LYOFILIZACE LYOFILIZACE difúzní operace využívaná na ušení vlhkých materiálů fungující na principu vakuového ublimačního ušení probíhá při teplotě a tlaku pod trojným bodem vody (rozpouštědel) přeno hmoty a tepla na rozhraní () (g) v pórovité truktuře pevné fáze dochází ke dílení 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 peciality (rafinace chinizarinu, jodu, kyeliny alicylové) technologie materiálů pro elektroniku (epitaxní příprava tenkých vrtev pro integrované obvody) 1
VYUŽITÍ Sušení tepelně labilních látek (farmacie, medicína, potravinářký průmyl...) 4 VYUŽITÍ Farmacie a medicína odvodnění krevní plamy, bakteriálních a virových kultur, vakcín, antibiotik, hormonů, aminokyelin, peptidů, vitaminů, hitologických preparátů,vzorků tělních tekutin umožnění dlouhodobého uchování materiálu biologického původu výroba medikamentů Potravinářký průmyl ušení maa a ovoce výroba rozputné kávy Retaurátortví záchrana knih a dokumentů (po povodních, ) Květinářtví ušení květů (NE)VÝHODY LYOFILIZACE za T a p jou potlačeny chem. změny ložek ušeného materiálu včetně oxidace při proceu jou výrazně níženy ztráty těkavých ložek ze ušeného materiálu při ušení lze zachovat terilitu produktu vyušený mat. je diperzní, nedochází ke koagulaci ložek a je vyloučena aglomerace jednotlivých čátí mat. nejdražší způob odvodňování Potřeba pecializovaného zařízení 2
KONDENSACE VYPAŘOVÁN Í 11.12.214 PRINCIP SUBLIMAČNÍHO SUŠENÍ ublimační ušení = difúzní operace, probíhá v oblati nízkých tlaků a teplot průběh ovlivňován přenoem hmoty a tepla na fázovém rozhraní -g u lyofilizace: navíc dílení hmoty a tepla v porézní, dynamicky e měnící truktuře tuhé fáze FÁZOVÝ DIAGRAM VODY zelená: normální ušení červená: nadkritické ušení modrá: lyofilizace PRINCIP LYOFILIZACE proce odvodňování preparátů v zamrznutém tavu, kdy led uvnitř kapilár a pórů materiálu ublimuje do g-fáze při T a p nižším, než jou podmínky odpovídající trojnému bodu vody T =,1ºC ; p = 611,73 Pa P TAVENÍ TUHNUTÍ S L SUBLIMACE G DESUBLIMACE T kritický bod T K = 373,95 C p K = 22,6 MPa 3
DRUHY VLHKOSTI chemicky vázaná voda (včetně krytalové) adorbovaná voda na povrchu porézního materiálu voda vázaná kapilárními ilami v pórech materiálu omoticky vázaná voda (voda v polu dalšími ložkami např. v buňkách) LYOFILIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ chéma PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ 12 4
LYOFILIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ lyofilizátory: LYOFILIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ laboratorní: LYOFILIZACE OVOCE 5
LYOFILIZACE KVĚTIN klaicky uušený květ lyofilizovaný květ POSTUP PŘI LYOFILIZACI 1. pomalé zmrazení vlhký materiál e zmrazí pod eutektický bod- teplota, při které může exitovat jen v pevném kupentví; to zajití, aby nedocházelo k tání při tuhnutí vody může dojít k mikrokopickému poškození materiálu- je nutné tuto fázi provádět velmi opatrně obvykle e materiál zmrazí na teplotu mezi -5 C, -8 C až -1 C Teplota (ºC) Proce -1 až -1,5 Ochlazování materiálu -1 až -3 Zmrznutí trukturně volné vody -2 až -2 Zamrznutí imobiliz. nebo volné vody -2 Eutektická hranice pro olí v buňkách rep. v tkáních -2 až -65 Vymrzání vázané vlhkoti -65 a níže Sublimační ušení POSTUP LYOFILIZACE 1. ušení tlak vzduchu v mrazícím zařízení je nížen na několik tovek Pa poté je dodáno tolik tepla (především vedením a zářením), aby voda mohla začít ublimovat z materiálu je takto odtraněno ai 95% vody ublimace e nemí upěchat, aby nedošlo k narušení ušeného materiálu ušení trvá několik hodin až dní vzniklá vodní pára deublimuje na chladičích nebo je přiváděna na kondenzátor mimo protor ublimační komory, kde e opět mění v led, který e po končení cyklu odtraní 6
POSTUP LYOFILIZACE 2. ušení přitupuje k němu v případech, kdy je vhodné doáhnout ještě uššího tavu odtraňuje zbytek vody, zejména zbývající nezmrzlé vody na povrchu látek teplota e zvedne, někdy až nad C, to naruší vazby mezi vodou a pevným materiálem tlak e obvykle ještě více níží po druhém ušení v materiálu zůtává okolo 1 až 4 % vody POSTUP PŘI LYOFILIZACI přidání tepla potřebného na vypaření vlhkoti (283 kj/kg) - teplo může být přidávané dvěma způoby: a.) vedením z nahřívaného povrchu kontaktní ušení b.) radiací z infračervených lamp radiační ušení KONTAKTNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ dílčí procey: přeno tepla a vlhkoti uvnitř ušeného materiálu přeno ublimujících par od zóny ublimace k vnějšímu povrchu materiálu přeno par z vnějšího povrchu materiálu do objemu vakuové komory 7
KONTAKTNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ chéma ohřevu: T p - teplota vyhřívaného povrchu T - teplota ublimace vlhkoti T - teplota povrchu ušeného materiálu x - íla vyušené vrtvy L - celková vrtva materiálu p o - tlak na rovném povrchu při teplotě T p - tlak na povrchu ušeného materiálu ROVNICE VEDENÍ TEPLA q X T p T z L X R i k h ( T p T ) q - tepelný tok, T p teplota vyhřívaného povrchu, T - teplota ublimace vlhkoti, L - tloušťka materiálu, X tloušťka vyušené vrtvy, Φ,z tepelná vodivot uché/zmražené vrtvy, R i tepelný odpor kontaktu zmraženého materiálu vyhřívanou těnou, k h koeficient dílení tepla ve zmraženém materiálu HMOTNOSTNÍ TOK PAR P g a S P X M 2 RT S ( P P S k m ) F ( P P ) C a proputnot par vyušenou vrtvou, P S tlak na rovném povrchu při teplotě T S, k m koeficient dílení hmoty mezi ublimátorem a kondenzátorem, P C tlak v kondenzátoru, F povrch ušeného mat., M molekulová hmotnot vody, ε porozita vyušené vrtvy 8
RYCHLOST LYOFILIZACE TEPLOT A 11.12.214 KOMBINACE PŘEDCHOZÍCH ROVNIC q g H ubl ΔH latentní entalpie ublimace ledu T T p P P C H X L X X 1 F R i a K C z kde K M 2 RT Závilot čaově proměnného tepelným odporem kontaktu R i mezi povrchem a ušeným materiálem tepelný tok úroveň vakua porozita materiálu nerovnoměrnot truktury materiálu VAKUOVÁ KOMORA TOPNÁ SPIRÁLA KONTAKTNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ Průběh ublimačního ušení a vytváření rozhraní mezi vyušenou a zmrazenou zónou v čae PERIODA 1 2 3 VAKUUM x t 1 t 1 < t < t 2 t 2 teplota rychlot t 1 t 2 ča VYHŘÍVANÝ POVRCH Perioda 1 - malá tvorba pórů, hmotnotní tok par g závií na tlaku, rozhraní vrtev rovnoběžné Perioda 2 tvorba porézní truktury, g závií na teplotě vyhřívaného povrchu Perioda 3 rozhraní doahuje vyhřívaného povrchu, dipergace zmražené hmoty ve vyušené, odtraňování hydrokopické vlhkoti RADIAČNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ využívá e IČ záření IČ paprky procházejí vrtvou páry k povrchu ušeného materiálu, čátečně e odrážejí, čátečně jou pohlcovány teplo přechází dovnitř hmoty vedením, vlhkot ublimuje, dochází k tvorbě a potupování vyušené vrtvy čím q, úroveň vakua a T zmražení, tím bude ublimační zóna větší 9
INFRAČERVENÝ ZDROJ ZÁŘENÍ 11.12.214 RADIAČNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ Schéma radiačního ohřevu při lyofilizaci Vyušená vrtva Zmražená vrtva T S T i p V p p G p S i Sublimační zóna TOK PAR p i ublimační tlak p tlak na povrchu materiálu p G tlak nekondenzujícího plynu p V tlak nekondenzující vodní páry T i ublimační teplota T S teplota na povrchu materiálu RADIAČNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ čaový pohyb ublimační zóny x = vzdálenot povrchu ublimace od povrchu materiálu, t = ča, b a n = kontanty x b t n rychlot pohybu ublimační zóny (zíkaná z předchozí rovnice derivací podle čau) u radiačního přívodu tepla: n = 1 a při kontantní rychloti ušení je b rychlot pohybu ublimační zóny dx dt bnt n 1 RADIAČNÍ SUBLIMAČNÍ SUŠENÍ pro termoradiační lyofilizaci je možné rychlot pohybu ublimační zóny definovat: dx T T 1 i dt h H x 1 / a celkovou dobu ušení zíkáme integrací předešlé rovnice: 2 h H L L t T = teplota zářiče, T T T i = teplota materiálu na rozhraní led/ušina, 2 / a i g h = hutota ledu, ΔH = ublimační teplo, /g = tepelná vodivot zmraženého materiálu/plynné fáze, = vzdálenot mezi zářičem a povrchem produktu, a = koeficient přetupu tepla při ublimaci ve vakuu, L = tloušťka vrtvy materiálu g 1
MECHANISMUS SUBLIMAČNÍHO SUŠENÍ rovnice křivky ušení ve 2. a 3. periodě má tvar: kde w = počáteční obah vlhkoti, R v = poměr objemu materiálu ku jeho povrchu PERIODA 1 2 3 VAKUUM w bt 1 w R x t 1 n v t 1 < t < t 2 t 2 pro rychlot ušení pak platí rovnice: při kontantní rychloti ušení a pro n = 1 lze zjednodušit na: w 1 dw b w n w 1 n n dt R 1 dw b w dt R v v MECHANISMUS SUBLIMAČNÍHO SUŠENÍ pecifický hmotnotní tok g podmínka: (8/d) < 1 pecifický hmotnotní tok g Pro úzké póry podmínka: (8/d) > 1 d p dp g n 128 mrt dx d p dp g n 16 mrt dx 4 3 d = třední průměr kapilár, = třední dráha molekul, n = počet kapilár na jednotku plochy povrchu materiálu, m = vikozita par SHRNUTÍ Lyofilizace = vakuové ublimační ušení Průběh - při teplotě a tlaku pod trojným bodem vody Druhy kontaktní ublimační ušení radiační ublimační ušení Využití: farmacie (ušení tepelně labilních látek), potravinářtví, medicína a jiné 11