RU2108382C1

RU2108382C1 - Method of drying biological preparation in ampoules

Info

Publication number: RU2108382C1
Application number: RU94028200A
Authority: RU
Inventors: С.М. Кальной; Г.Н. Галенко
Original assignee: Ставропольский научно-исследовательский противочумный институт
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1998-04-10
Also published as: RU94028200A

Abstract

FIELD: microbiological methods. SUBSTANCE: method is intended to be used when preparing dry preparations in ampoules and when making collections of live microorganism cultures. Preparations are dried in ampoules through sublimation involving feeding cooled inert gas into each ampoule, pressure difference between fed and outgoing streams being ΔP = 0.98 to 2.94 Pa. EFFECT: essentially reduced power consumption and speeded up drying procedure.

Description

Изобретение относится к биотехнологии и медицинской микробиологии и может быть использовано для получения сухих биопрепаратов в ампулах, а также при создании коллекций живых культур микроорганизмов. The invention relates to biotechnology and medical microbiology and can be used to obtain dry biological products in ampoules, as well as when creating collections of live cultures of microorganisms.

Заявляемое изобретение направлено на решение задач ускорения процесса лиофильной сушки при сохранении структуры и качества биоматериалов на коллекторной установке типа Долинова. The claimed invention is directed to solving the problems of speeding up the process of freeze drying while maintaining the structure and quality of biomaterials in a collector plant of the Dolinov type.

Известен способ лиофильного высушивания, который включает подготовку, предварительное замораживание материала, сублимацию или переход воды в парообразное состояние непосредственно из твердой фазы (минуя жидкую) в условиях вакуума, удаление испаряемой влаги (Бланков Б.И., Клебанов Д.Л. Применение лиофилизации в микробиологии. -М.: Медгиз, 1961, с. 8-9). Удаление паров из препарата осуществляется с помощью охлаждаемых конденсаторов или прокаленного гипса, или адсорбента (например силикагеля). В процессе высушивания из биоматериала удаляется 98/99% свободной и частично связанной воды. При высушивании этим методом физико-химическая структура биоматериала подвергается минимальным изменениям, так как сублимация фиксирует "скелет" биосистемы, чего не наблюдается при сушке биоматериала из жидкого состояния. A known method of freeze drying, which includes the preparation, preliminary freezing of the material, sublimation or the transition of water to a vapor state directly from the solid phase (bypassing the liquid) under vacuum, removal of evaporated moisture (Blankov B.I., Klebanov D.L. Microbiology.-M.: Medgiz, 1961, p. 8-9). Vapors are removed from the preparation using cooled condensers or calcined gypsum, or an adsorbent (e.g. silica gel). During the drying process, 98/99% of free and partially bound water is removed from the biomaterial. When this method is dried, the physicochemical structure of the biomaterial undergoes minimal changes, since sublimation fixes the "skeleton" of the biosystem, which is not observed when drying the biomaterial from a liquid state.

Известен способ высушивания частиц растворов при параллельном токе газа и частиц раствора сверху вниз или же во встречных потоках газа и частиц раствора - распылительная сушка (Никитин Е.Е., Звягин И.В. Замораживание и высушивание биологических препаратов. -М.: Колос, 1971, с. 128-131). Он более производителен. Однако при данном способе высушивание биоматериала производится непосредственно из жидкого состояния минуя стадию сублимации, что ведет к глубоким повреждениям биомолекул. Также отсутствует возможность сушки непосредственно в ампулах или флаконах, возрастает риск контаминации, который при работе с биологическими или фармакологическими объектами должен сводиться к минимуму. Все вышеизложенное существенно ограничивает применение этого метода. A known method of drying particles of solutions with a parallel flow of gas and particles of solution from top to bottom or in opposing flows of gas and particles of solution is spray drying (Nikitin E.E., Zvyagin I.V. Freezing and drying of biological preparations. -M .: Kolos, 1971, p. 128-131). It is more productive. However, with this method, the drying of the biomaterial is carried out directly from the liquid state, bypassing the sublimation stage, which leads to deep damage to the biomolecules. Also, there is no possibility of drying directly in ampoules or bottles, the risk of contamination increases, which when working with biological or pharmacological objects should be minimized. All of the above significantly limits the application of this method.

Широко известен также способ высушивания расфасованного биоматериала в камерных вакуумных установках (Никитин Е.Е., Звягин И.В. Замораживание и высушивание биологических препаратов. -М. : Колос, 1971, с. 113-120). Он включает те же этапы, что и другие способы лиофилизации: расфасовку материала, предварительное замораживание, сублимацию под вакуумом, отвод влаги. В некоторых установках данного типа применяется дополнительный прием, заключающийся в автоматической подаче в камеру газа (азота) или сухого стерильного воздуха. Причем давление газов не должно превышать половины давления пара высушиваемого продукта (там же, с. 76-117). Этот прием за счет понижения вакуума в камере увеличивает теплопроводность, а следовательно, конвенционную подачу тепла к высушиваемому препарату, что ускоряет процесс сублимации. The method of drying the packaged biomaterial in vacuum chamber systems is also widely known (Nikitin E.E., Zvyagin I.V. Freezing and drying of biological preparations. -M.: Kolos, 1971, p. 113-120). It includes the same steps as other lyophilization methods: material packaging, preliminary freezing, sublimation under vacuum, moisture removal. In some installations of this type, an additional technique is used, which consists in the automatic supply of gas (nitrogen) or dry sterile air into the chamber. Moreover, the gas pressure should not exceed half the vapor pressure of the dried product (ibid., Pp. 76-117). This technique, by lowering the vacuum in the chamber, increases the thermal conductivity and, consequently, the conventional supply of heat to the dried preparation, which speeds up the process of sublimation.

При всех преимуществах описанного метода - высокая производительность камерных аппаратов, техническое совершенство, низкая остаточная влажность, возможность дозировать препараты, процесс лиофилизации в них занимает продолжительное время - 20-70 ч, что влечет большой расход электроэнергии, высокие трудовые затраты. With all the advantages of the described method - high productivity of chamber devices, technical excellence, low residual humidity, the ability to dose drugs, the lyophilization process in them takes a long time - 20-70 hours, which entails a large consumption of electricity, high labor costs.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ высушивания биопрепаратов на коллекторном аппарате ЦИЭМ Долинова К. Е. (Долинов К. Е. Основы технологии сухих биопрепаратов. -М.: Медицина, 1969, с. 82-84). Этот способ применяется для высушивания дозированных препаратов (живых вакцин, сывороток, микроорганизмов, диагностических препаратов и др.) в небольших объемах (до 2,5 мл в ампуле). Closest to the technical nature of the claimed invention is a method of drying biological products on a collector apparatus TsIEM Dolinova K. E. (Dolinov K. E. Fundamentals of the technology of dry biological products. -M .: Medicine, 1969, S. 82-84). This method is used to dry dosed preparations (live vaccines, serums, microorganisms, diagnostic preparations, etc.) in small volumes (up to 2.5 ml in an ampoule).

Процесс сушки по этому способу включает: расфасовку биопрепарата по ампулам, предварительное замораживание в охлаждающей жидкости (сухой лед и спирт) при температурах от минус 20 до минус 78^oC, сублимацию под вакуумом при остаточном давлении около 0,9 Па 20-50 ч, удаление влаги.The drying process by this method includes: packaging the biological product in ampoules, preliminary freezing in a coolant (dry ice and alcohol) at temperatures from minus 20 to minus 78 ^o C, sublimation under vacuum at a residual pressure of about 0.9 Pa for 20-50 hours, moisture removal.

У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие существенные признаки: расфасовка биоматериала по ампулам, предварительное замораживание от минус 20 до минус 78^oC, сублимация под вакуумом, удаление влаги.The prototype and the claimed invention has the following essential features: packaging of the biomaterial in ampoules, preliminary freezing from minus 20 to minus 78 ^o C, sublimation under vacuum, moisture removal.

Недостатком описанного прототипа является длительность лиофилизации (20-50 ч), что влечет большой расход электроэнергии, высокие трудовые затраты. Указанный недостаток обусловлен тем, что в период сублимации идет медленное удаление паров из-за низкой температуры материала, узкого просвета в перешейках ампул, затруднения испарения влаги из глубоких слоев биоматериала (дно и стенки ампул). The disadvantage of the described prototype is the duration of lyophilization (20-50 hours), which entails a large consumption of electricity, high labor costs. This drawback is due to the fact that during the period of sublimation, the vapor is slowly removed due to the low temperature of the material, a narrow gap in the neck of the ampoules, and difficulty in evaporating moisture from the deep layers of the biomaterial (bottom and wall of the ampoules).

Целью предлагаемого изобретения является снижение трудовых энергозатрат в процессе лиофильного высушивания биоматериала на коллекторной установке типа Долинова К.Е., что достигается за счет двукратного ускорения процесса сублимации. The aim of the invention is to reduce labor energy consumption in the process of freeze drying of biomaterial in a collector plant such as KE Dolinova, which is achieved by doubling the speed of the sublimation process.

Поставленная цель достигается тем, что биопрепарат расфасовывают, замораживают и сублимируют под вакуумом с подачей в ампулы инертного газа, охлажденного до температуры биопрепарата, при разнице давлений поступающего и отходящего потоков ΔP = 0,98 - 2,94 Па. This goal is achieved by the fact that the biological product is packaged, frozen and sublimated under vacuum with an inert gas cooled to the temperature of the biological product in ampoules, with a pressure difference between the incoming and outgoing flows ΔP = 0.98 - 2.94 Pa.

По отношению к прототипу у заявляемого изобретения имеются следующие отличительные признаки: продувка биопрепарата в процессе сублимации непосредственно в каждой ампуле сухим, охлажденным до температуры биопрепарата инертным газом (азотом) при разнице давлений поступающего и отходящего потоков ΔP = 0,98 - 2,94 Па, что обеспечивает сокращение времени сушки в два раза. In relation to the prototype, the claimed invention has the following distinctive features: purge of the biological product in the process of sublimation directly in each ampoule with a dry, inert gas (nitrogen) cooled to the temperature of the biological product with a pressure difference between the incoming and outgoing flows ΔP = 0.98 - 2.94 Pa, which provides a reduction in drying time by half.

Сублимация превратившейся в лед свободной воды происходит сначала на открытой поверхности, а затем распространяется по поверхностям, граничащим со стенками сосуда и далее по мере удаления льда на все более и более глубокие слои замороженной массы. При этом освобождается сухая пористая масса вещества, состоящая из среды высушивания и биопрепарата и содержащая только связанную воду. Связанная вода в отличие от свободной удаляется только с поверхности всего объема пористой массы, предварительно освободившейся ото льда. Все этапы этого единого процесса высушивания ускоряются в два раза, если дополнительно направить поток инертного, охлажденного до температуры биопрепарата газа, который обладает свойством активно увлекать молекулы водяного пара по направлению к конденсатору влаги, что достигается за счет разницы давлений ΔP = 0,98 - 2,94 Па. Sublimation of free water turned into ice occurs first on an open surface, and then spreads over surfaces bordering the walls of the vessel and then, as the ice is removed, into deeper and deeper layers of the frozen mass. In this case, a dry porous mass of a substance consisting of a drying medium and a biological product and containing only bound water is released. Bound water, unlike free water, is removed only from the surface of the entire volume of the porous mass, previously freed from ice. All stages of this single drying process are accelerated by two times, if we additionally direct the inert gas stream cooled to a temperature of the biological product, which has the property to actively entrain water vapor molecules towards the moisture condenser, which is achieved due to the pressure difference ΔP = 0.98 - 2 94 Pa.

Этот прием помимо двукратного ускорения процесса лиофилизации обеспечивают экономию электроэнергии и снижает трудовые затраты. This technique, in addition to doubling the lyophilization process, provides energy savings and reduces labor costs.

Таким образом, между отличительными признаками и целью изобретения существует причинно-следственная связь. Thus, between the distinguishing features and the purpose of the invention there is a causal relationship.

Пример 1. Чистую культуру штамма кишечной палочки, подлежащего лиофильному высушиванию, засевают в 4 пробирки со скошенным агаром, которые инкубируют при 37^oC в течение 18-20 ч. С поверхностей агара всех пробирок делают смыв культуры 2 мл сахарозо-желатиновой среды и в стерильных условиях шприцем с длинной иглой или Пастеровской пипеткой вносят в каждую ампулу по 0,2 мл суспензии клеток, затем ампулы подсоединяют к резиновым цилиндрическим муфтам, закрепленным на коллекторе.Example 1. A pure culture of the strain of Escherichia coli, which is subject to freeze-drying, seeded in 4 tubes with beveled agar, which are incubated at 37 ^o C for 18-20 hours. From the surfaces of the agar of all tubes, the culture is washed off with 2 ml of sucrose-gelatin medium and in In sterile conditions, 0.2 ml of a cell suspension is introduced into each ampoule with a syringe with a long needle or a Pasteur pipette, then the ampoules are connected to rubber cylindrical couplings attached to the collector.

На стеблях ампул имеется сужение, наличие которого в соответствии с эмпирической формулой, характеризующей допустимые оптимальные отношения диаметра прохода и площади испарения

где D - диаметр прохода, мм; S_с - площадь испарения, см².On the stems of the ampoules there is a narrowing, the presence of which is in accordance with the empirical formula characterizing the permissible optimal ratio of the diameter of the passage and the area of evaporation

where D is the diameter of the passage, mm; S _with - area of evaporation, cm ² .

Меньший диаметр является недопустимым для достижения оптимальных условий испарения. В связи в этим в каждую ампулу вводят воздуховодную трубку с диаметром на выходе 0,1-0,3 мм, что позволяет подавать поток газа (азота) перпендикулярно и непосредственно к поверхности высушиваемого материала. Устанавливают расстояние между концами воздуховодных трубок и поверхностью высушиваемой бактериальной массы 2-3 мм. Погружают концы ампул на глубину 25-30 мм в кювету с охлаждающей смесью (сухой лед и спирт), замораживают содержимое ампул в течение 5 мин. Включают вакуумный насос. Проверяют герметичность смонтированной системы по показанию манометрической лампы на шкале вакуумметра. После достижения вакуума до 0,98 Па включают дозатор для подачи через воздуховодные трубки дополнительных потоков азота, который проходит через осушитель, впускной фильтр и охлаждается до температуры суспензии при прохождении его по змеевику по дну кюветы с охлаждающей смесью. Степень открытия дозатора контролируют вакуумметром по снижению вакуума в системе до ΔP = 0,98 Па, что обеспечивает достаточное для активного удаления паров воды из ампул за счет поступления азота через воздуховоды. Через 4 ч культура имеет вид сухой пористой массы, сформированной в виде таблетки. A smaller diameter is not acceptable to achieve optimal evaporation conditions. In this regard, an air tube with an outlet diameter of 0.1-0.3 mm is introduced into each ampoule, which allows a gas (nitrogen) stream to be supplied perpendicularly and directly to the surface of the material to be dried. Set the distance between the ends of the air tubes and the surface of the dried bacterial mass of 2-3 mm Immerse the ends of the ampoules to a depth of 25-30 mm in a cuvette with a cooling mixture (dry ice and alcohol), freeze the contents of the ampoules for 5 minutes. Turn on the vacuum pump. Check the tightness of the mounted system by reading the gauge lamp on the gauge scale. After the vacuum is reached up to 0.98 Pa, a dispenser is turned on to supply additional nitrogen flows through the air tubes, which passes through a dehumidifier, an inlet filter and is cooled to the temperature of the suspension as it passes through the coil along the bottom of the cell with the cooling mixture. The degree of opening of the dispenser is controlled by a vacuum gauge to reduce the vacuum in the system to ΔP = 0.98 Pa, which provides sufficient for the active removal of water vapor from the ampoules due to the flow of nitrogen through the ducts. After 4 hours, the culture has the appearance of a dry porous mass formed in the form of a tablet.

Пример 2. Выполняется аналогично примеру 1 с тем отличием, что разница давлений поступающего и отходящего потоков газа ΔP = 1,96 Па. Через 6 ч культура имеет вид сухой пористой массы, сформированной в виде таблетки. Example 2. It is carried out analogously to example 1 with the difference that the pressure difference between the incoming and outgoing gas flows ΔP = 1.96 Pa. After 6 hours, the culture has the appearance of a dry porous mass formed in the form of a tablet.

Пример 3. Выполняется аналогично примеру 1, за исключением того, что разница давлений поступающего и отходящего потоков азота ΔP = 2,94 Па. Через 8 ч культура имеет вид сухой пористой массы, сформированной в виде таблетки. Example 3. It is carried out analogously to example 1, except that the pressure difference between the incoming and outgoing nitrogen flows ΔP = 2.94 Pa. After 8 hours, the culture has the appearance of a dry porous mass formed in the form of a tablet.

ΔP ниже 0,98 Па не будет обеспечивать активного удаления паров и сокращения скорости высушивания. Превышение величины ΔP = 2,94 Па приводит к выносу высушиваемого материала за пределы ампулы и рассеиванию его по коллектору. ΔP below 0.98 Pa will not provide active vapor removal and a reduction in the drying rate. Exceeding ΔP = 2.94 Pa leads to the removal of the dried material outside the ampoule and its dispersion through the collector.

Скорость лиофильного высушивания препаратов при использовании предлагаемого способа значительно увеличивается и время, затрачиваемое на высушивание бактериальных препаратов, сокращается в два раза при сохранении всех требуемых свойств, предъявляемых к высушиваемым препаратам, в том числе и сохранении высокого уровня жизнеспособности микроорганизмов. The speed of freeze drying of the drugs when using the proposed method significantly increases and the time spent on drying the bacterial preparations is reduced by half while maintaining all the required properties for dried preparations, including maintaining a high level of viability of microorganisms.

Claims

A method of drying a biological product in ampoules, including the packaging of a biological product, freezing it, sublimation under vacuum, characterized in that in the process of sublimation, an inert gas cooled to the temperature of the biological product is supplied to each ampoule with a difference in the pressure of the incoming and outgoing flows ΔP = 0.98 - 2 94 Pa.