LYOFILIZACE APLIKACE

11.12.2014

LYOFILIZACE

LYOFILIZACE difúzní operace využívaná na sušení vlhkých materiálů fungující na principu vakuového sublimačního sušení  probíhá při teplotě a tlaku pod trojným bodem vody (rozpouštědel)  přenos hmoty a tepla na rozhraní (s)–(g)  v pórovité struktuře pevné fáze dochází ke sdílení hmoty a tepla  umožňuje dlouhodobé uchovávání biotechnologicky připravených produktů nebo materiálů biologického původu (hormonů, krevních derivátů) 

APLIKACE organická technologie (výroba maleinanhydridu, ftalanhydridu, antrachinonu, ftalonitrilu)  chemické speciality (rafinace chinizarinu, jodu, kyseliny salicylové)  technologie materiálů pro elektroniku (epitaxní příprava tenkých vrstev pro integrované obvody) 

1

11.12.2014

VYUŽITÍ 

Sušení tepelně labilních látek (farmacie, medicína, potravinářský průmysl...)

4

VYUŽITÍ Farmacie a medicína  odvodnění krevní plasmy, bakteriálních a virových kultur, vakcín, antibiotik, hormonů, aminokyselin, peptidů, vitaminů, histologických preparátů,vzorků tělních tekutin  umožnění dlouhodobého uchování materiálu biologického původu  výroba medikamentů Potravinářský průmysl  sušení masa a ovoce  výroba rozpustné kávy Restaurátorství  záchrana knih a dokumentů (po povodních, …) Květinářství  sušení květů

(NE)VÝHODY LYOFILIZACE za ↓ T a p jsou potlačeny chem. změny složek sušeného materiálu včetně oxidace  při procesu jsou výrazně sníženy ztráty těkavých složek ze sušeného materiálu  při sušení lze zachovat sterilitu produktu  vysušený mat. je disperzní, nedochází ke koagulaci složek a je vyloučena aglomerace jednotlivých částí mat. 

 

nejdražší způsob odvodňování Potřeba specializovaného zařízení

2

11.12.2014

PRINCIP SUBLIMAČNÍHO SUŠENÍ 

sublimační sušení = difúzní operace, probíhá v oblasti nízkých tlaků a teplot průběh ovlivňován přenosem hmoty a tepla na fázovém rozhraní s-g  u lyofilizace: navíc sdílení hmoty a tepla v porézní, dynamicky se měnící struktuře tuhé fáze 

FÁZOVÝ DIAGRAM VODY



zelená: normální sušení červená: nadkritické sušení modrá: lyofilizace

PRINCIP LYOFILIZACE 

proces odvodňování preparátů v zamrznutém stavu, kdy led uvnitř kapilár a pórů materiálu sublimuje do g-fáze při T a p nižším, než jsou podmínky odpovídající trojnému bodu vody T0= 0,01ºC ; p0= 611,73 Pa

P

TAVENÍ TUHNUTÍ S

VYPAŘOVÁN Í



KONDENSACE



L

SUBLIMACE G DESUBLIMACE

T

kritický bod TK = 373,95°C pK = 22,06 MPa

3

11.12.2014

DRUHY VLHKOSTI 







chemicky vázaná voda (včetně krystalové) adsorbovaná voda na povrchu porézního materiálu voda vázaná kapilárními silami v pórech materiálu osmoticky vázaná voda (voda v ๏ spolu s dalšími složkami např. v buňkách)

LYOFILIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ 

schéma

PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ

12

4

11.12.2014

LYOFILIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ 

lyofilizátory:

LYOFILIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ 

laboratorní:

LYOFILIZACE OVOCE

5

11.12.2014

LYOFILIZACE KVĚTIN

klasicky usušený květ

lyofilizovaný květ

POSTUP PŘI LYOFILIZACI  





1. pomalé zmrazení vlhký materiál se zmrazí pod eutektický bod- teplota, při které může existovat jen v pevném skupenství; to zajistí, aby nedocházelo k tání při tuhnutí vody může dojít k mikroskopickému poškození materiálu- je nutné tuto fázi provádět velmi opatrně obvykle se materiál zmrazí na teplotu mezi -50°C, -80°C až -100°C Teplota (ºC)

Proces

-1 až -1,5

Ochlazování materiálu

-1 až -3

Zmrznutí strukturně volné vody

-2 až -20

Zamrznutí imobiliz. nebo volné vody

-20

Eutektická hranice pro ๏ solí v buňkách resp. v tkáních

-20 až -65

Vymrzání vázané vlhkosti

-65 a níže

Sublimační sušení

POSTUP LYOFILIZACE 1. sušení  tlak vzduchu v mrazícím zařízení je snížen na několik stovek Pa  poté je dodáno tolik tepla (především vedením a zářením), aby voda mohla začít sublimovat  z materiálu je takto odstraněno asi 95% vody  sublimace se nesmí uspěchat, aby nedošlo k narušení sušeného materiálu  sušení trvá několik hodin až dní  vzniklá vodní pára desublimuje na chladičích nebo je přiváděna na kondenzátor mimo prostor sublimační komory, kde se opět mění v led, který se po skončení cyklu odstraní

6

11.12.2014

POSTUP LYOFILIZACE 2. sušení  přistupuje s k němu v případech, kdy je vhodné dosáhnout ještě suššího stavu  odstraňuje zbytek vody, zejména zbývající nezmrzlé vody na povrchu látek  teplota se zvedne, někdy až nad 0 °C, to naruší vazby mezi vodou a pevným materiálem  tlak se obvykle ještě více sníží  po druhém sušení v materiálu zůstává okolo 1 až 4 % vody

POSTUP PŘI LYOFILIZACI 

přidání tepla potřebného na vypaření vlhkosti (2830 kJ/kg) - teplo může být přidávané dvěma způsoby: a.) vedením z nahřívaného povrchu – kontaktní sušení b.) radiací z infračervených lamp – radiační sušení

KONTAKTNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ  dílčí   

procesy:

přenos tepla a vlhkosti uvnitř sušeného materiálu přenos sublimujících par od zóny sublimace k vnějšímu povrchu materiálu přenos par z vnějšího povrchu materiálu do objemu vakuové komory

7

11.12.2014

KONTAKTNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ  schéma

ohřevu: Tp - teplota vyhřívaného povrchu Ts - teplota sublimace vlhkosti T0 - teplota povrchu sušeného materiálu x - síla vysušené vrstvy L - celková vrstva materiálu pso - tlak na rovném povrchu při teplotě Ts p0 - tlak na povrchu sušeného materiálu

ROVNICE VEDENÍ TEPLA

q 

T p  T0 X

s        



L  X

z

 k h (T p  T s )  Ri

q - tepelný tok, Tp – teplota vyhřívaného povrchu, Ts - teplota sublimace vlhkosti, L - tloušťka materiálu, X – tloušťka vysušené vrstvy, Φs,z –tepelná vodivost suché/zmražené vrstvy, Ri –tepelný odpor kontaktu zmraženého materiálu s vyhřívanou stěnou, kh – koeficient sdílení tepla ve zmraženém materiálu

HMOTNOSTNÍ TOK PAR g a

PS 0  P0 X

      



M 2  RT S

( P  PS 0 ) 

km F

( P0  PC )

a – propustnost par vysušenou vrstvou, PS – tlak na rovném povrchu při teplotě TS, km – koeficient sdílení hmoty mezi sublimátorem a kondenzátorem, PC – tlak v kondenzátoru, F – povrch sušeného mat., M – molekulová hmotnost vody, ε – porozita vysušené vrstvy

8

11.12.2014

KOMBINACE PŘEDCHOZÍCH ROVNIC q  g  H subl T p  T0 X

s



L X

z

  Ri

ΔH – latentní entalpie sublimace ledu

Ps  PC X

a



1

K

F



H

kde

K 

M 2  RT

C

• Závislost časově proměnného tepelným odporem kontaktu Ri mezi povrchem a sušeným materiálem • tepelný tok • úroveň vakua • porozita materiálu • nerovnoměrnost struktury materiálu

VAKUOVÁ KOMORA

TOPNÁ SPIRÁLA

KONTAKTNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ

teplota

rychlost t1

t1

VAKUUM

x

2

3

t2

1

t1 < t < t2

PERIODA

t2 čas

VYHŘÍVANÝ POVRCH

TEPLOT A

RYCHLOST LYOFILIZACE

Průběh sublimačního sušení a vytváření rozhraní mezi vysušenou a zmrazenou zónou v čase Perioda 1 - malá tvorba pórů, hmotnostní tok par g závisí na tlaku, rozhraní vrstev – rovnoběžné Perioda 2 – tvorba porézní struktury, g závisí na teplotě vyhřívaného povrchu Perioda 3 – rozhraní dosahuje vyhřívaného povrchu, dispergace zmražené hmoty ve vysušené, odstraňování hydroskopické vlhkosti

RADIAČNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ  





využívá se IČ záření IČ paprsky procházejí vrstvou páry k povrchu sušeného materiálu, částečně se odrážejí, částečně jsou pohlcovány teplo přechází dovnitř hmoty vedením, vlhkost sublimuje, dochází k tvorbě a postupování vysušené vrstvy čím  q,  úroveň vakua a  T zmražení, tím bude sublimační zóna větší

9

11.12.2014

RADIAČNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ INFRAČERVENÝ ZDROJ ZÁŘENÍ

Schéma radiačního ohřevu při lyofilizaci

pi ps pG pV

Vysušená vrstva Zmražená vrstva TS Ti pV pG

Sublimační zóna

p i

pS

TOK PAR

sublimační tlak tlak na povrchu materiálu tlak nekondenzujícího plynu tlak nekondenzující vodní páry

Ti sublimační teplota T S teplota na povrchu materiálu

RADIAČNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ 

časový pohyb sublimační zóny 



x = vzdálenost povrchu sublimace od povrchu materiálu, t = čas, b a n = konstanty

x  b t

n

rychlost pohybu sublimační zóny (získaná z předchozí rovnice derivací podle času)  u radiačního přívodu tepla: n = 1

dx

a při konstantní rychlosti sušení je b rychlost pohybu sublimační zóny

 bnt

n 1

dt

RADIAČNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ 

pro termoradiační lyofilizaci je možné rychlost pohybu sublimační zóny definovat: dx dt



T  Ti hs  H



1 x

s 

       



1

g / s  a

celkovou dobu sušení získáme integrací předešlé rovnice: 2  h H  L L t s    T = teplota zářiče, T  T i  2 s  g / s  a  Ti = teplota materiálu na rozhraní led/sušina, hs = hustota ledu, ΔH = sublimační teplo,  s/g = tepelná vodivost zmraženého materiálu/plynné fáze, s = vzdálenost mezi zářičem a povrchem produktu, a = koeficient přestupu tepla při sublimaci ve vakuu, L = tloušťka vrstvy materiálu

10

11.12.2014

MECHANISMUS SUBLIMAČNÍHO PERIODA

rovnice křivky sušení ve 2. a 3. periodě má tvar: 



t1

VAKUUM



při konstantní rychlosti sušení a pro n = 1 lze zjednodušit na:

3

x

kde w0 = počáteční obsah vlhkosti, Rv = poměr objemu materiálu ku jeho povrchu

w

1



Rv 

w0



1 w0

n

bt

 1

w0

pro rychlost sušení pak platí rovnice: 

2

1

t1 < t < t2 t2

SUŠENÍ

dw



b n

dt



dw

Rv

 n w 0  w 

n 1

b



dt

Rv

MECHANISMUS SUBLIMAČNÍHO SUŠENÍ 

specifický hmotnostní tok g 





  

Pro úzké póry podmínka: (8/d) > 1

d p 4

g  n

specifický hmotnostní tok g 



podmínka: (8/d) < 1



128 m RT

 d p

dx

3

g  n

16 m RT

dp



dp dx

d = střední průměr kapilár,  = střední dráha molekul, n = počet kapilár na jednotku plochy povrchu materiálu, m = viskozita par

SHRNUTÍ 

Lyofilizace = vakuové sublimační sušení



Průběh - při teplotě a tlaku pod trojným bodem vody



Druhy



kontaktní sublimační sušení radiační sublimační sušení

Využití: farmacie (sušení tepelně labilních látek), potravinářství, medicína a jiné

11