Основные методы высушивания в биотехнологии

Для оптимизации режима работы сублимационных установок, режимов досушивания, выпуска  биопрепаратов высшего качества необходим тщательный анализ процессов, протекающих в биопрепаратах при их замораживании и высушивании, подробное изучение влияния воды на стабильность биологических препаратов. Известно, как велико влияние воды на свойства самых различных материалов. Особое значение вода имеет в сложнейших биологических структурах, где она принимает непосредственное участие в их формировании и функционировании.

Процесс высушивания биологических  препаратов из замороженного состояния обычно разбивают на два основных периода, за границу между которыми принимают нулевую температуру препарата.

Первый период - сублимационный, температура  препарата ниже 0 °С (обычно -20 - -30°  С). В течение этого периода  свободная вода в форме льда удаляется  из препарата полностью и его  температура повышается до 0 °С. Влажность  препарата составляет в это время 5 - 10 % и обусловлена связанной  водой.

Во второй период температура препарата  положительна и происходит удаление связанной воды. В конце этого периода температура доходит до 30 - 40 °С и создаются условия для удаления воды, связанной с препаратом более прочными связями. Влажность препарата снижается к концу этого периода до 1 - 3 %.

Следует отметить, что разделение процесса сублимационного высушивания  на два основных периода - период удаления свободной воды и период удаления связанной воды, является весьма условным, так как определенная часть связанной воды с наименьшей энергией связи может быть удалена в первый период.

 

Первичное высушивание. Для осуществления режима первичного высушивания (сублимации льда) в камере сублиматора создается вакуум для того, чтобы обеспечить свободную диффузию водяных паров от замороженной массы к охлажденной поверхности конденсатора. Рассматривая удаление паров воды из замороженного материала как диффузионный процесс, можно отметить, что процесс замораживания - высушивания является относительно медленным.

В работах по исследованию моделей  массопереноса при сублимации льда из продукта предполагается наличие непрерывных каналов, образованных сублимированным льдом, окруженных каркасом продукта с низкой проницаемостью (при этом пар, образовавшийся при быстром замораживании за счет температурных напряжений, диффундирует через этот каркас).

Тепло при сублимации льда можно  подводить тогда, когда в камере будет достигнут вакуум 0,2 мм рг.ст., что обуславливает концентрацию кислорода в десятки тысяч раз ниже, чем при атмосферном давлении. При этих условиях возможность окислительных процессов в материале очень незначительна.

Физические основы сублимационного  метода высушивания определяются известной  зависимостью между температурой воды и давлением насыщенного пара над ее поверхностью Испарение воды происходит при любой температуре, по величина давления насыщенного пара резко снижается при понижении температуры. В области сублимации при температурах ниже 0 °С, когда вода находится в твердой фазе, давление насыщенного пара имеет величины ниже 4,6 мм рт. ст.

Осуществление процесса высушивания  при таком низком давлении пара становится возможным лишь при достаточно высокой скорости испарения. Наиболее существенное влияние на скорость испарения оказывает давление воздуха над поверхностью воды или льда. При значительном понижении давления воздуха, т.е. при повышении вакуума, интенсивность испарения резко возрастает. При высушивании методом сублимации давление воздуха над препаратом должно быть ниже, чем давление насыщенного пара льда при температуре сублимации данного препарата. Например, если препарат высушивается при -25 °С , то соответствующее этой температуре давление насыщенного пара равно 0,476 мм рт.ст. Следовательно, давление воздуха при высушивании должно быть еще ниже.

Интенсивное испарение нельзя осуществить  без непрерывного отвода пара с поверхности  высушиваемого вещества. Снижение скорости отвода пара влечет за собой повышение давления над материалом, уменьшение перепада давлений и снижение скорости высушивания. Эффективное удаление пара при высушивании биопрепаратов представляет наиболее ответственную технологическую задачу.

Обычно используются два способа  отвода пара: конденсация на охлажденных  поверхностях и связывание химическими  поглотителями.

Интенсивность процесса высушивания  с непрерывным образованием водяного пара и непрерывным его отводом с поверхности материала определяется, прежде всего, разностью давлений пара над препаратом и в той части установки, которая предназначена для удаления пара. Очевидно, что чем больше разность давлений пара, тем выше скорость высушивания, и наоборот.

Разность давлений может быть достигнута как путем повышения давления пара над поверхностью высушиваемого  материала, так и путем снижения давления в конденсаторе или поглотительном устройстве. Следовательно, практическая задача при высушивании сводится к тому, чтобы, с одной стороны, поднять до допустимых пределов температуру препарата, а, с другой - понизить температуру конденсатора (имеется в виду охлаждаемый конденсатор).

При высушивании живых микроорганизмов  температура сублимации обычно поддерживается на уровне -25 - -30°.

Что же касается температуры конденсации, то существенное повышение эффективности конденсаторов достигается понижением их температуры лишь до определенной границы, именно до температуры порядка -40 - -50°. Применение более низких температур заметно не увеличивает перепад давлений и поэтому не повышает интенсивность высушивания.

 

Вторичное высушивание. На протяжении большей части цикла сублимации высушиваемый продукт находится при значительно более низкой температуре, чем полки сублиматора. Лишь к концу этого цикла температура продукта сравнивается с температурой полок. Конечное содержание воды после первичного высушивания обычно составляет от 7 до 10 %. Следовательно, для достижения влаги в диапазоне от 1 до 3 %, с которым обычно выпускаются биопрепараты, необходим цикл вторичного высушивания.

Эта дополнительная стадия высушивания называется десорбцией. При осуществлении данной стадии необходимо избежать эффекта пересушки, т.е. снижения допустимого содержания влаги ниже 1 %

Окончание сушки. Для хранения высушенных препаратов используются стеклянные флаконы, закрываемые резиновыми пробками и запаянные ампулы. Для увеличения сроков хранения закрывание флаконов осуществляется в атмосфере инертного газа, а запайка ампул - иод вакуумом.

Характерные признаки, свидетельствующие  о неправильном ли- офильном высушивании  биопрепарата:

• появление пузырьков на поверхности материала, как результат наличия в замороженной массе некоторого количества жидкости;
• крупная неравномерная пористость;
• неравномерная окраска сухого препарата;
• значительное сокращение объема, но сравнению с исходным;
• плохое отставание сухой массы от стенок ампулы или флакона;
• плохая растворимость высушенного материала.

Практика позволяет рекомендовать  флаконы для кратковременного хранения высушиваемых препаратов, а ампулы - для хранения культур и реактивов в течение нескольких лет.

 

Оборудование дли сублимационного высушивании. По принципу работы сублимационные установки классифицируются на установки периодического и непрерывного действия.

Установки периодического действия делятся  на однокамерные и многокамерные, а  непрерывного действия - не непрерывно-циклические, непрерывно-ступенчатые, непрерывно-проточные и непрерывного действия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                          Таблица 2: Классификация основных типов сублимационных сушилок

Тип сушилки	Классификационный признак
	Род работы	Энергопривод	Исходный материал	Способ воздействия на материал	Вид замораживания	Формы частиц обработанного материала
Сушильные шкафы	Периодический	Комбинированный	Твердые, жидкие, пастообразные	Неподвижность	Предварительное	Гранулы или куски
Бункерные	Периодический	Контактный	Жидкие, пастообразные	Медленное перемешивание	Предварительное	Гранулы
Барабанные	Периодический	Контактный	Твердые, жидкие, пастообразные	Медленное перемешивание	Предварительное или самозамораживание	Гранулы или тонкий слой
Конвейерные	Непрерывный	Комбинированный	Твердые, жидкие, пастообразные	Неподвижность	Предварительное или само- заморажи- вание	Любая форма
Виброграви- тационные	Непрерывный	Излучательный	Жидкие, пастообразные	Сложное движение	Предварительное	Гранулы
Распылительные	Непрерывный	Излучатсльный	Жидкие	Вибрация	Самозамораживание	Мелкие частицы
Туннельные	Непрерывный и периодический	Излучательный	Твердые, жидкие, пастообразные	Неподвижность	Предварительное	Гранулы или куски
Распылительно- скребковые	Периодический	Контактный	Жидкие	Неподвижность	Самозамораживание или предварительное	Тонкий слой

 

Рис. 1 Схема сублимационный сушилки СТ-100 фирмы «Лейбольд»: 1 - кон- денсатор-вымораживатель; 2 - вентиль; 3 - насос; 4 - первая ступень холодильного агрегата; 5 - подогрев теплоносителя; 6 - охлаждение теплоносителя; 7 - терморегулятор; 8 - самопишущий прибор; 9 - регулятор давления в сушильной камере; 10 - вакуумметр; 11 - фильтросушитель; 12 - сублимационная камера; 13 - лотки с продуктом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контроль процесса сублимационной сушки. Технологический процесс лиофилизации, таким образом, включает ряд этапов:

1. Подготовка материала для сушки и выбор соответствующего криопротектора (компонентов среды высушивания).
2. Подготовка установки для высушивания.
3. Предварительное охлаждение препарата, подлежащего сушке, после расфасовки в ампулы или флаконы. Определение эвтектических температур.
4. Сублимация и досушивание препарата при подогреве. Замораживание и высушивание осуществляется по установленным режимам.
5. Вакуумная или обычная укупорка после сушки, т.е. создание условий для длительного хранения сухих препаратов.
6. Определение активности, стерильности или наличия посторонних контаминантов, остаточной влажности и другие показатели согласно нормативным документам на препарат

 

 

Рис. 2 Технологическая  схема производства сухих биопрепаратов

 

Одним из параметров процесса сублимационной сушки является температура высушиваемого биопрепарата, которая может регулироваться с помощью

нагревательных элементов, расположенных  в плитах, на которых стоят кассеты  с биопрепаратом. От температурного режима сушки в значительной степени зависит ее продолжительность и качество высушенного препарата.

В настоящее время для контроля температуры биопрепаратов разработаны  надежные и небольшие по размеру  термометры сопротивления, которые помещают во флакон с препаратом перед замораживанием. Помимо температуры самого препарата в процессе сушки контролируется, как правило, температура конденсатора и температура нагревательных плит.

Доступность и надежность контроля температуры биопрепаратов в  процессе сушки, а также отсутствие методов регистрации окончания сушки привели к тому, что в настоящее время значение температуры биопрепарата часто используется при определении момента завершения процесса сушки. Сушка считается законченной по прошествии определенного времени с момента достижения продуктом нулевой температуры или ио прошествии определенного времени с момента, когда температура продукта перестает изменяться. В обоих случаях необходимое время определяют в контрольных опытах. Естественно, что при таком способе определения момента завершения процесса сушки, остаточная влажность биопрепарата не всегда попадает в заданные границы.

На температурный режим сушки  и кинетику удаления влаги из материала  существенное влияние оказывает давление в камере сублиматора. Для измерения давления разработаны различные вакуумметры (термопарные, ионизационные и др.), позволяющие контролировать давление в широких пределах.

Измерение давления в камере сублиматора  используется в так называемом барометрическом методе определения температуры биоматериала. Согласно этому методу, через определенные моменты времени сублимационная камера на несколько секунд отключается от конденсатора, что приводит к повышению в ней давления до значения, которое будет соответствовать давлению насыщенного пара над материалом. О температуре судят по давлению насыщенного пара, т.к. эти параметры харктеризуются взаимозависимостью.

Когда лед из биопрепарата удален полностью, повышение давления при отсоединении сублимационной камеры становится незначительным, что ограничивает применение барометрического метода и не позволяет использовать его при определении завершенности процесса сушки.

Еще одним параметром, характеризующим  процесс сублимационной сушки, является скорость удаления влаги из материала. Этот параметр характеризует кинетику сушки и учитывается при расчете вакуумной системы сублимационного аппарата, а также при оптимизации процесса сушки.

Для наиболее точного контроля процесса сублимационной сушки используют еще  несколько параметров и формул для  их расчета – все это очень  важный и трудоемкий процесс, необходимый  для качественного изготовления биопрепаратов.

 

Конвективный метод высушивания  биопрепаратов.

Конвективный метод высушивания  является самым распространенным в  биологической промышленности, на нем  основана работа подавляющего большинства  сушильных установок. В качестве сушильного агента применяют нагретый воздух, топочный газ или перегретый пар. Сушильный агент передает тепло  материалу, под действием которого из материала удаляется влага  в виде пара, поступающая в окружающую среду. Таким образом, сушильный  агент при конвективной сушке  является теплоносителем и влагопоглотителем.

Конвективный метод нашел  применение в камерных сушильных  установках. В таких аппаратах  сушка материала производится периодически при атмосферном давлении. Сушилки  имеют одну или несколько камер, в которых высушиваемый материал в зависимости от его вида располагается  на сетках, противнях, шестах и т.д. и  сушится в неподвижном состоянии. Поток нагретого воздуха проходит вдоль высушиваемого продукта и  испаряет из него влагу.

Камерными сушильными установками  непрерывного действия являются туннельные сушилки, работающие при атмосферном  давлении. Камеры представляют собой  длинный герметично закрытый туннель, в котором высушиваемый материал перемещается прямо или в противотоке  сушильного агента, на кюветах или  по ленте транспортера.