利用差示扫描量热法（DSC）在监测冻干过程中的二次结晶过程
2025-03-10 来源:本站 点击次数:372
利用差示扫描量热法（DSC）、同步加速器 X 射线衍射法以及热通量传感器监测二次（溶质 + 水）结晶过程
冻干过程中辅料的结晶会对生产过程（如干燥速率）和成品质量产生重大影响。在本研究中，通过差示扫描量热法（DSC）、低温同步加速器小角和广角 X 射线衍射法（XRD）以及热通量传感器（HFT，安装在米尔罗克科技公司配备 LyoPAT II 的 MicroFD 冻干机搁板上）对水 + 氯化钠以及水 + 表面活性剂（泊洛沙姆）二元溶液进行了研究。在 HFT 实验中，在冷却 / 升温循环过程中测量层板与样品瓶之间的热通量。对于氯化钠 - 水溶液，HFT 检测到冷却过程中的初级冰核形成和二次溶质 + 水结晶（相当于二元体系的共晶结晶），以及升温过程中的二次（共晶）溶质 + 冰和冰的熔化。泊洛沙姆 - 水体系的行为更为复杂，在冷却过程中至少发生了三个连续的转变，即初级水结晶、液晶（暂定为立方相）相的形成，以及最终具有三维平移有序的结晶泊洛沙姆相的出现。该研究证实，基于实验室测试（DSC 和 XRD）观察到的结晶行为可能与实际冻干过程中配方的行为不同，同时表明 HFT 是一种有用的非侵入性工具，可用于监测样品瓶中辅料的结晶情况。
冻干时辅料结晶会影响生产过程与成品质量。本研究利用DSC、低温XRD和HFT，对水+氯化钠和水+泊洛沙姆溶液的展开研究，对水 + 氯化钠、水 + 泊洛沙姆二元溶液展开研究。HFT 实验测量冷却 / 升温循环时搁板与样品瓶间热通量。研究发现，氯化钠 - 水溶液冷却时有初级冰核形成和二次溶质 + 水结晶，升温时有二次溶质 + 冰和冰的熔化；泊洛沙姆 - 水体系冷却时至少经历三个转变。研究证实，实验室测试与实际冻干中结晶行为有差异，HFT 可用于监测辅料结晶。
目的
评估在冻干过程中使用热通量传感器检测二次溶质 + 水结晶的可行性。
方法
使用 0.22μm 过滤器过滤二元模型溶液水 + 氯化钠（溶质质量分数为 5% 和 15%）和水 + 泊洛沙姆（溶质质量分数为 5% 和 10%），将其装入玻璃样品瓶，并放置在米尔罗克科技公司 MicroFD 冻干机（如下图所示）的 HFT 上方。在不同测试中分别使用 1 个或 7 个样品瓶；下图展示了使用 7 个样品瓶的实验装置照片。在冷冻 / 解冻循环过程中，通过热电偶监测产品温度。HFT 实验采用受控冰核形成方法。共进行了 13 次实验。
对溶质质量分数为 10% 的泊洛沙姆 - 水溶液，同时采用 DSC 和低温同步加速器小角和广角 X 射线散射法（WAXS/SAXS）进行研究；对溶质质量分数为 0.63% 和 0.17% 的泊洛沙姆 - 水溶液，采用 DSC 进行研究。SAXS/WAXS 实验在法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射设施（ESRF）进行。
结果：DSC
图 1. 质量分数 10%（左）和 0.17%（右）泊洛沙姆溶液的 DSC 冷却 / 加热曲线。在质量分数 10% 的溶液升温过程中，于 - 45℃至 - 35℃之间观察到溶质 + 水结晶现象。在质量分数 0.63%（未展示）和 0.17% 的溶液中，无论是冷却还是升温过程中均未检测到结晶事件。
结果：sSAXS/WAXS
图 2a. 室温下 P188 的 SAXS（右）和 WAXS（左）图谱。SAXS 图谱中峰位置的比值为 1.82，接近六方相的特征比值 1.73。
图 2b. 质量分数 10% 泊洛沙姆溶液冷却过程中获得的低温同步加速器 SAXS 和 WAXS 图谱。在 - 15℃至 - 20℃之间观察到冰的形成（WAXS 图谱，左图），而 P188 的结晶峰（三维结构）在较低温度 - 25℃至 - 30℃之间出现（WAXS 图谱，中图）。SAXS 在与冰形成相同的温度范围（ - 15℃至 - 20℃，右图），即三维结构形成之前，检测到长程结构的发展。请注意，纯的 “原样” P188 具有六方结构，而冷冻溶液对应立方结构。
图 2c. 质量分数 10% 泊洛沙姆溶液升温过程中获得的低温同步加速器 SAXS 和 WAXS 图谱。升温数据显示，P188 的熔化分两步进行，首先是三维位置有序性消失（WAXS，中图， - 20℃至 - 15℃），然后是二维长程位置有序性消失（SAXS， - 15℃至 - 10℃） 。
结果：HFT（15% 氯化钠溶液）
图 3. 15% 氯化钠溶液冷却 / 加热循环的温度和 HFT 数据（左）以及氯化钠 - 水体系的相图（右）。冷却过程：HFT 检测到初级冰形成和二次 NaCl・2H₂O + 水结晶。升温过程：HFT 检测到共晶熔化和冰融化。升温过程中 HFT 测得的转变温度（Te = - 21℃，TL = - 11℃）与相图中的温度（Te = - 21.4℃，TL = - 13.1℃）接近。
结果：HFT（5% 氯化钠溶液）
图 4. 5% 氯化钠溶液（7 个样品瓶）冷却 / 加热循环的温度和 HFT 数据。HFT 在冷却过程中检测到二次结晶，在加热过程中检测到二次熔化，表明其具有足够的灵敏度。检测到多个二次结晶事件，这表明受控冰核形成并不一定能保证二次结晶的一致性。
结果：HFT（10% 和 5% P188 溶液）
图 5. 10%（左）和 5%（右）P188 溶液冷却 / 加热循环的温度和 HFT 数据。两种情况下在升温过程中均检测到 P188 + 冰的融化，HFT 测得的温度与 DSC 和 XRD 测量结果一致。然而，HFT 未检测到二次结晶。
结论
SAXS/WAXS：P188 的结晶 / 熔化分两步进行。冷却过程中，先形成二维立方结构，随后发展为三维有序结构；升温过程中转变顺序相反，三维结构在较低温度下熔化，而二维立方结构仍保持完整。
HFT：在氯化钠 - 水溶液中检测到二次结晶和熔化。冷却过程中检测到多个二次结晶事件，表明受控冰核形成不一定会导致一致的二次结晶。尽管在P188水体系中观察到升温过程中的二次熔化现象，但即便在最高浓度条件下，也未检测到二次结晶，这可能与体系的过饱和度、温度和机械搅拌等因素有关。P188 - 水体系在样品瓶内的行为似乎更为复杂，需要进一步研究。此外需要注意的是，根据 DSC 结果，在冷冻溶液升温过程中观察到 P188 结晶，而 SAXS/WAXS 在冷却过程中检测到 P188 结晶。
冻干过程中辅料的结晶会对生产过程（如干燥速率）和成品质量产生重大影响。在本研究中，通过差示扫描量热法（DSC）、低温同步加速器小角和广角 X 射线衍射法（XRD）以及热通量传感器（HFT，安装在米尔罗克科技公司配备 LyoPAT II 的 MicroFD 冻干机搁板上）对水 + 氯化钠以及水 + 表面活性剂（泊洛沙姆）二元溶液进行了研究。在 HFT 实验中，在冷却 / 升温循环过程中测量层板与样品瓶之间的热通量。对于氯化钠 - 水溶液，HFT 检测到冷却过程中的初级冰核形成和二次溶质 + 水结晶（相当于二元体系的共晶结晶），以及升温过程中的二次（共晶）溶质 + 冰和冰的熔化。泊洛沙姆 - 水体系的行为更为复杂，在冷却过程中至少发生了三个连续的转变，即初级水结晶、液晶（暂定为立方相）相的形成，以及最终具有三维平移有序的结晶泊洛沙姆相的出现。该研究证实，基于实验室测试（DSC 和 XRD）观察到的结晶行为可能与实际冻干过程中配方的行为不同，同时表明 HFT 是一种有用的非侵入性工具，可用于监测样品瓶中辅料的结晶情况。
冻干时辅料结晶会影响生产过程与成品质量。本研究利用DSC、低温XRD和HFT，对水+氯化钠和水+泊洛沙姆溶液的展开研究，对水 + 氯化钠、水 + 泊洛沙姆二元溶液展开研究。HFT 实验测量冷却 / 升温循环时搁板与样品瓶间热通量。研究发现，氯化钠 - 水溶液冷却时有初级冰核形成和二次溶质 + 水结晶，升温时有二次溶质 + 冰和冰的熔化；泊洛沙姆 - 水体系冷却时至少经历三个转变。研究证实，实验室测试与实际冻干中结晶行为有差异，HFT 可用于监测辅料结晶。
目的
评估在冻干过程中使用热通量传感器检测二次溶质 + 水结晶的可行性。
方法
使用 0.22μm 过滤器过滤二元模型溶液水 + 氯化钠（溶质质量分数为 5% 和 15%）和水 + 泊洛沙姆（溶质质量分数为 5% 和 10%），将其装入玻璃样品瓶，并放置在米尔罗克科技公司 MicroFD 冻干机（如下图所示）的 HFT 上方。在不同测试中分别使用 1 个或 7 个样品瓶；下图展示了使用 7 个样品瓶的实验装置照片。在冷冻 / 解冻循环过程中，通过热电偶监测产品温度。HFT 实验采用受控冰核形成方法。共进行了 13 次实验。
对溶质质量分数为 10% 的泊洛沙姆 - 水溶液，同时采用 DSC 和低温同步加速器小角和广角 X 射线散射法（WAXS/SAXS）进行研究；对溶质质量分数为 0.63% 和 0.17% 的泊洛沙姆 - 水溶液，采用 DSC 进行研究。SAXS/WAXS 实验在法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射设施（ESRF）进行。
结果：DSC
结果：sSAXS/WAXS
结果：HFT（15% 氯化钠溶液）
结果：HFT（5% 氯化钠溶液）
结果：HFT（10% 和 5% P188 溶液）
结论
SAXS/WAXS：P188 的结晶 / 熔化分两步进行。冷却过程中，先形成二维立方结构，随后发展为三维有序结构；升温过程中转变顺序相反，三维结构在较低温度下熔化，而二维立方结构仍保持完整。
HFT：在氯化钠 - 水溶液中检测到二次结晶和熔化。冷却过程中检测到多个二次结晶事件，表明受控冰核形成不一定会导致一致的二次结晶。尽管在P188水体系中观察到升温过程中的二次熔化现象，但即便在最高浓度条件下，也未检测到二次结晶，这可能与体系的过饱和度、温度和机械搅拌等因素有关。P188 - 水体系在样品瓶内的行为似乎更为复杂，需要进一步研究。此外需要注意的是，根据 DSC 结果，在冷冻溶液升温过程中观察到 P188 结晶，而 SAXS/WAXS 在冷却过程中检测到 P188 结晶。
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