必看干貨|詳解冷凍干燥第一步凍結(jié)

凍結(jié)過程介紹

冷凍干燥包括三個基本過程：凍結(jié)(預(yù)凍階段)、升華干燥(一次干燥階段)、解析干燥(二次干燥階段)。

干燥過程與凍結(jié)過程密切相關(guān)，凍結(jié)的程度或狀態(tài)直接影響干燥過程中水分去除地快慢和凍干產(chǎn)品的質(zhì)量。

盛有溶液的容器與冷表面接觸后，溶液內(nèi)部存在一定的溫度分布。產(chǎn)品底部的溫度zui低，過冷度最大，也最易產(chǎn)生冰核，并且由于結(jié)晶放出的潛熱傳給過冷溶液和容器壁等原因，溶液各個位置的溫度分布不同，因而也形成了不同的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要取決于產(chǎn)品在凍結(jié)過程中凍結(jié)界面的性狀和推進速度。一般完全凍結(jié)的溶液品內(nèi)存在三個部分：

01底部均勻的冰晶層，晶核主要在此區(qū)形成，溶質(zhì)少；

02柱狀區(qū)，為冰晶生長區(qū)，溶質(zhì)主要存在于冰晶間隙，并且隨冰晶向上推進核溫度梯度的存在，溶質(zhì)產(chǎn)生由下至上的遷移；

03表面濃縮層，在這部分由于預(yù)凍過程中溶質(zhì)的遷移而形成高濃度的表層區(qū)。

02共晶點或共熔點

溶液的結(jié)冰過程與純液體不一樣，純液體如純水降溫至0°C時即可結(jié)冰，此時水、冰混合物共存，水的溫度并不下降，直到全部水結(jié)冰之后溫度才下降，這說明純液體有一個固定的結(jié)冰點；同時當對冰進行升溫時，一開始也出現(xiàn)的是冰水混合物，體系仍保持0°C直至冰完全熔化，而凍干產(chǎn)品凍干前的溶液一般都是雙組分或多組分溶液，所以情況要更復(fù)雜得多。

多組分的凍于溶液不是在某一固定溫度完全凝結(jié)成固體，而是在某一溫度時，晶體開始析出，隨著溫度的下降，晶體的數(shù)量不斷增加，最后才全部凝結(jié)，因此藥液并不是在某一固定溫度，而是在某一溫度范圍內(nèi)凝結(jié)的。冷卻時開始析出晶體的溫度稱為冰點溫度，而溶液全部凝結(jié)的溫度叫做溶液的凝固點。由于凝固點就是融化的開始點(即熔點)，對于溶液來說也就是溶質(zhì)和溶劑共同熔化的點，所以又叫做共晶點或共熔點，可見溶液的冰點與共熔點是不相同的、共晶(熔)點才是溶液真正全部凝成固定的溫度。

在冷凍干燥過程中，如產(chǎn)品溫度超過最低共晶點，部分溶質(zhì)或全部溶質(zhì)處于液體中，冰晶升華就會被液體蒸發(fā)取代，干燥后的產(chǎn)品易發(fā)生萎1縮，溶解度下降，故最低共晶點溫度是獲得最佳凍干效果的臨界溫度。

03測定共晶點的方法

測定共晶點主要有以下三種方法，各有優(yōu)劣勢，電導(dǎo)(阻)法測共晶點操作簡單、方便易行，目前應(yīng)用最多;但對非電解質(zhì)溶液則無法準確測定。

(1)電導(dǎo)或電阻測定法

在凍結(jié)過程中，從外表的觀察來確定產(chǎn)品是否完全凍結(jié)成固體是不可能的，也無法通過測量溫度確定產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。通過測量凍結(jié)過程中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時的導(dǎo)電性能變化，可判斷凍結(jié)是否完成。

原理:最低共晶點是從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟呐R界溫度。純水幾乎是不導(dǎo)電的，含水物質(zhì)的導(dǎo)電性主要是通過溶液中的帶電離子定向移動實現(xiàn)的。當物料中的水分被完全凍結(jié)，帶電離子也隨之被固定下來，不能自由移動，物料的導(dǎo)電能力因而顯著下降，而少量液體存在時，電導(dǎo)會顯著增加。故通過測定凍結(jié)過程的電導(dǎo)變化可求得最低共晶點。

此外，也可通過測定電阻變化確定共晶點。當物料完全凍結(jié)時，物料的電阻會急劇增加。利用這一原理，測量凍結(jié)后的物料升溫融化過程中電阻值的變化，其中電阻值變化最為劇烈時對應(yīng)的溫度即為物料的共晶點溫度。

(2)電容測定法

原理:在冷凍與加熱過程中，隨水分的結(jié)晶與熔化，電容量將發(fā)生顯著改變，利用這一性質(zhì)，可用于測定共晶點并探測產(chǎn)品是否凍結(jié)完全，因此可設(shè)定一個合適的電容值直接控制加熱升華。

水和冰的介電常數(shù)不同，水的介電常數(shù)為78.5(25℃)，冰的介電常數(shù)為4，而物理吸附和化學(xué)結(jié)合的水分隨著結(jié)合程度的不同，介電常數(shù)在10~80之間。采用絕緣體分開的兩片金屬電極組成一電容器，將樣品溶液作為電介質(zhì)置于電極之間，則在凍干各相變化過程中，電容器的電容量將發(fā)生不同程度變化。在升華過程中，由于冰晶逐漸減少，電容量也隨之降低，故電容量隨時間的變化的斜率反應(yīng)了質(zhì)量轉(zhuǎn)移的速率，所以實際上電容變化曲線就是冰晶的干燥曲線。另外，電介質(zhì)的性能在真空與空氣間差別很小，介電常數(shù)的測定可認為與壓力無關(guān)，因此電容法可直接在凍干過程中應(yīng)用。

優(yōu)點:較電導(dǎo)法使用范圍更廣泛，可用于電解質(zhì)和非電解質(zhì)溶液，也可用于粒狀或不均勻的塊狀物。

(3) 熱分析法

熱分析法是基于凍結(jié)的藥品在升溫過程中溫度達到共熔點時會有能量的吸收用熱分析儀來測定該能量吸收棒，可計算得到共晶點溫度。

差示掃描量熱法(DSC)是在溫度程序（升溫或降溫）控制下，測量輸送給樣品和參比物質(zhì)的能量差值與溫度之間的關(guān)系的一種方法。DSC可以精確快速地控溫度和進行熱焓的測量。

在凍干機上采用熱分析原理測定藥品共熔點的一般步驟：

① 制少量樣品溶液，取25mL置于50mL的燒杯中；

② 啟動凍干機，將擱板溫度調(diào)到-25℃，并維持這一溫度；

③ 將裝有樣品溶液的燒杯放在凍干機的擱板上，插人溫度探頭，測定樣品溶液的溫度變化；

④ 以溫度對時間作圖，便可獲得該產(chǎn)品溶液的共熔點。

此外亦可采用低溫顯微鏡直接觀察或數(shù)字公式計算等方法得到溶液的共晶(熔)點。

04玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

所謂玻璃化即物質(zhì)以非晶態(tài)存在的一種固體狀態(tài)，它可看作是凝集的液體，但因黏度極大，流動性差，所以呈固體狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，許多溶質(zhì)在冷凍過程中不能形成共熔相。當溫度降低時，冷凍濃縮液會變得更濃更黏稠，同時有冰產(chǎn)生;當降到某一溫度時，很小的溫度變化就可能引起冷凍濃縮液黏度的顯著增加，同時冰的結(jié)晶停止，此時的溫度叫玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），即指最大凍結(jié)濃縮液發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時的溫度。

冷凍干燥過程中Tg與降溫速度和溶質(zhì)比有關(guān)。一般溶液的Tg隨濃度的增大而升高，而且Tg的高低直接影響凍干產(chǎn)品的外觀，以不同保護劑條件下脂質(zhì)體的凍干為例。分別采用 15%的葡萄糖、蔗糖、甘露醇、海藻糖濃度為保護劑時，脂質(zhì)體混懸液的Tg分別為-38.5℃，-32.4℃，-30.4℃，-29.2℃。凍干后的結(jié)果也顯示以葡萄糖作為保護劑的脂質(zhì)體外觀很差，呈泡沫狀，且隨其濃度增加，凍干后體積膨脹。以Tg較高的海藻糖作為保護劑時凍干脂質(zhì)體外觀最好，表面無收縮的疏松塊狀物。

05富睿捷冷凍干燥設(shè)備

杭州富睿捷科技有限公司（FTFDS）是一家專業(yè)從事真空冷凍干燥系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及服務(wù)的高科技企業(yè)，致力于為客戶打造定制化、專業(yè)化、品質(zhì)化的凍干工藝解決方案。

公司聯(lián)合浙江大學(xué)專業(yè)科研組，成立高質(zhì)量的科研團隊，擁有雄厚的科研力量，獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的實用新型專利多項，通過ISO9001/ISO14001/ISO45001三大體系認證，多個產(chǎn)品通過省級以上第三方計量機構(gòu)檢測并獲得報告證書。

公司產(chǎn)品主要是實驗型及研發(fā)型冷凍干燥系統(tǒng)及其配套解決方案，憑借專業(yè)的研發(fā)團隊、強大的生產(chǎn)能力和優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)，富睿捷用戶群涵蓋了生物材料、生物醫(yī)藥、環(huán)境、食品、大健康等諸多行業(yè)，在市場上贏得了較高的聲譽。

富睿捷原位凍干機Mercury 6L 0.3㎡采用內(nèi)置直立式不銹鋼冷阱盤管的設(shè)計，冷阱溫度最低可達到-80°C。并配有高精度皮拉尼真空傳感器，可確保真空度的準確性。制冷系統(tǒng)采用系統(tǒng)化設(shè)計，可根據(jù)程序需求進行制冷功率的實時自動調(diào)節(jié)，大大縮短預(yù)凍時間。真空泵內(nèi)置，無需放置于主機外部，更簡潔美觀。機器配有隔板板層硅油儲油罐油位報警系統(tǒng)，可以保證腔體隔板不產(chǎn)生任何氣泡，確保腔體溫度的永1久一致均勻性。并配置西林瓶壓蓋裝置，便于凍干完成后在真空狀態(tài)下進行壓蓋。另外，整機配備了熱分析法和電阻法雙重共晶點測試系統(tǒng)，更利于凍干工藝的摸索研究，可大大縮短凍干的時間，提高工作效率。