Cómo funciona el liofilizador
La cantidad de vapor de agua en el aire comprimido está determinada por la temperatura del aire comprimido: si bien se mantiene la presión del aire comprimido básicamente sin cambios, bajar la temperatura del aire comprimido puede reducir el contenido de vapor de agua en el aire comprimido. aire Y el exceso de vapor de agua se condensará en líquido. El liofilizador utiliza este principio para secar aire comprimido mediante tecnología de refrigeración. Por tanto, el secador frigorífico dispone de un sistema de refrigeración. Vista frontal del principio del liofilizador Gree
El sistema de refrigeración del liofilizador es un sistema de refrigeración por compresión y consta de cuatro componentes básicos: compresor de refrigeración, condensador, evaporador y válvula de expansión. Están conectados por tuberías para formar un sistema cerrado, en el que el refrigerante circula continuamente, cambia de estado e intercambia calor con el aire comprimido y el medio refrigerante.
El compresor de refrigeración aspira el refrigerante de baja presión (baja temperatura) del evaporador hacia el cilindro del compresor. Después de comprimir el vapor del refrigerante, la presión y la temperatura aumentan al mismo tiempo; y el vapor de refrigerante de alta temperatura se comprime hasta que se condensa. En el condensador, el vapor de refrigerante de mayor temperatura intercambia calor con el agua o aire de refrigeración de menor temperatura. El calor del refrigerante es absorbido por el agua o el aire y se condensa. y el vapor del refrigerante se vuelve líquido. Esta parte del líquido luego se transporta a la válvula de expansión, donde se estrangula hasta convertirse en un líquido de baja temperatura y baja presión y ingresa al evaporador, el líquido refrigerante de baja temperatura y baja presión absorbe el calor de; el aire comprimido se vaporiza (comúnmente conocido como "evaporación"), y el aire comprimido condensa una gran cantidad de agua líquida después de enfriarse, el vapor del refrigerante en el evaporador es aspirado por el compresor, de modo que el refrigerante pasa por cuatro; procesos de compresión, condensación, estrangulamiento y evaporación en el sistema, completando así un ciclo.
En el sistema de refrigeración del liofilizador, el evaporador es un dispositivo que transporta energía fría. El refrigerante absorbe el calor del aire comprimido para lograr el propósito de deshidratación y secado. El compresor es el corazón y desempeña la función de aspirar, comprimir y transportar el vapor refrigerante. El condensador es un dispositivo que libera calor y transfiere el calor absorbido en el evaporador junto con el calor convertido por la potencia de entrada del compresor al medio de enfriamiento (como agua o aire) para su eliminación. La válvula de expansión/válvula de mariposa estrangula y despresuriza el refrigerante, controla y regula la cantidad de líquido refrigerante que fluye hacia el evaporador y divide el sistema en dos partes, el lado de alta presión y el lado de baja presión. Cuando la solución se congela rápidamente (enfriándose a 10 ~ 50°C por minuto), los granos de cristal permanecen en el tamaño visible bajo el microscopio; por el contrario, cuando la solución se congela lentamente (1°C/min), los cristales; formados son visibles a simple vista. Los cristales gruesos dejan grandes espacios después de la sublimación, lo que puede mejorar la eficiencia de la liofilización. Los cristales finos dejan espacios más pequeños después de la sublimación, lo que dificulta la sublimación de la capa inferior. El producto final de la congelación rápida tiene partículas finas, apariencia uniforme y una gran superficie específica. área y poroso. Tiene una buena estructura y una velocidad de disolución rápida, por lo que la higroscopicidad del producto terminado es relativamente más fuerte.
Los medicamentos se precongelan en el liofilizador de dos maneras: una es enfriar el producto y la caja de secado al mismo tiempo, la otra es esperar hasta que el estante de la caja de secado se enfríe aproximadamente -40°C, y luego poner el producto en el primero equivale a la congelación lenta, mientras que el segundo está entre la congelación rápida y la congelación lenta, por lo que a menudo se usa para equilibrar la eficiencia de la liofilización y la calidad del producto. La desventaja de este método es que cuando el producto se coloca en la caja, el vapor de agua en el aire se condensará rápidamente en el estante. En la etapa inicial de la sublimación, si la placa se calienta rápidamente, la carga normal del condensador puede ser mayor. ser superado debido a la gran área de sublimación. Este fenómeno es especialmente notable en verano.
La congelación del producto es en estado estático. La experiencia ha demostrado que el sobreenfriamiento puede ocurrir fácilmente hasta el punto en que la temperatura del producto alcanza el punto de cristalización. Sin embargo, el soluto aún no cristaliza. Para superar el fenómeno de sobreenfriamiento, la temperatura de congelación del producto debe estar un rango por debajo del punto de cristalización y debe mantenerse durante un período de tiempo hasta que el producto esté completamente congelado. El hielo puede comenzar a sublimarse cuando su presión de vapor saturado a una determinada temperatura es mayor que la presión parcial del vapor de agua ambiental; la succión y captura de vapor de agua por el condensador, que es menor que la temperatura del producto, es una condición necesaria para su mantenimiento.
La distancia recorrida por una molécula de gas entre dos colisiones consecutivas se denomina camino libre medio, que es inversamente proporcional a la presión. Bajo presión normal, su valor es muy pequeño. Las moléculas de agua sublimada pueden chocar fácilmente con el gas y regresar a la superficie de la fuente de vapor, por lo que la velocidad de sublimación es muy lenta. A medida que la presión disminuye por debajo de 13,3 Pa, el camino libre medio aumenta 105 veces, lo que acelera significativamente la velocidad de sublimación. Las moléculas de agua que vuelan rara vez cambian de aspecto, formando así un flujo de vapor direccional.
La bomba de vacío desempeña la función de eliminar el gas permanente en la máquina liofilizadora para mantener la baja presión necesaria para la sublimación.
1 g de vapor de agua equivale a 1,25 litros a presión normal, pero se expande a 10.000 litros a 13,3 Pa. Es imposible que una bomba de vacío ordinaria elimine un volumen tan grande por unidad de tiempo. El condensador en realidad forma una bomba de vacío diseñada específicamente para capturar vapor de agua.
Las temperaturas del producto y de condensación suelen ser de -25°C y -50°C. La presión de vapor saturado del hielo a esta temperatura es 63,3 Pa y 1,1 Pa respectivamente, por lo que se genera una diferencia de presión considerable entre la superficie de sublimación y la superficie de condensación si se puede ignorar la presión parcial del gas no condensable en el sistema. En cualquier caso, este tiempo hará que el vapor de agua sublimado del producto alcance la superficie del condensador a un cierto caudal y forme hielo.
El calor de sublimación del hielo es de unos 2822J/g. Si no se suministra calor durante el proceso de sublimación, el producto sólo puede reducir la energía interna para compensar el calor de sublimación cuando su temperatura está equilibrada. Con la temperatura del condensador, la sublimación se detendrá. Para mantener la diferencia de temperatura entre sublimación y condensación, se debe proporcionar suficiente calor al producto. En la primera etapa de calentamiento (etapa de sublimación masiva), la temperatura del producto se encuentra en un rango inferior a su punto máximo de cristalización. Por lo tanto, se debe controlar la temperatura del estante. Si el producto se ha secado parcialmente, pero la temperatura excede su punto de cristalización, el producto se derretirá. En este momento, el líquido derretido estará saturado con hielo pero no con soluto. El soluto seco se disolverá rápidamente y finalmente se condensará en un bloque delgado y rígido con una apariencia extremadamente pobre y una velocidad de disolución deficiente. Si la fusión del producto ocurre en la última etapa de la sublimación a gran escala, los poros secos estarán secos debido a la pequeña cantidad. del líquido derretido es absorbido por los sólidos orgánicos, lo que resulta en algunos defectos en el bloque liofilizado. Cuando se agrega agua para disolver, la velocidad de disolución aún puede ser lenta.
En el proceso de sublimación a gran escala, aunque hay una gran diferencia entre las temperaturas del estante y del producto, dado que la temperatura de la placa, la temperatura del condensador y la temperatura del vacío se mantienen básicamente sin cambios, la absorción de calor por sublimación es relativamente estable y la temperatura del producto es relativamente constante. A medida que el producto se seca capa por capa de arriba a abajo, la resistencia de la capa de hielo a la sublimación aumenta gradualmente. En consecuencia, la temperatura del producto también aumentará ligeramente. Hasta que la existencia de cristales de hielo ya no sea visible a simple vista. En este punto se ha eliminado más del 90% de la humedad. El proceso de sublimación masiva básicamente ha terminado en este punto. Para garantizar que toda la caja de productos esté completamente sublimada, aún es necesario mantener la temperatura de la placa durante una etapa antes de pasar a la segunda etapa de calentamiento. El pequeño porcentaje restante de agua se llama agua residual. Se diferencia del agua en estado libre en sus propiedades físicas y químicas. El agua residual incluye agua combinada químicamente y agua combinada físicamente, como la cristalización de agua cristalina combinada y el paso de proteínas a través del hidrógeno. Agua adherida y agua adsorbida sobre superficies sólidas o capilares, etc. Dado que la humedad residual está unida por algún tipo de gravedad, su presión de vapor saturado disminuye en diversos grados, por lo que la velocidad de secado disminuye significativamente. Aunque el aumento de la temperatura del producto favorece la vaporización de la humedad residual, si se supera una temperatura límite determinada, la actividad biológica también puede caer bruscamente. La temperatura máxima de secado para garantizar la seguridad del producto debe determinarse experimentalmente. Normalmente aumentamos la temperatura de la placa a aproximadamente +30°C en la segunda etapa y la mantenemos constante. Al comienzo de esta etapa, a medida que aumenta la temperatura de la placa, la humedad residual es pequeña y difícil de vaporizar, por lo que la temperatura del producto aumenta rápidamente. Sin embargo, a medida que la temperatura del producto y la temperatura de la placa se acercan gradualmente, la conducción del calor se vuelve más lenta y se necesita mucho tiempo para esperar pacientemente. La experiencia práctica muestra que el tiempo para que se seque la humedad residual es casi igual al tiempo para que se seque la humedad residual. sublimación a gran escala y en ocasiones incluso la supera. Registre los cambios en la temperatura del estante y la temperatura del producto a lo largo del tiempo para obtener la curva de liofilización. Una curva típica de liofilización divide la temperatura del estante en dos etapas. Durante una gran cantidad de sublimación, la temperatura del estante permanece baja, generalmente se puede controlar entre -10 y +10. En la segunda etapa, la temperatura del estante se eleva adecuadamente según las propiedades del producto. Este método es adecuado para productos con puntos de fusión más bajos. Si el rendimiento del producto no está claro, el rendimiento de la máquina es deficiente o el trabajo no es lo suficientemente estable, es más seguro utilizar este método.
Si el punto de cristalización del producto es alto, el grado de vacío del sistema se puede mantener bien y la capacidad de enfriamiento del condensador es suficiente, también se puede usar una cierta velocidad de calentamiento para aumentar el estante. temperatura al nivel permitido La temperatura máxima es hasta el final de la liofilización, pero también es necesario asegurarse de que la temperatura del producto durante la sublimación a gran escala no supere el punto de cristalización.
Si el producto es inestable al calor, la temperatura de la placa en la segunda etapa no debe ser demasiado alta. Para aumentar la velocidad de sublimación en la primera etapa, la temperatura del estante se puede elevar por encima de la temperatura máxima permitida del producto cuando básicamente se completa la etapa de sublimación a gran escala, la temperatura de la placa se puede reducir a la temperatura máxima permitida; Aunque los dos últimos métodos La velocidad de sublimación de una gran cantidad mejora ligeramente, pero su capacidad antiinterferencia se reduce en consecuencia. Una reducción repentina en el vacío y la capacidad de refrigeración o un corte de energía puede hacer que el producto se derrita.
Dominar el primer método de manera razonable y flexible es el método más utilizado.