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冻干机蛋白质冻干加工工艺

冻干机蛋白质冻干加工工艺

冻干机蛋白质冻干涉及复杂的加工工艺,我们来详细解读。
一、冻干定义
首先介绍下冻干机冻干的定义:冷冻干燥是一个是物质稳定的过程,在该过程中,冻干的溶剂先结晶,在产品中形成一定的结构,然后靠升华和解吸附作用将溶剂的量减少至不足以维持生物生长和发生化学反应的程度。
一个好的蛋白冻干结构为:水冷冻成冰晶,蛋白和辅料以无定型物质状态(玻璃态)被限制在由冰晶形成的骨架当中,水分升华以后,固体骨架基本保持不变、干制品不失原有的固体结构,保持着原有形状,多孔结构的制品呈海绵状具有很理想的速溶性和快速复水性。
我们先了解下冻干机冻干的原理,冻干底层的原理是基于物态的变化也称相变。
通常物质有三种形态:固态、液态、气态,这三种形态在相互变化时会吸热或者放热,我们说冻干一般都是冻干水分,所以下面我们都是以水为例。
二、冻干机冻干过程
1、将液态制品预冻,就是液态到固态的转化,每克水需要放热80卡,也就是要给它80卡的冷量;
2、(冻干机的真空度/压力降低到水的三相点以下)把固态制品中的水分升华成气态,每克需要吸热670卡;
3、就是把升华出来的水分捕获。捕获冻干品升华出来的水分(水蒸气的形式)到冻干机的冷凝器(冷凝/捕获)
影响冻干效果的几大因素,包括:冻干机设备结构、饱合蒸气压、物质聚集态、主要的热性质、温度测量。
三、冻干机蛋白质冻干的工艺要求
冻干机就相当于两台冰箱和一个真空泵,一台为-50℃的普通冰箱,保证蛋白质药液能够冻结成固态,在真空泵抽成真空状态下,药液中的固态水直接升华为水蒸气。另一台-80℃的深低温冰箱不断捕获产生的水蒸气,直接冻结为固态冰。
任何液体物质,当在一个密闭容器内蒸发达到一定的程度之后,液体的汽化与蒸汽的液化就达到一个平衡状态。这时密闭容器内的蒸汽称为饱和蒸汽,密闭容器内的蒸汽压强称为饱和蒸汽压。
一些容易汽化的固体,在密闭容器中同样会形成饱和蒸汽压。饱和蒸汽压随温度的升高而增大,随温度的降低而减小。
对于同一蒸汽,在不同的温度有不同的饱和蒸汽压。饱和蒸汽压在升华干燥阶段的压力值的确定有指导意义,即冻干方案:在低于共晶点5oC的温度下确定冰的蒸气压。
比如共晶点为-20℃,板层温度控制在5℃,使产品的温度维持在-25℃,比产品的共晶点温度低5℃,并在此状况下维持15小时,直到产品中的冻结冰升华完毕为止;冻干机的真空度控制在产品温度所对应的饱和蒸汽压的30%左右,-25℃对应的饱和蒸汽压是0.63 毫巴,0.63×30%=0.189毫巴(一般选择19或20psi)。
一般来说压强低有利于蛋白质产品内冰的升华。但由于压强太低时对传热不利,产品不易获得热量,升华速率反而降低。
实验表明:在冻干机腔体的压强低于 0.1毫巴时,气体的对流传热小到可以忽略不计;而压强大于0.1毫巴时,气体的对流传热就明显增加。在同样的搁板温度下,压强高于0.1毫巴时,产品容易获得热量,因而升华速率增加。
但是,当压强太高时,产品内冰的升华速率减慢,产品吸热将减少。于是产品自身的温度会上升,当高于共晶点温度时,产品将发生熔化,造成冻干失败。冻干机腔体的合适压强一般认为是在 0.1~0.3毫巴之间,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0.3毫巴时,产品可能熔化,此时应发出真空报警信号,切断对产品的加热,甚至启动冻干机对冻干腔体进行降温,以保护产品不致发生熔化。
我们知道产品在干燥一段时间之后,会形成上面的干燥层和下面的冻结层,冻结层的产品继续干燥时,升华的气流必需通过干燥层,如果产品冻结成晶态,则由于晶体之间有间隙,升华气流能较顺利地通过,不影响产品的继续干燥。
如果产品冻结成玻璃态,则由于玻璃态/无定型物质几乎无间隙,升华气流没有通道,产品的继续干燥将受到影响,干燥会失败。
为了解决蛋白冻干在形成玻璃态过程中升华气流通道阻滞的问题,我们需要去玻璃化,因此蛋白在预冻过程中需要引入退火机制。退火能够促进结晶增长,扩大升华孔道,减小升华阻力,缩短冻干时间,并且容易获得优雅的外观。退火过程中存在两个变化,非晶态物质在高于Tg’时粘度会随温度升高而降低,从而发生流动、聚合;晶态的物质,小的冰晶分子会向大的冰晶迁移。
四、蛋白质冻干工艺总结
溶液在冻干机冷冻过程中溶质和溶剂存在一个相互相分离的过程,大多数冻干药品是以水为溶液,所以以水为例来说明溶液的凝结过程。
随着降温的下降到某一温度时,水开始结晶,这时的温度是制品的过冷温度。由于结晶放热,制品温度开始升高后下降,随着水结晶的增加,溶液的浓度增加(为了有利于干燥,一般冻干产品溶液配制成固体物质4%-15%的稀溶液)。
此外,根据产品的性质不同,这时有两种情况:
1)溶质可以结晶的产品,随着制品温度的下降,稀溶液变为浓溶液,并逐步成为饱和溶液,温度继续降低时,由于溶解度降低,将会有溶质析出,最后成为冰晶体和溶质结晶体的共晶混合物,晶体的大小和冷冻速率有关,这时的温度是产品的共晶温度。这个过程也是一个放热过程,在冷冻曲线上也出现过冷和平台。
2)溶质不结晶的产品,随着制品温度的下降,稀溶液变为浓溶液,温度继续降低时,溶液为玻璃态形式冻结,这时的温度是产品的冻结温度。在冰晶的间隙中就形成了微观的玻璃结构。
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