مروری بر لیوفیلیزاسیون ( خشککردن انجمادی )
خشککردن انجمادی(لیوفیلیزاسیون) فرآیندی است که طی آن، یخ یا حلالهای منجمد دیگر از مادهای از طریق تصعید و مولکولهای آب متصل از طریق واجذب حذف میشوند. اصطلاحات لیوفیلیزاسیون و فریز درایینگ بهطور متناوب بسته به صنعت و محل انجام فرآیند استفاده میشوند.
خشککردن انجمادی کنترلشده، دمای محصول را در طول فرآیند بهاندازهای پایین نگه میدارد که از تغییرات در ظاهر و ویژگیهای محصول خشکشده جلوگیری شود. این روش برای حفظ طیف وسیعی از مواد حساس به حرارت مانند پروتئینها، میکروبها، داروها، بافتها و پلاسما بسیار مناسب است.
تصعید
تصعید فرآیندی است که در آن یک جامد (یخ) مستقیماً به بخار تبدیل میشود، بدون اینکه ابتدا از فاز مایع (آب) عبور کند. درک کامل مفهوم تصعید، پایهای اساسی برای فهم فرآیند خشککردن انجمادی است. تصعید یک تغییر فازی است و برای وقوع آن، انرژی حرارتی باید به محصول منجمد اضافه شود. تصعید در فرآیند فریز درایینگ بهطور ساده بهصورت زیر توصیف میشود:
انجماد
محصول کاملاً منجمد میشود، معمولاً در ویال، فلاسک یا سینی.
خلاء
سپس محصول تحت خلأ عمیق، بهخوبی زیر نقطه سهگانه آب، قرار میگیرد.
خشک کردن
سپس انرژی حرارتی به محصول اضافه میشود که باعث تصعید یخ میگردد.
مراحل مورد نیاز برای لیوفیلیزه کردن یک محصول در یک فرآیند دستهای بهطور خلاصه عبارتاند از:
- سنجش دما (قفسه، کندانسور و پروبهای محصول) و فشار
- فرمولاسیون
- بارگذاری / ظرف (حجیم، فلاسک، ویالها)
- انجماد (پردازش حرارتی) در فشار اتمسفری
- خشککردن اولیه (تصعید) تحت خلأ
- خشککردن ثانویه (واجذب) تحت خلأ
- پر کردن با گاز بیاثر و درپوشگذاری (برای محصول در ویالها) تحت خلأ جزئی
- برداشتن محصول خشکشده از فریز درایر
علاوه بر فراهم کردن ماندگاری طولانی، یک فرآیند خشککردن انجمادی موفق باید محصولی با زمان بازسازی کوتاه و سطوح قابلقبول از اثربخشی تولید کند. این فرآیند باید با پارامترهای دما، فشار و زمان بهخوبی تعریفشده برای هر مرحله، قابل تکرار باشد. ویژگیهای ظاهری و عملکردی محصول خشکشده نیز برای بسیاری از کاربردها مهم هستند.
اجزای اصلی تجهیزات خشککن انجمادی عبارتاند از :
سیستم تبرید – سیستم خلأ – سیستم کنترل – محفظه محصول/ قفسهها یا مانیفولد – کندانسور یخ
سیستم تبرید
سیستم تبرید، کندانسور یخ را که در داخل فریز درایر قرار دارد، خنک میکند. مبرد از طریق یک کویل در کندانسور هدایت میشود. این فرآیند بهعنوان «انبساط مستقیم» (DX) شناخته میشود. خنکسازی DX بهطور ذاتی بدون کنترل است و هنگامیکه بهطور مداوم کار میکند، سیستم در نهایت به پایینترین دمای خود در کندانسور میرسد.
سیستم تبرید همچنین برای خنککردن قفسههای محفظه محصول بهمنظور انجماد محصول و حفظ دما در طول فرآیند خشککردن استفاده میشود. برای کنترل دقیقتر یکنواختی دمای سطح قفسهها، از یک روش خنکسازی غیرمستقیم استفاده میشود.
در این روش، مبرد به یک مبدل حرارتی ارسال میشود که در آن سیال انتقال حرارت سیلیکونی را خنک میکند. این سیال بهطور مداوم در داخل قفسهها جریان مییابد. یک هیتر الکتریکی مقاومتی به این چرخه اضافه میشود تا گرمایش قفسه را فراهم کند. هیتر و سیستم تبرید با هم کار میکنند تا کنترل دقیق دمای قفسهها حفظ شود.
در فریز درایرهای پیشرفته، یک سیستم تبرید مشترک برای خنککردن هم قفسهها و هم کندانسور استفاده میشود. در طول مرحله انجماد، بار خنککنندگی بر روی قفسهها متمرکز است، درحالیکه در مرحله خشککردن، بار خنککنندگی به سمت کندانسور منتقل میشود.
سیستمهای تبرید مشترک اجزای کمتری دارند، قابلاعتمادتر هستند، انرژی کارآمدتری دارند و گرمای زائد کمتری تولید میکنند.
طراحیهای قدیمیتر فریز درایر ممکن است دارای دو سیستم تبرید جداگانه باشند؛ یکی برای قفسهها و دیگری برای کندانسور، که هر کدام کمپرسورهای جداگانه خود را دارند.
در فریز درایرهای آزمایشگاهی و پایلوت، معمولاً از طراحی آبشاری (Cascade) استفاده میشود، که در آن دو مدار مبرد بهصورت سری کار میکنند. سمت سرد مدار گرمتر (مرحله بالا) با سمت گرم مدار سردتر (مرحله پایین) تلاقی میکند.
این طراحی امکان دستیابی به دماهای پایینتر از ۸۰- درجه سانتیگراد را فراهم میکند. در فریز درایرهای تولیدی، کمپرسورهای بزرگتر معمولاً از طراحی ترکیبی/چندمرحلهای استفاده میکنند و میتوانند به دمای ۷۵- درجه سانتیگراد در یک حلقه تبرید واحد دست یابند. درک و نگهداری صحیح از سیستمهای تبرید برای عملکرد بهینه فریز درایر و دستیابی به محصولی با کیفیت بالا ضروری است.
سیستمهای خلاء
سیستم خلاء شامل یک پمپ خلا جداگانه متصل به یک کندانسور ضد هوا و محفظه محصول متصل میشود. پمپهای خلاء میتوانند از نوع روغنکاری شده با روغن (روتاری-ون) یا از نوع “خشک” اسکرول باشند. پمپهای خلاء روتاری-ون نیاز به استفاده از یک جداکننده مه روغن (OME) برای جمعآوری ذرات روغن در جریان خروجی دارند، یا میتوان خروجی را به بیرون تخلیه کرد.
آنها بر اساس شرایط استفاده نیاز به تعویض روغن مکرر دارند. طراحی پمپهای خلا اسکرول خشک قویتر شدهاند و اکنون به طور گستردهای در تجهیزات فریز درایر استفاده میشوند. آنها میتوانند به سطوح خلا پایینی که برای فریز درایرینگ مورد نیاز است برسند، حتی با تنظیم گاز بالاست آنها برای باز شدن، که آنها را برای فرآیند محصولات با حلالها/اسیدها ایدهآل میکند.
اگرچه آنها مزیت عدم نیاز به تعویض روغن را دارند، اما سیلهای نوک پمپهای اسکرول خشک نیاز به تعویض دورهای دارند تا بتوانند به خلاهای پایینتر برسند. برای بهترین کنترل خلاء تا نقطه تنظیم مورد نظر، پمپ خلاء به طور مداوم کار خواهد کرد و سپس یک شیر تخلیه گاز کوچک برای اجازه دادن به مقدار کمی گاز/هوا به طور متناوب برای متعادل کردن سطح خلاء استفاده خواهد شد.
سیستمهای کنترل
سیستمهای کنترل در پیچیدگی متفاوت هستند و معمولاً شامل چندین ویژگی مانند موارد زیر خواهند بود:
- سنجش دما (قفسه، کندانسور و پروبهای محصول) و فشار
- کنترل خلا سیستم و دمای قفسه (سیال)
- قابلیت برنامهریزی یک سیکل کامل برای فریز درایرینگ
- مدیریت حفظ و نگهداری سیکلهای مختلف
آلارمهای فرآیند - رابط کاربری انسان-ماشین (HMI)
- روند دادهها و صادرات دادهها
- عملکرد حالت دستی
- صفحه سینوپتیک نشاندهنده سیستمهای فعال
سیستمهای کنترل پیشرفته همچنین میتوانند شامل گزینههای اضافی زیر باشند:
- سیستم SCADA (کنترل نظارتی و جمعآوری دادهها) برای ثبت دادهها
- تاریخچه دادهها با رمزگذاری امن
- شناسه کاربری/ورود امن و رمز عبور
- گروههای کاربری متعدد با سطوح دسترسی مختلف
- مسیر حسابرسی برای کنترل تغییرات که چه کسی چه تغییری را در سیکل ایجاد کرده است، چه زمانی و چرا ( الزامات FDA 21 CFR Part 11 )
- ابزارهای PAT (فناوری تحلیلی فرآیند) برای نظارت بر پیشرفت فرآیند فریز درایرینگ
- تستهای خودکار عملکرد سیستم
محفظه محصول
محفظههای محصول معمولاً محفظههای بزرگی هستند که دارای سیستمی از قفسهها برای قرار دادن محصول میباشند. ماده استاندارد ساخت و ساز برای هر دو محفظه و قفسهها، استیل ضد زنگ 316L است. در شکل سادهتر، یک منیفولد با فلاسکهای متصل به عنوان محفظه محصول عمل میکند.
محفظههای محصول برای تحمل اختلاف فشار در شرایط خلا کامل طراحی شدهاند. آنها میتوانند دارای طراحی مربع/مستطیلی یا گرد/استوانهای باشند.
قفسههای محصول میتوانند ثابت یا متحرک باشند. قفسههای متحرک میتوانند دارای یک جک هیدرولیکی یا پنوماتیکی برای امکان بستن درب ویالها در انتهای فرآیند باشند.
کندانسور یخ
هدف از کندانسور جذب بخارات تصعید شده از محصول و محافظت از پمپ خلا است. از آنجایی که کندانسور در سطح انرژی پایینتری نسبت به یخ محصول نگهداری میشود، بخارات متراکم میشوند و به شکل جامد (یخ) در کندانسور تبدیل میشوند. یخ تصعید شده در کندانسور جمع میشود و پس از تخلیه محصول، در پایان چرخه فریز درایرینگ حذف میشود.
این مرحله یخزدایی توسط سیستم تبرید در واحدهای آزمایشگاهی/پایلوت (معروف به “یخزدایی با گاز داغ”) تسهیل میشود. در واحدهای تولیدی بزرگتر، میتوان از آب گرم یا بخار برای تسریع فرآیند یخزدایی همراه با یک شیر تخلیه خودکار استفاده کرد. دمای کندانسور مورد نیاز برای یک محصول خاص توسط نقطه انجماد و دمای فروپاشی آن محصول تعیین میشود.
سیستم تبرید باید بتواند دمای کندانسور را به طور قابل توجهی پایینتر از دمای محصول در حین فریز درایرینگ حفظ کند. در فریز درایرهای قفسهای، کندانسور میتواند در داخل محفظه محصول (کندانسور داخلی) یا در یک محفظه جداگانه (کندانسور خارجی) متصل به محفظه محصول توسط یک پورت بخار قرار گیرد.
این پورت بخار میتواند دارای یک شیر ایزوله باز عادی باشد که در صورت نیاز برای تخلیه محصول، یخزدایی یا برای اندازهگیریهای پایان خشک کردن کنترل فرآیند به نام تست افزایش فشار قابل بسته شدن است. کویل مبرد میتواند در اطراف خارج محفظه کندانسور پیچیده شود و یک طراحی “دیوار صاف” برای جمعآوری یخ فراهم کند. به طور متناوب، کویل میتواند در داخل قرار گیرد.
هر دو طراحی مزایای متفاوتی دارند. طراحیهای دیوار صاف تمیز کردن دستی را آسانتر میکنند و در صورت استفاده از یخزدایی با گاز داغ، بارهای یخ بزرگ را بسیار سریعتر ذوب/یخزدایی میکنند. کویلهای داخلی در واحدهای پایلوت، طراحیهای اکثر فریز درایرهای تولیدی را بهتر شبیهسازی میکنند و ممکن است دادههای مقیاسبندی فرآیند بهتری را ارائه دهند.
ظروف محصول و سیستمهای مهار
باید یک سیستم ظرف مناسب برای محصول انتخاب شود. رایجترین ظروف محصول فلاسکها، ویالها و سینیها هستند. در صورت امکان، توصیه میشود ظرفی را انتخاب کنید که حداکثر ضخامت محصول را به کمتر از 2 سانتیمتر (سه چهارم اینچ) نگه دارد.
ظروف خاصی ساخته شده از Gore-Tex* & Tyvek* نیز برای کاربردهای خاصی که آلودگی محصول نگرانی است در دسترس هستند. سینیهای محصول با کف قابل جدا شدن هنگام کار با ویالها در دسترس هستند. سینی با ویالها بارگیری میشود، روی قفسهای در فریز درایر قرار میگیرد و سپس قسمت پایین سینی بیرون کشیده میشود.
این امر باعث میشود که ویالها مستقیماً روی قفسه قرار گیرند و انتقال حرارت به محصول افزایش یابد. برای فریز درایرینگ برخی محصولات، به ویژه زمانی که مواد سیتوتوکسیک وجود دارند، به سیستمهای مهار خاصی مانند ایزولاتورها و جعبههای دستکش نیاز است.
فریزدرایرها و انواع آن
فریزدرایرها را میتوان به طور غیر رسمی بر اساس نوع محفظه محصول طبقهبندی کرد:
1- خشککنهای منیفولد که محصول معمولاً پیشمنجمد و در فلاسکها است .
2- خشککنهای قفسهای که محصول در سینی یا مستقیماً روی قفسه قرار میگیرد.
فریزدرایرها همچنین میتوانند بر اساس اندازه و استفاده گروه بندی شوند:
1- واحدهای رومیزی آزمایشگاهی برای تحقیق و توسعه
2- واحدهای پایلوت برای توسعه فرآیند و مطالعات مقیاسبندی
3- واحدهای بزرگتر در اندازه تولید.
لازم به ذکر است که علاوه بر کارهای مقیاسبندی فرآیند، فریز درایرهای پایلوت اغلب برای تحقیق و توسعه محصول و همچنین کاربردهای تولید با حجم کم نیز استفاده میشوند.
انتخاب یک فریز درایر به ویژگیهای محصول و همچنین بسیاری از متغیرهای مبتنی بر کاربرد از جمله ظرفی که محصول در آن خشک میشود، مساحت قفسه یا تعداد پورتهای مورد نیاز برای جای دادن مقدار مورد نیاز برای خشک شدن در هر بچ، حجم کل یخ بستگی دارد.
برای متراکم شدن و اینکه آیا حلالهای آلی وجود دارد یا خیر. نوع و شکل محصولی که خشک میشود و کاربرد نهایی آن نیز باید در نظر گرفته شود.
خواص فیزیکی مواد و فرمولاسیون
درک خواص فیزیکی موادی که فریز درایر میشوند، بخش کلیدی در توسعه یک فرآیند لیوفیلیزاسیون موفق است. اگرچه تعداد کمی از محصولات مواد کریستالی ساده هستند، اما اکثریت قریب به اتفاق محصولاتی که لیوفیلیزه میشوند آمورف هستند و هنگام انجماد حالت شیشهای تشکیل میدهند.
توسعه فرآیند و فرمولاسیون مراحل مهمی هستند که اغلب برای آمادهسازی یک محصول برای فریز درایریینگ و قابل استفاده برای کاربرد خاص آن انجام میشوند. انتخاب مواد کمکی افزوده شده به یک فرمولاسیون میتواند به شدت بر ویژگیهای حرارتی محصول و توانایی آن برای فریز درایریینگ در مدت زمان معقول تأثیر بگذارد.
دستور العمل لیوفیلیزاسیون
لیوفیلیزاسیون در یک فریز درایر قفسهای نیاز به طراحی یک فرآیند کاری یا چرخه دارد که گاهی اوقات به عنوان “دستورالعمل” شناخته میشود. معمولاً مراحل متعددی برای انجماد و خشک کردن محصول درگیر هستند. تنظیمات دما، فشار و زمان فردی برای هر مرحله باید تعیین شود.
هر محصول یا فرمولاسیون خاص که لیوفیلیزه میشود نیاز به توسعه یک فرآیند فریز درایرینگ دارد که بر اساس ویژگیهای منحصر به فرد محصول، مقدار محصول و ظرف استفاده شده است. هیچ دستورالعمل “ایمن” جهانی وجود ندارد که برای همه محصولات کار کند.
انجماد کامل نمونه قبل از ایجاد خلاء و شروع فرآیند خشککردن بسیار مهم است. محصول منجمد نشده ممکن است هنگام قرار گرفتن در معرض خلاء، خارج از ظرف منبسط شود.
فریزینگ
در فریز درایرهای منیفولد ساده، محصول بسته به مقدار در یک ویال یا فلاسک قرار میگیرد و سپس در یک دستگاه جداگانه منجمد میشود. گزینهها شامل فریزرهای آزمایشگاهی استاندارد، حمامهای شل و غوطهوری مستقیم در نیتروژن مایع هستند.
فریز درایرهای قفسهای دارای قابلیت سرمایش هستند که در قفسه محصول ساخته شده است و به انجماد محصول در داخل فریز درایر اجازه میدهد. محصول یا از قبل در ویالها بارگذاری میشود که سپس به قفسه منتقل میشوند، یا به صورت فله مستقیماً روی یک سینی محصول بارگذاری میشود.
فریز درایرهای قفسهای کنترل دقیق سرعتهای سرمایش را امکانپذیر میکنند که بر سرعتهای انجماد محصول و اندازه کریستالها تأثیر میگذارد. کریستالهای یخ بزرگتر سرعت فرآیند فریز درایرینگ را بهبود میبخشند زیرا مسیرهای بخار بزرگتری در قسمت خشک شده محصول باقی میمانند زیرا کریستالهای یخ تصعید میشوند.
سرعتهای سرمایش آهستهتر قفسه لزوماً منجر به کریستالهای یخ بزرگتر نمیشوند زیرا اثرات فوق سرمایش وجود دارد. هنگامی که مایع فوق سرد شده در نهایت منجمد میشود، این اتفاق بسیار سریع رخ میدهد و منجر به کریستالهای یخ کوچکتر میشود.
در محیط اتاق تمیز با ذرات بسیار کمی برای هستهزایی یخ، مقدار بسیار بیشتری از فوق سرمایش وجود دارد.
فناوریهای جدیدتر مانند هستهزایی ControLyo® برای کنترل رشد کریستالهای یخ برای به حداقل رساندن اثرات فوق سرمایش و ارائه اندازههای کریستال بزرگتر در دسترس هستند.
دمای یوتکتیک / فروپاشی
تعیین دمای بحرانی فروپاشی یک محصول یک مرحله مهم در ایجاد و بهینه سازی فرآیند فریز درایرینگ است. این دمای بحرانی حداکثر دمایی را تعیین میکند که محصول میتواند در حین خشک کردن اولیه بدون ذوب شدن یا فروپاشی تحمل کند.
تجزیه و تحلیل حرارتی (کالریسنجی تفاضلی و میکروسکوپ فریز درایر) و تجزیه و تحلیل مقاومت دی الکتریک روشهای رایجی هستند که برای تعیین این دمای بحرانی محصول استفاده میشوند.
محصولات منجمد را میتوان بر اساس ساختار به صورت کریستالی یا شیشه آمورف طبقهبندی کرد. محصولات کریستالی دارای نقطه انجماد/ذوب “یوتکتیک” مشخصی هستند که دمای فروپاشی آن است.
محصولات آمورف دارای دمای “انتقال شیشه” متناظر هستند و خشک کردن انجمادی آنها بسیار دشوارتر است. دمای فروپاشی محصولات آمورف معمولاً چند درجه گرمتر از دمای انتقال شیشه آنها است.
اگرچه اکثر موادی که فریز درایر میشوند در واقع آمورف هستند، اما اصطلاح “یوتکتیک” اغلب (به اشتباه) برای توصیف نقطه انجماد/ذوب هر محصولی استفاده میشود.
راهنمای بازرسی لیوفیلیزاسیون داروهای تزریقی FDA ایالات متحده بیان میکند که تولیدکننده باید نقطه یوتکتیک (دمای بحرانی فروپاشی) محصول را بداند. مشخص کردن دمای فروپاشی برای همه فرمولاسیونهای جدید داروهای تزریقی یا خوراکی که قرار است فریزدرایر شوند، یک روش خوب است.
بدون دانستن دمای بحرانی محصول، یک رویکرد آزمون و خطا برای تعیین دمای مناسب خشک کردن اولیه مورد نیاز است. در ابتدا میتوان از یک چرخه محافظهکارانه آهسته با دماها و فشارهای پایین استفاده کرد. سپس میتوان دما و فشار را در چرخههای بعدی افزایش داد تا زمانی که شواهدی از فروپاشی یا ذوب مجدد مشاهده شود – نشان میدهد که محصول بیش از حد گرم بوده است.
آنیلینگ
برخی از محصولات آمورف (مانند مانیتول یا گلیسین) هنگام اولین انجماد یک شیشه متاستبیل با تبلور ناقص تشکیل میدهند. این محصولات میتوانند از یک فرآیند تیمار حرارتی که به آن عملیات حرارتی نیز میگویند بهرهمند شوند.
در طول عملیات حرارتی، دمای محصول چرخه میشود (به عنوان مثال: از منفی 40 درجه سانتیگراد به منفی 20 درجه سانتیگراد برای چند ساعت و سپس به منفی 40 درجه سانتیگراد) برای به دست آوردن تبلور کاملتر. عملیات حرارتی مزیت اضافی رشد کریستالهای بزرگتر و زمانهای خشک شدن کوتاهتر را دارد.
حلالهای آلی
استفاده از حلالهای آلی نیاز به توجه بیشتری در فرآیند فریز درایرینگ دارد. برای انجماد و متراکم شدن حلالها به دماهای پایینتری نیاز است و آنها میتوانند به راحتی از کندانسور عبور کرده و در نهایت باعث آسیب به پمپ خلا شوند.
طراحیهای تبرید فریز درایر برای تأمین دماهای پایینتر قفسه و کندانسور مورد نیاز برای انجماد و سپس متراکم شدن برخی حلالهای آلی در دسترس هستند. ممکن است برای گرفتن/ متراکم کردن برخی حلالها با دمای انجماد بسیار پایین، به کارتریجهای فیلتر ویژه یا تلههای نیتروژن مایع (LN2) نیاز باشد.
هنگام کار با مواد فرار و/ یا بالقوه مضر باید ملاحظات ایمنی انجام شود. بخش عمده حلالهای آلی معمولاً در اوایل فرآیند فریز درایرینگ حذف میشوند.
خشک کردن اولیه
بخش خشک کردن فریز درایرینگ در واقع یک فرآیند دو مرحلهای شامل خشک کردن اولیه و خشک کردن ثانویه است. بخش عمده آب خارج شده از محصول در طول فریز درایرینگ از طریق تصعید تمام کریستالهای یخ آزاد در طول مرحله خشک کردن اولیه انجام میشود. حلالهای آلی نیز در طول خشک کردن اولیه حذف میشوند.
خشک کردن اولیه (تصعید) یک فرآیند کند است که در دمای سردتر، به طور ایمن زیر دمای بحرانی فروپاشی محصول انجام میشود. تصعید برای هدایت فرآیند تغییر فاز از جامد به گاز به انرژی گرمایی نیاز دارد. همه روشهای انتقال حرارت – هدایت، همرفت و تابش، باید هنگام فریز درایرینگ یک محصول در نظر گرفته شوند.
در یک خشککن منیفولد ساده، گرما در درجه اول از طریق همرفت و تابش از محیط اطراف به فلاسک/محصول منتقل میشود. با کنترل کم جریان گرما به محصول، کنترل فرآیند دشوارتر است. هنگام کار با محصولاتی با دمای فروپاشی کم، ممکن است لازم باشد برای کاهش سرعت انتقال حرارت و جلوگیری از فروپاشی، فلاسک را بپیچید یا عایق بندی کنید.
در یک فریز درایر قفسهای، حداکثر کردن تماس سطحی محصول/ظرف/سینی با قفسه برای انتقال حرارت هدایتی خوب مهم است. با این حال، اثرات تابش و همرفت نیز برای یکنواختی محصول و اهداف کنترل فرآیند باید در نظر گرفته شوند.
گرمای تابشی از دیوارههای داخلی محفظه محصول باعث میشود که محصول/ویالهای موجود در محیط قفسه سریعتر از محصول در مرکز قفسه خشک شوند (که در فریز درایرینگ به عنوان “اثر لبه” شناخته میشود).
تابش از طریق درهای آکریلیکی که معمولاً در فریز درایرهای پایلوت و تحقیق و توسعه استفاده میشوند، تأثیر حتی بیشتری دارد و محصولی که در جلوی این خشککنها قرار دارد معمولاً سریعتر از همه خشک میشود. به همین دلیل، فریز درایرهای تولید با درهای فلزی و دریچههای دید کوچک طراحی شدهاند.
یک تکه فویل آلومینیومی میتواند به عنوان سپر در جلوی محصول در داخل یک فریز درایر پایلوت آویزان شود – البته این دید محصول را مسدود میکند و اجازه مشاهده در حین فرآیند را نمیدهد.
از آنجایی که تماس قفسه اغلب ناهموار است، انتقال حرارت همرفتی میتواند به ترویج خشک کردن یکنواخت محصول کمک کند. فشارهای سیستم در محدوده 100 تا 300 میلیتور معمولاً مقدار مناسبی از همرفت را ترویج میدهند.
در فشارهای بسیار پایین سیستم کمتر از 50 میلیتور، مولکولهای گاز کمتری برای تأمین همرفت وجود دارد و خشک شدن نامنظم/آهستهتر محتمل است و حفظ کنترل خلاء میتواند به یک مشکل تبدیل شود. خشک کردن اولیه یک فرآیند از بالا به پایین با یک جبهه تصعید مشخص است که هنگام خشک شدن از محصول عبور میکند.
بالای سطح رابط یخ محصول خشک شده یا “کیک” است؛ در زیر رابط محصولی با کریستالهای یخ وجود دارد که هنوز باید تصعید شوند. در پایان خشک کردن اولیه که تمام کریستالهای یخ آزاد تصعید شدهاند، محصول خشک به نظر میرسد.
با این حال، محتوای رطوبت هنوز میتواند در محدوده 5 الی 10٪ به دلیل وجود مولکولهای آب “جذب شده” متصل به محصول باشد. خشک کردن اولیه فرآیندی از بالا به پایین است که در آن یک جبهه تصعید مشخص از محصول عبور میکند و آن را خشک میکند.
بالای سطح تماس یخ، محصول خشک شده یا “کیک” قرار دارد؛ زیر سطح تماس، محصولی با کریستالهای یخ وجود دارد که هنوز باید تصعید شوند. در پایان خشک کردن اولیه، زمانی که تمام کریستالهای یخ آزاد تصعید شدند، به نظر میرسد محصول خشک شده است.
با این حال، میزان رطوبت هنوز میتواند در محدوده 5الی10 درصد باشد زیرا مولکولهای آب “جذب شده” به محصول متصل هستند.
فشار و دما در طول خشک کردن اولیه
هر محصول منجمد دارای دمای بحرانی منحصر به فردی است. لازم است دمای محصول را به طور ایمن زیر این دمای بحرانی در طول خشک کردن اولیه نگه داشت تا از فروپاشی جلوگیری شود. دمای محصول به فشار بخار در رابط یخ بستگی دارد و به نوبه خود، این فشار بخار به هر دو نرخ انتقال حرارت به محصول (که با تنظیم دمای قفسه کنترل میشود) و نقطه تنظیم سطح خلاء سیستم بستگی دارد.
پس از شناسایی دمای هدف محصول (معمولاً چند درجه ایمنتر از دمای بحرانی)، تنها دو متغیر باقی میماند که باید تعیین/کنترل شوند: دمای قفسه و سطح خلاء سیستم. در طول خشک کردن اولیه، فشار سیستم و دمای قفسه تنظیم و کنترل میشوند تا دمای مناسب محصول حاصل شود.
یک روش توصیهشده این است که ابتدا با استفاده از جدول فشار بخار روی یخ (در زیر)، فشار سیستم را تنظیم کنید. دمای محصول با استفاده از ترموکوپلها نظارت میشود و سپس نقطه تنظیم دمای قفسه به آرامی افزایش مییابد تا زمانی که محصول به دمای هدف خود برسد.
هنگامی که دمای هدف محصول به دست آمد، دمای قفسه برای بقیه خشک کردن اولیه ثابت نگه داشته میشود. برخی از محصولات با مقاومت بالا در برابر جریان بخار در قسمت خشک شده کیک ممکن است نیاز داشته باشند که دمای قفسه در پایان خشک کردن اولیه کاهش یابد تا دمای محصول در هدف خود حفظ شود و از فروپاشی جلوگیری شود.
افزایش خودسرانه و مکرر دمای قفسه در طول خشک کردن اولیه، همانطور که در برخی از چرخههای قدیمی مشاهده میشود، توصیه نمیشود. استفاده از جدول فشار بخار یخ یک روش علمی برای تعیین فشار مناسب برای فریز درایرینگ است.
یک دستورالعمل کلی انتخاب فشار سیستمی است که 20٪ تا 30٪ فشار بخار یخ در دمای هدف محصول باشد. هنگامی که نقطه تنظیم سطح خلاء عمیقتر از فشار بخار یخ در دمای فعلی محصول باشد، تصعید میتواند رخ دهد. به طور معمول، سطوح خلاء برای فریز درایرینگ بین 50mTorr تا 300mTorr با 100mTorr تا 200mTorr رایجترین محدوده است.
با تنظیم پارامترهای دما و فشار، خشک کردن اولیه سپس برای مدت زمانی کافی ادامه مییابد تا تمام کریستالهای یخ تصعید شوند. همانطور که در جدول زیر مشاهده میشود، دما و فشار رابطه مستقیمی دارند، هرچه دمای یخ پایینتر باشد، فشار بخار اشباع روی آن نیز پایینتر است.
از آنجایی که اکثر فریز درایرهای تجاری نمیتوانند به طور مداوم خلاء را بسیار کمتر از 30mTorr کنترل کنند، در دمای بسیار سرد محصول (کمتر از -40 درجه سانتیگراد)، داشتن نقطه تنظیم فشار سیستم که 20٪ تا 30٪ فشار بخار یخ باشد غیرممکن میشود.
فریز درایرینگ در این دماهای محصول سرد بسیار کند رخ میدهد و زمانهای فرآیند ممکن است به 5 تا 7 روز یا بیشتر افزایش یابد. در فریز درایرینگ منیفولد، فرآیند توسط نقطه تنظیم فشار سیستم و دمای محیط در اتاق هدایت میشود. به دلیل عدم کنترل بر نرخ انتقال حرارت به محصول، اکثر خشککنهای منیفولد به صورت محافظهکارانه در فشارهای پایینتر کار میکنند تا به حفظ دمای محصول پایینتر کمک کنند.
تعیین پایان خشک کردن اولیه
روشهای تحلیلی متعددی برای تعیین تکمیل خشک کردن اولیه در دسترس است. اساسیترین روش نظارت بر دمای محصول با یک پروب ترموکوپل است. دمای محصول اندازه گیری شده در طول خشک کردن اولیه فعال سردتر از نقطه تنظیم دمای قفسه خواهد بود زیرا گرمای حاصل از قفسه برای تغییر فاز تصعید استفاده میشود.
هنگامی که تصعید کریستالهای یخ کامل شود، دمای محصول افزایش مییابد و به دمای قفسه نزدیک میشود. هنگامی که دمای محصول برابر با دمای قفسه باشد، میتوان نتیجه گرفت که خشک کردن اولیه کامل شده است.
توجه: ویال خاصی که حاوی سیم ترموکوپل است معمولاً سریعتر از سایر ویالهای موجود در قفسه خشک میشود زیرا سیم گرما را بیشتر به آن ویال خاص هدایت میکند. به طور مشابه، در صورت خشک کردن فله، ناحیه اطراف سیم ترموکوپل سریعتر از سایر نواحی در سینی محصول خشک میشود.
مهم است که پس از افزایش دمای ترموکوپل محصول، زمان خشک کردن اضافی متوسطی (30 دقیقه تا 2 ساعت، بسته به ویژگیهای محصول) را برای اطمینان از تصعید کامل تمام یخ در کل دسته محصول در نظر بگیرید.
از آنجایی که محصول از بالا به پایین خشک میشود، نوک ترموکوپل باید همیشه در پایینترین نقطه و مرکز ظرف قرار گیرد. اشکالی ندارد اگر ترموکوپل به ته ظرف برخورد کند. در صورت خشک کردن در ویالها، قرار دادن ترموکوپل در ویالی که در وسط قفسه قرار دارد، روش خوبی است. اثرات گرمایش تابشی باعث میشود ویالها/محصولات موجود در محیط قفسه سریعتر خشک شوند.
ابزارهای تعیین نقطه پایان خشک کردن اولیه اضافی در فریز درایرهای بزرگتر مجهز به سیستمهای کنترل فرآیند پیشرفته در دسترس هستند. یکی از این روشها شامل مقایسه قرائتهای فشار موازی بین یک گیج پیرانی و یک مانومتر خازنی است.
یک مانومتر خازنی همیشه یک قرائت فشار واقعی را در محفظه محصول ارائه میدهد. با این حال، گیج پیرانی در حضور بخار آب قرائت کاذب بالایی را ارائه میدهد. هنگامی که قرائت فشار پیرانی کاهش مییابد و به قرائت فشار واقعی مانومتر خازنی نزدیک میشود، بخار آب کمی یا بدون بخار آب وجود دارد و میتوان نتیجه گرفت که خشک کردن اولیه کامل شده است.
ابزار دیگری با طراحیهای فریز درایر موجود است که دارای کندانسورهای خارجی هستند. یک شیر ایزوله را میتوان به پورت بخار که محفظه محصول را به کندانسور متصل میکند اضافه کرد. این شیر را میتوان برای مدت کوتاهی بست و افزایش فشار بعدی در محفظه محصول را میتوان اندازه گیری کرد.
هنگامی که این افزایش فشار به صفر نزدیک میشود، بخار آب بیشتری از طریق تصعید تولید نمیشود. LyoFlux* TDLAS (طیفسنجی جذب لیزر دیود قابل تنظیم) یک ابزار پیشرفته است که مقدار بخار آب جریان یافته از طریق پورت بخار بین محفظه محصول و کندانسور را اندازهگیری میکند.
خشک کردن ثانویه
علاوه بر یخ آزاد که در طول خشک کردن اولیه تصعید میشود، مقدار قابل توجهی از مولکولهای آب به محصول متصل باقی میماند. این آبی است که در طول خشک کردن ثانویه حذف (دسورب) میشود. از آنجایی که تمام یخ آزاد در خشک کردن اولیه حذف شده است، اکنون میتوان دمای محصول را به میزان قابل توجهی افزایش داد بدون ترس از ذوب شدن یا فروپاشی.
خشک کردن ثانویه در واقع در طول فاز اولیه آغاز میشود، اما در دماهای بالاتر (معمولاً در محدوده 30 درجه سانتیگراد تا 50 درجه سانتیگراد)، دسوربشن بسیار سریعتر پیش میرود. نرخهای خشک کردن ثانویه به دمای محصول بستگی دارد. خلاء سیستم ممکن است در همان سطح استفاده شده در طول خشک کردن اولیه ادامه یابد؛ سطوح خلاء پایینتر زمانهای خشک کردن ثانویه را بهبود نخواهد بخشید.
محصولات آمورف ممکن است نیاز داشته باشند که افزایش دما از خشک کردن اولیه به ثانویه با نرخ شیب آهسته کنترل شود تا از فروپاشی جلوگیری شود.
خشک کردن ثانویه تا زمانی ادامه مییابد که محصول دارای رطوبت قابل قبول برای ذخیرهسازی طولانی مدت باشد.
بسته به کاربرد، محتوای رطوبت در محصولات کاملاً خشک شده معمولاً بین 0.5٪ تا 3٪ است. در بیشتر موارد، هرچه محصول خشکتر باشد، ماندگاری آن طولانیتر خواهد بود. با این حال، برخی از محصولات بیولوژیکی پیچیده ممکن است در واقع برای نتایج بهینه ذخیرهسازی بیش از حد خشک شوند و فرآیند خشک کردن ثانویه باید متناسباً کنترل شود. در طول خشک کردن ثانویه، ممکن است از یک “دزد نمونه” برای برداشتن دوره ای ویالها از فریز درایر برای تعیین میزان رطوبت باقیمانده استفاده شود.
بهینه سازی چرخه
علاوه بر طراحی دستورالعملی که با موفقیت محصولی را خشک میکند، بهینهسازی (کوتاه کردن) طول چرخه نیز بسیار ارزشمند است، بهویژه اگر پتانسیلی برای تکرار فرآیند یا مقیاسبندی برای تولید وجود داشته باشد. فریزدرایرینگ میتواند یک فرآیند چند روزه باشد. زمان چرخه اغلب میتواند با بررسی چندین عامل به میزان قابل توجهی کاهش یابد:
• انجماد و عملیات حرارتی – حداکثر اندازه کریستال و تبلور را برای افزایش سرعت خشک کردن بهینه کنید.
• ضخامت محصول – مولکولهای بخار آب هنگام خروج از قسمت خشک شده محصول با مقاومت مواجه میشوند؛ نمونههای نازکتر مقاومت کمتری در برابر جریان بخار ایجاد میکنند و منجر به خشک شدن سریعتر میشوند.
• دمای بحرانی فروپاشی – این مهمترین اطلاعات برای بهینهسازی چرخه است؛ توانایی اجرای خشک کردن اولیه در دمای محصول بالاتر به میزان قابل توجهی زمان خشک کردن را با ایجاد اختلاف فشار بزرگتر بین فشار بخار روی یخ در محصول و فشار در کندانسور کاهش میدهد؛ هر افزایش 1 درجه سانتیگراد در دمای محصول میتواند زمان خشک کردن اولیه را 13٪ کاهش دهد.
بهینهسازی چرخه با استفاده از اطلاعات دمای یوتکتیک/ فروپاشی نیازمند رویکردی تکراری از اندازهگیریهای زمان واقعی دمای محصول در طول خشک کردن اولیه و سپس انجام تنظیمات مربوطه در تنظیمات دمای قفسه است. این کار را میتوان به صورت دستی با استفاده از ترموکوپلهای محصول یا در صورت خشک کردن در ویالها، با استفاده از یک سیستم خودکار SMART* انجام داد.
ملاحظات مقیاسبندی فرآیند به تولید
فریز درایرهای قفسهای آزمایشگاهی پایلوت اغلب برای توسعه یک چرخه برای استفاده در مقیاسبندی فرآیند به یک واحد تولیدی بزرگتر استفاده میشوند. شباهت در ویژگیهای انتقال حرارت و یکنواختی دمای قفسه برای اطمینان از اینکه یک فرآیند لیوفیلیزاسیون توسعهیافته در آزمایشگاه میتواند با موفقیت به یک فریز درایر تولید منتقل شود، مهم است.
یکی از مهمترین عوامل قابلتوجه تفاوت بین محیط اتاق تمیز معمولی یک فریزدرایر تولید و محیط آزمایشگاهی است که اکثر واحدهای پایلوت در آن کار میکنند. تفاوت در ذرات میتواند به شدت بر انجماد محصول و اندازه کریستالهای یخ تأثیر بگذارد.
فریز درایرهای تولید معمولاً برای کار در محیط اتاق تمیز پیکربندی شدهاند و میتوانند قابلیت تمیز کردن در محل (CIP) و استریل کردن با بخار (SIP) را داشته باشند. ملاحظه دیگر تولید، انطباق فرآیند با مقررات 21 CFR Part 11 FDA ایالات متحده است، در صورت نیاز. این مقررات استانداردهای خاصی از امنیت دادههای الکترونیکی را نیاز دارد.
ذخیرهسازی محصول خشک شده
محصولات لیوفیلیزه شده بسیار رطوبتگیر هستند و باید پس از فریز درایرینگ در ظروف ضد هوا مهر و موم شوند تا از رطوبتزدایی مجدد از قرار گرفتن در معرض جو جلوگیری شود. فریز درایرها را میتوان با قابلیت “بستن درب” برای مهر و موم کردن محصول در حالی که هنوز تحت خلاء جزئی در داخل واحد قرار دارد، پیکربندی کرد.
معمولاً بستن درب روی ویالها با درپوشهای نیمه وارد شده انجام میشود. قفسهها جمع میشوند تا هر قفسه ویالها/درپوشهای قرار گرفته روی قفسه مجاور را به سمت پایین فشار دهد. همچنین معمولاً قبل از مهر و موم/بستن درب محصول، با گاز بی اثر مانند نیتروژن خشک پر میشود.
