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在真空幹燥過程中,為什麽要先冷凍而不是直接加熱?

真空冷凍幹燥技術是將濕物料或溶液在較低溫度(-10℃~-50℃)下冷凍成固態,然後在真空(1.3~13Pa)下不經過液態而直接升華成氣態,最後使物料脫水的幹燥技術。我國是原料藥生產大國,因此該技術的應用前景十分廣闊。但需要註意的是,近年來真空冷凍幹燥技術在我國推廣很快,與其相比,基礎理論研究相對滯後,力量薄弱,專業技術人員不多。而且,與空氣幹燥、噴霧幹燥等幹燥技術相比,真空冷凍幹燥設備投資大、能耗高、藥品生產成本高,從而制約了該技術的進壹步發展。因此,切實加強基礎理論研究,在保證藥品質量的同時,實現節能降耗,降低生產成本,已成為真空冷凍幹燥技術領域當前面臨的最重要課題。

■技術優勢突出

由於真空冷凍幹燥是在低溫、低壓下進行的,水分直接升華,因而賦予產品許多特殊性能。如真空冷凍幹燥技術對熱敏性物料也能脫水得更徹底,而且幹燥後的藥品非常穩定,便於長期保存。由於物料的幹燥是在冷凍狀態下完成的,與其他幹燥方法相比,物料的物理結構和分子結構變化很小,其組織和外觀形態保存較好。在真空冷凍幹燥過程中,物料不存在表面硬化的問題,其內部形成多孔海綿狀,因此具有極好的復水性,可以在短時間內恢復到幹燥前的狀態。由於幹燥過程是在極低的溫度下進行,與空氣基本隔絕,有效地抑制了熱敏性物質發生生物、化學或物理變化,較好地保存了原料中的活性物質,保持了原料的色澤。

■加強基礎理論研究

目前,我國真空冷凍幹燥設備趨於完善,但與發達國家相比,技術基礎理論顯得滯後和薄弱,阻礙了技術應用水平的提高。因此,研究重點正在向這壹領域轉移。目前,研究的重點集中在真空冷凍幹燥物理參數及其影響因素、工藝參數、工藝機理與模型、工藝優化與控制等方面的研究。

真空冷凍幹燥技術的基本參數包括物理參數和工藝參數,它們是實現真空冷凍幹燥工藝的基礎。缺少這些數據將使幹燥過程難以實現對物料的優化,不能充分發揮系統的效率。物理參數是指物料的導熱系數、傳熱系數等。這方面的研究包括物理參數數據和測定方法的確定,以及壓力、溫度、相對濕度和物料顆粒取向等環境條件對物理參數的影響。過程參數包括與冷凍、加熱和材料形態有關的參數。對冷凍過程的研究旨在找到系統的最佳冷凍曲線。加熱過程的研究主要集中在兩個方面:改進原料載體和選擇加熱方法(熱傳遞和加熱源)。確定合適的材料形態也是研究的重要部分,其中包括原料的顆粒形態和材料層的厚度。

從傳熱和傳質兩方面研究真空冷凍幹燥的機理,並建立相應的數學模型,有助於找出該過程的影響因素,預測時間、溫度和蒸汽壓的分布。目前的研究主要局限於均相液相,並提出了壹些數學模型,如沿冰前沿均勻撤退模型、升華模型、吸附-升華模型等。雖然這些模型在不同程度上描述了真空冷凍幹燥的過程,但在實際應用中仍存在很多局限性。過程優化控制就是以上述數學模型為基礎的。控制方案又分為準穩態模型和非穩態模型。

■生產過程的嚴格控制

由於生物制品和藥品凍幹工藝的復雜性,為了保證凍幹產品的質量和節約能源,必須在生產過程中嚴格控制預凍溫度、升華吸熱等,使凍幹工藝的各個階段按照預先制定的工藝路線工作。

*應用技巧 1:保持合理的預凍溫度

在真空冷凍幹燥過程中,要先將待幹燥的藥物預凍,然後在真空狀態下,使水分直接由冰變為氣體,藥物得到幹燥。在整個升華階段,藥品必須保持冷凍狀態,否則不能得到性狀良好的產品。在藥品的預凍階段,應嚴格控制預凍溫度(通常比藥品的***熔點低幾度)。如果預凍溫度不夠低,藥物可能無法完全凍結,在真空升華過程中會膨脹起泡;如果預凍溫度過低,不僅會增加不必要的能耗,而且對於某些生物藥物來說,還會降低其凍幹後的存活率。

*應用技巧 2:註意升華吸熱

在幹燥的升華階段,物料需要吸收熱量(每克冰完全升華為水蒸氣吸收熱量約 2.8 千焦)。如果不對藥物加熱或加熱不足,升華中的水分就會吸收藥物本身的熱量而使藥物的溫度降低,導致藥物的蒸汽壓降低,從而引起升華速度降低,整個幹燥時間就會延長,生產效率下降;如果給藥物加熱升溫過多,藥物的升華速度固然會提高,但抵消了升華後藥物吸收的熱量後,多余的熱量會使冷凍藥物本身的升華速熱量會使冷凍藥物本身溫度升高,使藥物可能出現局部甚至全部融化,造成藥物幹縮起泡現象,整個幹燥就會失敗。

*應用技巧三:采用計算機自動控制

為了獲得良好的凍幹藥品,壹般在凍幹時應根據各型凍幹機的性能和藥品的特性,在試驗的基礎上制定出凍幹曲線,然後對機器進行控制,使凍幹過程中各階段的溫度變化符合預先制定的凍幹曲線。目前,真空冷凍幹燥的生產過程控制可以借助計算機,按照預先設定的凍幹曲線對生產系統進行控制。如硫酸鏈黴素的計算機冷凍幹燥工藝控制可分為兩個階段:第壹階段,在低於熔點的溫度下,冷凍物料中的水分升華,約98%~99%的水分在此時被除去。在第二階段,材料溫度逐漸升高至室溫或略高於室溫,之後水分可降至 0.5% 以下。這個過程的預凍溫度為-40℃左右,時間約為兩個小時。凍幹藥品的幹燥升華階段,物料溫度約為-30℃~-35℃,絕對壓力約為4~7帕。鏈黴素的最終幹燥溫度可提高到40℃,總幹燥時間約為18小時。計算機自動控制系統的使用有助於確保藥品符合質量要求。

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