Статья: Лиофильные сушилки: принцип работы, применение в фармацевтике и промышленности. Как выбрать оборудование?

Лиофильные сушилки: принцип работы, применение в фармацевтике и промышленности. Как выбрать оборудование?

Вакуум-сублимационная или Лиофильная сушка — это процесс сушки материалов в замороженном состоянии под вакуумом, является высокотехнологичным методом обезвоживания термолабильных материалов как химического, так и биологического происхождения.

Этот метод широко применяется в фармацевтической, косметической, химической и пищевой промышленности благодаря чему продукты, подвергаемые лиофилизации (лиофилизаты), могут сохранять свою физическую и биологическую целостность, а срок их хранения многократно увеличивается.

История лиофилизации: от первых экспериментов до современных технологий

Лиофилизация, или сублимационная сушка, имеет богатую историю, которая началась с первых экспериментов в XVIII веке. Французский химик Жан-Антуан Шапталь изучал процесс испарения льда при низких температурах и давлении, что стало основой для дальнейшего развития технологии.

Процесс лиофилизации основан на переходе воды, как самого распространенного растворителя, из кристаллического состояния в газообразное, минуя жидкую фазу, что возможно при определённых физических условиях, обусловленных свойствами воды.

Этот процесс был разработан в 1906 г. во Франции Жаком Арсье д'Арссовалем и Фредериком Бордасом, а уже в 1920-х гг. русский горный инженер Г. И. Лаппа-Старженецкий изобрел печь для вакуумной сушки предварительно замороженных материалов, ставшую прототипом для современных аппаратов.

В XX веке лиофилизация получила мощный импульс для развития благодаря военным нуждам. Актуальной задачей во время Второй мировой войны была доставка сыворотки крови для помощи раненым солдатам из США в Европу, так как из-за отсутствия необходимого охлаждения во время транспортировки большая часть сыворотки портилась еще до того, как попадала в госпитали. Для решения этой задачи наиболее всего подходил процесс сублимационной сушки, который позволил сделать сыворотку химически стабильной и жизнеспособной без необходимости ее охлаждения.

С этого времени лиофилизацию используют в качестве метода консервации или обработки для широкого спектра веществ. Сублимация, как способ сохранения продуктов питания, используется при производстве мяса, рыбы, овощей, молочных продуктов.

Лиофилизация в фармацевтической отрасли является ключевой технологией в производстве вакцин и сывороток, антибиотиков, препаратов крови, наборов для диагностики заболеваний и других продуктов, требующих длительного хранения без потери качества.

При правильном осуществлении процесса полученная продукция перед употреблением может восстановлена при помощи быстрой регидратации.

На фотографии показаны сублимированные овощи и фрукты

Как происходит сублимация? Принцип работы лиофильной сушки

Лиофильная сушка — это высокотехнологичный процесс, который требует точного контроля температуры, давления и времени. Он состоит из четырех основных этапов: предварительная обработка, замораживание, первичная сушка (сублимация), вторичная сушка (десорбция). Каждый этап имеет свои особенности, которые важно учитывать для достижения оптимальных результатов.

Рис. 1. Процесс сублимационной сушки

1. Предварительная обработка

Цель: Подготовка продукта к замораживанию, минимизирование повреждения клеточных структур, обеспечение равномерности процесса сушки.

Ключевые моменты:

• Очистка и концентрирование: Для некоторых материалов, таких как водные растворы белков или вакцин, может потребоваться предварительная очистка и концентрирование. Концентрирование приводит к уменьшению объема воды, который необходимо удалить, и ускоряет процесс сушки.
• Добавление вспомогательных веществ: Для сохранения биологической активности, защиты от повреждения и уменьшения нежелательных эффектов в продукт добавляют наполнители, сурфаканты, буферы, стабилизаторы лиопротекторы и криопротекторы, такие как сахароза, трегалоза, желатин, глицин, маннитол, хлориды калия и натрия и др.
• Формирование структуры: Для пищевых продуктов, таких как фрукты или мясо, важно сохранить текстуру. Для этого применяют метод быстрого замораживания (IQF — Individual Quick Freezing), который предотвращает образование крупных кристаллов льда.

2. Замораживание

Цель: Перевод влаги из жидкой в твёрдую фазу.

Ключевые моменты:

• Температура замораживания: Материал охлаждается обычно до -40°C...-60°C).
• Скорость замораживания: На стадии замораживания определяются размер кристаллов льда, их расположение, гомогенность. Это важнейшая стадия, которая определяет скорость всех последующих процессов. Для некоторых продуктов, таких как вакцины или белки, важно контролировать размер кристаллов льда, чтобы минимизировать повреждение молекул.

3. Первичная сушка

Цель: Удаление льда под вакуумом (сублимация).

Ключевые моменты:

• Снижение давления: Давление в камере снижается до нескольких миллибар (обычно 0,1–0,5 мбар). Это позволяет льду сублимироваться при низких температурах.
• Контроль температуры: Температура продукта должна оставаться ниже его эвтектической точки.
• "Отжиг" или термоциклирование, составляет процесс, в котором происходит постепенное нагревание и подплавление образовавшихся кристаллов льда и затем по достижении определенной температуры повторная заморозка лиофилизата, при которой кристаллы льда замораживаются вокруг оставшихся замороженными центров кристаллизации. Источником тепла могут быть нагревательные пластины или инфракрасное излучение.
• Конденсация: Водяной пар, образующийся при сублимации, конденсируется на холодных поверхностях конденсатора, что предотвращает попадание влаги в вакуумный насос.

4. Вторичная сушка

Цель: Удаление остаточной влаги.

Ключевые моменты:

• Повышение температуры: Температура продукта постепенно повышается для удаления связанной воды.
• Снижение давления: Давление в камере снижается для ускорения процесса.
• Контроль влажности: Остаточная влажность продукта после сушки должна составлять менее 1%. Обеспечивает длительное хранение без потери качества.
• Герметизация: После завершения сушки продукт герметично упаковывается в инертной атмосфере с целью предотвращения контакта продукта с кислородом и влагой воздуха.

Преимущества лиофилизации

• Сохранение биологической активности: Белки, вакцины и микроорганизмы сохраняют свои свойства даже после длительного хранения.
• Удобство транспортировки и хранения: Масса лекарственных средств сокращается на 2-5%, а их объем уменьшается на 10-15%, лиофилизированные продукты не требуют специальных условий хранения.
• Быстрое восстановление: Регидратация в воде или физиологическом растворе позволяет быстро восстановить исходное состояние лиофилизата.

Применение лиофилизации

Фармацевтика и биотехнология

Производство вакцин, белковых препаратов, диагностических наборов.

В связи с тем, что в процессе лиофилизации происходит удаление растворителя из замороженного состояния, не происходит термической деструкции молекул пептидной природы, в то же время полученная готовая лекарственная форма обладает устойчивостью к гидролизу и может храниться более длительное время, чем традиционные жидкие ЛФ. Также лиофилизированные вакцины могут храниться при температуре +2...+8°C, что упрощает требования к хранению и перевозке.

Рис. 2. Производство и применение лиофилизированных лекарственных препаратов

Сохранение микроорганизмов для исследований и производства.

Лиофилизация микроорганизмов используется для сохранения бактерий и вирусов для исследований и производства биопрепаратов. Лиофилизированные микроорганизмы сохраняют жизнеспособность в течение нескольких лет.

Пищевая промышленность

• Производство сублимированных продуктов (кофе, фрукты, мясо).
• Сохранение питательных свойств и вкуса продуктов.

Интересный факт: Лиофилизация в отличие от других типов сушки позволяет сохранить до 95% биологически активных веществ (витаминов, ферментов и др.) в продуктах, что делает её идеальной для производства детского питания и продуктов для спортсменов.

Косметическая промышленность

• Сушка активных ингредиентов для кремов, сывороток и других косметических продуктов.
• Сохранение стабильности и эффективности косметических формул.

Интересный факт: Лиофилизированные активные ингредиенты, такие как гиалуроновая кислота и пептиды, широко используются в антивозрастной косметике благодаря их способности сохранять эффективность при длительном хранении.

Химическая промышленность

Очистка и выделение продуктов химического синтеза из растворов, где неприменимы такие традиционные методы выделения, как перегонка, кристаллизация, экстракция и хроматография.

Оборудование для лиофилизации: как выбрать?

Лиофильные сушилки — это дорогостоящее высокотехнологичное оборудование, которое требует тщательного выбора в зависимости от задач вашего производства.

Компания ИСТ-ПАК предлагает широкий ассортимент оборудования для производства твердых лекарственных форм, в том числе лиофильных сушилок. Мы поставляем:

• Лабораторные сушилки — для лабораторий и центров разработки.
• Пилотные установки — для отработки и трансфера технологии.
• Промышленные сушилки — для крупных производств с высокой производительностью.

Рис. 3. Пилотная лиофилизационная установка

Рис. 4 Промышленная лиофилизационная установка

Для фармацевтической промышленности мы рекомендуем модели с функцией CIP/SIP (очистка и стерилизация на месте), что особенно важно для соблюдения стандартов GMP. Модели для пищевой и косметической промышленности могут быть адаптированы под специфические требования.

Изображение на обложке статьи: aleksandarlittlewolf / Freepik

ИСТ-ПАК — поставщик лиофильных сушилок и оборудования для сублимационной сушки

Мы помогаем подобрать оборудование для лиофилизации под любые задачи — от лабораторных сушилок для R&D до промышленных установок для крупносерийного производства. Наши специалисты проконсультируют по выбору оптимальной модели с учетом требований к производительности, загрузке и стандартам GMP.

Если вам требуется консультация по подбору лиофильной сушилки, направьте запрос на sales@eapack.ru или оставьте заявку на сайте www.eapack.ru. Подготовим предложение с учетом ваших технических требований и производственных задач.

Подписывайтесь на наш канал «Инженерная фармацевтика» в Telegram — публикуем эксклюзивные интервью с экспертами и лидерами фармотрасли, делимся новостями и анонсами отраслевых мероприятий: 👉 https://t.me/club_pharm_engineering