Лиофильная (сублимационная) сушка

Сублимационная сушка (лиофилизация) - это метод удаления растворителя, при котором продукт сушат в вакууме при низкой температуре. Таким образом, вода, содержащаяся в образце, замораживается до твердого состояния (лед), а затем удаляется путем превращения льда в пар. Проведение этого процесса в вакууме позволяет воде испаряться, не проходя через жидкую фазу. Основное преимущество сублимационной сушки – это возможность сушить термолабильные соединения вроде белков, ароматизаторов или красителей. При этом во время лиофилизации исходный размер и форма образца не изменяются. Это возможно только в условиях, когда материал остается в замороженном состоянии при низких температурах в течение всего процесса сушки.

Отсутствие воды в конечном высушенном продукте сводит к минимуму эффекты окисления и других процессов разложения, что позволяет хранить его в течение длительного времени без риска заражения микроорганизмами или изменений состава (генетически или ферментативно). Поэтому сублимационная сушка стала широко используемым методом в фармацевтической и пищевой промышленности для обработки термочувствительных материалов, которые требуют длительного хранения при температурах выше точки замерзания.

Типичная установка сублимационной сушки (рис. 1) состоит из четырех основных компонентов: камеры для продукта, системы охлаждения, ледового конденсатора и вакуумного насоса. Вакуумный насос откачивает газ из камеры через конденсатор для предотвращения попадания влаги в насос.

Давление во время процесса сублимационной сушки обычно измеряется либо емкостным манометром, либо манометром Пирани. Точность и повторяемость измерений давления важны для управления процессом сублимационной сушки.

Типичный процесс лиофилизации состоит из следующих шагов:

1. Предварительная обработка
2. Замораживание при атмосферном давлении (термическая обработка)
3. Первичная сушка в вакууме (сублимация)
4. Вторичная сушка под вакуумом (десорбция)
5. Укупорка флаконов

После предварительной обработки и загрузки продукта в камеру его замораживают при атмосферном давлении до температуры, которая находится ниже точки эвтектики растворителя. Обычно температура заморозки находятся в диапазоне от - 40 до -60 ° C. На рисунке 2 показана фазовая диаграмма воды, иллюстрирующая эвтектическую точку, в которой вода присутствует на трех стадиях (твердое, жидкое, парообразное).

Во время первичной сушки замороженный растворитель испаряется (сублимируется). Обычно процесс первичной сушки выполняется при давлении от 1 до 0,01 мбар в зависимости от характеристик соответствующего продукта. Движущей силой процесса сублимации является разница парциальных давлений растворителя над ледяной поверхностью продукта и поверхностью ледового конденсатора. Для увеличения разницы в парциальных давлениях и придания молекулам растворителя большей подвижности температура полки в продуктовой камере постепенно повышается с -40 до +20 ° C (процесс нагрева может занимать срок от нескольких часов до нескольких дней). Помимо этого под действием вакуумного насоса внутри камеры с продуктом значительно снижается концентрация молекул воздуха, что способствует «выталкиванию» молекул растворителя с поверхности продукта.

Когда продукт достигает температуры выше своей точки эвтектики, начинается процесс вторичной сушки. На этом этапе удаляется оставшаяся часть «связанного» растворителя. Процесс остаточного удаления растворителя контролируется и оптимизируется за счет снижения давления внутри камеры продукта примерно до 10 ^–3 мбар. Одновременно с этим повышается температура полки до максимально допустимого значения, которое зависит от температуры разрушения осушаемого продукта. Для оптимизации времени цикла сушки, окончание стадии первичной и вторичной сушки обычно определяется путем проведения испытания на повышение давления (метод PRT). Когда цикл сублимационной сушки заканчивается, давление в продуктовой камере возвращается к атмосферному давлению за счет продувки внутренней части камеры воздухом или азотом. В этом случае конечный продукт обычно содержит 1-3% остаточной влаги. На рисунке 3 представлен пример типичного цикла сублимационной сушки.

Вакуумный насос совместно с системой охлаждения составляет основу сублимационной сушилки. Основная цель насоса - откачать газ из камеры продукта до рабочего давления. Кроме того, вакуумная система удаляет все газы, которые не конденсируются во время процесса сушки.

Основные критерии выбора подходящего вакуумного насоса:

1. Высокая производительность, которая обеспечит желаемое время откачки объема из лиофильной установки
2. Достаточный уровень предельного давления
3. Надежность и простота обслуживания

Пластинчато-роторные насосы с масляным уплотнением прекрасно подходят для создания вакуума в сублимационной сушке. Они обладают достаточным для сублимации предельным давлением, а также высокой производительностью от 1 до 800 м ³ /ч, что позволяет подбирать насос в соответствии с объемом камеры. Помимо этого насосы славятся своей прочной конструкцией и несложным обслуживанием.

Если для процесса сублимационной сушки требуется рабочее давление ниже пределов одноступенчатого пластинчато-роторного насоса, то можно добавить бустерный насос. Помимо понижения предельного давления примерно в 10 раз бустерный насос также увеличивает скорость откачки пластинчато-роторного насоса, что сокращает общее время работы лиофильной установки.

Использование насоса с масляным уплотнением всегда несет за собой риск загрязнения лиофилизированного продукта маслом, которое может проникать в продуктовую камеру за счет обратного потока. Во избежание такой ситуации в качестве альтернативы можно использовать «сухие» типы насосов, в которых не используется масло в рабочей камере. Например, для лиофильной сушки небольших объемов отлично подходят спиральные насосы, а для более крупных сублимационных систем – винтовые/когтевые насосы (рис. 4).

Помимо создания безмасляного вакуума сухие насосы серий nXDS/XDS, GXS/EDS или GV предлагают ряд преимуществ: низкий уровень шума и вибрации, компактность и меньшее потребление электроэнергии. Для достижения более низкого предельного давления эти насосы также могут быть объединены с бустерным насосом.