Лиофилизация – эффективная методика низкотемпературной сушки

Лиофильная (вакуумная) сушка - широко распространенная методика обезвоживания продуктов. Посредством лиофилизации можно сохранять биологические субстанции, лекарственные средства и пищевые продукты на длительный срок. Об основных аспектах производственного применения методики - в нашем обзоре.Большинство продуктов в их естественном состоянии плохо поддаются длительному хранению. Основными преимуществами лиофильной сушки в данном контексте являются:

Для уменьшения скорости необратимых изменений. возникающих в процессе хранения продуктов питания было разработано множество современных методик. Однако все они малопригодны, поскольку термически нестабильные вещества, такие как белки и пептиды, подвергаются при этом жесткой деструктивной обработке. С позиции человеческого здоровья, наиболее актуальным является сохранение количественного и качественного состава биоактивных препаратов.Малейшие изменения исходной структуры в них не только приводят к утрате ценных свойств, но и полностью извращают желаемый эффект с последующим повышением токсичности. Один из наиболее адекватных методов для обработки высокомолекулярных белковых соединений - лиофилизация.

Сублимационная сушка - это современная физическая методика обработки на основе процесса технического обезвоживания, или удаления жидкости из продукта. Лиофилизация включает 3 основных этапа:

В отличие от традиционных методов сушки, для испарения здесь не применяется нагрев жидкой составляющей. Замораживание для технической сушки впервые было использовано в 1890 году на образцах сухих тканей растительного и животного происхождения. Немецкий профессор Ричард Альтманн создал вакуумную камеру, в которой работал электрический насос. С 1950-х годов лиофилизация начала применяться в промышленных масштабах в качестве инструмента для фармацевтической и пищевой промышленности.Лиофильная сушка представляет собой контролируемую методику обезвоживания термически устойчивых продуктов при помощи их высушивания в вакуумной камере. Сублимационная сушка технически разделяется на следующие этапы:

После первичной сушки с заморозкой воды методом возгонки, следует вторая - десорбционная сушка. Сублимация - процесс удаления воды из материала после его замораживания в целях увеличения сроков его хранения. Процесс применяется в целях производства:

Лиофилизация проводится в условиях пониженного давления и температуре ниже тройной точки воды. Это позволяет обеспечить полную сублимацию льда. Это наиболее распространенная методика длительного хранения вещества вследствие стабильности водного раствора. Применяется инновация для защиты отдельных материалов, требующих бережного отношения в процессе стерилизации и консервации.В основе принципа лиофилизации лежит явление возгонки воды из твердого состояния (льда) в парообразное, без перехода ее в жидкую фазу. Подлежащий сушке материал вначале проходит глубокую заморозку, а после подвергается нагреву с помощью микроволнового излучения. Замороженная жидкость полностью удаляется из продукта. при этом остаются только высушенные исходные компоненты.

1В процессе сушки окисляемые вещества надежно защищены в вакууме.2Благодаря практическому полному удалению жидкости, сухой остаток обладает длительным периодом консервации.3Вследствие асептического процесса загрязнение при высушивании минимально.4Продукт после высушивания полностью сохраняет свои ароматические и вкусовые свойства.5Низкая температура подавляет ферментный эффект и рост микроорганизмов.6Продукт остается однородным и быстро восстанавливает исходную консистенцию.

1В высоком вакууме теряются многие летучие соединения.2Дорогостоящие оборудование требует соответствующего ухода.3У отдельных препаратов могут возникать проблемы со стабильностью.4Существуют определенные сложности, связанные с обеспечением стерильности самой камеры и асептического внесения продукта для сушки.

Продолжительная стабильностьМинимальное время, требуемое для восстановленияКоммерчески привлекательный вид сухого осадкаСпособность при восстановлении сохранять исходные свойства веществаОднородный цвет сухого продуктаНеповрежденный твердый осадок

Проводится на этапе предварительной подготовки. поскольку лиофилизация подразумевает возгонку жидкой воды. Особенности заморозки, как и конечная температура продукта, оказывают значительное влияние на характеристики материалов. Благодаря быстрому охлаждению, удается получать небольшие кристаллики льда.Они сохраняют удобную для микроскопического исследования структуру, а также отлично удаляются при высушивании. Медленное охлаждение влечет за собой формирование более крупных кристаллических структур.Состав растворов влияет на их замерзание. Большинство высушиваемых сублимационно продуктов содержат растворитель, воду и суспендированные компоненты.

Вследствие пониженного давления паров льда занимает долгое время. Повышение температуры всего на 1 С позволяет сокращать общий период первичной сушки на 13%: это дает огромнейший временной потенциал в условиях экономии как времени, так и промышленных затрат, в процессе использования методики в агрессивных средах.Однако резкое увеличение температуры выше критической для отдельных конкретных составов зачастую грозит потерей структуры осадка. Во время превышения критической температуры, структура высушенных пор соединяется с остаточными молекулами воды, что приводит к образованию отверстий. Это сопряжено с повышенным содержанием жидкости, а также менее обширной площадью внутренней поверхности.Данный факт негативно сказывается на стабильности конечного препарата, а также времени и полноте его восстановления. Твердый продукт может полностью разрушиться или продемонстрировать частичную усадку. И то и другое делает его непригодным для употребления пациентами. Критическая температура схлопывания пор определяется методиками микроскопии.Конструктивный подход для определения критичной температуры высушиваемого препарата - калориметрия или дифференциальное сканирование. Данная методика позволяет измерить не только тепловой поток. но и термические свойства замороженных образцов. Так определяется температура стеклования концентратов растворенного вещества. Поскольку не происходит удаления воды, критическая температура сублимационной сушки не является типичной. Ее можно повысить посредством количественной кристаллизации осадка или путем добавления различных наполнителей, таких как циклодекстрины или декстран.

После первичного процесса высушивания лед полностью сублимируется, однако в исходном материале присутствует связанная влага. дальнейшее высушивание требует более высоких температур и носит название изотермической десорбции. Зачастую процесс проводится при совместимой с лабильностью вещества температуре окружающей среды. Облегчить десорбционную сушку можно посредством увеличения температуры, а также минимизации давления в камере.Облегчается десорбционная сушка посредством снижения в камере давления до минимального с одновременным повышением температуры. При этом необходимо проявлять осторожность: результатом высоких температур может стать полимеризация пептида или белка. Как правило, вторичная сушка проводится на протяжении 1/3 времени, необходимого для сублимации. поскольку льда практически не остается, можно не опасаться относительно появления "следов таяния". Помимо этого, полуфабрикат становится способен выдерживать более интенсивный теплопоток. Снижение давления внутри камеры до минимума благоприятствует десорбции воды.Актуальный фактор в процессе лиофилизации пептидных и белковых композиций - долговременная стабильность. Как правило, она тесно взаимосвязана с составом и концентрацией воды. Низкомолекулярные лекарственные средства в большинстве случаев готовятся без наполнителя или посредством добавления пластификатора в жидкую среду. Последняя должна обладать необходимой стабильностью для выдерживания технических условий сушки и замораживания. Как правило, содержание влаги в продуктах обычно достаточно низкое для того, чтобы гарантировать длительную их стабильность. Более сложно ситуация обстоит с белками, поскольку это лабильные молекулы.Стабильность полипептидов обусловлена содержанием в их составе воды. Однако при активной форме белка для конформации структуры требуется немного большее количество жидкости, дабы предотвратить денатурацию. Избежать данных проблем можно посредством адекватного ведения процессов и оптимизации рецептур. Усложняется проблема тем, что отдельные виды белков проявляют термическую нестабильность в процессе вакуумной сушки и разворачиваются. Если не происходит необратимых реакций, таких как агрегация, восстановленный белок полностью структурируется в течение нескольких секунд. Препарат демонстрирует отменную фармацевтическую стабильность в процессе хранения и восстановления.

Это необходимое условие успешного завершения процесса. Криопротектор - это вещество для защиты природных соединений или биологической ткани от замерзания. Для лиофилизации наиболее популярные криопротекторы - это:

Остеклованная матрица криопротектора надежно защищает продукты от механического воздействия кристалликов льда. Замораживание, как правило, проводится при температуре ниже исходной температуры таяния образца/кристаллизации растворимых компонентов в вид взвеси со льдом для полного его затвердевания.Эксципиенты - вспомогательные материалы, которые также нахдят свое применение в рецептуре лиофилизации. Состав водной композиции определяется требованиями к API - активным фармацевтическим ингредиентам и предполагаемым методикам введения. Он может состоять из ряда наполнителей, выполняющих специфические функции. Технические характеристики эксципиентов:

Выбор буфера имеет решающее значение в процессе разработки лиофилизированных составов. Фосфатные буферы во время замораживания претерпевают значительные преобразования рН. Отличный подход - применение низких концентраций гистидинового или цитратного буфера, который в процессе замораживания минимально трансформируется.

Используются для придания объема конечному препарату. Это актуально в случае применения пониженных концентраций активных компонентов препарата. Благодаря кристаллическому наполнителю, удается сформировать структуру осадка. обладающего отличными механическими свойствами. Также эти материалы эффективны для применения в стабилизированных продуктах:

При наличии подходящей кристаллической фазы, применяется маннит. В белковых или липосомных основах можно использовать дисахариды.

Дисахариды в процессе лиофилизации образуют ряд аморфных структур, которые активно предохраняют белки. Микоза и сахароза - инертные вещества, поэтому они используются для стабилизации вирусов, белков и липосом. Мальтоза, глюкоза и лактоза представляют собой восстанавливающие сахара, которые находят применение восстановлении белков посредством реакции сахароаминной конденсации.

При получении изотонических составов используются вспомогательные вещества, такие как:

Глицин - вещество, которое дополнительно снижает температуру стеклования, поэтому его допустимо включать в разбавитель.

Конденсатор позволяет удерживать холод и улавливать растворитель во время сушки. Традиционно теплообмен производится посредством циркуляции жидкости сквозь полки с указанием желаемой температуры. Циркулирующий теплоноситель при помощи насоса прокачивается по герметичному контуру. Иногда постоянный цикл модификации температуры влечет за собой утечки силиконового масла с последующим загрязнением целевого продукта. Чтобы такого не случилось, необходимо держать на контроле концентрацию паров силикона: это помогает принимать соответствующие меры и предотвращать утечку смазки в продукт.Система охлаждения требует применения компрессоров на основе жидкого азота. Компрессор выполняет следующие функции:

Благодаря вакуумной системе удается удалить жидкость из основного продукта в кратчайшие сроки. Для достижения подобного низкого вакуума применяется двухступенчатый роторный насос.

Процесс находит широкое применение в современной фармацевтике с целью повышения срока годности инъекционных препаратов или вакцин. Благодаря герметизации обезвоженных материалов во флаконах, препараты можно с легкостью транспортировать, хранить, а впоследствии восстанавливать до придания начальной инъекционной формы. Вместо флаконов из стекла. в промышленном производстве массовая лиофилизация проводится на поддонах. Сублимированные фармацевтические продукты используются в качестве порошков для разведения или в шприцах-автоинжекторах, для самостоятельного использования пациентами.Лиофилизация в пищевой промышленности применяется для длительного хранения продуктов питания с низкой массой. Это приготовление пищи для:

В процессе органического синтеза сушка вымораживанием позволяет избавиться от конечных следов жидкости.Лиофилизация требует серьезных временных и финансовых затрат. Эта методика примерно втрое дороже, чем традиционные способы сушки. Повышенные мощности требуют значительных затрат на электроэнергию. Однако техника лиофилизации находит свое применение в разработке фармацевтических препаратов в формате инъекций. Поскольку содержание влаги в готовом продукте значительно снижено, это повышает его стабильность. простоту обращения, а также легкую транспортировку и быстрое растворение.Посредством лиофилизации сегодня производится около 50% фармацевтических препаратов. Лиофилизация в сравнении с другими подходами наносит меньший вред исходному продукту, что обеспечивает широкую предметную область для применения. Сублимационной сушки требуют многие антитела. к примеру пептиды. Лиофилизация также требуется высушенным пробиотикам и клеточным экстрактам. Сушка вымораживанием в бактериологии используется для сохранения активных штаммов. Важное значение для успешного использования методики имеет осознание влияния процесса лиофилизации на качество конечного продукта.