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什么是冷冻干燥机?
冷冻干燥机,这一高科技设备,通过从易腐材料中去除水分,实现了物品的长期保存与便捷运输。其工作原理简单而精妙:先冷冻材料,再降压加热,让冰直接升华为水蒸气,从而完成干燥过程。
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工作原理三步走
冻结阶段:这是最关键的一步。冷冻干燥机采用多种方法迅速冷冻产品,确保水分以升华形式去除,避免物质融化。对于生物材料,迅速冷冻能防止冰晶过大破坏细胞壁,保证冻干效果。
一次干燥(升华):此阶段降低压力并加热物料,使水分升华。真空环境加速了升华过程,而冷阱则收集水蒸气,保护真空泵免受损害。此时,材料中约95%的水分被去除。
二次干燥(解析):进一步提高温度,去除离子结合的水分子。冻干材料保留多孔结构,稳定性增强。
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重要术语科普
共晶点/共晶温度:产品仅以固态存在的温度点,决定预冻阶段温度设置,影响冻干效率与产品质量。
临界温度:在冷冻干燥过程中,产品在因回融或塌陷导致品质下降之前所能承受的最高温度。
无定形/玻璃态:多组分混合物不结晶的状态,冻干需在玻璃化转变温度以下进行。
冷阱:收集溶剂蒸汽的部件,防止其进入真空抽气系统。
升华:物质从固态直接转变为气态的过程,是冻干技术的核心。
无定形:那些不结晶且没有共晶点的多组分混合物会形成“玻璃”。对于无定形材料,冷冻干燥通常需要在玻璃化转变温度以下进行。
退火处理:指在冷冻干燥过程中,先将材料冷冻,随后适度加热,以促进晶体生长的过程。
逆流:一种使真空泵中的碳氢化合物蒸气能够从泵中逸出并进入冷凝器或干燥室的过程。
结合水:结合能相对较高、与产品紧密结合的水分,其存在于产品中对于材料的稳定性是必要的。这种水不参与冻结过程。
干燥层:冷冻干燥过程所形成的类似多孔海绵状结构的物质;或冷冻干燥过程后残留的固体成分。
崩塌:产品变软到无法支撑自身结构的那个点。
冷阱:真空冷冻干燥机中用于从干燥室内的气体中去除溶剂蒸汽(主要是水蒸气)以防止其进入真空抽气系统的部件。
CPP:关键工艺参数(例如:冷冻速率、一次干燥和二次干燥、压力)
CQA:关键质量属性(例如水分、稳定性)
临界温度:在冻干过程中,产品在质量因融化或塌陷而退化之前的最高温度
晶体:一种高度有序的固体材料基质。
设计确认(DQ):用于验证冻干机将按照客户给出的用户需求说明(URS)和功能规格进行建造的过程。
解析:也称为二次干燥;此过程通过提高产品温度并降低容器内水蒸气的分压来去除多余的水分(结合水)。
共晶点或共晶温度:指产品仅以固态存在的温度点,即为该物质的最低熔点。并非所有产品都有明确的共晶点,因为共晶点可能是一个温度范围,或者某些产品可能没有共晶点。共晶点在冻干工艺中具有重要意义,因为它决定了预冻阶段的温度设置,从而影响冻干效率和产品质量。
工厂验收测试(FAT):制造商和客户在冷冻干燥机出厂前进行的验证流程。
前管路:安装在真空室或外置冷凝器与真空泵之间的管道。
自由水:在干燥制剂的最终冻干层中,吸附在冻干层表面且脱附能力较低的水分,可能会导致其不稳定。这种水分会在冷冻干燥过程的第二阶段会被去除掉。
玻璃态:不存在相图且液态向固态或固态向液态转变时没有潜热的系统。
GMP:美国食品药品监督管理局颁布的良好生产规范
吸湿的:一种物质通过吸收或吸附从周围环境中吸引水分子的能力
检查确认(IQ) :用于验证真空冷冻干燥机是否按照制造商规格进行建造的过程。
泄漏率:一种度量单位,其中被测量的介质(封闭系统)在单位时间内有明确的衰减。典型的使用情况包括在一段时间间隔内真空压力的损失。
回熔:在一次干燥阶段由于存在液体而导致的给定配方的完全崩塌。
运行确认(OQ):验证真空冷冻干燥机为某种材料的生产提供安全环境以及进行冷冻干燥或真空冷冻干燥工艺所需操作参数的过程。
真空泄漏:通常由于真空系统被穿透而导致的真空泄漏。
现场验收测试(SAT):冷冻干燥机在工厂现场安装完毕后,由制造商和客户进行的验证过程。
升华:也称为一次干燥;物料完全冻结后,降低冷冻干燥机内的压力,并施加热量以促使冰晶升华,从而去除产品中的游离水分。更笼统地说,升华是指物质从固态直接转变为气态,中间不经过液态阶段。
玻璃化转变温度:由于间隙中水分子的流动性增强,材料从玻璃态转变为橡胶态的温度区间。
真空泵:一种专门设计用于产生驱动冷冻干燥或冻干过程所需低压系统的工程设备。
验证文件:美国食品药品监督管理局(FDA)用于确保符合良好生产规范(GMP)的文件
虚拟泄漏:一种气体(如水蒸气)的来源,这种气体被物理性地困在腔室内,仅通过一条极小且导通性极低的通道与腔室主体相连。
�� �� 常见问题及避免方法
产品加热过高:可能导致熔化回流或坍塌,需严格控制加热温度。
冷阱过载:由于蒸汽过多冲击冷阱所致,需合理调整蒸汽量与冷阱面积。
更多常见问题及其避免策略,请留意后续的推文更新。
�� 展望未来
随着科技的不断进步,冷冻干燥技术将在更多领域发挥重要作用。我们期待与您一起,探索更多未知,共创美好未来!