лиофильная сушка что это такое
Как работает лиофильная сушка
Одним из способов сушки пищевых продуктов является лиофильная или так называемая сублимационная сушка. В чем же заключается сущность этого процесса? Имеем некоторый образец ткани, замораживаем его до очень низких температур (-50°С…-70°С), производим обезвоживание за счет возгонки жидкости из твердого состояния (лед) сразу в пар, избегая фазы воды, это обеспечивается только в условиях вакуума.
Как работает лиофильная сушка? Прежде чем рассматривать подробнее этот процесс, нужно уточнить, что сублимационная (лиофильная) сушка — это очень трудоёмко и обходится очень дорого. Но его применение для сушки мясной продукции, овощей и прочих пищевых продуктов имеет место быть.
Чтобы провести лиофильную сушку, потребуется сложное оборудование и соблюдение нескольких условий. Нужно правильно подобрать уровень вакуума, необходимо провести заморозку продуктов для определенной температуры, на процесс сублимационной сушки будет влиять и размер и форма продукции, рассчитать то, как долго должен происходить процесс сушки.
Обозначения к схеме:
1. Сублиматор.
2. Десублиматор.
3. Циркуляционный насос.
4. Компрессор.
5. Испаритель.
6. Дроссельный вентиль.
7. Вакуум-насос.
8. Конденсатор.
Рассмотрим процесс работы лиофильной сушки на схеме.
Принцип работы компрессорной холодильной установки. Теплоноситель с низкой температурой, который находится в состоянии газа, при помощи компрессора 4 удаляется из испарителя 5, он поступает в конденсатор 8. Там происходит процесс взаимодействия стенок змеевика, которые охлаждаются подводимой к нему водой, и пара. Это приводит к конденсации последнего. Затем конденсированный пар проходит через дроссельный винт 6, при выходе из которого происходит процесс испарения.
Продукты, которые подверглись лиофильной сушке, сохраняют свои органолептические свойства, хорошо растворяются, очень мало весят и имеют большой срок годности. В них сохраняются все витамины, белки при этом практически не денатурируют, а значит, сохраняется пищевая ценность. Такой продукцией можно пользоваться, например, будучи в туристическом походе.
Лиофильная сушка что это такое
Под лиофильной сушкой (ее еще могут называть сублимационной сушкой) подразумевают технологию высушивания, которая позволяет льду испаряться, минуя обычно наступающую после вымораживания жидкую фазу. Сублимационная сушка – щадящий метод, позволяющий продукту сохранить свои изначальные свойства и не нарушающий структуру белков.
Физические основы лиофилизации/сублимации
Под сублимацией в физическом понимании этого термина подразумевают процесс перехода вещества из твердого состояния в иную, газообразную форму. Сублимация подчинена общим законам испарения. Такой вариант сушки, позволяет наилучшим образом сберечь полезные свойства продуктов и других микробиологических веществ в процессе высушивания. В последние 15-20 лет этот метод стал использоваться особенно активно.
Достоинства лиофильной сушки
Не нарушается нативная (изначальная) структура белков. В процессе лиофилизации вода испаряется, минуя жидкое состояние. Достигается это следующим образом: на первом этапе, путем замораживания удаляется свободная вода, а выпаривание связанной воды происходит с помощью вакуумной сушки.
В веществах, подвергшихся лиофилизации, затормаживаются либо полностью прекращаются все биохимические процессы, клетки входят как бы в состояние анабиоза. Таким образом, биологический или медицинский препарат долгое время сохраняет свои первоначальные свойства, появляется дополнительная устойчивость к факторам внешнего воздействия.
Восстановление изначальных свойств препарата после увлажнения. При контакте с водой либо физраствором они моментально переводятся в исходную нативную форму.
Повышенная растворимость препаратов после сублимации.
Как происходит процесс сублимационной сушки: этапы и особенности процесса замораживания
Процедура высушивания происходит в несколько последовательных этапов. Правильная лиофилизация достигается путем соблюдения правил каждого этапа.
Этап замораживания
Самый важный этап лиофилизации, от которого зависит итоговое качество препарата. Чем быстрее и глубже происходит замораживание продукта, тем меньше кристаллов льда успевает образоваться в веществе. Следовательно, они будут быстрее испарятся на этапе высушивания и этот процесс будет более щадящим.
Система охлаждения лиофильной сушилки
Замораживание необходимо для того, чтобы сохранить все свойства препарата и способствовать сохранению жизнеспособности микроорганизмов – свободная вода удаляется, минуя жидкое состояние, при этом не разрушается структура белка. На этом этапе лиофильной сушки применяют разнообразные защитные среды (то есть стабилизаторы). Ими может выступать сыворотка крови животных, альбумин, обезжиренное молоко, а также желатин, желатоз, глутамат натрия, сахароза. В качестве стабилизатора может использоваться как одно из указанных выше веществ, так и их комбинация.
Этап сушки веществ в сушильной камере
Разные биофабрики, биокомбинаты и институты применяют разные камерные вакуумные аппараты. Последние могут отличаться друг от друга. Существуют сушилки, в которых предварительное замораживание веществ происходит именно в сублиматоре. Результатом таких сублимационных процессов является удаление свободной воды с поверхности замороженного материала и его переход из твердого состояния в сухое. Так получают пористую массу, объем которой практически не изменяется по сравнению с первоначальным. Досушивают объект обычно в той же камере. Для этого выставляют температуру выше 0 градусов по Цельсию. Таким образом, из препарата удаляется связанная вода. Как только лиофильная сушка будет окончена – вакуумный насос отключается и в камеру подается азот либо сухой воздух по средствам фильтра.
Далее ампулы либо флаконы оперативно укупоривают, чтобы препарат не насытился влагой (это может отрицательно сказаться на его хранении).
Затем ампулы запаивают, но предварительно создавая в них вакуум или заполняя инертным газом.
Длительность процесса лиофилизации регулируется с помощью автоматического оборудование. Качество лиофильной сушки можно оценить по таким ключевым показателям, как скорость растворения препарата (она не должна превосходить 1-2 минут), остаточная влажность (она не должна превышать 1-3%), исходная вязкость препарата после его растворения (она, также, должна соответствовать определенным нормам). В определенные нормы должна вписываться и рН-среда вещества.
Промышленная сублимационная сушка: оборудование
По той причине, что метод лиофильной сушки сегодня стал активно применяться на практике – возрос интерес к оборудованию для сублимационной сушки.
Оборудование этого типа – полочная сублимационная сушилка, которую монтируют в стерильных помещениях при производстве медицинских препаратов – ветеринарных или фармацевтических.
Обычно у сушилки много полок, общая вместительность которых позволяет помещать аппарат несколько тысяч флаконов определенного объема.
Схема работы сублимационной сушилки
Оборудование включает конденсатор лиофильной сушки, компрессоры (работают в каскадном режиме), вакуумный насос, систему мониторинга, которую обеспечивает промышленный контроллер с сенсорным экраном.
Применение лиофилизации в разных областях: в сфере биотехнологии, фармацевтики, медицины, пищевой промышленности
Следует сказать, что лиофилизация применяется в разных сферах: данный процесс актуален как для фармацевтической индустрии, так и в области ветеринарии, а также на биологической практике. К сведению, пищевая промышленность – еще одна область, где лиофильная сушка используется достаточно часто.
В фармацевтической и ветеринарной промышленности используется сублимационная сушка лекарственных препаратов. Процесс актуален для термолабильных и легко окисляющихся веществ (такой сушке подвергаются часто гормональные препараты, витамины, антибиотики, ферментные препараты, вакцины, препараты крови и сыворотки).
Сублимационная сушка продуктов часто применяется и в области пищевой промышленности. Подвергают лиофилизации мясопродукты и такие виды мяса, как баранина, свинина, курятина. Сублимируют и некоторые молочные продукты, овощи, различные фрукты и ягоды. К сведению, быстрорастворимый кофе и чай также подвергают сублимационной сушке.
Актуальна лиофильная сушка и в области биотехнологий. Она пригодна для живых микроорганизмов, ряда ферментов и иных термолабильных продуктов. Лиофилизация тормозит процесс инактивации ферментов, в результате чего хорошо сохраняется жизнеспособность клеток.
Подводим итоги
Лиофильная сушка – это значимое научное достижение, которое стало активно применяться на практике сравнительно недавно. Процесс сублимационной сушки позволяет в конечном итоге продуктам сохранять практически все органолептические, физико-химические показатели. По степени перевариваемости и усвояемости продукты, подвергавшиеся лиофильной сушке, мало в чем отличаются от исходных продуктов. Аналогично ведут себя и микробиологические фармацевтические и ветеринарные препараты, которые после лиофильной сушки сохраняют структурную целостность. Кроме того, у вещества повышается устойчивость к факторам внешнего воздействия, а первоначальные свойства сохраняются на протяжении длительного периода времени.
Сублимационная сушка лиофилизатор
Одним из интересных физических свойств сушки продуктов является процесс, называемый «сублимацией», позволяющий сохранять все полезные свойства продуктов. Большинство людей, не понимают, что происходит, видя сублимацию в действии, но это уникальное «изменение фаз», при которых вода переходит с состояния льда в пар.
Процесс сублимационной сушки или вымораживание производит превосходные продукты, которые сохраняют свою пищевую ценность.
Основные состояния материи
Сначала немного терминологии по физике. Все вокруг нас состоит из крошечных частиц и находится в пяти состояниях вещества: твердых телах, жидкостях, газах, плазме и конденсатах. Забудьте о последних двух, потому что они выходят далеко за рамки сушки вымораживанием — мы сосредоточимся на первых трех. Вы, вероятно, знакомы со всевозможными твердыми веществами, жидкостями и газами, поэтому давайте перейдем к фазовым изменениям. Изменение фазы — это когда материя из привычного стандартного для нее состояния переходит в другое состояние.
Например, превращение воды в лед является примером замерзания. Это кажется довольно простым, верно? Другими фазовыми изменениями являются испарение, конденсация, плавление, сублимация и осаждение. Единственные два, с которыми вы, вероятно, не знакомы, это сублимация и отложение.
Сублимация — это фазовое изменение, при котором твердое вещество превращается непосредственно в газ, не переходя в жидкость.
Осаждение — обратное сублимации состояние, прямое изменение фазы от газа до твердого тела. Осаждение редко встречается в природной среде, но производство сухого льда непосредственно из углекислого газа является распространенным примером. Обратный процесс, когда сухой лед испаряется непосредственно в углекислый газ, является наиболее известным примером сублимации.
Сублимация в сублимационной сушке
Теперь познакомьтесь с еще одним примером сублимации: сублимационная сушка!
Одним из менее известных качеств воды является то, что она не существует в виде жидкости в присутствии вакуума. В вакууме лед «сублимирует» непосредственно из твердого состояния в пар при комнатной температуре без таяния. Этот процесс чрезвычайно полезен при сушке вымораживанием, потому что он позволяет сушить замороженные продукты непосредственно путем испарения всей воды без ее расплавления. Это также позволяет избежать общей проблемы с плавлением замороженных фруктов и овощей — разрушения клеточной структуры в жидкий продукт. Представим обычную разморозку клубники, после которой она превращается в жидкую кашицеобразную массу.
Сублимационная сушка пропускает фазу плавления и удаляет замороженную воду из замороженных продуктов в газообразной форме, оставляя после себя идеально консервированные продукты.
В сублимационном оборудовании этот процесс обеспечивается с помощью специально сконструированных камер, которые создают вакуумную среду, вызывающую фазовое изменение воды со льда на пар, оставляя после себя идеально высушенные, совершенно неповрежденные кусочки фруктов или овощей. Требуется много навыков и опыта, чтобы совершенно выполнять процесс сублимационной сушки в вакуумной камере. Чтобы все было правильно, и избежать пригорания или иного разрушения пищи следует в точности соблюдать настройки для конкретного вида продуктов. Конечный результат стоит усилий — идеально высушенные фрукты и овощи, с превосходной формой, цветом, вкусом, сохранением витаминов и длительным сроком хранения порадуют вас в любое время года.
Где необходима сублимационная сушка
Основной отраслью применения сублимационной сушки в настоящее время являются производственные процессы для изготовления лекарств, заквасок, экстрактов лекарственных растений, ферментов и других продуктов, где необходимо сохранить все полезные свойства в течение длительного времени. Сохранение лактобактерий, микроорганизмов и биопрепаратов с наивысшим качеством достигается с помощью лиофилизации.
Особенно важно в фармацевтических препаратах то, что из-за минимального содержания влаги в готовом продукте (только до 5%) его можно хранить в течение длительного времени даже при температуре до 25 градусов, что очень важно для лекарств.
В пищевой промышленности продукты, высушенные этим способом, не только сохраняют все полезные вещества, но также способны сохраняться в течение очень длительного времени (до 5 лет), не теряя аромат и вкус даже при изменяющейся температуре в пределах ± 50 ° C. Даже усадка продукта во время сушки минимальна, из-за чего при добавлении воды легко восстановить структуру продуктов, которые приобретают пористую структуру во время сублимации.
Этапы лиофильной/сублимационной сушки
Весь процесс сублимационной сушки делится на три поочередных этапа:
Этап 1. Подготовка продуктов.
Продукт подготавливают к сублимации: промывают, очищают, дезинфицируют и нарезают. Далее кусочки выгружают на специальный лоток и помещают в сушильную камеру.
Этап 2. Замораживание.
На данном этапе в камере создается вакуумная среда, и продукт охлаждается до температуры затвердевания. Чем качественнее будет заморозка (учитывается скорость и глубина промораживания), тем более мелкими получатся кристаллики льда в продуктах, и тем быстрее они после этого преобразуются в пар.
Этап 3. Сублимирование.
На данной стадии происходит медленное нагревание замороженной продукции до точки перехода твёрдой жидкость в состояние пара. После удаления воды высушенную продукцию нужно поместить в герметичную упаковку минимум на двадцать часов.
Именно от точности температур нагрева зависит качество сублимации. Поэтому в сублимационном оборудовании обязательно должны использоваться надежные нагреватели. «ТЕХНОНАГРЕВ» производит плоские ТЭНы разных параметров для всех вариантов сублиматоров.
У нас вы можете купить плоский ТЭН для сублиматора стандартной сборки или заказать нагреватель с индивидуальными параметрами под конкретные требования. Доставка осуществляется по всем регионам России.
Лабораторные лиофильные сушилки: виды, применение и описание
Лиофильная сушка — процесс, который в настоящее время широко используется в промышленности. Это и лиофильная сушка в фармацевтической производстве, и сублимация растворителя из замороженных гелей, суспензий, растворов и биологических объектов и многие другие процессы.
Лиофильная сушка: принцип
Принцип работы лиофильной сушки — это сублимация, или возгонка. Сублимация — это прямой переход какого-то вещества из твёрдого состояния в газообразное, притом, переход этот осуществляется сразу, минуя жидкое состояние. В процессе возгонки изменяется удельный объём веществ и поглощается энергия. Возгонка — это фазовый переход первого рода. Обратный процесс возгонки десублимация.
Возгонка лежит в основе лиофильной сушки в фармацевтической производстве. Она, например, проводится для элементарного йода — этот элемент при нормальных условиях жидкой фазы не имеет: его черные кристаллы сразу сублимируются в газообразный молекулярный йод.
Устройство самой простой лабораторной лиофильной сушки основано на том, что очищаемый элемент конденсируется из газовой фазы на «пальце» — холодильнике, который охлаждается водой. Итак, необходимы следующие условия: вход холодной воды и выход холодной воды, вакуум/газ линия, внешний нагрев, сырой материал, сублимационная камера и сублимируемый продукт.
Лиофильная сушилка лабораторная и применение сублимации в лабораториях различного профиля
Лиофильная сушка, назначение которой — процесс удаления, например, растворителя из замороженных суспензий, растворов, гелей или биологических объектов основана на сублимации затвердевшего растворителя (либо льда) минуя образование макроколичеств жидкой фазы.
При возгонке сначала производится заморозка исходного тела, а затем оно помещается либо в вакуумную, либо заполненную инертными газами камеру. Процесс возгонки, если говорить о нем как о физическом процессе, продолжается до тех пор, пока концентрация водяных паров внутри камеры не достигнет нормального уровня для данной температуры, избыточные водяные пары постоянно откачиваются. Возгонка широко применяется в химической промышленности, например, на производствах взрывоопасных или же взрывчатых веществ, которые получаются осаждением из водных растворов.
Оборудование для лиофильной сушки используется и в пищевой промышленности: сублимированный кофе производится, например, из замороженного кофейного экстракта путем обезвоживание его вакуумом. Фрукты, прошедшие сублимирование весят в разы меньше, а при последующем насыщении водой восстанавливаются. Важно, что сублимированные продукты ( для их получения используется лиофильная сушилка для пищевой промышленности) значительно превосходят сушёные по своей пищевой ценности, ведь возгонке поддаётся исключительно вода, при термическом же испарении из продукта исчезают полезные пищевые вещества. Как при высушивании фруктов работает лиофильная сушилка? Принцип работы, обеспечивающий сохранность пищевых веществ, предельно прост: перед сушкой продуктов используется быстрое замораживание (температура колеблется от −100 до −190 °C), это приводит к образованию мельчайших кристаллов, которые не разрушают клеточные мембраны. Несмотря на то, что лиофильная сушка это достаточно трудоемко и дорого, ее применение для сушки мясопродуктов, овощей и некоторых других пищевых продуктов вполне оправданно. Для этого в России чаще всего используется промышленная лиофильная сушка российского производства для пищевых продуктов. Которую, кстати, вы можете приобрести на нашем сайте.
Для лиофильной сушки лекарственных препаратов также часто используется лиофильная сушилка производства России. Дело, конечно, не только в патриотизме. Прежде всего, отечественные приборы обходятся намного дешевле. По качеству зачастую превосходят многие импортные. При этом в случае необходимости к ним легче найти комплектующие.
Лиофильная сушка лекарственных препаратов проводится на специальной лиофильной сушилке для фармацевтических производств. При таком типе обработки лекарственного сырья можно достичь практически 100% сохранения полезных свойств.
Как правильно выбрать оборудование для лиофильной сушки
На самом деле не так уж и сложно это сделать. Просто производитель должен быть надежным, а продавец компетентным и честным, заботящимся о своей репутации. Наша компания работает только с лучшими производителями, все наши товары сертифицированы. Поэтому если вам нужна качественная лиофильная сушилка из России или из другой страны, то вы можете купить ее у нас, притом, по отличной цене.
Компания Beckman Coulter Life Sciences представляет автоматизированную рабочую станцию для подготовки библиотек высокопроизводительного секвенирования нового поколения (NGS) Biomek NGeniuS.
Одним из критически важных моментов в процессе разработки сортера CytoFLEX SRT явилось внимание к конструкции для обеспечения надежности и расширения пользовательских возможностей.
Система для автоматического выделения и очистки нуклеиновых кислот EMnetik 24 и прилагаемые к ней комплекты для очистки EMnetik PCR Cleanup Kit и EMnetik Plasmid Purification Kit используют технологию на основе магнитных шариков в стационарном устройстве.
Микробиореактор BioLector XT идеально подходит для культивирования микроорганизмов, грибов и водорослей с оценкой в реальном времени биомассы, рН, растворенного кислорода и флуоресценции для аэробов и анаэробов.
Микробиологическая и биотехнологическая лаборатории требуют тщательного и полного оснащения. Для обеспечения высокой эффективности работы оборудование, выбираемое вами, должно быть максимально качественным и надежным.
Лиофилизация – эффективный низкотемпературный метод сушки
Лиофилизация (лиофильная сушка) – широко используемый физический метод обезвоживания различных продуктов, включая лекарственные субстанции, пищу, биологические объекты и пр. Преимуществами такой сушки являются высокая стабильность, пролонгированный срок годности, минимальные изменения свойств, однородность и быстрое восстановление препарата до применимой формы. В данном обзоре рассмотрены основные принципы метода, его положительные и отрицательные стороны, а также некоторые аспекты его применения в производстве.
Многие продукты природного происхождения плохо поддаются хранению в их естественном состоянии. Для повышения срока годности и снижения скорости необратимых изменений, вызванных как физико-химическими, так и биологическими факторами, было разработано множество различных подходов: стерилизация, химическая стабилизация, заморозка и пр. Однако каждый из них имеет свои недостатки, так, например, температурная стерилизация является весьма жестким и деструктивным методом, малоприменимым к термически нестабильным веществам, таким как пептиды и белки. Наиболее важным, с точки зрения здоровья человека, является сохранение качественного и количественного состава высоко биологически активных лекарственных препаратов, поскольку малейшие изменения могут привести не только к утрате ценных свойств, но и резко повысить токсичность или извратить желаемый эффект. Одним из подходящих методов для обработки низкостабильных (лабильных) соединений, позволяющий значительно увеличить срок хранения без потери биологических свойств, является лиофилизация.
Лиофилизация (лиофильная или сублимационная сушка) представляет собой физический метод обработки на основе процесса дегидратации (обезвоживания, или, в общем случае, десольватации вне зависимости от содержащегося растворителя) при охлаждении, и включает в себя заморозку исходного материала, снижение давления и последующее отделение твердого растворителя сублимацией [1]. В отличие сушки большинством традиционных методов, здесь для испарения не используется нагрев раствора. Замораживание для осушки было впервые применено в 1890 г. на образцах растительных или животных сухих тканей немецким профессором Р. Альтманном (Richard Altmann) [2]. Позже была создана камера, в которой вакуум обеспечивался при помощи электрического насоса; затем лиофилизатор был запатентован двумя независимыми изобретателями [3]. С 1950-х годов лиофилизация сформировалась как многоцелевой инструмент для пищевой и фармацевтической промышленности.
Практически, лиофильную сушку можно охарактеризовать как контролируемый метод обезвоживания лабильных продуктов при помощи высушивания в вакууме [1]. Технически, сублимационная сушка может быть разделена на следующие этапы:
После первичной сушки, где вода замораживается и удаляется из образца возгонкой, следует вторичная сушка по принципу десорбции. Сублимационная сушка представляет собой процесс, когда вода сублимируется из материала после замораживания для длительного его хранения; процесс применим для производства определенных химикатов, фармацевтических и биологических препаратов, которые являются термолабильными или иным образом нестабильными в водном растворе, но стабильны в обезвоженном состоянии. Лиофилизация проводится при давлении и температуре ниже тройной точки воды, чтобы обеспечить сублимацию льда [1].
Лиофилизация является наиболее распространенным методом, когда проблема хранения вещества заключается в стабильности водного раствора. Это имеет решающее значение для защиты материалов, которые требуют низкого содержания влаги (менее 1%) и бережного стерильного процесса консервации.
Принцип, на котором основана лиофилизация, – это явление, называемое сублимацией, во время которой вода напрямую переходит из твердого состояния (льда) в парообразное, минуя фазу жидкости, и может происходить при параметрах системы ниже тройной точки, т.е. 4,559 мм. рт. и 0,0099 ⁰C [1]. Материал, подлежащий сушке, сначала замораживают, а затем подвергают нагреву (иногда с помощью ИК или микроволнового излучения) в высоком вакууме, так что замороженная жидкость возгоняется, оставляя только твердые, высушенные компоненты исходного раствора. Градиент концентрации водяного пара между фронтом сушки и конденсатором является движущей силой для удаления воды во время лиофилизации.
Основания для применения лиофилизации следующие. Материал химически нестабилен в растворе. Необходим низкотемпературный процесс сушки. Совместимость метода с белковыми фармацевтическими препаратами. Желательна аморфная форма препарата (то есть, обеспечивающая растворимость). Низкое загрязнение частиц. Совместимсть с асептической/стерильной обработкой.
Свойства лиофилизированного продукта таковы. Долговременная стабильность. Минимальное время восстановления. Коммерчески привлекательный внешний вид осадка. Способность сохранять исходные характеристики лекарственной формы при восстановлении, включая свойства раствора, структуру и конформацию белков, дисперсность частиц в суспензии. После восстановления сохраняется изотоничность.
Желательные характеристики продуктов сублимационной сушки: однородный цвет; достаточная сухость и пористость окончательно высушенных продуктов; химическая стабильность продуктов; неповрежденный твёрдый осадок.
Преимущества лиофилизации. Окисляемые вещества хорошо защищены в условиях вакуума. Длительный период консервации благодаря удалению 95–99,5% воды. Точное количество загрузки и равномерное содержание. Незначительное загрязнение вследствие асептического процесса. Минимальные потери летучих химических веществ и чувствительных к нагреванию питательных и ароматных компонентов. Минимальные изменения в свойствах, потому что при низкой температуре подавлены рост микроорганизмов и ферментный эффект. Возможна транспортировка и хранение при нормальной температуре. Быстрое время восстановления. Компоненты высушенного материала остаются однородно диспергированными. Продукт может применяться в жидкой форме. Может быть достигнута и сохранена стерильность продукта.
Недостатки лиофилизации. Летучие соединения могут быть потеряны в высоком вакууме. Требуется дорогостоящее оборудование. Проблемы со стабильностью, связанные с отдельными препаратами. Некоторые сложности, связанные с стерилизацией и обеспечением стерильности камеры сушилки и асептического внесения флаконов в камеру.
Цикл лиофилизации показан на рисунке 1 и состоит из трех этапов: заморозка, первичная и вторичная сушка.
Рисунок 1 – Цикл лиофилизации [1]
Замораживание проводят на подготовительном этапе, так как лиофилизациф подразумевает изменение состояния от твердой к газовой фазе. Особенности протекания заморозки, как и конечная температура замороженного полупродукта, способны влиять на характеристики материала. Быстрое охлаждение способствует получению небольших кристаллов льда, сохраняющих структуру и удобных для микроскопического исследования, но в результате получается образец, который труднее высушить при замораживании. Более медленное охлаждение благоприятствует формированию укрупненных кристаллов и менее ограничивающих каналов в матрице. На замерзание растворов влияет их состав. Большинство продуктов, которые сушат сублимационно, содержат воду, растворитель и растворенные/суспендированные компоненты.
Первичная сушка занимает длительный период времени из-за пониженной температуры камеры и низкого давления паров льда. Сообщалось, что повышение температуры продукта на 1 °C может сократить общее время первичной сушки на целых 13%, что дает огромный потенциал экономии времени и производственных затрат при использовании более агрессивных температур. Однако повышение температуры выше «критической температуры состава», которая относится к температуре плавления эвтектики Teu для кристаллического и Tc или Tg (температуры кристаллизации или стеклования) для аморфных материалов, зачастую приводит к потере структуры осадка. Если критическая температура превышена, то структура высушенных пор вблизи фронта сублимации, которая все еще содержит большое количество воды, может подвергаться вязкому течению, что приводит к слиянию пор и образованию отверстий. Это связано с уменьшением площади внутренней поверхности, а также с повышенным содержанием влаги, что может отрицательно сказаться на времени и полноте восстановления, а также на стабильности препарата. Что наиболее важно, твердый продукт демонстрирует усадку или может полностью разрушиться, что делает его непригодным для продажи или применения у пациентов. Критическую температуру препарата можно определить с помощью микроскопии (FDM), которая позволяет наблюдать структуру сухого вещества под вакуумом при различных температурах. Как только температура схлопывания пор достигнута, можно зафиксировать образование дыр в структуре. Поскольку во время эксперимента образец сушат, то условия достаточно похожи на лиофилизацию, что делает результаты более репрезентативными для процесса сублимации во флаконах. Другой подход для определения критической температуры препарата – дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC), где измеряют тепловой поток и тепловые свойства замороженного образца. Таким образом, можно определить температуру стеклования максимально замороженного концентрированного растворенного вещества, Tg. Поскольку удаление воды не происходит, то критическая температура не является столь же типичной для сублимационной сушки, как температура, определенная с использованием FDM. Можно повысить критическую температуру путем количественной кристаллизации солей (то есть, буферов и т. д.) во время замораживания или путем добавления аморфных наполнителей с высокими значениями Tg, таких как декстран или циклодекстрины.
Вторичная сушка необходима, так как после завершения первичной сушки весь лед сублимирован, но связанная влага присутствует в исходном материале. Хотя он и выглядит сухим, но удерживаемая влага может достигать 7–8%, и дальнейшее осушение требует более высокой температуре. Этот процесс называется «изотермическая десорбция». Вторичная сушка, зачастую, продолжается при температурах выше температуры окружающей среды, но совместимой со стабильностью вещества. Десорбционная сушка облегчается путем повышения температуры и снижения давления в камере до минимума. Следует проявлять осторожность при повышении температуры, поскольку результатом ее использования может стать полимеризация или биодеградация белка или пептида. Вторичная сушка обычно проводится в течение приблизительно ⅓–½ времени, необходимого для первичной сушки. Практически, льда больше нет, и поэтому нет никаких опасений по поводу появления «следа таяния», продукт может выдерживать более интенсивный подвод тепла. Кроме того, вода, остающаяся во время вторичной сушки, более прочно связана, что требует больше энергии для ее удаления. Очевидно, что снижение давления в камере до максимально достижимого вакуума способствует десорбции воды.
Важным фактором при лиофилизации белковых и пептидных композиций является долговременная стабильность, которая связана с содержанием воды. В большинстве случаев низкомолекулярные лекарства можно приготовить без наполнителей или просто путем добавления наполнителя или модификатора в жидкую композицию, которая достаточно стабильна, чтобы выдержать необходимую продолжительность замораживания и сушки. Содержание влаги в продуктах обычно достаточно низкое, чтобы гарантировать, что состав остается стабильным в течение длительных периода. Однако для белков ситуация более сложная, потому что они являются лабильными молекулами. Стабильность полипептидов связана с содержанием воды в их составе, но в то же время активная форма белка связана и с конформацией структуры, которой требуется некоторое количество воды для предотвращения денатурации. Этих проблем можно избежать путем оптимизации рецептур и адекватного управления процессом. Концепция стабильности может быть описана как термодинамическая стабильность, обеспечиваемая равновесием между нативными и развернутыми конформациями. Проблема еще более усложняется тем, что, хотя белок может проявлять термодинамическую нестабильность во время сушки вымораживанием и разворачиваться, восстановленный белок может полностью перезаряжаться в течение нескольких секунд и демонстрировать превосходную фармацевтическую стабильность, если не происходит необратимых реакций (например, агрегация) во время хранения или во время восстановления.
Использование криопротекторов бывает необходимым условием для достижения успеха. Криопротектор, как правило, представляет собой вещество, используемое для защиты биологической ткани или природных соединений от повреждения при замерзании (то есть, вследствие образования льда). Наиболее популярными криопротекторами для лиофилизации являются сахара: микоза, сахароза, глюкоза и маннит. Известно, что эти сахара остекловываются при определенной температуре (Tg). Иммобилизация микрочастиц в остеклованной матрице криопротектора может предотвратить их агрегацию и защитить от механического воздействия кристаллов льда. Как правило, замораживание должно проводиться ниже Tg аморфного образца или ниже Teu (температура эвтектической кристаллизации), которая является температурой кристаллизации растворимого компонента в виде смеси со льдом, чтобы обеспечить полное затвердевание образца.
Вспомогательные материалы (эксципиенты) также используются в лиофилизированной рецептуре. Состав водной композиции зависит от требований к активному фармацевтическому ингредиенту (API) и предполагаемого пути введения. Он может состоять из одного или нескольких наполнителей, которые выполняют одну или ряд функций. Эксципиенты могут быть охарактеризованы как буферы, регуляторы pH и тоничности, наполнители и стабилизаторы. Буферы необходимы в фармацевтических составах для стабилизации pH. При разработке лиофилизированных составов, выбор буфера может иметь решающее значение. Фосфатные буферы, особенно фосфат натрия, претерпевают резкие изменения pH во время замораживания. Хорошим подходом считается использование низких концентраций цитратного или гистидинового буфера, который подвергается минимальному изменению рН во время замораживания.
Наполнители предназначены для обеспечения объема препарата. Это важно в тех случаях, когда используются очень низкие концентрации активного ингредиента. Кристаллические наполнители создают структуру осадка с хорошими механическими свойствами. Однако эти материалы также эффективны в стабилизированных продуктах, таких как эмульсии, белки и липосомы, но могут подходить для и для некоторых пептидов. Если кристаллическая фаза является подходящей, можно использовать маннит. Сахароза или один из других дисахаридов могут быть использованы в белковых или липосомных продуктах.
Стабилизаторы являются не только наполнителями, поскольку дисахариды образуют аморфную стеклообразную структуру, которая эффективна для предохранения липосом и белков во время лиофилизации. Сахароза и микоза являются инертными веществами и используются в стабилизирующих составах липосом, белков и вирусов. Глюкоза, лактоза и мальтоза являются восстанавливающими сахарами и могут восстанавливать белки посредством реакции Майяра (реакция сахароаминной конденсации).
Регуляторы тоничности применяют при необходимости получения изотонических составов. Потребность в таком препарате может быть продиктована либо требованиями к стабильности основного раствора, либо к пути введения. Вспомогательные вещества, например, маннит, сахароза, глицин, глицерин и хлорид натрия, являются хорошими регуляторами тоничности. Глицин, дополнительно, может понижать температуру стеклования. Модификаторы тоничности допускается включать в разбавители.
Лиофилизационная аппаратура обеспечивает соответствующие условия: пониженную температуру и давления меньше атмосферного. Ниже приведено общее описание основных компонентов установки и их функций. Общий дизайн лиофилизатора показан на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема лиофильной установки
Камера представляет собой вакуумный герметичный металлический короб, содержащий полки для размещения обрабатываемого материала, и опционально оснащена системой блокировки. Полки размером до 4 м 2 обычно соединены с системой прокачки теплоносителя (силиконовое масло) через фиксированные или гибкие шланги. Конденсатор – холодовая ловушка из змеевиков или других фрагментов с развитой поверхностью, предназначенная для улавливания растворителя при сушке. Теплообмен традиционно осуществляется путем циркуляции жидкости через полки при желаемой температуре. Циркулирующий агент-теплоноситель прокачивают с помощью насоса по герметичному контуру при пониженном давлении. Постоянный цикл изменения температуры иногда приводит к утечке силиконового масла на местах соединений шлангов, загрязняя целевой продукт. Следовательно, необходимо контролировать концентрацию силиконовых паров для своевременного принятия мер и предотвращения загрязнение продукта. Система охлаждения включает в себя использование компрессоров или жидкого азота. Компрессор может выполнять две функции: одну по охлаждению полок, другую – для охлаждения конденсатора возгоняемого растворителя. Вакуумная система позволяет удалить растворитель за разумное время. Требуемый уровень вакуума обычно составляет 50–100 мкбар. Для достижения такого низкого вакуума используется вакуумный роторный насос (обычно двухступенчатый) или несколько насосов.
Использование лиофилизации весьма широко. Фармкомпании зачастую применяют такую сушку с целью увеличения срока годности своих продуктов, вакцин или прочих инъекционных препаратов. Благодаря обезвоживанию материалов и герметизации их во флаконах, препараты можно легко хранить, транспортировать и впоследствии восстанавливать до их первоначальной инъекционной формы. Массовая лиофилизация фармацевтических субстанций проводится на поддонах заместо флаконов из стекла. Лиофилизированные фармпродукты получают как порошки для разведения в стеклянной таре, а в последнее время – и в шприцах-автоинжекторах для самостоятельного применения пациентами. В качестве примеров можно упомянуть различные вакцины от менингококковой инфекции, брюшного тифа, кори, интерферон, стрептокиназу и пр. [4]. В пищевой промышленности лиофилизацию применяют для заготовки продуктов питания с долгим сроком годности и низкой массой. Наиболее востреован такой подход для приготовления запасов пищи для военных, астронавтов, охотников и туристов.
В промышленности, связанной с органическим синтезом, целевые продукты часто сушат вымораживанием для обеспечения повышенной стабильности или для финальной очистки от следов растворителей.
Таким образом, лиофилизация обеспечивает метод сушки температур лабильных материалов, однако она требует серьезных вложений и затрат времени. Аппаратное обеспечение приблизительно троекратно дороже, по сравнению с другими процессами высушивания, а высокие потребности в мощностях приводят к значительным тратам на электроэнергию. Техника лиофилизации оказалась оптимальной для разработки стабильной инъецируемой лекарственной формы, так как содержание влаги в композиции значительно снижено, что повышает стабильность продукта, простоту обращения, обеспечивает быстрое растворение и легкую транспортировку. Около 50% биофармацевтических препаратов в настоящее время подвергают лиофилизации, особенно это касается белковых и пептидных соединений. В лиофилизированном твердом состоянии реакции химической или физической деградации существенно замедляются, что приводит к улучшенной стабильности во времени. Лиофилизация наносит меньший вред препарату сравнительно с другими подходами, где задействованы повышенные температуры, что обуславливает широкую область ее применения. Многие пептидные продукты, например, антитела, требуют именно сублимационной сушки. Кроме того, известные препараты, включая инфликсимаб, ритуксимаб, трастузумаб и этанерцепт, обрабатывают этим методом [4]. Клеточные экстракты и высушенные пробиотики также требуют лиофилизации. В нанотехнологиях лиофилизация применяется в очистке нанотрубок для исключение их агрегации. В бактериологии метод нашел применение для сохранения некоторых штаммов. Некоторые организации исследовали сушку вымораживанием в качестве метода восстановления поврежденных водой книг и документов. Осознание сложности процесса лиофилизации и его влияния на качества продукта и производительность имеет важное значение для успешного применения метода.
1. Khandagale, P.M., Bhairav, B., Saudagar, R.B., Lyophilization Technique: A Review. Asian Journal of Research in Pharmaceutical Sciences, 2016. 6(4): p. 269-276.
2. Meryman, H.T., Historical recollections of freeze-drying. Developments in biological standardization, 1976. 36: p. 29-32.
3. Corver, J., The Evolution of Freeze-Drying. Innovations in Pharmaceutical Technology, 2009. 29: p. 66-70.