Для повышения эффективности лиофильной сушки важно вовремя определить момент завершения первичной и вторичной сушки. Одним из способов определения конечной точки этих двух этапов лиофилизации является измерение давления. Читайте далее и вы узнаете, какие инструменты необходимы для сравнительного измерения давления в данном случае. Кроме того, я покажу экспериментальные данные, которые могут пригодиться вам для подбора подходящих критериев конечной точки сушки при работе с вашими образцами.

В прошедшие выходные мы с группой друзей отправились в поход в горы. Мы прогуляли несколько часов, прежде чем добрались до прекрасной хижины. Уже было время обеда, и мы были полностью вымотаны физической активностью и свежим горным воздухом. Мы расположились и заказали множество яств, чтобы совершить гастрономическую глупость. Я смог остановиться, только когда почувствовал тяжесть и боль в желудке. Пояс моих шорт начал давить на живот, что послужило четким критерием конечной точки насыщения.

Во время послеобеденного отдыха, пока мы готовились к продолжению пути, я вдруг задумался. Если честно, всякий раз, когда я задумываюсь, то, как правило, думаю о лаборатории. Когда мне стало немного легче, я вспомнил, насколько давление может быть полезным для определения конечной точки не только  приема пищи, но и лиофильной сушки.

Я уже рассказывал, как можно определить конечную точку основного этапа лиофильной сушки в моей предыдущей статье о лиофилизации, используя значения температуры. Теперь я хочу предложить вам альтернативный подход, основанный на измерении давления.

По факту, метод измерения путем сравнения давлений представляет собой отличный неинвазивный метод определения конечной точки первичного или вторичного этапов лиофилизации.

Метод подразумевает  использование двух видов датчиков: Пирани и емкостного датчика. Работа датчика Пирани основана на принципе, согласно которому теплопроводность газа изменяется в зависимости от давления. Этот прибор измеряет давление с помощью нагреваемой электрическим током тонкой проволоки, подвешенной в газе. При высоком давлении проволока теряет тепловую энергию, поскольку возрастает скорость и частота столкновений молекул окружающего газа с проволокой. Принцип работы датчика Пирани проиллюстрирован на рисунке ниже.

При понижении давления газа, проводимость окружающей среды тоже падает, так как уменьшается количество молекул газа. Таким образом, работа датчика Пирани также зависит от теплопроводности молекул и состава газа. Датчик будет отображать реальные значения давления только при условии калибровки, которую обычно проводят в чистых азотных или воздушных средах.

В дополнение к датчику Пирани используется емкостный датчик, который позволяет измерять давление независимо от состава газа. Для этого типа датчика разность емкостного сигнала создается физическими изменениями в манометре, а не за счет изменения свойств газа.

Таким образом, измерение давления емкостным датчиком не зависит от состава газа.

Если мы с вами похожи, вам должно быть очень интересно, как именно эти два инструмента работают вместе при определении конечной точки процесса в данном случае.

Итак, в ходе процесса лиофильной сушки газ в сушильной камере почти полностью состоит из водяного пара, поскольку происходит сублимация льда. По мере высушивания образца состав газа изменяется. Водяной пар вытесняется азотом или воздухом до тех пор, пока в конце процесса сушки газ в камере не будет содержать только чистый азот или воздух.

Поскольку теплопроводность водяного пара выше теплопроводности азота приблизительно в 1,6 раза, датчик Пирани имеет погрешность измерения примерно 60% по сравнению с чистой водной средой. Таким образом, датчик Пирани может показать то же значение давления, что и емкостный датчик только после того, как образец высохнет, а в состав газа в камере будет входить в основном азот или воздух. Следовательно, когда процесс лиофилизации достигнет конечной точки, эти два прибора будут показывать одинаковые значения давления. Графическое изображение этого процесса представлено на рисунке ниже.

Важно отметить, что разница значений, полученных с помощью этих двух приборов, никогда не достигает нуля. Это происходит из-за колебаний давления.

Поэтому критерий достижения конечной точки следует задавать таким образом, чтобы это значение было выше, чем разница, вызванная колебаниями давления, но при этом оставалось достаточно низким, чтобы гарантировать, что различия в показаниях двух датчиков остаются минимальными в течение заданного периода времени, прежде чем произойдет автоматическое переключение на следующий этап лиофилизации.

Звучит достаточно просто. Однако как же на самом деле установить верный критерий для определения конечной точки?

Чтобы подобрать подходящее значение разницы давлений, я рекомендую выполнить несколько тестовых циклов с помощью специального метода. Ниже я приведу пример.

В одном исследовании в качестве тестируемого препарата я использовал раствор глицина (5% мас. / об. в деионизированной воде). Раствор был заморожен в течение 24 часов при -40 °С и затем высушен при давлении 0,300 мбар с помощью лиофильной сушилки.

Следует отметить, что перед каждым циклом лиофильной сушки необходимо проводить вакуумный тест для калибровки датчика Пирани. Калибровка датчика является обязательным этапом и имеет большое значение для получения правильных показаний значений давления до и после этапа сушки.

Чтобы найти подходящий критерий для определения конечной точки сушки, я провел несколько тестовых циклов. В каждом случае я устанавливал различные значения разности показаний двух датчиков в качестве критерия, определяющего завершение процесса.

Успешное определение конечной точки процесса было достигнуто, когда температура образца сравнялась с температурой полки, а показания двух датчиков сошлись.

Полученные результаты представлены на рисунке ниже в виде трех графиков. На верхнем графике приведены результаты эксперимента, в котором установленная разница давлений составляла 0,05 мбар, на среднем графике – 0,03 мбар и на нижнем графике – 0,025 мбар. Время, в течение которого разница давлений не должна была превышать установленное значение, составляло не менее 60 минут. По истечении заданного времени критерий определения конечной точки сушки считался достигнутым. В графическом виде температура полки представлена желтой линией, температура образца – красной, давление в камере – зеленой, показания датчика Пирани – синей линией (для основного этапа высушивания линия подсвечена белым, для вторичной сушки – серым цветом). Момент времени, в который было достигнуто заданное значение разности давлений, отмечен черной линией. Температурный критерий определения конечной точки процесса выделен черной пунктирной линией. Кроме того, на графиках отображаются соответствующие значения разницы температур и разницы давлений в этой точке.

При рассмотрении графических изображений видно, что только в случае, когда установленная разница давлений составляла 0,025 мбар, момент достижения этого критерия совпадал с моментом достижения температурного фактора, определяющего завершение процесса.

Таким образом, достижение разницы давлений в 0,025 мбар или менее, с выдержкой на протяжении более чем 60 минут, может считаться подходящим критерием определения конечной точки сушки, которое проводится при заданном давлении 0,30 мбар.

Эти выводы прекрасно подходят для работы со свежим раствором глицина, но как насчет более сложных образцов, для которых необходимо проводить вторичную сушку?

Итак, я решил провести лиофильную сушку аппетитной клубники. Клубника была заморожена в течение более 24 часов при -40 °С, высушивание проводилось при давлении 0,300 мбар и при температуре полки 25 °С в ходе основного этапа и 40 °С во время вторичной сушки. Разница показаний давления двух датчиков в 0,025 мбар была установлена в качестве критерия конечной точки процесса. Для сравнения температуры образца с температурой полки в самую большую ягоду была установлена термопара.

На приведенном ниже рисунке верхний график демонстрирует полный цикл лиофильной сушки. На нижнем графике отдельно показана вторичной сушка. В графическом виде температура полки представлена желтой линией, температура образца – красной, давление в камере – зеленой, показания датчика Пирани – синей линией (линия первичного этапа сушки обозначена белым, для вторичной сушки – серым цветом). Также указаны значения разницы температур и разницы давлений в конечной точке процесса.

На верхнем графике рисунка, представленного ниже, видно, что конечная точка сушки была достигнута через 37 часов. В этот момент температурные кривые, так же, как и кривые давления слились одновременно в общие линии, и началась вторичная сушка.

Во время вторичной сушки клубники датчик Пирани показал четкий пик, как только температура полки была увеличена (нижний график), в этот момент началось испарение. Этот момент обычно остается незаметным, когда для определения конечной точки сушки используют только температурный критерий. Этот факт демонстрирует еще одно явное преимущество измерения методом сравнения давлений.

Результаты этого эксперимента показывают, что измерение методом сравнения давлений также подходит для определения конечной точки сушки при работе со сложными образцами, такими как клубника.

В своих напутствиях хотел бы добавить, что подходящий критерий конечной точки процесса сильно зависит от давления в камере во время цикла лиофильной сушки. Это связано с тем, что разница давлений во время сушки не является абсолютной и всегда будет составлять 60% от давления в камере.

Следовательно, критерий конечной точки процесса необходимо подбирать для каждого значения давления, при котором осуществляется лиофильная сушка.

Критерий конечной точки вторичной сушки тоже следует адаптировать. В этом случае максимальная разница давлений обычно не достигает 60% от давления в камере, поскольку в образце остается лишь небольшое количество воды. По сравнению с этапом первичной сушки было бы целесообразно в качестве критерия конечной точки вторичной сушки установить меньшую разницу давлений, которую необходимо выдерживать в течение более длительного периода времени. Критерий конечной точки вторичной сушки также следует определять, в первую очередь, с помощью тестовых циклов.

А теперь извините, я отправляюсь обедать. На этот раз я постараюсь минимизировать давление пояса брюк на мой живот. Надеюсь, ваш научный аппетит снова приведет вас к этому блогу, чтобы вы могли утолить свой голод.

До новых встреч,