凍干機的樣品為什么要預(yù)凍?首先,了解下凍干機的工作原理,是將含水物質(zhì),先低溫凍結(jié),使水轉(zhuǎn)變?yōu)楸?,然后在較高真空下將冰轉(zhuǎn)變?yōu)槠麘B(tài),升華出來,以去除水份而保存物質(zhì)的方式。
所謂預(yù)凍,就是把含有大量水分的產(chǎn)品凍結(jié)成固體的過程。
預(yù)凍的目的有三個:
其一,固定產(chǎn)品,如果產(chǎn)品沒能凍結(jié)成固體即直接抽真空,在真空制冷作用下,當(dāng)真空抽到一定的時候,溶解在水中的空氣會“沸騰"起泡,產(chǎn)品從容器中逸出,到壓力低于6.11mbar時,產(chǎn)品則凍結(jié)成冰,但沒有固定的形狀,玻璃容器甚至還會破裂,凍干失敗。
其二,形成有利于升華的結(jié)晶,已知凍干產(chǎn)品大都數(shù)是溶液,可能不止一種成分,有些還含有蛋白質(zhì)、生物體等生物活性物質(zhì),在凍結(jié)時有可能會形成玻璃態(tài),產(chǎn)品在干燥一段時間后,會形成上層的干燥層和下層的凍結(jié)層,凍結(jié)層的產(chǎn)品繼續(xù)干燥時,升華的氣流必需通過干燥層,由于玻璃態(tài)幾乎無間隙,升華氣流沒有通道,產(chǎn)品的繼續(xù)干燥將受到影響,干燥失敗。其三,保證所有產(chǎn)品獲得相同的細微結(jié)構(gòu),凍干時通常應(yīng)把所有的產(chǎn)品冷凍到某一低溫,進箱溫度一般是5 ℃,并持續(xù)一段時間,確保所有產(chǎn)品達到同一溫度后再一起降溫預(yù)凍,使所有產(chǎn)品的冷凍工藝相同,防止造成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不均顏色不一等情況。為使產(chǎn)品在真空下升華時不會鼓泡,預(yù)凍時溫度必須低于產(chǎn)品的共晶點溫度,一般應(yīng)低于產(chǎn)品的共晶點溫度至少5℃。
預(yù)凍階段是在常壓下進行的,預(yù)凍過程是一個液相轉(zhuǎn)化為固相的變化過程,同時也是一個放熱過程,產(chǎn)品的凍結(jié)過程需要克服凍結(jié)過程中產(chǎn)品釋放的熔化熱,產(chǎn)品的熱量(熔化熱)通過輻射、傳導(dǎo)、對流三種方式傳給板層,板層傳給硅油,硅油的熱量再由冷凍機帶走,因此預(yù)凍需要維持一定的時間,時間的長短與裝量及容器有關(guān),也與產(chǎn)品的共晶點有關(guān),共晶點低的產(chǎn)品,達到低溫所需時間較長,預(yù)凍時間一般為共晶點5 ℃之下持續(xù)2-3 h。同時,為了改善板層與產(chǎn)品間的熱傳導(dǎo),應(yīng)盡量增加產(chǎn)品容器與板層的接觸面積,并減少傳遞層次。
預(yù)凍階段的冷凍速率會影響冰晶尺寸的大小,因此也會影響干燥產(chǎn)品的質(zhì)量。冷凍過程中,冰晶的數(shù)量和大小受兩個因素影響,即成核速率和晶體生長速率,而這二者都受溫度的影響。
在0℃時晶體的生長速率增加,而成核速率卻很低,因此在0 ℃保持一段時間,將產(chǎn)生數(shù)量少而尺寸大的晶體,可理解為慢速預(yù)凍(見下圖左),但在0℃以下凍結(jié)時,將得到數(shù)量多且尺寸小的晶體,可理解為快速預(yù)凍(見下圖右)。冰晶的大小也影響干燥速率和干燥后產(chǎn)品的溶解速度和產(chǎn)品質(zhì)量。大的冰晶利于升華,小的冰晶不利于升華;大的冰晶溶解慢,小的冰晶溶解快;冰晶越小干燥后越能反映產(chǎn)品的原來結(jié)構(gòu)。
對于細胞及一些生命體,冷凍干燥會產(chǎn)生一定的破壞作用,其作用機理目前尚不明確,一般認為是由機械效應(yīng)和溶質(zhì)效應(yīng)引起的。機械效應(yīng)是細胞內(nèi)外冰晶生長而產(chǎn)生的機械應(yīng)力引起的,特別是對有細胞膜這樣的生命體影響較大,一般冰晶越大,細胞膜越易破裂,從而造成細胞的死亡,冰晶小,細胞膜的損傷小。
另一方面,產(chǎn)品冷凍時,隨著冰晶的生長,溶液逐漸的濃縮(即電解質(zhì)的濃縮),已知蛋白質(zhì)活性受電解質(zhì)濃度的影響,電解質(zhì)濃度的增加,將誘發(fā)蛋白質(zhì)的變性,造成生命體的死亡。同時,電解質(zhì)濃度增加也會引起細胞脫水而死亡。
溶質(zhì)效應(yīng)在某一溫度范圍明顯,這個范圍在水的冰點和該液體的固化溫度之間,如果能以較高的降溫速率越過這一溫度范圍,則溶質(zhì)效應(yīng)產(chǎn)生的影響就能減小。因此,針對細胞及一些生命體的凍干,設(shè)臵合適的預(yù)凍參數(shù)(預(yù)凍時間、溫度等),對于保護其生命活性,具有較高的意義。
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