CÔNG THỨC QUÁ TRÌNH ĐÔNG KHÔ

Công thức đông khô trong quá trình sấy thăng hoa hay đông khô áp dụng chung cho cả máy đông khô phòng thí nghiệm hay pilot

Quá trình đông khô trong máy sấy đông lạnh đòi hỏi phải thiết kế một quy trình hoặc chu trình làm việc đôi khi được gọi là “công thức”.

Thông thường, có nhiều bước liên quan đến cả quá trình cấp đông và sấy khô sản phẩm.

Cần phải xác định cài đặt nhiệt độ, áp suất và thời gian riêng cho từng bước.

Mỗi sản phẩm hoặc công thức cụ thể được đông khô đòi hỏi phải phát triển quy trình đông khô dựa trên các đặc tính riêng của sản phẩm, số lượng sản phẩm và thùng chứa được sử dụng. Không có công thức “an toàn” chung nào có thể áp dụng cho mọi sản phẩm.

Vị Trí Truyền nhiệt trong vial mẫu trong máy đông khô

Đóng băng – Tiền Đông hay cấp đông là mai giai đoạn trong công thức đông khô

• Điều cực kỳ quan trọng là mẫu phải được cung cấp đầy đủ và hoàn toàn quá trình đông lạnh trước khi hút chân không và bắt đầu quá trình sấy khô.
• Sản phẩm chưa đông lạnh có thể nở ra bên ngoài hộp đựng khi đặt dưới chân không.
• Với máy đông khô đơn giản, sản phẩm được đặt trong lọ hoặc bình tùy theo số lượng
• Sau đó được đông lạnh trong một thiết bị riêng biệt.
• Các lựa chọn bao gồm tủ đông phòng thí nghiệm tiêu chuẩn, bể tắm vỏ và ngâm trực tiếp trong nitơ lỏng.
• Máy đông khô hay sấy thăng hoa có khả năng làm lạnh được tích hợp sẵn trong sản phẩm kệ cho phép thực hiện đông lạnh sản phẩm bên trong máy sấy đông lạnh.
• Sản phẩm được nạp sẵn vào lọ sau đó được chuyển lên kệ hoặc được xếp ở dạng rời trực tiếp lên khay sản phẩm.
• Máy sấy đông lạnh hay đông khô cho phép kiểm soát chính xác tốc độ làm mát ảnh hưởng đến tốc độ đông lạnh sản phẩm và kích thước tinh thể.
• Các tinh thể băng lớn hơn sẽ cải thiện tốc độ của quá trình đông khô do các đường dẫn hơi lớn hơn còn sót lại trong phần sấy khô của sản phẩm khi các tinh thể băng được thăng hoa.
• Tốc độ làm lạnh kệ chậm hơn không nhất thiết mang lại lượng băng lớn hơn tinh thể do tác động của quá trình làm lạnh quá mức.

Cấp đông mẫu trong máy đông khô

Eutectic / Nhiệt độ sụp đổ trong máy đông khô

• Xác định nhiệt độ sụp đổ tới hạn của sản phẩm là một bước quan trọng trong việc thiết lập và tối ưu hóa quy trình đông khô.
• Nhiệt độ tới hạn này xác định nhiệt độ tối đa mà sản phẩm có thể chịu được trong quá trình sấy sơ bộ mà không bị tan chảy hoặc xẹp xuống.
• Phân tích nhiệt (Đo nhiệt lượng quét vi sai & Kính hiển vi đông khô) và phân tích điện trở là các phương pháp phổ biến được sử dụng để xác định nhiệt độ tới hạn này của sản phẩm.

Giản đồ áp suất và chân không (Gradient) của quá trình đông khô SP

Sấy sơ cấp trong công thức đông khô trong máy đông khô

Máy đông khô phòng thí nghiệm SP Virtis USA

• Phần sấy khô của đông khô thực sự là một quá trình gồm hai phần
• Bao gồm sấy sơ cấp và sấy thứ cấp.
• Phần lớn nước được loại bỏ khỏi sản phẩm trong quá trình đông khô là nhờ sự thăng hoa của tất cả các tinh thể băng tự do trong bước sấy sơ cấp.
• Dung môi hữu cơ cũng được loại bỏ trong quá trình sấy sơ cấp.
• Sấy sơ cấp (thăng hoa) là một quá trình chậm được thực hiện ở nhiệt độ mát hơn, an toàn dưới mức sụp đổ tới hạn của sản phẩm
• nhiệt độ. Sự thăng hoa đòi hỏi năng lượng nhiệt để thúc đẩy quá trình chuyển pha từ rắn sang khí.
• Cả ba phương pháp truyền nhiệt – dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ, phải được được cân nhắc khi đông khô một sản phẩm.
• Trong máy sấy đa dạng đơn giản, nhiệt được truyền vào bình/sản phẩm chủ yếu thông qua sự đối lưu và bức xạ từ môi trường xung quanh môi trường.
• Với ít khả năng kiểm soát dòng nhiệt vào sản phẩm, việc kiểm soát quá trình sẽ khó khăn hơn. Khi làm việc với các sản phẩm có nhiệt độ sập thấp, có thể cần bọc hoặc cách nhiệt bình để làm chậm tốc độ truyền nhiệt và tránh bị sập.

• Trong máy sấy đông lạnh, điều quan trọng là tối đa hóa bề mặt sự tiếp xúc của sản phẩm/hộp đựng/khay với kệ luôn tốt truyền nhiệt .

• Tuy nhiên, ảnh hưởng của bức xạ và đối lưu cũng cần được xem xét để đảm bảo tính đồng nhất của sản phẩm và mục đích kiểm soát quá trình.
• Nhiệt bức xạ từ các thành bên trong của ngăn chứa sản phẩm sẽ làm cho sản phẩm/lọ ở chu vi của kệ khô nhanh hơn sản phẩm ở giữa kệ (được gọi là “hiệu ứng cạnh” trong quá trình đông khô).
• Bức xạ đi qua cửa acrylic thường được sử dụng trên máy sấy đông lạnh thí điểm và R&D thậm chí còn có tác động lớn hơn và sản phẩm đặt ở phía trước các máy sấy này thường sẽ khô nhanh nhất.
• Vì lý do này, máy sấy đông lạnh sản xuất được thiết kế với cửa kim loại và cổng nhìn nhỏ.
• Một miếng giấy nhôm có thể được treo phía trước sản phẩm ở bên trong máy sấy đông lạnh thí điểm để làm tấm chắn – tất nhiên điều này sẽ chắn tầm nhìn của sản phẩm và không cho phép quan sát trong quá trình thực hiện.

 Xác định thời điểm kết thúc quá trình sấy sơ cấp trong máy đông khô

• Có sẵn một số phương pháp phân tích để xác định rằng quá trình sấy sơ cấp đã hoàn tất.
• Phương pháp cơ bản nhất là theo dõi nhiệt độ sản phẩm bằng đầu dò cặp nhiệt điện.
• Nhiệt độ sản phẩm đo được sẽ lạnh hơn điểm đặt nhiệt độ kệ trong quá trình sấy sơ cấp tích cực vì nhiệt từ kệ đang được sử dụng để thay đổi giai đoạn thăng hoa.
• Khi quá trình thăng hoa của tinh thể băng hoàn tất, nhiệt độ sản phẩm sẽ tăng lên và đạt đến nhiệt độ kệ.
• Khi nhiệt độ sản phẩm bằng nhiệt độ kệ, có thể suy ra rằng quá trình sấy sơ bộ đã hoàn tất.

Quá trình đông khô không thành công

Sấy thứ cấp trong công thức đông khô

• Ngoài đá tự do được thăng hoa trong quá trình sấy sơ cấp, vẫn còn một lượng đáng kể các phân tử nước liên kết với sản phẩm. Đây là lượng nước được loại bỏ (giải hấp) trong quá trình sấy thứ cấp.

• Vì tất cả đá tự do đã được loại bỏ trong quá trình sấy sơ bộ nên nhiệt độ sản phẩm giờ đây có thể tăng lên đáng kể mà không sợ tan chảy hoặc xẹp xuống.

• Quá trình sấy thứ cấp thực sự bắt đầu trong giai đoạn sơ cấp, nhưng ở nhiệt độ cao (thường ở khoảng 30°C đến 50°C), quá trình giải hấp diễn ra nhanh hơn nhiều.
• Tốc độ sấy thứ cấp phụ thuộc vào nhiệt độ sản phẩm.
• Độ chân không của hệ thống có thể được tiếp tục ở mức tương tự được sử dụng trong quá trình sấy sơ cấp;
• mức chân không thấp hơn sẽ không cải thiện thời gian sấy thứ cấp.
• Các sản phẩm vô định hình có thể yêu cầu tăng nhiệt độ từ sấy sơ cấp đến sấy thứ cấp được kiểm soát ở tốc độ chậm để tránh sụp đổ.
• Quá trình sấy thứ cấp được tiếp tục cho đến khi sản phẩm đạt yêu cầu độ ẩm để bảo quản lâu dài.
• Tùy thuộc vào ứng dụng, độ ẩm trong các sản phẩm sấy khô hoàn toàn thường nằm trong khoảng từ 0,5% đến 3%.
• Trong hầu hết các trường hợp, sản phẩm càng khô thì thời hạn sử dụng càng lâu.
• Tuy nhiên, một số sản phẩm sinh học phức tạp nhất định có thể trở nên quá khô để có kết quả bảo quản tối ưu
• và quá trình sấy thứ cấp cần được kiểm soát tương ứng.

Đông khô vaccine từ máy sấy thăng hoa SP Scientific USA