必看幹貨|詳解冷凍幹燥第一步凍結

凍結過程介紹

冷凍幹燥包括三個(ge) 基本過程：凍結(預凍階段)、升華幹燥(一次幹燥階段)、解析幹燥(二次幹燥階段)。

幹燥過程與(yu) 凍結過程密切相關(guan) ，凍結的程度或狀態直接影響幹燥過程中水分去除地快慢和凍幹產(chan) 品的質量。

盛有溶液的容器與(yu) 冷表麵接觸後，溶液內(nei) 部存在一定的溫度分布。產(chan) 品底部的溫度zui低，過冷度最大，也最易產(chan) 生冰核，並且由於(yu) 結晶放出的潛熱傳(chuan) 給過冷溶液和容器壁等原因，溶液各個(ge) 位置的溫度分布不同，因而也形成了不同的結構，產(chan) 品內(nei) 部結構主要取決(jue) 於(yu) 產(chan) 品在凍結過程中凍結界麵的性狀和推進速度。一般完全凍結的溶液品內(nei) 存在三個(ge) 部分：

01底部均勻的冰晶層，晶核主要在此區形成，溶質少；

02柱狀區，為(wei) 冰晶生長區，溶質主要存在於(yu) 冰晶間隙，並且隨冰晶向上推進核溫度梯度的存在，溶質產(chan) 生由下至上的遷移；

03表麵濃縮層，在這部分由於(yu) 預凍過程中溶質的遷移而形成高濃度的表層區。

02共晶點或共熔點

溶液的結冰過程與(yu) 純液體(ti) 不一樣，純液體(ti) 如純水降溫至0°C時即可結冰，此時水、冰混合物共存，水的溫度並不下降，直到全部水結冰之後溫度才下降，這說明純液體(ti) 有一個(ge) 固定的結冰點；同時當對冰進行升溫時，一開始也出現的是冰水混合物，體(ti) 係仍保持0°C直至冰完全熔化，而凍幹產(chan) 品凍幹前的溶液一般都是雙組分或多組分溶液，所以情況要更複雜得多。

多組分的凍於(yu) 溶液不是在某一固定溫度完全凝結成固體(ti) ，而是在某一溫度時，晶體(ti) 開始析出，隨著溫度的下降，晶體(ti) 的數量不斷增加，最後才全部凝結，因此藥液並不是在某一固定溫度，而是在某一溫度範圍內(nei) 凝結的。冷卻時開始析出晶體(ti) 的溫度稱為(wei) 冰點溫度，而溶液全部凝結的溫度叫做溶液的凝固點。由於(yu) 凝固點就是融化的開始點(即熔點)，對於(yu) 溶液來說也就是溶質和溶劑共同熔化的點，所以又叫做共晶點或共熔點，可見溶液的冰點與(yu) 共熔點是不相同的、共晶(熔)點才是溶液真正全部凝成固定的溫度。

在冷凍幹燥過程中，如產(chan) 品溫度超過最低共晶點，部分溶質或全部溶質處於(yu) 液體(ti) 中，冰晶升華就會(hui) 被液體(ti) 蒸發取代，幹燥後的產(chan) 品易發生萎1縮，溶解度下降，故最低共晶點溫度是獲得最佳凍幹效果的臨(lin) 界溫度。

03測定共晶點的方法

測定共晶點主要有以下三種方法，各有優(you) 劣勢，電導(阻)法測共晶點操作簡單、方便易行，目前應用最多;但對非電解質溶液則無法準確測定。

(1)電導或電阻測定法

在凍結過程中，從(cong) 外表的觀察來確定產(chan) 品是否完全凍結成固體(ti) 是不可能的，也無法通過測量溫度確定產(chan) 品內(nei) 部的結構狀態。通過測量凍結過程中產(chan) 品結構發生變化時的導電性能變化，可判斷凍結是否完成。

原理:最低共晶點是從(cong) 液相轉變為(wei) 固相的臨(lin) 界溫度。純水幾乎是不導電的，含水物質的導電性主要是通過溶液中的帶電離子定向移動實現的。當物料中的水分被完全凍結，帶電離子也隨之被固定下來，不能自由移動，物料的導電能力因而顯著下降，而少量液體(ti) 存在時，電導會(hui) 顯著增加。故通過測定凍結過程的電導變化可求得最低共晶點。

此外，也可通過測定電阻變化確定共晶點。當物料完全凍結時，物料的電阻會(hui) 急劇增加。利用這一原理，測量凍結後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(wei) 劇烈時對應的溫度即為(wei) 物料的共晶點溫度。

(2)電容測定法

原理:在冷凍與(yu) 加熱過程中，隨水分的結晶與(yu) 熔化，電容量將發生顯著改變，利用這一性質，可用於(yu) 測定共晶點並探測產(chan) 品是否凍結完全，因此可設定一個(ge) 合適的電容值直接控製加熱升華。

水和冰的介電常數不同，水的介電常數為(wei) 78.5(25℃)，冰的介電常數為(wei) 4，而物理吸附和化學結合的水分隨著結合程度的不同，介電常數在10~80之間。采用絕緣體(ti) 分開的兩(liang) 片金屬電極組成一電容器，將樣品溶液作為(wei) 電介質置於(yu) 電極之間，則在凍幹各相變化過程中，電容器的電容量將發生不同程度變化。在升華過程中，由於(yu) 冰晶逐漸減少，電容量也隨之降低，故電容量隨時間的變化的斜率反應了質量轉移的速率，所以實際上電容變化曲線就是冰晶的幹燥曲線。另外，電介質的性能在真空與(yu) 空氣間差別很小，介電常數的測定可認為(wei) 與(yu) 壓力無關(guan) ，因此電容法可直接在凍幹過程中應用。

優(you) 點:較電導法使用範圍更廣泛，可用於(yu) 電解質和非電解質溶液，也可用於(yu) 粒狀或不均勻的塊狀物。

(3) 熱分析法

熱分析法是基於(yu) 凍結的藥品在升溫過程中溫度達到共熔點時會(hui) 有能量的吸收用熱分析儀(yi) 來測定該能量吸收棒，可計算得到共晶點溫度。

差示掃描量熱法(DSC)是在溫度程序（升溫或降溫）控製下，測量輸送給樣品和參比物質的能量差值與(yu) 溫度之間的關(guan) 係的一種方法。DSC可以精確快速地控溫度和進行熱焓的測量。

在凍幹機上采用熱分析原理測定藥品共熔點的一般步驟：

① 製少量樣品溶液，取25mL置於(yu) 50mL的燒杯中；

② 啟動凍幹機，將擱板溫度調到-25℃，並維持這一溫度；

③ 將裝有樣品溶液的燒杯放在凍幹機的擱板上，插人溫度探頭，測定樣品溶液的溫度變化；

④ 以溫度對時間作圖，便可獲得該產(chan) 品溶液的共熔點。

此外亦可采用低溫顯微鏡直接觀察或數字公式計算等方法得到溶液的共晶(熔)點。

04玻璃化轉變溫度

所謂玻璃化即物質以非晶態存在的一種固體(ti) 狀態，它可看作是凝集的液體(ti) ，但因黏度極大，流動性差，所以呈固體(ti) 狀態。研究發現，許多溶質在冷凍過程中不能形成共熔相。當溫度降低時，冷凍濃縮液會(hui) 變得更濃更黏稠，同時有冰產(chan) 生;當降到某一溫度時，很小的溫度變化就可能引起冷凍濃縮液黏度的顯著增加，同時冰的結晶停止，此時的溫度叫玻璃化轉變溫度（Tg），即指最大凍結濃縮液發生玻璃化轉變時的溫度。

冷凍幹燥過程中Tg與(yu) 降溫速度和溶質比有關(guan) 。一般溶液的Tg隨濃度的增大而升高，而且Tg的高低直接影響凍幹產(chan) 品的外觀，以不同保護劑條件下脂質體(ti) 的凍幹為(wei) 例。分別采用 15%的葡萄糖、蔗糖、甘露醇、海藻糖濃度為(wei) 保護劑時，脂質體(ti) 混懸液的Tg分別為(wei) -38.5℃，-32.4℃，-30.4℃，-29.2℃。凍幹後的結果也顯示以葡萄糖作為(wei) 保護劑的脂質體(ti) 外觀很差，呈泡沫狀，且隨其濃度增加，凍幹後體(ti) 積膨脹。以Tg較高的海藻糖作為(wei) 保護劑時凍幹脂質體(ti) 外觀最好，表麵無收縮的疏鬆塊狀物。

05富睿捷冷凍幹燥設備

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