冻干工艺中关键温度的测量方法

【概述】

      冻干过程中进行工艺设计或工艺优化时，首先要做的是测量样品的几个关键温度：共晶点温度、共熔点温度、玻璃化转变温度、崩解温度，我们才能根据这些温度设计冻干曲线。

【实验/设备条件】

       冻干机性能稳定，可进行精准的温度控制。

【样品提取】

       研究样品：多肽

【实验/研究成功】

冻干工艺中的关键温度如何测量？

　　冻干过程中进行工艺设计或工艺优化时，首先要做的是测量样品的几个关键温度，我们才能根据这些温度设计冻干曲线。

　　那几个关键温度要用何种方法测量呢?今天我们就来探讨一下。

　　1、共晶点温度（共熔点温度）的测量方法

　　测量共晶点温度可采用电阻测定法、电容测定法、差示扫描量热仪法、低温显微镜直接观察法、数字公式计算法，几种方法各有优劣。

　　(1)电导或电阻测定法

　　电导(阻)法测共晶点操作简单、方便易行，目前应用最多，但对非电解质溶液则无法准确测定。

　　样品预冻过程中，从外表观察来确定样品是否冻结是不可能的。通过测量冻结过程中产品结构发生变化时的导电性能变化，可判断冻结是否完成。

　　原理：根据S.A.Arrhenius(阿仑尼乌斯)电离学说原理，当水中含有杂质时，部分杂质就分解成电离子，这时水是导电的，温度下降溶液电阻会逐渐增大，当溶液全部凝固成固体时，溶液中的离子会失去自由活动能力，电阻突然增大，此时 温度即为共晶点；反之，冻结的制品在升温过程中，电阻突然减少时的温度即为共熔点。

　　北京四环起航原位硅油冻干机可选配共晶点测试仪，采用电阻测定法，测定样品的共晶点温度。

　　(2)电容测定法

　　原理：在样品冷冻与加热过程中，随水分的结晶与熔化，电容量将发生显著改变，利用这一性质，可用于测定共晶点并探测产品是否冻结，也可设定一个合适的电容值直接控制加热升华。

　　水和冰的介电常数不同，水的介电常数为78.3(水温25℃)，冰的介电常数为3~4.而物理吸附和化学结合的水分随着结合程度的不同，介电常数在10~80之间。采用绝缘体分开的两片金属电极组成一电容器，将样品溶液作为电介质置于电极之间，则在冻干各相变化过程中，电容器的电容量将发生不同程度变化。在升华过程中，由于冰晶逐渐减少，电容量随之降低，故电容量随时间的变化的斜率反应了质量转移的速率，所以实际上电容变化曲线就是冰晶的干燥曲线。另外，电介质的性能在真空与空气间差别很小，介电常数的测定可认为与压力无关，因此电容法可直接在冻干过程中应用。

　　电容测定法较电阻测定法可应用范围更广泛，可用于电解质和非电解质溶液，也可用于粒状或不均匀的块状物。

　　(3) 热分析法

　　差示扫描量热法(DSC)是在温度程序(升温或降温)控制下，测量输送给样品和参比物质的能量差值随温度变化的方法。DSC可以精确快速地计算热效应的吸放热量(热焓)与特征温度(起始点、峰值、终止点等)。

　　DSC测量方法是目前医药、无机材料、金属材料、复合材料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂、生物有机体、食品等领域测量共晶点和共熔点的常用方法。

　　除以上3个常用方法外，也可采用低温显微镜直接观察或数字公式计算等方法得到溶液的共晶(熔)点。

　　2、玻璃化转变温度的测量方法

　　测量样品的玻璃化转变温度常用的方法是DSC法。由于玻璃化转变温度是物质由流动性较强的液体状态转变为粘度极大、流动性差的玻璃化状态时的温度。因此，使用DSC法记录样品与参比物质的能量差值，DSC图谱上的比热变化即为样品的玻璃化转变温度。

　　样品未发生热效应的情况下，参比端与样品端的信号差接近于0.在DSC图谱上，体现为一段近乎水平的线，即“基线”。一旦样品发生热效应，样品端与参比端即会产生温差/热流信号差。根据DIN标准与热力学规定，正值为样品的吸热峰，较为典型的吸热效应有熔融、分解、解吸附等;负值为放热峰，较为典型的放热效应有结晶、氧化、固化等;比热变化则体现为基线高度的变化，即曲线上的台阶状拐折，玻璃化转变就是一种较为典型的比热变化。

　　此外，还可用差热分析法(DTA)法、低温显微镜直接观察法进行测量。

　　3、崩解温度的测量方法

　　冻干工艺设计之前，测量样品的崩解温度，是工艺设计和优化的重要步骤。目前主流的崩解温度测量方法主要是低温显微镜直接观察法。

　　低温显微镜直接观察法即用低温显微镜观测制品的结晶过程，根据所拍摄的图像或视频得出共晶点(共熔点)温度、塌陷温度、玻璃化转变温度。

　　样品冻干前首先测量样品的各关键温度才能设计出更为高效合理的冻干曲线，对于样品整个冻干过程的控制也会更加游刃有余。

【仪器/耗材清单】

       北京四环起航LGJ-T30真空冷冻干燥机