 得到的制品外观好 溶解速度也快 但形成微结晶则不利于加快冻干速度 低温慢冻 1 分 形成粗结晶 对提高冻干效率有利 但是慢冻一般制品质量 特别是含活性的酶类或活菌活病毒等的存活率极为不利 对于合成药物 快冻和慢冻的要求不是严格的 此两种方法均可 冻结升华的几种方法一次升华法 一般适用制品的共溶点要在 10至 20 左右 以及结构单一 粘度 浓度均不高 装置在10mm厚度或15mm厚度 只要将制品的温度降低到其共溶点以下 10至 21 即可加热升华 在加热升华过程中需控制好升温的速度 可保证制品干燥成功 反复预冻升华法 某些共溶点较低的制品 即便很低的温度下也不能达到完全冻结 外观看好象已经冻结完全 但在升华过程中 往往冻快软化 产生气泡 并在制品表面形成粘稠状网状结构 影响升华干燥的进行 如蜂蜜 王浆等其物质结构比较复杂又粘稠的制品往往不易冻结 在升华中出现上述情况 可采用反复预冻方法来解决 应用此种方法 可提高冻干效率 也改善了制品的质量 缩短冻干周期 分格冻结升华法 在冻干中如用大盘子装制品 而且厚度较厚或浓度过高等 在升华时 底面的水蒸气无法利用逸出 使全部冻块变形而脱开盘底 可将装制品的盘子进行分格 同时提高热传导效率 冻干机的组成 真空冷冻干燥机 冷冻系统真空系统循环系统液压系统CIP SIP系统气动系统电器控制系统箱体系统 制冷系统的组成 重要性 称为冻干机的心脏理论组成 制冷压缩机 冷凝器 蒸发器 热力膨胀阀 作用 为干燥箱前期预冻提供冷量 为后期冷阱盘管捕集升华水汽提供冷量 实际组成 压缩机 制冷剂 油分离器 干燥过滤器 中间制冷器 视液镜 电磁阀 手阀 顶盖阀 膨胀阀 蒸发器 板式交换器 后箱冷凝盘管 汽液分离器 回气过滤器 压力表 压力控制继电器 CPCE 能量调节器 安全阀 制冷管道等 制冷系统的组成 压缩机 制冷系统的组成 压缩机 作用 对气态氟利昂进行压缩 吸入低温低压的气态氟利昂 经活塞或螺杆压缩后 变成高温高压的气态氟利昂 通过排气管排出 类型 活塞式压缩机 螺杆式压缩机性能 螺杆式压缩机相比活塞式压缩机具有工作效率高 良好的运行方式 性能良好等优点 制冷系统的组成 制冷剂 定义 一种物质能从一种物质吸收热量 然后传递给另一种物质 在传递过程中只发生物理变化 这种物质称为制冷剂 常用制冷剂 氟利昂11 12 13 22 以及氨制冷剂 混合制冷剂等