真空冷凍干燥是目前在制藥、診斷試劑、食品等行業(yè)廣泛應(yīng)用的一個獲得干燥制品的技術(shù)。由于其獲得的凍干制品性質(zhì)穩(wěn)定,保存和運輸都方便,因此對于高附加值或者低溫保存,低溫運輸?shù)闹破烦2捎美鋬龈稍锏姆椒ǐ@得穩(wěn)定的長期保存的制品。
真空冷凍干燥也叫凍干,就是在低溫下先將物料凍成固體形狀,然后升溫在固體狀態(tài)下進(jìn)行升華,升華除去90%左右的水分后,進(jìn)行解析煩躁,獲得含水量低的干燥制品,這個干燥制品的形狀就是預(yù)凍時形成的形狀,因此凍干除了獲得長期低溫保存的制品,還能降物料制成我們想要的形狀,如球狀、柄狀、片劑狀、長方體、正方體等各種形狀。但是凍干原理看起來簡單,做起來并不是那么容易,凍干制品容易出現(xiàn)各種凍干質(zhì)量問題:如形狀不好、顏色上下不均一、凸起、塌陷、失活等。其中塌陷是很多制品的典型特點。
塌陷發(fā)生在凍干的升華階段,是由于凍干制品的干燥層失去剛性而發(fā)生坍塌凹陷。塌陷的發(fā)生是由于溫度和濕度共同的作用結(jié)果,也就是升華過程中供給的熱量超過升華需要的,升華冰需要的熱量超限,被干燥層吸收,導(dǎo)致干燥層塌陷,發(fā)生塌陷一般就會導(dǎo)致制品的活性或者穩(wěn)定性大大降低,就意味著凍干失敗。 因此為了防止凍干過程中出現(xiàn)塌陷,一般做凍干的時候,在凍干輔料的篩選過程中,我們通常的做法是采用非常保守的工藝,也就是不考慮成本和效率。因此前期的凍干開發(fā)基本上都是為了避免塌陷而設(shè)計的凍干工藝。
那么塌陷與什么有關(guān)呢?有沒有一個共同的塌陷溫度或者塌陷的控制點呢?塌陷不是那么簡單控制的,研究塌陷的模型,對于不同的制品是不一樣的情況的。而大多塌陷與凍干機(jī)、預(yù)凍、容器及凍干機(jī)的傳質(zhì)效率等有關(guān)。
固體的冰升華出來需要克服阻力,而這個阻力就包含干燥層的阻力和凍干箱內(nèi)和冷阱的氣壓梯度阻力。而在升華的過程中如果阻力過大,分子流動的傳質(zhì)動力不夠,就會無法穿越干燥層,就將熱量累積在干燥層,造成干燥層塌陷。
預(yù)凍時形成的冰晶大小和冰晶的分布就是干燥層的通道,因此預(yù)凍的狀態(tài)影響塌陷,冰晶小,通道小,阻力大,容易造成塌陷。冰晶大,升華通道流暢,升華更容易。除了與冰晶通道有關(guān),還與凍干機(jī)的性能有關(guān)。凍干機(jī)的熱量分布均勻,熱量能合理控制,也有利于傳質(zhì)和傳熱的進(jìn)行,也不容易發(fā)生塌陷。而對于不同的凍干機(jī)的熱量分布是不一樣的,因此這個塌陷點就不固定。而如果同一樣品在同一個凍干機(jī)內(nèi)凍干,在包材和預(yù)凍這些因素都一致的情況下,部分塌陷,那就是凍干機(jī)的熱量分布的問題。對于不同的樣品選擇不同的制品的容器進(jìn)行凍干,也是不一樣的,容器的阻力小,也不容易發(fā)生塌陷。容器的包材選擇時要考慮傳熱、密封性、溫度分布、污染性等各方面。一般玻璃瓶比塑料包材更好,塑料包材密封性和傳熱效果差。
塌陷是可以避免的,通過優(yōu)化工藝,合理控制熱量就可以避免,主要的是選擇合適的性能好的凍干機(jī)和工藝優(yōu)化設(shè)計。