凍結(jié)過程介紹

冷凍干燥包括三個(gè)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(gè)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(jìn)速度。一般完全凍結(jié)的溶液品內(nèi)存在三個(gè)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(jìn)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(diǎn)或共熔點(diǎn)

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(shí)即可結(jié)冰，此時(shí)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(gè)固定的結(jié)冰點(diǎn)；同時(shí)當(dāng)對冰進(jìn)行升溫時(shí)，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(shí)，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(shí)開始析出晶體的溫度稱為冰點(diǎn)溫度，而溶液全部凝結(jié)的溫度叫做溶液的凝固點(diǎn)。由于凝固點(diǎn)就是融化的開始點(diǎn)(即熔點(diǎn))，對于溶液來說也就是溶質(zhì)和溶劑共同熔化的點(diǎn)，所以又叫做共晶點(diǎn)或共熔點(diǎn)，可見溶液的冰點(diǎn)與共熔點(diǎn)是不相同的、共晶(熔)點(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)溫度是獲得最佳凍干效果的臨界溫度。

03測定共晶點(diǎn)的方法

測定共晶點(diǎn)主要有以下三種方法，各有優(yōu)劣勢，電導(dǎo)(阻)法測共晶點(diǎn)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(zhǔn)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(shí)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)的。當(dāng)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(shí)，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(diǎn)。

此外，也可通過測定電阻變化確定共晶點(diǎn)。當(dāng)物料完全凍結(jié)時(shí)，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(shí)對應(yīng)的溫度即為物料的共晶點(diǎn)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(diǎn)并探測產(chǎn)品是否凍結(jié)完全，因此可設(shè)定一個(gè)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(shí)間的變化的斜率反應(yīng)了質(zhì)量轉(zhuǎn)移的速率，所以實(shí)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(rèn)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(diǎn):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(dá)到共熔點(diǎn)時(shí)會有能量的吸收用熱分析儀來測定該能量吸收棒，可計(jì)算得到共晶點(diǎn)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(jìn)行熱焓的測量。

在凍干機(jī)上采用熱分析原理測定藥品共熔點(diǎn)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(jī)，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(jī)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(shí)間作圖，便可獲得該產(chǎn)品溶液的共熔點(diǎn)。

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

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(dāng)溫度降低時(shí)，冷凍濃縮液會變得更濃更黏稠，同時(shí)有冰產(chǎn)生;當(dāng)降到某一溫度時(shí)，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(shí)冰的結(jié)晶停止，此時(shí)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(shí)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(hù)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(hù)劑時(shí)，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(hù)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(hù)劑時(shí)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(tuán)隊(duì)，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(shí)用新型專利多項(xiàng)，通過ISO9001/ISO14001/ISO45001三大體系認(rèn)證，多個(gè)產(chǎn)品通過省級以上第三方計(jì)量機(jī)構(gòu)檢測并獲得報(bào)告證書。

公司產(chǎn)品主要是實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)、強(qiáng)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(yù)。

富睿捷原位凍干機(jī)Mercury 6L 0.3㎡采用內(nèi)置直立式不銹鋼冷阱盤管的設(shè)計(jì)，冷阱溫度最低可達(dá)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(zhǔn)確性。制冷系統(tǒng)采用系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，可根據(jù)程序需求進(jìn)行制冷功率的實(shí)時(shí)自動調(diào)節(jié)，大大縮短預(yù)凍時(shí)間。真空泵內(nèi)置，無需放置于主機(jī)外部，更簡潔美觀。機(jī)器配有隔板板層硅油儲油罐油位報(bào)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(jìn)行壓蓋。另外，整機(jī)配備了熱分析法和電阻法雙重共晶點(diǎn)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(shí)間，提高工作效率。