冷冻干燥原理培训课件(冻干原理).

冷冻干燥原理一、冷冻干燥的综述就是把含有大量水分的制品，预先进行降温冻结成固体，然后在真空的条件下使水蒸汽直接升华出来，而制品本身保留在冻结时的冰架中，干燥后的制品体积基本不变，疏松多孔，有效地保证了生物制品的活性且易于保存。在冷冻干燥过程中为了增加升华速度，缩短干燥时间，要对产品进行适当加热。整个干燥是在较低的温度下进行的。二、冷冻干燥的优点1．冷冻干燥在低温下进行，对许多热敏性物质特别适用。2．在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小，适合药品的干燥。3．在冷冻干燥过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因此能保持原来的性装。二、冷冻干燥的优点4．由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。5．干燥后的物质疏松多孔，呈海绵状，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。6．由于干燥在真空下进行，氧气极少，因此一些易氧化的物质得到了保护。7．干燥能排除95-99%以上的水份，使干燥后产品能长期保存而不致变质。三、冻干机的组成1、冻干机的组成按系统分1.1制冷系统1.2真空系统1.3加热系统1.4控制系统1.1制冷系统制冷系统由冷冻机与冻干箱、冷凝器内部的管道等组成。冷冻机可以是互相独立的二套，也可以合用一套。冷冻机的功用是对冻干箱和冷凝器进行致冷，以产生和维持它们工作时所需要的低温，它有直接制冷和间接制冷二种方式。1.2真空系统冻干箱、冷凝器、真空管道和阀门，再加上罗茨泵、真空泵，便构成冻干机的真空系统。真空系统要求没有漏气现象，真空泵是真空系统建立真空的重要部件。真空系统对于产品的升华干燥是必不可少的。1.3加热系统加热系统对于不同的冻干机有不同的加热方式。有的是利用直接电加热法；有的则利用中间介质来进行加热，由一台循环泵泵使中间介质不断循环。加热系统的作用是对冻干箱内的产品进行加热，以使产品内的水份不断升华，并达到规定的残余水份要求。1.4控制系统控制系统由各种控制开关，指示调节仪表及一些自动装置等组成，它可以较为简单，也可以很复杂。一般自动化程度较高的冻干机则控制系统较为复杂。控制系统的功用是对冻干机进行手动或自动控制，操纵机器正常运转，以冻干出合乎要求的产品来。2、冻干机的组成按结构分由冻干箱或称干燥箱、冷凝器或称水汽凝集器、冷冻机、真空泵和阀门、电气控制元件等组成。2.1冻干箱冻干箱是一个能够致冷到-40℃左右，能够加热到+50℃左右的高低温箱，也是一个能抽成真空的密闭容器。它是冻干机的主要部分，需要冻干的产品就放在箱内分层的金属板层上，对产品进行冷冻，并在真空下加温，使产品内的水份升华而干燥。2.2冷凝器冷凝器同样是一个真空密闭容器，在它的内部有一个较大表面积的金属吸附面，吸附面的温度能降到-40℃以下，并且能恒定地维持这个低温。冷凝器的功用是把冻干箱内产品升华出来的水蒸气冻结吸附在其金属表面上。四、共溶点及其测量方法1.共熔点的概念制品内的各种组份全部冻结成固体的温度即为共熔点。2、共熔点的意义由于冷冻干燥是在真空状态下进行。只有制品全部冻结后才能在真空下进行升华，否则有部分液体存在时，在真空下不仅会迅速蒸发，造成液体的浓缩使冻干制品的体积缩小；而且溶解在水中的气体在真空下会迅速冒出来，造成象液体沸腾的样子，使冻干产品鼓泡，甚至冒出瓶外。冻干制品在升华开始时必须要冷到共熔点以下的温度，使冻干制品真正全部冻结。3、共熔点的确定在冻结过程中，从外表的观察来确定制品是否完全冻结成固体是不可能的；靠测量温度也无法确定制品内部是否完全冻结成固体。而随着制品冻结温度的变化，其内部冰晶结构也发生变化，同时制品的电阻率也会发生相应变化。制品完全冻结后其内部离子将固定不动，因此电阻率明显增大；如果制品没有完全冻结，其内部会有少量液体存在，其电阻率将显著下降。因此通过测量制品的电阻率可以确定制品的共熔点。4、一些物质的共熔点物质共熔点（℃）0.85%氯化钠溶液-2210%蔗糖溶液-2640%蔗糖溶液-3310％蔗糖溶液、10%葡萄糖溶液、0.85%氯化钠溶液-36马血清-35五、冷冻干燥的程序1、冷冻干燥的程序1.1在冻干之前，把需要冻干的制品分装在合适的容器内，一般是玻瓶或安瓶，装量要均匀，蒸发表面尽量大而厚度尽量薄些；然后放入与冻干箱尺寸相适应的金属盘内。1.2将制品放入冻干箱内进行预冷﹑冻结﹑抽真空，抽真空之前要根据冷凝器冷冻机的降温速度提前使冷凝器工作，抽真空时冷凝器应达到-40℃左右的温度，待真空度达到一定数值后，即可对箱内制品进行加热。1、冷冻干燥的程序1.3一般加热分两步进行，第一步加温不使制品的温度超过共熔点的温度；待制品内水份基本干完后进行第二步加温，这时可迅速地使制品上升的规定的最高温度。在最高温度恒温保持数小时后，即可结束冻干。1.4冻干结束压塞后，放入无菌空气进入干燥箱，然后尽快地出箱封口，以防重新吸收空气中的水份。2、冷冻干燥时间的影响因素4.1产品的种类4.2产品的装量4.3玻璃容器的形状、规格4.4冻干曲线及机器的性能等。3、冻干曲线冻干曲线：在冻干过程中，以产品和板层的温度、冷凝器温度和真空度为纵坐标，时间为横坐标画成的曲线，叫做冻干曲线。冻干不同的产品应采用不同的冻干曲线。同一产品使用不同的冻干曲线时，产品的质量也不相同，冻干曲线还与冻干机的性能有关。六、制品的冻结1.制品冻结的简述1.1冻结的目的：是为了固定制品，以便在真空下进行升华。没有冻实的制品抽真空时制品会冒出瓶外；如果制品温度冻的过低，则不仅浪费了能源和时间，而且对于某些制品还会降低活性。1.制品冻结的简述1.2制品在进行冷冻干燥时，需要装入适宜的容器，然后进行冻结，才能进行升华干燥。1.3冻结过程不仅昰为了保护物质的主要性能不变；而且要获得冻结后制品有合理的结构以利于水份的升华；还要有恰当的装量，以便日后的应用。2.制品冻结时的注意事项2.1制品中物质的含量：需要冻干的产品需配制成一定浓度的液体，为了能保证干燥后有一定的形状，物质含量在20%左右最佳。2.2.1制品分装到容器中要有一定的表面积与厚度之比。表面积要大一些，厚度要小些，这样才有利于制品中水分的升华。一般分装厚度不大于10mm。2.制品冻结时的注意事项2.2.2有些制品需用大瓶，并且瓶中制品装量较多时，可以采用旋冻的方法冻成壳状，或倾斜容器冻成斜面，以增大表面积，减小厚度。2.3直接把产品放置在冻干箱内的多层搁板上，由冷冻机来进行冷冻。大量的小瓶和安瓿进行冻干时为了进箱和出箱方便，一般把小瓶或安瓿分装在若干金属盘内，再装进箱子。2.制品冻结时的注意事项2.4为了改进热传递，有些金属盘制成可分离式，进箱时把底抽走，让小瓶直接与冻干箱的金属板接触；对于不可抽底的盘子要求盘底平整，以利于产品热传递的均一性；采用旋冻法的大血浆瓶要事先冻好，然后再加上降过温的金属块后再进行冷冻。3、制品的冻结过程纯水结冰冰晶的生长电解质的浓缩低温共熔混合物凝固变为固体4、冷冻对细胞和生命体的破坏作用其机理是非常复杂，目前尚无统一的理论，一般认为主要是由以下两种效应引起4.1机械效应4.2溶质效应4.1机械效应4.1.1机械效应是由细胞内外冰晶生长而产生的机械力量引起的。特别是对于有细胞膜的生命体影像较大。一般冰晶越大，细胞膜越易破裂，从而造成细胞死亡；冰晶小，对细胞膜的机械损伤也较小。4.1机械效应4.1.2缓慢冷冻产生的冰晶较大，快速冷冻产生的冰晶较小；就此而言。快速冷冻对细胞的影响较小。缓慢冷冻容易引起细胞的死亡。4.2溶质效应4.2.1由于水的冻结使间隙液体逐渐浓缩，从而使电解质的浓度增加。由于蛋白质对电解质的浓度较敏感，电解质浓度的增加会引起蛋白质的变性，从而使细胞死亡；另外电解质浓度的增加会使细胞脱水而死亡。间隙液体浓度越高。上述原因引起的破坏也越厉害。4.2溶质效应4.2.2溶质效应在某一温度范围最为明显。这个温度范围在水的冰点和该液体的全部固化温度之间。若制品能以较高的速度越过这一温度范围，溶质效应所产生的影响就能大大减弱。4.2溶质效应4.2.3冷冻时所形成冰晶体的大小在很大程度上也影响干燥的速率和干燥后制品的溶解速度。大的冰晶容易升华，小的冰晶不利于升华；但大的冰晶溶解慢，小的冰晶溶解快。冰晶越小、干燥后越能反映产品的原来结构。5、冻结之前应确定的三个数据5.1冻结的速率：应根据产品不同而试验出一个最优冷冻速率。5.2冻结的最低温度：应根据该产品的共熔点来决定，预冻的最低温度应低于共熔点的温度。5、冻结之前应确定的三个数据5.3冻结的时间：根据机器的情况来决定，保证抽真空之前所有产品均已冻实，不致因抽真空而冒出瓶外；冻干箱的每一板层之间，每一板层的各部分之间温差越小，则预冻的时间可以相应缩短，一般产品的温度达到冻结最低温度1－2小时后，即可开始抽真空，进行升华干燥。七、制品的第一阶段干燥1.第一阶段干燥的简述1.1制品内的冰全部升华之前的阶段称第一阶段干燥、也叫作解吸干燥阶段1.2制品在升华时要吸收热量，一克冰全部变成水蒸汽大约需要吸收670卡左右的热量，因此升华阶段必须对产品进行加热。但对制品的加热量是有限度的，不能使制品的温度超过其自身共熔点温度。2.升华的制品温度与共熔点温度的比较2.1升华的制品温度如果低于共熔点温度过多，则升华的速率降低，升华阶段的时间会延长；2.2如果高于共熔点温度，则产品会发生熔化，干燥后的产品将发生体积缩小，出现气泡，颜色加深，溶解困难等现象。2.3因此升华阶段制品的温度要求接近共熔点温度，但又不能超过共熔点温度3.制品的温度3.1由于制品升华时，升华面不是固定的。而是在不断的变化，并且随着升华的进行，冻结产品越来越少。因此造成对产品温度测量的困难，利用温度计来测量均会有一定的误差。也能通过对升华产品的电阻的测量来推断。如果测得产品的电阻大于共熔点时的电阻数值，则说明产品的温度低于共熔点的温度；如果测得的电阻接近共熔点时的电阻数值，则说明产品温度已接近或达到共熔点的温度。4、冻干箱内的压强4.1冷冻干燥时冻干箱内的压强，过去认为是越低越好，现在则认为不是越低越好，而是要控制在一定的范围之内。4.2压强低当然有利于产品内冰的升华。但由于压强太低时对热传递不利，产品不易获得热量，升华速率反而降低。实验表明：在冻干箱的压强低于10Pa时，气体的对流传热小到可以忽略不计；而压强大于10Pa时，气体的对流传热就明显增加。在同样的板层温度下，压强高于10Pa时，产品容易获得热量，因而升华速率增加。4、冻干箱内的压强4.3当压强太高时，产品内冰的升华速率减慢，产品吸热量将减少。于是产品自身的温度上升，当高于共熔点温度时，产品将发生熔化，造成冻干失败。4.4冻干箱的合适压强一般认为是在10-30Pa之间，在这个压强范围内，既利于热量的传递又利于升华的进行。超过30Pa时，产品可能熔化，此时将发出真空报警信号，切断对产品的加热，甚至启动冷冻机对冻干箱进行降温，以保护产品不致发生熔化。5、板层的温度应进行合理控制在升华干燥阶段，冻干箱的板层为制品的升华提供热量。板层温度高，制品获得的热量就多；板层温度低，制品获得的热量就少；板层温度过高，制品获得过多的热量使制品发生熔化；板层温度过低，制品得不到足够的热量会延长升华干燥时间。因此，板层的温度应进行合理的控制。6、板层温度高低的三个因素制品温度冻干箱的压强（即冻干箱的真空度）冷凝器温度6、板层温度高低的三个因素如果在升华干燥的时候，制品的温度低于该制品的共熔点温度较多，冻干箱内的压强小于真空报警设定的压强较多，冷凝器温度也低于-40℃较多，则板层的加热温度还可以继续提高。如果板层温度提高到某一数值之后，制品的温度已接近共熔点温度，或者冻干箱的压强上升到接近真空报警的数值或者冷凝器温度回升到-40℃，则板层温度不可再继续提高。7、升华阶段时间长短的影响因素7.1制品的品种：有些制品容易干燥，有些制品不