Процесс лиофильной сушки печально известен тем, что он занимает довольно много времени. Вместо того, чтобы отказаться от лиофилизации из-за больших затрат времени, я предлагаю вам несколько идей на тему того, как этот процесс можно ускорить. На этот раз я бы хотел более детально рассмотреть основной, наиболее продолжительный, этап лиофилизации. Данный пост описывает эффективный подход к определению конечной точки процесса, позволяющий сократить время, необходимое для основной интенсивной стадии сушки.

Пару недель назад мы с супругой пригласили друзей пообедать с нами в выходной день. У нас есть один из этих роботов-пылесосов, и мы решили, что будет неплохо, если машина приберется в доме, пока мы ходим по магазинам. Но когда мы вернулись, то обнаружили, что робот отключился в кухне, он полностью разрядил свою батарею, многократно очищая один и тот же участок.

Я не был особо удивлен. Робота надо было перезарядить, поэтому он не мог продолжать работу. Таким образом, другой робот, то есть я, должен был по-быстрому закончить уборку с помощью нашего обычного пылесоса. Я не мог не размышлять на тему того, насколько экономична и эффективна по времени была бы работа робота, если бы он мог отключаться сразу после того, как пропылесосил определенную территорию, даже если он не может добраться до своей зарядной станции.

Автоматическое определение конечной точки может значительно улучшить работу не только вашего робота-помощника по дому, но также и вашей сушильной камеры в лаборатории.

Я уже обсуждал способы ускорения лиофилизации, начиная заморозкой образца тонким слоем на стенках колбы и заканчивая подогреваемыми полками  и градиентом давления. Теперь я хотел бы сосредоточиться исключительно на определенном этапе лиофильной сушки.

Подумайте сами, первичная сушка – безусловно, самый длинный этап процесса лиофилизации. Было бы отлично найти способ сократить время, требуемое для выполнения этого этапа, но при условии, что процесс не будет завершен слишком рано.

Если мой робот-пылесос завершит уборку до того, как он очистит весь пол, все равно останутся пятна грязи, что приведет к низкому качеству работы. Точно так же, если мы перейдем к вторичной сушке до того, как весь лед будет удален из продукта, мы, вероятно, в итоге получим продукт с дефектами, такими как, разрушение или эвтектическое таяние.

Время, необходимое для чистки полов, может варьироваться, поскольку на этот параметр оказывает влияние не только площадь убираемой территории, но и количество мебели и прочих предметов, находящихся вокруг, а также степень загрязнения. Аналогичным образом варьируется и время, необходимое для первичного этапа лиофильной сушки. На продолжительность этого этапа влияют сразу несколько параметров, такие как, концентрация и объем образца, а также емкость для образца.

Так же как автоматическая остановка процесса уборки сэкономит заряд батареи, электричество и предотвратит потерю времени, так и автоматизированный процесс определения конечной точки основной стадии сушки во время каждого цикла сэкономит время и ресурсы.

К счастью, существует несколько аналитических методов, позволяющих определить, что основной этап высушивания завершен.

Наиболее распространенный и часто используемый метод автоматического определения конечной точки включает в себя измерение температуры продукта с помощью термопары.

Произведя измерение, мы сравниваем температуру продукта с заданной температурой полки, на которой находится продукт. Температура продукта ниже температуры полки во время сублимации, поскольку тепло, полученное от полки, необходимо для изменения фазы. После того как сублимация льда завершится, температура продукта повышается до температуры полки. Поэтому, если температура продукта равна температуре полки с погрешностью в 1 °C, основной этап высушивания считается завершенным.

Важно отметить, что скорость высушивания образца в виале, содержащей термопару, будет несколько отличаться от скорости высушивания образцов в других емкостях. Это связано с тем, что провод проводит дополнительное тепло, и образец, контактирующий с датчиком, обычно высушивается быстрее, чем остальные образцы. При высушивании в колбе область вокруг термопары также будет сохнуть быстрее, чем остальная часть образца. Поэтому мы должны продолжать лиофильную сушку еще некоторое время после того, как температура термопары будет соответствовать заданной температуре полки. Дополнительное время сушки обеспечит полное удаление льда во всей партии продукта.

Обычно дополнительное время составляет от нескольких минут до нескольких часов и зависит от характеристик образца.

Термопары всегда следует размещать в центре основания емкости с образцом (см. рисунок ниже). Это важно, поскольку продукт высыхает сверху вниз. Если вы используете виалы в процессе сушки, то виалу с термопарой лучше разместить в середине полки. Это позволяет избежать эффекта крайней виалы, из-за которого продукт в виале высушивается быстрее, чем остальная партия.

Что может произойти, если вы продолжите проведение лиофилизации без определения конечной точки? Давайте рассмотрим несколько сравнительных экспериментов.

Мы провели два эксперимента по высушиванию раствора трегалозы концентрацией 10% по массе, один из которых включал в себя определение конечной точки основного этапа, а другой нет. В программном обеспечении лиофильной сушилки мы устанавливали метод с продолжительностью первичной сушки 72 часа (см. таблицу ниже). Для эксперимента с определением конечной точки в программном обеспечении было задано условие проверять значение ΔT≤ 1 °C через один час после запуска основного этапа сушки. Этот этап считался завершенным, если разность температур между полкой и образцом составляла 1 °C или менее и оставалась постоянной в течение, по крайней мере, 20 минут. При выполнении данного условия программное обеспечение выполняло автоматическое переключение на вторичную сушку.

Параметры процесса лиофильной сушки с определением конечной точки и без представлены в таблице:

На графике ниже представлены профили температур процессов с определением конечной точки (зеленая линия) и без определения конечной точки (красная линия). Согласно графическому изображению температура образца сравнялась с температурой полки через 20 часов и основной этап был завершен. В эксперименте без определения конечной точки сушилка продолжала работать еще в течение оставшихся 57 часов согласно установленному методу, прежде чем переключиться на вторичную сушку. В другом случае, когда мы запрограммировали определение конечной точки основного этапа, сублимационная сушилка автоматически переключалась на вторичную сушку через 22 часа после того, как температуры образца и полки оставались одинаковыми (ΔT≤ 1 °C) в течение более 20 минут.

Полученные результаты четко демонстрируют, что

определение конечной точки с помощью измерения температуры образца позволяет оптимизировать процесс лиофильной сушки, таким образом, чтобы на его выполнение затрачивалось минимально возможное время, что позволяет повысить производительность, сэкономить время и ресурсы.

Думаю, что инвестиции в лиофильную сушилку с автоматическим определением конечной точки основного этапа с помощью измерения температуры образца и температуры полки с возможностью программирования в методе будут оправданы.

В таких случаях система измеряет значение температур на протяжении всего процесса. Как только разница между температурой полки и температурой образца становится ниже предварительно установленной (обычно около 1 °C), сублимационная сушилка автоматически переключается на следующий этап высушивания. Кроме того, я бы порекомендовал также адаптировать функции программного обеспечения безопасности, которые тоже позволяют сократить время и помогают предотвратить преждевременное переключение между фазами, в случае, если составы образцов немного различаются.

Несмотря на то, что измерение температуры является наиболее распространенным методом определения конечной точки основного этапа сушки, существуют и другие способы. В ближайшее время я планирую обсудить с вами еще один из таких подходов. Я надеюсь, что вы подзарядились после прочтения этого поста и продолжите подпитываться идеями от нашего блога в будущем.

До новых встреч,