冻干的基本过程

概要

冷冻干燥的基本过程。从冻干的基本概念，到发展历史。从预冻、一次干燥、二次干燥以及其他辅助步骤的简要介绍。

此篇非常适合刚开始进入冻干领域的初学者，对整个过程有一个基本蓝图。后续，在此基础上再逐步钻研每个步骤。解决特定问题。

1 冷冻干燥

冷冻干燥也叫冻干，是一个干燥过程，湿的产品先被冷冻成固体，随后通过将其暴露在低的水分分压下，溶剂直接通过升华变为气相，整个过程不经过液相。

冻干的英文“lyophilisation"，在希腊词根中：

通过冻干获得的干燥产品，具有很好地“溶剂亲和性"

2 历史

印加文明-在马丘比丘的高山上存储他们的马铃薯和其他食物。

·       1906-冻干技术应用在血清和疫苗的保存上。

·       1909-基本的冻干（Shackell）

·       1937-雀巢开始在巴西冻干咖啡

·       1939-1945-二战，冻干用于保存血液制品。

·       1945-发明盘尼西林，冻干技术用于抗生素（Chain）

·       至今-用于生物技术、纳米技术样品、脂质体、蛋白等

3 水的不同相

水的相图和不同的干燥方法：

·       热空气干燥：溶剂在大气压和“高温"下蒸发；

·       真空干燥：溶剂在“低"压力和温度下蒸发；

·       冻干：溶液先冷冻然后在真空下溶剂升华。

4 冻干过程（原理）

三相图解释了冰如何升华为水蒸气：

1、水在大气压下冷冻成固体；

2、压力降低到低于三相点以下；

3、升高温度冰升华为水蒸气；

4、升华的水蒸气以冰的形式捕捉在冷阱里；

5、干燥结束后，被捕捉的冰融化成水排出；

5 冻干过程中的主要步骤

·       全部的冷冻：样品获得一个刚性的结构，不发生变性、低温浓缩或者其他化学变化；

·       真空干燥：去除溶剂（通常是水）,分两步进行：

一次干燥，以升华的方式去除冰；

二次干燥 ，通过解吸干燥的方式去除残余的水分；

·       最终条件：使得冻干的产品不会受环境湿度、氧气、光照的影响，通常是在一定真空度的条件下。

6 水的变化

结合上图，水在整个过程中经历了以下变化：

·       样品在液体状态下降温；

·       可凝结性的水冷冻成冰；

·       溶质开始结晶；

·       无定型物质浓缩，形成一个刚性的结构；

·       冰升华；

·       吸附水和结合水以解析干燥的方式去除；

·       升华的水汽凝结在冷阱里；

·       冷阱里除霜排出。

7 过程

冻干是一个以升华的方式去除溶剂的干燥过程：

·       溶液冷冻到低于共晶点温度或者关键温度（通常是低于关键温度10-15℃）；

·       溶剂晶体通过升华的方式去除；

·       剩余水分通过解析干燥的方式去除。

8 一个西林瓶的样品，在中式及工业冻干设备中的过程

升华是在一个“面"上发生的过程，而不是整瓶样品一起升华。

9 西林瓶内外不同位置的真空度

压力差，是升华的主要动力。

10 冻干机的P&ID图

作为冻干工艺摸索的研发人员，看懂上图是属于必须。

11 能量流

12 为什么要有真空？

真空是让冻干过程很好进行的必要条件，冻干过程中需要对真空进行精准的控制以及通过控制真空把冻干过程控制在一个“合理"的速率。

预冻完成之后，系统将真空度降低到可以升华的真空数值；

升华开始之后，真空泵只负责：

·       补偿设备泄露气体；

·       移除产品中的不可凝结性气体；

·       补偿渗气阀进入的气体。

罗茨泵可以使得抽真空速率更快以及达到一个更低的真空度

13 干燥速度

·       干燥速度通常为1mm/ h:

·       一个12-13mm高度的产品，完成整个冻干过程通常需要20-24小时（包含上料、下料、预冻、二次干燥和压塞时间）

·       散装产品干燥速度比西林瓶样品慢（没有瓶壁带来的额外传热）。每个装载面积上的产品更多，也容易使得冷阱过载；

·       理论上说，升华从上往下平行进行。实际因为传热的原因，是从上往下同时从外往里进行。

14 浓度

样品初始浓度通常为3-15%之间：

·       浓度低于2%，则需要加入额外赋形剂，不然很难形成蛋糕状；

·       浓度太高，升华通道不顺畅。升华界面蒸气压容易升高，从而导致升华界面温度升高。带来塌陷和融化的风险。

样品装载量通常不会高于西林瓶容量的一半，以利于重建。

15 冻干设备

个人观点：

此篇全部内容，属于冻干领域专业人员必会内容。

如果对任何一个点有困惑和不解，都需要去弄懂。或者去看书，或者去上课。

文章来源——冻干工艺之家公众号  •  星德科 TELSTAR 冻干工艺实验室