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纯化产品的冷冻干燥保存
纯化产品的冷冻干燥保存
一、冷冻干燥的原理、优点
冷冻干燥就是把含有大量水份物质预先冻结成固体,然后在真空条件下适当加热使水蒸气直接从固体中升华出来,而物质本身留在冻结时的冰架子中,因此干燥后的产品体积几乎不变。整个干燥是在较低的温度下进行的。
冷冻干燥的优点:
1.低温冷冻干燥对许多热敏性物质特别使用。如蛋白质、微生物等不会发生变性或失活,广泛的应用于医药工业。
2.低温冷冻干燥时,产品挥发性成份损失小,因而应用于食品、药品和化工产品等。
3.低温冷冻干燥过程中,可以有效抑制微生物的生长和酶的作用。
4.低温冷冻干燥基本保证了产品的原有的结构,不会发生浓缩现象。
5.干燥后的产品疏松多孔呈海绵状,加水后溶解,可迅速恢复原来的形状。
6.真空干燥时基本不含氧气,因此一些易氧化的物质得到保护。
7.低温冷冻干燥可排除95%以上的水份,干燥后的产品能长期保存不变质。
二、冷冻干燥的操作程序
1、准备工作
产品共熔点的测定:水溶液的冰点会低于溶媒的冰点(详细原理请见物理化学),冷却溶媒液开始析出晶体的温度称为冰点,全部凝结的温度叫做溶液的凝固点。反之,加热凝固的溶媒时,凝固点就是溶化的开始点,所以凝固点又叫共熔点。测定共熔点的必要性:一方面,由于冷冻干燥是在真空状态下进行,所以要求含有产品的溶媒液全部冻结后方可在真空下进行升华,否则未冻结的部分液体会在真空下迅速蒸发,造成溶媒的浓缩而使干产品的体积缩小,而且溶解在水中的气体在真空下迅速冒出来,使冻干产品冒泡,甚至被带出瓶外。为此冻结的溶媒在升华开始时必须冷却到共熔点以下的温度,才能使干产品真正冻结。另一方面,低温加热升华时不得超过共熔点的温度,否则产品发生溶化,干燥后的产品将发生体积缩小,出现气泡,颜色加深,溶解困难等现象。因此,可以说共熔点的测定是实验成败的关键。实验室常用测共熔点的方法有惠斯顿电桥法、临界电阻法、差式热分析法和低温显微镜直接观察法。
2、产品的预冻
a、需冻干的产品要配制成一定浓度的液体,一般在4~25%为宜。
b、产品的分装:散装和瓶装。散装可采用金属盘、饭盒或玻璃器皿;瓶装采用玻璃瓶(如:血浆瓶、疫苗瓶和青霉素小瓶等)和安瓶(如平底安瓶、长安瓶和园安瓶等),各容器在分装之前要求清洗干净并进行**处理。产品的分装的要求:一般厚度不大于15cm,表面积尽可能大,这样有利于升华。
c、预冻的方法:1、箱内预冻法:直接把产品放置在冻干机冻干箱内的多层隔板上进行冷冻;2、箱外预冻法:一种方法是低温冰箱或酒精加干冰来进行预冻。另一种方法是专用的旋冻器,可把大瓶的产品边旋转边冷冻成壳状结构再进冻干箱;3、特殊预冻法,离心式预冻法,利用在真空下液体迅速蒸发,吸收本身的热量而冻结,一般800转/min。
d、预冻时要注意的问题:1、预冻速率,应根据产品选择优速率;2、预冻的低温度,应低于共熔点温度;3、预冻时间,应恰好在抽真空之前(因此要提前使冷凝器工作,达到-40℃时,真空度达到100μHg)溶媒均已冻实(经验值:一般预冻达到规定的温度后,再保存1-2h就可以抽真空升华)。
3、产品阶段的干燥
升华干燥阶段加热的温度应接近于共熔点的温度,但又不能超过共熔点的温度。
阶段使溶媒内冻结冰大部分升华,因此也称该过程为升华干燥阶段。升华是一个吸热的过程,因此必须对产品低温加热,但绝不能超过共熔点的温度。如果加热的温度低于共熔点的温度过多,则升华的速率降低而延长了升华阶段的时间。
影响升华干燥阶段的因素:1、产品的本身,共熔点较高的产品易干燥,升华时间短;2、产品的分装厚度,正常的升华速率大约每小时产品下降1mm的厚度;3、冻干机本身的性能,真空性能、冷凝器的温度和效能。
4、维持阶段
使得冻干箱加热隔板的温度接近于产品共熔点的温度,维持12h左右,使产品中大部分动结冰升华。(实验室常用的方法即处理,因此实验前要预计实验进程)
5、产品**阶段的干燥
一旦产品内冻结的冰大部分(约90%冰已升华)升华完毕,产品的干燥进入**阶段,即解吸干燥阶段。
解吸干燥阶段,可以迅速使产品产品的温度上升到该产品的高容许温度(25~40℃),并在该温度下一直维持到冻干结束。
6、后维持阶段即冻干结束
怎样判断冻干结束?产品的温度达到高许可的温度,并在这个温度保存2h以上。冻干结束后,要把产品放入无菌干燥箱,然后尽快加塞封口,以防止重新吸收空气的水份。
三、冻干曲线的制作和时序的制定
生物制品的冷冻干燥产品常需要一定的物理形态,如均匀的颜色、符合要求的含水量、良好的溶解性、高的存活率和较长的保存期。因此要优化各干燥步骤的参数,冻干曲线和时序就是进行冷冻干燥过程控制的基本依据。
冻干曲线是冻干箱隔板层的温度(干燥中产品温度受隔板层温度控制)和时间的关系曲线。冻干时序是在冻干过程中,各设备起闭运行的情况。
制定冻干曲线和时间需要确定下列数据:
A.预冻速率
实验室常用预冻温度和装箱时间来决定预冻速率。要求预冻速率快,则冻干箱先降至较低温度,然后再装箱;要求预冻速率慢,则产品装箱之后再让冻干箱降温。
B.预冻的低温度:预冻低温度低于产品共熔点的温度。
C.预冻时间
一般要求在样品温度到达**温度之后再保持1~2h。注意:一般不赞成直接把溶媒直接放在冷冻箱的隔板层上干燥。
D.冷凝器降温的时间
要求在预冻结束抽真空的时候,冷凝器的温度要到达-40℃以下。冷凝器的降温通常从开始一直持续到冻干结束为止,温度始终应在-40℃以下。
E.预冻结束时间
预冻结束就是停止冻干箱隔板层的降温,通常在抽真空时(或真空度达到一定值时)停止隔板层的降温。
F.抽真空时间
预冻结束即开始抽真空,直至干燥结束
G.真空控制时间
真空控制目的是为了改进冻干箱的热量传递,通常在**阶段干燥时使用,待产品温度达到高许可温度后停止使用,继续恢复高真空状态。
H.产品加热的高许可温度
升华过程中,加热温度可以略超过产品的高许可温度,但在后阶段隔板层温度应与产品高许可温度一致。
G.冻干的时间:18~24h
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