HU192253B - Method and apparatus for lyophilizing heat-sensitive materials - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya eljárás és berendezés hőre érzékeny anyagok fagyasztva szárítására, amikor is hőre érzékeny anyagot megfagyasztanak és fagyott állapotban vákuumba helyezik, ezzel a benne levő jeget szublimáltatják és eközben a szublimálás hőveszteségét hőközléssel kiegyenlítik, a hőre érzékeny anyag hőmérsékletét mérik és környezetében a nyomást szükség szerint változtatják, miközben a vízgőzt eltávolítják. A találmány szerinti eljárás lényege, hogy a hőre érzékeny anyag hőmérsékletváltozásának sebességét követik és az anyagtól függő határértéktől való eltérés mértékében a hőközlés intenzitását változtatják. A találmány szerinti be- rendezés hőre érzékeny anyagot (13) hordozó tartóban (12) elrendezett anyaghőmérőt (6), fűtőegységet (4) és a fűtőegység (4) hőmérsékletét követő hőmérőt (5) tartalmaz, ahol a tartó (12) zárt térben (1) van elrendezve, amely vákuumszivattyúhoz (9) van csatlakoztatva, ahol a fűtőegység (4) vezérlő elemre van vezetve. A berendezés lényege abban van, hogy a zárt tér (1) semleges gázt, különösen nitrogént tartalmazó tartállyal (8) közlekedik és a vezérlő elem a hőmérővel (5) és az anyaghőmérővel (6) csatlakoztatott mikroprocesszoros vezérlő egységként (11) van kialakítva. -1-

Description

A találmány tárgya eljárás és berendezés hőre érzékeny anyagok fagyasztva szárítására, vagyis más szóval liofilizálására. A javasolt eljárás szerint hőre érzékeny anyagot megfagyasztunk és fagyott állapotban vákuumba helyezzük, ezzel a benne levő jeget szublimáltatjuk és eközben a szublimálás hőveszteségét hőközléssel kiegyenlítjük, a hőre érzékeny anyag hőmérsékletét mérjük és környezetében a nyomást szükség szerint változtatjuk, miközben a vízgőzt eltávolítjuk. A találmány szerinti berendezés hőre érzékeny anyagot hordozó tartóban elrendezett anyaghőmérőt, fűtőegységet és a fütőegység hőmérsékletét követő hőmérőt tartalmaz, ahol a tartó zárt térben van elrendezve, amely vákuumszivattyúhoz van csatlakoztatva, ahol a fűtőegység vezérlő elemre van vezetve. A javasolt eljárás és berendezés segítségével a hőre érzékeny anyagok fagyasztva szárítása gyorsítható.

A tartósítás egyik jól ismert módszere a fagyaszt- , va szárítás, vagyis a liofilizálás, amelyet hőre érzé- ¹ kény anyagok esetében különösen széles körben alkalmaznak, mivel az anyag víztartalmának kíméletes eltávolítását teszi lehetővé. Az eljárás lényege, hogy a nagy sebességű hűtéssel, vagyis gyorshűtéssel lefagyasztott anyagot vákuumba helyezik. ‘ A vákuum hatására az anyagban levő jég szublimál, vízgőzzé alakul. A szublimálás hőveszteséggel jár, ami az anyag hőmérsékletét csökkenti és ezzel a szublimálás sebességét lelassítja. Ezért a hőveszteséget pótolni kell, ellenkező esetben a szárítási folyamat rendkívül hosszú ideig tartana. A hőveszteség kiegyenlítése során viszont gondosan ügyelni kell arra, hogy az anyagra meghatározott jellenjző hőmérsékletet, az eutektikus pontot ne lépjék túl, ellenkező esetben ugyanis az anyag károsodása kő- ³ vetkezik be, kémiai-biológiai tulajdonságai leromlanak.

A fentiek azt jelentik, hogy el kell kerülni a lefagyasztott anyag felolvadását. Ez a biológiai eredetű hőre érzékeny anyagok jelentős részénél különösen ⁴ fontos, mert olvadáskor gázok képződnek, ezek hatására az anyag felhabzik. Mivel az olvadás hőmérséklethatárait viszonylag nehezen - anyagmintánként változó módon - fázisdiagramon lehet csak kijelölni, ezért, mint ezt például az 1 038 988 sz. 4 NSZK szabadalmi leírás mutatja, megelégednek az eutektikus pont meghatározásával és ezt adják meg olyan maximális hőmérsékletként, amit túllépni a liofilizálás során nem szabad.

A liofilizálás folyamatában az is fontos, hogy a 5 hőközlés elemei, tehát például az anyagot tartó tálca vagy más hordozó hőmérséklete se lépje túl a megengedett maximális értéket, ugyanis ellenkező esetben a vele érintkező és már száraz anyag károsodna. 5

A 169 708 ljsz. magyar szabadalmi leírás olyan eljárást és berendezést ismertet, amelynek lényege, hogy a liofilizálandó anyaggal fűtőtest felhasználásával hőt közölnek, a fűtőtest hőmérsékletét szabályozó körrel adott értéken tartják vagy szükség θ szerint változtatják és eközben a liofilizálandó anyag hőmérsékletét is érzékelik. Az utóbbi hömérsékletérték jelenti a szárítási folyamat szabályozásának alapját, mégpedig oly módon, hogy az anyagra jellemző legalacsonyabb olvadási hőmér- gi sékletnél adott nyomáson legfeljebb 1...6 °C eltérést engedélyeznek negatív irányban. Ezt a hőmérsékletet a szublimációs folyamat befejezéséig tart₅ ják fenn.

Az ismertetett szabályozás, tehát a fűtőtest és a szárítandó anyag hőmérsékletének követésén alapuló kettős szabályozás jó eredményeket ad, de az eutektikus pont megközelítése lassú, a különböző előre nem látható folyamatok (például az anyag megrepedése) negatív hatásainak kivédésére ahhoz viszonyítva viszonylag nagy eltérést kell fenntartani, tehát a szárítási folyamat lassúbb, mint amit a lehetőségek megengednek. A gyorsítás feltétele a nagyobb hőmérsékletek alkalmazása, ez azonban veszélyes lehet azért, mert a szabályozás tehetetlensége miatt előfordul, hogy a hőmérséklet túllépi a megengedett határt és ez az anyag károsodását vonja maga után. A lassúság egyrészt a melegítés módjából, másrészt a hővezetési viszonyoknak a szárítás menetében bekövetkező változásából következik. Ez a változás abban áll, hogy a szárítandó anyag belsejében levő jég szublimációját a körülötte kialakuló, a szárítás folyamatában egyre vastagodó száraz réteg a vastagodás mértékében lassítja. ⁵ A találmány célja a fenti hiányosságok kiküszöbölése.

A találmány alapja az a felismerés, hogy a hővezetési viszonyok semleges gáz alkalmazásával jól javíthatók, míg a hőközlés szabályozásában a hő⁰ mérsékletváltozás sebességének követése és figyelembevétele az eddigieknél pontosabb és finomabb szabályozási lehetőségeket biztosít.

A találmány feladata ennek megfelelően olyan eljárás és berendezés kidolgozása, aminek alapján ⁵ a fagyasztva szárítás folyamata felgyorsítható, az eddigieknél jobb hőátadási feltételek érhetők el és az anyag károsodásának veszélye csökken.

A kitűzött feladat megoldására egyrészt eljárást, másrészt-berendezést dolgoztunk ki. A javasolt el⁰ járásban hőre érzékeny anyagot megfagyasztunk és fagyott állapotban vákuumba helyezzük, ezzel a benne levő jeget szublimáltatjuk és eközben a szublimálás hőveszteségét hőközléssel kiegyenlítjük, a hőre érzékeny anyag hőmérsékletét mérjük és kör5 nyezetében a nyomást szükség szerint változtatjuk, miközben a vízgőzt eltávolítjuk, és a találmány szerint a hőre érzékeny anyag hőmérsékletváltozásának sebességét követjük és az anyagtól függő határértéktől való eltérés mértékében a hőközlés intenzitását változtatjuk.

Úgy találtuk, hogy a javasolt eljárás különösen előnyösen foganatosítható akkor, ha a hőre érzékeny anyag környezetébe liofilizálás közben semleges gázt, különösen nitrogént vezetünk be.

Ugyancsak a kitűzött feladat megoldására szolgál az a berendezés, amely hőre érzékeny anyagot hordozó tartóban elrendezett anyaghőmérőt, fűtőegységet és a fűtőegység hőmérsékletét követő hőmérőt tartalmaz, ahol a tartó zárt térben van elren) dezve, amely vákuumszivattyúhoz van csatlakoztatva, ahol a fűtőegység vezérlő elemre van vezetve, és a találmány szerint a zárt tér semleges gázt, különösen nitrogént tartalmazó tartállyal közlekedik és a vezérlő elem a hőmérővel és az anyaghőmé; rővel csatlakoztatott mikroprocesszoros vezérlő

192 253 egységként van kialakítva. A semleges gáz célszerűen nitrogén, amely viszonylag olcsó és amelynek hővezetése viszonylag jó.

Előnyösen a zárt tér és a tartály között a mikroprocesszoros vezérlő egységgel vezérelt szelep van beiktatva, míg a mikroprocesszoros vezérlő egység a zárt tér nyomását követő vákuummérő kimenetével van csatlakoztatva.

Mivel a találmány szerinti eljárás lehetővé teszi a hőre érzékeny anyaggal közölt hőenergia igen pontos és gyors szabályozását, ezért célszerű és jól megvalósítható a belső tér nyomásának a hőre érzékeny anyag hőmérsékletétől függő szabályozása, amikor is semleges gázt, például nitrogént alkalmazunk a kívánt nyomás beállítására a vízgőz eltávolítása közben.

A találmány szerinti eljárás és berendezés a fagyasztva szárítás technológiai feltételeinek jelentős mértékű javulását biztosítja, a szárítási sebesség az ismert eljárásokhoz képest nagy mértékben növekszik.

A találmány szerinti eljárást és berendezést a továbbiakban példakénti kiviteli alak és foganatosítási mód alapján ismertetjük részletesen. Ennek során a mellékelt rajzra hivatkozunk, amelyben az egyetlen.

ábra a találmány szerinti berendezés vázlata.

A találmány szerinti eljárás foganatosításakor gyorsfagyasztással előkészített hőre érzékeny anyagot fűtött tálcára helyezünk és a tálca, illetve az anyag hőmérsékletét mérjük. Célul tűztük ki, hogy a tálca hőmérséklete legfeljebb az eutektikus pontnak felelnek meg, attól maximálisan 1 ’C-kal térjen el negatív irányban. Az eutektikus pontot az adott anyagra tapasztalati úton előzetesen állapítjuk meg. Az anyagnak a tálcára való helyezését követően a tálca lehűl. Ezért vele hőt közlünk, például elektromos fűtőtest segítségével. A hőközíés intenzitását a tényleges anyaghőmérséklet és az anyag eutektikus pontja közötti hőmérsékletkülönbségnek megfelelően szabályozzuk, mégpedig általában úgy, hogy a csökkenő különbséghez csökkenő intenzitású hőközlés tartozzon. Ily módon elkerülhető a „túllövés”, tehát az anyaghőmérséklet nem emelkedhet a megengedett maximális érték fölé, de azt nagy pontossággal képes megközelíteni. Ezzel a szublimációhoz optimális feltételek biztosíthatók.

A szükséges hőmérsékletre felfűtött tálcán elhelyezett anyagból eltávozó vízgőzt az anyag környezetéből el kell távolítani. Ezzel az anyagot külső rétegétől kiindulva szárítjuk, de minél vastagabb a kiszárított réteg, annál nehezebben lehet a belső zónákból, az anyag „magjából” a vizet eltávolítani. Ezt a folyamatot nehezíti az is, hogy a kiszáradt porózus anyag rosszul vezeti a hőt. A hővezetést felismerésünk szerint jelentősen növelni lehet, ha viszonylag jó hővezetésű semleges gázt, pl. nitrogént juttatunk a tálca környezetébe, amely a pórusokba behatolva a hőátadás feltételeit javítja. Ezt célszerűen oly módon végezzük, hogy a nyomás lassú változtatásával - akár az üzemszerű szárítási feladatok megkezdése előtt - megkeressük azt az állapotot, amikor az adott tálcahőmérséklet mellett, figyelembe véve a zárt térben uralkodó vákuum értékét, a hőre érzékeny anyagba juttatott hőmennyiség éppen megegyezik a szublimációs folyamat során igényelt hővel (vagyis amikor a szárítandó anyagban elhelyezett hőmérő változást nem jelez). Ebben az állapotban a semleges, jó hővezetésű gáz jelenlétének biztosításával a kiszáradt anyagrétegben a hőátadási feltételek javulnak és ezzel elő lehet segíteni a jég szublimálását az anyag belső rétegeiből, vagyis a szublimációs folyamat felgyorsítható. A gáz elvonásával veszélyhelyzetben (pl. a szárítandó anyag megrepedésekor) a folyamat újból lelassítható, a vákuumos térben kialakuló viszonylag kis mértékű, szükség esetén akár csökkentett intenzitásúnak hőközlés mellett lehetséges az esetleges károsodások kivédése.

A semleges gáz, elsősorban az olcsó és jó hővezetésű nitrogén bejuttatásának és eltávolításának feltételei ismert módon, például vákuumszivattyúval jól kézbentarthatók. A gáz jelenlétében a vízgőzt amit az eddigi eljárásokban a nyomás szükség szerinti növelésére is hasznosítottak, és ezzel sokszor előnytelenül befolyásolták a szárítási folyamatot teljes mértékben el lehet távolítani megfelelő kondenzorok révén. A nyomást ismert módon, például Pirani-csöves egységgel lehet mérni. A gáz alkalmazása révén a fagyasztva szárítás folyamata automatizálható, felügyeletet nem igényel, hiszen a gáz beadagolásával, illetve elvonásával, valamint a fűtés megfelelő szabályozásával a hőátadás feltételei - még az előre nem látható jelenségek bekövetkezése esetén is - optimális módon programozhatóan alakíthatók ki. Az automatizáláshoz a számítástechnika jól ismert eszközei használhatók, többek között a mikroprocesszoros technika.

A találmány szerinti berendezés (ábra) 1 zárt térben elhelyezett 3 táclákon elrendezett 12 tartókban levő, gyorsfagyasztással előkészített 13 hőre érzékeny anyag szárítását végzi. A 12 tartóban, pontosabban a 13 hőre érzékeny anyag belsejében 6 anyaghőmérő helyezkedik el. A 3 tálca 4 fűtőegységgel és 5 hőmérővel van ellátva. Az 1 zárt térben 2 kondenzorok helyezkednek el, amelyek alacsony, pl. -60 ’C hőmérsékletű felületükkel az 1 zárt térbe jutó vízgőz befogására szolgálnak. Az 1 zárt tér egyrészt 9 vákuumszivattyúval, másrészt 10 vákuummérŐvel van kapcsolatban, ahol a 10 vákuummérő például platinaszálas Pirani-csővel van kialakítva. A találmány értelmében az 1 zárt térbe vezető beömléssel ellátott, semleges gázzal, célszerűen nitrogénnel kitöltött 8 tartályt alkalmazunk, ahol a beömlés 7 szeleppel zárható, illetve nyitható. Ezzel az 1 zárt térbe juttatott gáz mennyisége szabályozható. Az 5 hőmérő, a 6 anyaghőmérő és a 4 fűtőegység 11 mikroprocesszoros vezérlőegységre van csatlakoztatva, amely KT kimenetekkel a fűtést, NT kimenetekkel a semleges gáz nitrogén adagolását tudja vezérelni.

A 11 mikroprocesszoros vezérlő egység szabályozó és más rendszerprogramok befogadására alkalmas tárolóegységgel, mikroprocesszoros vezérlő elemmel, tárolóegységgel és tápegységgel van ellátva. A 11 mikroprocesszoros vezérlő elem az analóg jeleket kívánt pontosságú A/D konverterrel alakítja át digitális jelekké és ennek alapján a KT és NT kimeneteken keresztül a külső egységek vezérléséhez szükség szerinti kimenő jeleket szolgáltat.

192 253

A találmány szerinti berendezés működése a következő :

A 3 tálqák hőmérsékletét a 4 fűtőegységek segítségével állítjuk be. Hőmérsékletüket az 5 hőmérőkkel követjük. Egyúttal a 12 tartókban elhelyezett 13 hőre érzékeny anyag hőmérsékletét is követjük, mégpedig a 6 anyaghőmérőkkel. A 11 mikroprocesszoros vezérlő egység a 13 hőre érzékeny anyag entektikus pontjának és a 6 anyaghőmérő által mért hőmérséklet különbsége alapján állapítja meg a 4 fűtőegységek teljesítményfelvételét, hogy a 12 tartóban uralkodó szükséges hőmérsékletet - a mindenkori felső hőmérséklethatár betartása mellett - minél előbb el lehessen érni. Az egyensúlyi állapot beállását all mikroprocesszoros vezérlő egység érzékelni tudja, hiszen ilyenkor adott teljesítményfelvétel mellett a 4 fűtőegység melegítő hatása ellenére sem következik be a 6 anyaghőmérő által észlelt hőmérséklet változása. All mikroprocesszoros egység a szárítás folyamatában a 7 szelepen keresztül az optimális hőátadási feltételek biztosításához szükséges nitrogéngáz beadagolását biztosítja szintén adott program végrehajtásával, figyelembe véve az 1 zárt tér belsejében uralkodó feltételeket.

A találmány szerinti eljárás és berendezés segítségével nagy biztonsággal tartható az eutektikus ponttól legfeljebb 1 ’C mértékben negatív irányban eltérő hőmérséklet, a szabályozás jól automatizálható és felügyeletet nem igényel. A szublimációs folyamat meggyorsítása révén a szárítás is felgyorsul.

Claims (6)

1. Eljárás hőre érzékeny anyagok fagyasztva szárítására, amikor is hőre érzékeny anyagot megfagyasztunk és fagyott állapotban vákuumba helyezzük, ezzel a benne levő jeget szublimáltatjuk és eközben a szublimálás hőveszteségét hőközléssel kiegyenlítjük, a hőre érzékeny anyag hőmérsékletét mérjük és környezetében a nyomást szükség szerint változtatjuk, miközben a vízgőzt eltávolítjuk, azzal jellemezve, hogy a hőre érzékeny anyag hőmérsékletváltozásának sebességét követjük és az anyagtól függő határértéktől való eltérés mértékében a hőközlés intenzitását változtatjuk.

2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a hőközléssel a szárítási és szublimációs folyamathoz szükséges hőmennyiséget biztosítjuk és hőközlés közben a vákuumba semleges gázt, különösen nitrogént juttatunk.

3. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a semleges gáz nyomását a hőmérséklet függvényében változtatjuk.

4. Berendezés hőre érzékeny anyagok fagyasztva szárítására, amely hőre érzékeny anyagot hordozó tartóban elrendezett anyaghőmérőt, fűtőegységet és a fűtőegység hőmérsékletét követő hőmérőt tartalmaz, ahol a tartó zárt térben van elrendezve, amely vákuumszivattyúhoz van csatlakoztatva, és ahol a fűtőegység vezérlő elemre van vezetve, azzal jellemezve, hogy a zárt tér (1) semleges gázt, különösen nitrogént tartalmazó tartállyal (8) közlekedik és a vezérlő elem a hőmérővel (5) és az anyaghőmérővel (6) csatlakoztatott mikroprocesszoros vezérlő egységként (11) van kialakítva.

5. A 4. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a zárt tér (1) és a tartály között a mikroprocesszoros vezérlő egységgel (11) vezérelt szelep (7) van beiktatva.

6. A 4. vagy 5. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a mikroprocesszoros vezérlő egység (11) a zárt tér (1) nyomását követő vákuummérő (10) kimenetével van csatlakoztatva.