預凍篇（四）介入成核（瞬時結晶）

概要

介入成核（瞬時預凍）是目前預凍階段最新以及前沿的技術。通過此種方法，可以大大提高批次和批間產品的均一性、縮短一次干燥時間、縮短產品重建時間等。

不同品牌的凍干機生產廠商，采用了不同的介入成核技術。

1 為什么成核如此重要

?  冷凍步驟在冷凍干燥中起著至關重要的作用，因為它決定了冰晶的形態和晶粒尺寸分布。

?  成核是凍干循環，冷凍過程中最重要的階段；

?  自發成核是隨機的，其持續時間很長（30分鐘）；

?  介入成核可以控制這個過程并且選擇在最佳的條件下完成此過程；

?  一個均勻的批次，可以獲得大冰晶。從而為水蒸氣升華提供大的升華通道，一次干燥的持續時間縮短。

?  預凍的一些影響：

                 一次干燥速率；

                 二次干燥解析率；

                 蛋白質聚集；

                 產品結晶度；

                 產品比表面積。

 2 自發成核

?  成核是在預凍過程中的一個“不可控"的步驟；

?  在許多小瓶中，成核溫度的散射可以表現為概率分布。

了解更多成核為隨機現象的內容，點擊：

預凍（一）預凍速率對冰晶尺寸及一次干燥時間的影響

3 自發成核和控制成核的對比

解 讀:

?  通過介入成核，可以做出大晶體，從而使得一次干燥升華速度更快。一次干燥時間更短。

?  通過介入成核，使得同一批次產品晶體大小更加均一（一次干燥的凍干終點，是等同一批次產品，最后一瓶樣品的自由水升華完成，方可判斷一次干燥的終點)從而使得一次干燥終點更加提前（見上圖）

4 不同介入成核方法

冰霧法

?  此成核方式使用液氮和水蒸氣來制造冰霧。腔體內壓力降低，然后冰霧進入腔體內。從而進入過冷的樣品溶液中。一旦冰霧接觸到樣品溶液表面，成核快速的從頂部開始到底部完成。

?  此過程需要一個額外的產生冰霧的腔體、外部冷阱、成核閥門，注濕噴嘴和其他硬件。

減壓成核

?  此成核過程，先用惰性氣體（氮氣或者氬氣）對凍干機的腔體進行加壓，然后瞬間釋放壓力。減壓控制和冷凍干燥機的結構（因為需要耐受正壓）是過程中的一個關鍵因素，同時壓力釋放時氣體出口的安全性也需要充分考慮。

?  冷凍干燥裝置的輔助系統可包括用于清潔和消毒凍干室的各種子系統以及相關的低溫系統附件，如制冷件、液氮罐、管道、閥門、傳感器等。

真空介入成核

?  真空介入成核是通過對溫度和真空的控制，在凍結過程中將冰的成核控制在所需的溫度。預凍階段引入真空，通過溶劑蒸發促進液體表面溫度的降低，產生第一個冰晶晶體（種子），凍結開始。

5 不同介入成核方式的優缺點比較

綜合以上利弊分析，TELSTAR最終選擇了

“真空介入成核"

6 TELSTAR 真空介入成核

在預凍階段引入真空：

?  整批產品在同一時間成核（最大時間2-3分鐘）同一條件下成核；

?  成核步驟嵌入在凍干配方中。溫度、壓力和時間必須要設置；

?  為了達到更好的效果，針對每種產品調整工藝。

7 Telstar 實驗室為客戶提供支持

Telstar有超過半個世紀的凍干設備制造經驗，以及二十多年為用戶提供凍干工藝配方開發咨詢的經驗。

培訓：

凍干過程和基本概念以及成核階段的一些概念；

配方開發和成核：

為用戶特定產品提供工藝開發及成核配方；

負壓法不是成核最快的方法，但卻是目前可以在普通工業凍干機上實現的方法。

個人觀點：

預凍是整個凍干工藝過程中，最重要的步驟。也是產生問題最多，最難控制的階段。對批次、批間產品的均一性有很大影響。我所認識的行內高手，都在這個階段進行著反復的試驗和摸索。

如果你已經對凍干有了扎實的理論基礎和實踐經驗，在這個階段進行摸索和實驗會給你意想不到的收獲。

文章來源——凍干工藝之家公眾號  •  星德科 TELSTAR 凍干工藝實驗室