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【瑞士步琦】【應(yīng)用】通過壓差測試確定冷凍干燥終點
通過壓差測試
確定冷凍干燥終點
凍干應(yīng)用
”
1
簡介
冷凍干燥過程通常持續(xù)數(shù)天,，包括兩個關(guān)鍵階段：主干燥階段，即升華發(fā)生,；次干燥階段,，即殘余水的解吸附完成循環(huán)。實現(xiàn)最佳干燥過程需要在產(chǎn)品中最小殘留水分與最短干燥時間之間取得平衡,。滿足這一要求具有挑戰(zhàn)性,，并且高度依賴于應(yīng)用。
過程分析技術(shù),，包括壓力計和溫度探頭,，廣泛應(yīng)用于冷凍干燥系統(tǒng)中，產(chǎn)品通常放置在玻璃瓶或金屬托盤中的隔板上,。此類系統(tǒng)中的關(guān)鍵分析工具是壓差測試,，也稱為比較測試，它比較由皮拉尼傳感器和電容式壓力計測量的壓力,。這種差異源于這些傳感器的不同測量原理,。皮拉尼傳感器基于氣體分子的熱導(dǎo)率工作,，熱導(dǎo)率隨氣體組成而變化，并且僅在氮氣或空氣環(huán)境中校準條件下提供準確讀數(shù),。在純水蒸氣環(huán)境中,，由于水蒸氣的熱導(dǎo)率高于氮氣，皮拉尼傳感器表現(xiàn)出約60%的偏移,。[1] 相比之下,，電容式壓力計獨立于氣體組成測量壓力，提供更穩(wěn)健的測量,。在冷凍干燥過程中,，皮拉尼傳感器的讀數(shù)與電容式壓力計的讀數(shù)一致，標志著干燥終點,。[2]
然而,，在多歧管冷凍干燥中，各種樣品在圓底或燒杯燒瓶中連接到單個批次,，升華和解吸嚴重依賴于輻射和傳導(dǎo)等環(huán)境因素,。因此，干燥時間和殘留水分隨環(huán)境條件變化顯著,，使得確定過程終點變得困難,。在實踐中，用戶通常依賴視覺檢查或經(jīng)驗判斷,，導(dǎo)致干燥時間延長,、生產(chǎn)率降低、干燥錯誤和操作成本增加,。
本研究探討了壓差測試在多歧管樣品中確定干燥終點的應(yīng)用,。其次，評估了其相對于傳統(tǒng)視覺檢查方法的優(yōu)勢,，并探討了該測試在不同水-溶劑混合物中的可行性,，以確定可靠操作的最大溶劑濃度。研究結(jié)果突出了在多歧管冷凍干燥應(yīng)用中提高工藝效率和樣品處理量,、同時降低操作成本的潛力,。
2
設(shè)備
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Lyovapor™ L-250 Basic，BÜCHI Labortechnik AG
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帶 12 個端口的多歧管干燥室
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真空泵 nXDSiC 6,，Edwards
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旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 R-300,，帶杜瓦瓶
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1升圓底燒瓶
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電容式和皮拉尼壓力計，Inficon
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分析天平（精度 ±0.1 毫克）
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鹵素水分分析儀,，Mettler Toledo HR73
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化學(xué)品和材料
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D-甘露醇,，F(xiàn)luka (63560)
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去離子水
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乙腈 99%，VWR (20070.462)
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乙醇 90%,，Merck (1.00983.1011)
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甲醇 90%,，Merck (1.06009.2500)
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三氟乙酸 99.9%，Carl Roth (6957.20)
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丙酮 99%,，Merck (8.22251)
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叔丁醇 99%,，Roth (4323.1)
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乙酸 95.9%，Carl Roth (T179.1)
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甲酸 85%,，VWR (20315.366)
請務(wù)必注意所有相應(yīng)的材料安全數(shù)據(jù)表（MSDS）以確保安全操作,！
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步驟
4.1 冷凍干燥
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在 Lyovapor™ L-250 上完成調(diào)節(jié)步驟后，進行了真空測試,，目標壓力為 0.10mbar,。自動識別了外部壓力計之間的偏移
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手動啟動干燥過程，壓力設(shè)置為 0.1mbar,，即極限真空
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每個圓底燒瓶中裝入 200 毫升 50 毫克/毫升的甘露醇溶液,，溶劑為 70:30 體積比的去離子水-乙腈混合物，以及其他溶劑混合物
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每個燒瓶隨后轉(zhuǎn)移到 R-300 上,，浸入裝有干冰-乙醇混合物的杜瓦瓶中,，溫度約為 -80°C
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樣品在旋轉(zhuǎn)下冷凍 10 至 15 分鐘
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樣品分別連接到多歧管干燥室。在每次連接前,，驗證實際壓力是否在設(shè)定壓力范圍內(nèi)
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所有 12 個燒瓶連接后,，啟動壓差測試
表1：Lyovapor™ L-250 Basic 的壓差測試設(shè)置。
壓力限制 | 0.027mbar | |
時長 | 5 min | |
偏移限制 | 0-0.04mbar | |
* 壓力限制：皮拉尼和電容式壓力計之間的估計差異,。通過測試的標準,。
* 時間：每次測試的持續(xù)時間。測試持續(xù)到達到壓力限制,。
* 偏移限制：由真空測試估計,。
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通過測試后，取 6 個樣品進行水分含量分析,。
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在沒有壓差測試的參考實驗中,，使用相同的程序。終點通過肉眼檢測,，標準是干燥粉末的外觀,。
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通過壓差測試后，收集 6 個樣品進行水分含量分析,。
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在參考實驗中,，未進行壓差測試，遵循相同的程序,。終點通過視覺確定,，基于干燥粉末的外觀。
4.2 鹵素水分分析
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分析干燥樣品（有和沒有壓差測試）的殘留水分含量，以評估干燥效率
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使用刮刀研磨樣品,，并在 30 秒內(nèi)轉(zhuǎn)移到水分分析儀
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使用鹵素水分分析儀,，參數(shù)如表3所示，進行水分含量分析
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關(guān)閉標準設(shè)置為 140 秒內(nèi)變化不超過 1 毫克
表2：水分分析儀設(shè)置
關(guān)閉標準 | 5 | |
干燥溫度 | 110℃ | |
5
結(jié)果
5.1 70:30 體積比水-乙腈甘露醇樣品的壓差測試
將 12 個樣品連接到多歧管后,，壓差測試在 1.7 小時啟動,，如圖1所示。在此階段,，由于高蒸汽負荷,，多歧管室內(nèi)的壓力增加，蒸汽只能逐漸到達冰冷凝盤管,。這種增加歸因于多歧管干燥室內(nèi)鋼管的空間限制,。
開始時，皮拉尼傳感器顯示的壓力讀數(shù)高于電容式壓力計,，反映了蒸汽組成的影響,。然而，隨著干燥過程接近尾聲,，升華減少,，兩個傳感器的壓力讀數(shù)趨于一致，表明蒸汽量減少,，過程接近完成,。
▲ 圖1：12個圓底燒瓶在多歧管上的皮拉尼和電容式壓力計測量的壓力,。
為了演示目的，圖1中的壓力差異被估計并顯示在圖2中,。儀器通常完成此檢測,，隨后在顯示屏,、應(yīng)用程序和 Lyovapor™ 軟件上顯示信息,。圖1和圖2中的條形表示通過壓差測試,，因為達到了 0.02mbar 的設(shè)定限制,。
▲ 圖2：12個圓底燒瓶在多歧管上的兩個壓力計之間的計算壓力差異,。
隨后,，取六個樣品并立即轉(zhuǎn)移到水分分析儀以確定殘留水分含量。測得的平均水分為 2.15%,，如表3所示。為了進行比較,，進行了沒有壓差測試的參考實驗,。在該實驗中,，第一個樣品在 13 小時后看起來干燥，隨后分析另一個樣品,。水分分析結(jié)果總結(jié)在表4中,。
結(jié)果比較顯示，采用壓差測試的運行樣品表現(xiàn)出較低的水分含量,，證明了該方法相對于視覺檢測方法的改進效率和可靠性,。
表3：通過壓差測試后的樣品殘留水分含量。
樣品 | 殘余水分含量% | |
1 | 2.69 | |
2 | 0.63 | |
3 | 2.52 | |
4 | 2.53 | |
5 | 2.31 | |
6 | 2.26 | |
表4：通過視覺檢查的樣品隨時間變化的殘留水分含量,。
處理時長 | 殘余水分含量% | |
13h | 4.03 | |
14h | 3.64 | |
15h | 4.38 | |
16h | 3.55 | |
17h | 3.52 | |
18h | 3.80 | |
▲ 圖3：13小時（左）和19小時（右）后獲得的干燥樣品圖像。
為了確認壓差測試作為實現(xiàn)低殘留水分的有效工具的可靠性,，進行了三次額外的運行,，并分析了水分含量（表5）,。結(jié)果表明,，測試通過所需的時間存在波動,。這種波動源于升華速率對環(huán)境因素（如環(huán)境光和室溫）的依賴性，這些因素顯著影響樣品,。然而，所有運行中的水分含量，包括平均值，均低于通過視覺檢測方法實現(xiàn)的水分含量，突顯了壓差測試的準確性和有效性,。
表5：壓差測試的水-有機溶劑混合物中有機溶劑的濃度。
運行 | 通過測試的時間h | 水分含量% |
1 | 22 | 2.61 |
2 | 21 | 3.01 |
3 | 19 | 2.90 |
平均 | 21 | 2.72 |
5.2 甘露醇樣品與有機-水混合物的壓差測試
研究已擴展到水-溶劑混合物,。目的是找出混合物中有機溶劑的最大濃度，該濃度仍允許皮拉尼傳感器顯示偏移行為,。如引言中所述,，皮拉尼在水蒸氣飽和環(huán)境中顯示 0.6 倍的偏移。表6顯示了該研究的結(jié)果,。
表6：成功壓差測試的水-有機溶劑混合物中有機溶劑的濃度。
溶劑 | 混合物中的最大濃度% | |
水 | 100 | |
乙腈 | 30 | |
乙醇 | 10 | |
甲醇 | 10 | |
三氟乙酸 | 5 | |
丙酮 | 5 | |
叔丁醇 | 30 | |
乙酸 | 5 | |
甲酸 | 1 | |
6
結(jié)論
壓差測試展示了在多歧管配置中優(yōu)化冷凍干燥過程的顯著優(yōu)勢。通過防止燒瓶或樣品過早脫離,，該技術(shù)確保了最佳干燥條件，并最大限度地降低了高殘留水分的風險,。它還提供了即使在可變環(huán)境條件下也一致且可重復(fù)的水分含量結(jié)果，從而提高了過程的可靠性,。此外,，該測試有助于縮短干燥時間，提高了整體效率,。研究還強調(diào)了傳感器在各種溶劑組成中的性能，展示了其在確定含有不同水-有機溶劑混合物的樣品中冷凍干燥終點的適用性,。
當在 L-250 Pro 儀器上實施時,，通過預(yù)編程的主干燥和次干燥階段設(shè)置，壓差測試能夠精確控制過程,，減少錯誤并優(yōu)化結(jié)果,。此外，該技術(shù)補充了用戶驅(qū)動的視覺評估,，為遵守特定標準操作程序提供了靈活性,。
L-250 配置具有 12 個多歧管連接和集成壓力計，為研發(fā)實驗室和分析應(yīng)用提供了強大而多功能的解決方案,。
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