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冻干原理和技术之四:产品的预冻

时间:2008年06月23日 ⁄ 分类: 冷冻干燥原理 评论:0

  产品在进行冷冻干燥时,需要装入适宜的容器,然后进行预先冻结,才能进行升华干燥。预冻过程不仅昰为了保护物质的主要性能不变;而且要获得冻结后产品有合理的结构以利于水份的升华;还要有恰当的装量,以便日后的应用。
  产品的分装通常有散装和瓶装二种方式。散装可以采用金属盘,饭盒或玻璃器皿;瓶装采用玻璃瓶和安瓿。玻璃瓶又有血浆瓶。疫苗瓶和青霉素小瓶等,安瓿也有平底安瓿、长安瓿和圆安瓿等;这些需根据产品的日后使用情况来决定,瓶子还需配上合适的胶塞。

表二十二 一些物质的共熔点(℃)


物质

共熔点

0.85%氯化钠溶液

-22

10%蔗糖溶液

-26

40%蔗糖溶液

-33

10%葡萄糖溶液

-27

2%明胶、10%葡萄糖溶液

-32

2%明胶、10%蔗糖溶液

-19

10%蔗糖溶液、10%葡萄糖溶液、0.85%氯化钠溶液

-36

脱脂牛奶

-26

马血清

-35

  各种容器在分装之前要求清洗干净并进行灭菌处理。
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  需要冻干的产品需配制成一定浓度的液体,为了能保证干燥后有一定的形状,物质含量在10~15%之间最佳。
  产品分装到容器有一定的表面积与厚度之比。表面积要大一些,厚度要小些。表面积大有利于升华,产品厚度大不利于升华。一般分装厚度不大于10mm。有些产品需用大瓶。并冻干较大量的产品时,可以采用旋冻的方法冻成壳状,或倾斜容器冻成斜面,以增大表面积,减小厚度。
  产品的预冻方法有冻干箱内预冻法和箱外预冻法。
  箱内预冻法是直接把产品放置在冻干机冻干箱内的多层搁板上,由冻干机的冷冻机来进行冷冻。大量的小瓶和安瓿进行冻干时为了进箱和出箱方便,一般把小瓶或安瓿分装在若干金属盘内,再装进箱子。为了改进热传递,有些金属盘制成可分离式,进箱时把底抽走,让小瓶直接与冻干箱的金属板接触;对于不可抽低的盘子要求盘底平整,以获得产品的均一性。采用旋冻法的大血浆瓶要事先冻好后加上导热用的金属架或块后再进行冷冻。
  箱外预冻有二种方法。有些小型冻干机没有进行预冻产品的装置。只能利用低温冰箱或酒精加干冰来进行预冻。另一种是专用的旋冻器,它可把大瓶的产品边旋转边冷冻成壳状结构。然后再进入冻干箱内。
  还有一种特殊的离心式预冻法,离心式冻干机就采用此法。利用在真空下液体迅速蒸发,吸收本身的热量而冻结。旋转的离心力防止产品中的气体溢出,使产品能“平静地”冻结成一定的形状。
  转速一般为800转/分左右。
  冷冻会对细胞和生命体产生一定的破坏作用,其机理是非常复杂的。目前尚无统一的理论,
  但一般认为主要是由机械效应和溶质效应引起。
  生物物质的冷冻过程首先是从纯水结冰开始,冰晶的生长逐步造成电解质的浓缩。随后是低共熔混合物凝固。最后全部变为固体。
  机械效应是细胞内外冰晶生长而产生的机械力量引起的。特别是对于有细胞膜的生命体影像较大。一般冰晶越大,细胞膜越易破裂,从而造成细胞死亡;冰晶小,对细胞膜的机械损伤也较小。
  缓慢冷冻产生的冰晶较大,快速冷冻产生的冰晶较小;就此而言。快速冷冻对细胞的影响较小。缓慢冷冻容易引起细胞的死亡。
  溶质效应是由于水的冻结使间隙液体逐渐浓缩,从而使电解质的浓度增加,蛋白质对电解质是较敏感的。电解质浓度的增加引起蛋白质的变性,而使细胞死亡;另外电解质浓度的增加会使细胞脱水而死亡。间隙液体浓度越高。上述原因引起的破坏也越厉害。溶质效应在某一温度范围最为明显。这个温度范围在水的冰点和该液体的全部固化温度之间。若能以较高的速度越过这一温度范围,溶质效应所产生的效果就能大大减弱。
  另外冷冻时所形成的晶体大小在很大程度上也影响干燥的速率和干燥后产品的溶解速度。大的冰晶容易升华,小的冰晶不利于升华;但大的冰晶溶解慢,小的冰晶溶解快。冰晶越小、干燥后越能反映产品的原来结构。
  综上所述,需要有一个最优的冷却速率。以得到最高的细胞存活率,最好的产品物理性状和溶解速度。当然提高存活率与在产品中加入抗低温剂(保护剂之一)还有很大的关系。列如甘油、二甲亚砜、糖类等。这些抗低温物质能帮助产品扩大最优冷却速率的范围,以便使更多的细胞存活下来。
  为了获的不同的降温速度。就要采取不同的预冻方法;列如有时需装箱之后才开始冻干箱的降温,有时需让机器预先降到低温,再将产品装入冻干箱内。
  预冻的目的也是为了固定产品,以便在真空下进行升华。如果没有冻实。则抽真空时产品会冒出瓶外来,没有一定的形状;如果冷的过低,则不仅浪费了能源和时间,而且对某些产品还会降低存活率。

  因此预冻之前应确定三个数据。其一是预冻的速率,应根据产品不同而试验出一个最优冷冻速率。其二是预冻的最低温度,应根据改产品的共熔点来决定,预冻的最低温度应低于共熔点的温度。其三是预冻的时间,根据机器的情况来决定,保证抽真空之前所有产品均已冻实。不致因抽真空而冒出瓶外,冻干箱的每一板层之间,每一板层的各部分之间温差越小,则预冻的时间可以相应缩短,一般产品的温度达到预冻最低温度之后1-2小时即可开始抽真空升华。
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