مقدمة
التجفيف بالتجميد (التجفيف بالتجميد) هو تقنية تستخدم على نطاق واسع في التقنيات الصيدلانية لتحويل المواد القابلة للحرارة مثل البروتينات أو الجسيمات الشحمية - دون معالجة حرارية - إلى أشكال قابلة للاستخدام والتخزين. الهدف من التجفيد بالتجميد هو الإزالة اللطيفة للماء من المحاليل للحصول على مسحوق مستقر من الرطوبة والمسامية المتبقية المحددة.
تركيبة المنتج لها تأثير حاسم على معلمات العملية وبالتالي لها تأثير أيضًا على نوع وجودة وثبات المجفف بالتجميد الناتج. يوفر قياس المسعر بالمسح الديناميكي (DSC) معلومات مهمة لاختيار الظروف المناسبة.
عادةً ما تكون المحاليل المراد تجفيدها بالتجميد عبارة عن أنظمة معقدة متعددة المكونات تتكون من مكونات نشطة ومواد مضافة وماء. وتتضمن المواد المساعدة أملاح التنغيم (لضبط تساوي التوتر)، والمواد العازلة، والمواد العازلة، والمواد المبردة (للحماية من التلف أثناء التجميد) والمواد البانية التي تعطي بنية للمنتج المجفف بالتجميد. وقد أثبتت السكريات مثل السكروز أو التريهالوز فعاليتها الكبيرة في تثبيت البروتينات [5]. تعتمد الاعتبارات التالية على السكروز كمادة نموذجية. تم إنتاج المحاليل المذكورة من السكروز المتوفر تجاريًا من السكروز ذي الجودة الصيدلانية (Caesar & Loretz، هيلدن) والماء المقطر المزدوج.
يمكن تقسيم عملية التجفيد بالتجميد عمومًا إلى 3 خطوات متتالية:
التجميد العميق
تميل محاليل السكر إلى التشبع الزائد. عند التبريد، يتكون الثلج ومحلول السكروز اللزج بشكل متزايد. وتؤدي اللزوجة المتزايدة إلى تعقيد عمليات الانتشار، وهو أمر ضروري للتبلور. ونتيجة لذلك، لا يتبلور النظام بل يتصلب كسائل غير مبرد دون فصل طور كامل (زجاج). تُسمى درجة حرارة الانتقال الزجاجي للمحلول المركز إلى أقصى حد Tg' وهي خاصة بالمادة [3].
أثناء التبريد، يمكن ملاحظة التبريد الفائق في كثير من الأحيان. وتمثل المحاليل الصيدلانية للاستخدام بالحقن (إعطاء الدواء عن طريق الحقن (تجنبًا للجهاز الهضمي)، والتي يجب أن تكون خالية من الجسيمات، حالة متطرفة. فهي لا تحتوي فعليًا على شوائب غير متجانسة يمكن أن تعمل كنواة تبلور. ولذلك، غالبًا ما يكون التنوي البلوري في مثل هذه المحاليل محتملًا فقط عندما تقترب درجة الحرارة من -40 درجة مئوية.
يوضح الشكل 2 سلوك التجميد لمحلول سكروز بنسبة 10% من السكروز. تم تبريد العينة بجهاز NETZSCH DSC 204 F1 (انظر الشكل 1) في بوتقة ألومنيوم مغلقة بمعدل تبريد مضبوط قدره 5 كلفن/دقيقة. يتصلب المحلول فائق التبريد بسرعة فائقة عند -20 درجة مئوية (درجة حرارة البداية الاستقرائية).
يمكن أن تكون البقع الخشنة الموجودة داخل البوتقة أو آثار التلوث الناجم عن التحضير بمثابة بلورات البذور. ولهذا السبب، لا يمكن عمومًا ربط درجات حرارة التصلب المحددة بهذه الطريقة بتركيز محاليل السكر المستخدمة.
أثناء الانتقال من الماء إلى الجليد، يحدث تغير في الحرارة النوعية من 4.18 جول/كجم-ك (الماء) إلى 2.1 جول/ك (الجليد، تحت نقطة التجمد مباشرةً)، وهو المسؤول بشكل أساسي عن التحول الواضح في خط الأساس قبل وبعد ذروة التصلب/الذوبان (الشكل 2: الانتقال من الماء إلى الجليد - والشكل 3: الانتقال من الجليد إلى الماء).
في التسخين اللاحق بمعدل تسخين 5 كلفن/دقيقة (الشكل 3)، يظهر الانتقال الزجاجي للمحلول المركز إلى أقصى حد عند -32 درجة مئوية (نقطة المنتصف). تتفق هذه القيمة جيدًا مع بيانات الأدبيات التي تفترض -32 درجة مئوية و -33 درجة مئوية [2]، [4].
ويتبع الانتقال الزجاجي ذروة حرارية داخلية أثناء التسخين (في الجزء الداخلي في الشكل 3)، وتصف درجة حرارة البداية المستقرأة Tm´،بداية ذوبان الجليد. ووفقًا لروس [1]، لا يمكن ملاحظة الحد الأقصى "لتركيز التجمد" إلا عند درجات حرارة التجمد بين Tg´وTm´.
تتوافق المنطقة أسفل ذروة الذوبان مع جزء الماء الحر. والنقطة المرجعية هنا هي حرارة انصهار الجليد البالغة 333.7 جول/غرام.
في المحاليل منخفضة التركيز، يمكن تحديد نسبة السكروز من ارتفاع الانتقال الزجاجي المعني. في الشكل 4، تتفق ارتفاعات الخطوة (قيم Δcp) للمحاليل التي تبلغ 5% و10% و20% - مع نتائج تبلغ 0.127 جول/ج-ك و0.258 جول/ج-ك و0.516 جول/ج-ك - بشكل جيد للغاية مع قياس التركيز بمعامل 2، بينما تظل درجات حرارة الانتقال الزجاجي ثابتة إلى حد كبير. توجد علاقة خطية بين ارتفاع الخطوة والتركيز (الشكل 5).
بالإضافة إلى ذلك، مع زيادة تركيز محاليل السكروز، تنتقل بداية ذوبان الثلج (درجة حرارة البداية المستقرأة) إلى قيم أقل في الشكل 6. عند التركيزات الأعلى، ينتج عن ذلك انخفاض الفترة الفاصلة بين الانتقال الزجاجي للمحلول المركز إلى أقصى حد وبداية ذوبان الماء الحر.
تتبلور بعض المواد غير المتبلورة مرة أخرى عند التسخين فوق درجة حرارة الزجاج. ويمكن استخدام هذا التأثير، الذي يُطلق عليه إزالة التبلور أو التبلور البارد، لتغيير المسامية والرطوبة المتبقية في المجفف بالتجميد [2] عن طريق تقسية المادة فوق درجة حرارة إعادة التبلور (البداية الاستقرائية). وبسبب إعادة التبلور، يحدث انفصال طوري ويتحول الماء "غير المجمد" المنطلق إلى جليد. ومع ذلك، كما هو موضح في الشكل 3، لا يحدث أي تبلور لاحق للتبلور في حالة السكروز.
التجفيف الأولي
في هذه الخطوة، تتم إزالة الجليد المتجمد في الفراغ عن طريق التسامي (الانتقال من الحالة الصلبة إلى الحالة الركامية الغازية).
خلال هذه العملية - التي يتم فيها توفير الحرارة من الخارج - يجب ألا ترتفع درجة الحرارة في المنتج فوق درجة حرارة الانتقال الزجاجي لأن هذا يؤدي إلى تليين بنية الإطار وانهيار النظام [5]. يسمى تدمير بنية الإطار أثناء مرحلة التجفيف بالانهيار.
على الرغم من الإبلاغ عن درجات حرارة الانهيار التي تكون أعلى بمتوسط 1 إلى 5 كلفن من درجات حرارة الانتقال الزجاجي المقابلة [6]، فإن التحولات الزجاجية للمحاليل المركزة إلى أقصى حد، Tg´،والتي يمكن تحديدها عن طريق DSC، هي نقاط مرجعية جيدة لتحديد موقعها.
التجفيف الثانوي
في هذه الخطوة، يتم تجفيف المنتج إلى مستوى الرطوبة النهائي المطلوب عن طريق امتصاص الماء الموجود في المصفوفة عن طريق زيادة بطيئة في درجة الحرارة.
في المجففات غير المتبلورة، يجب أن ينتشر الماء من المرحلة الزجاجية إلى السطح. وهذه العملية البطيئة نوعًا ما هي السبب في أن خطوة ما بعد التجفيف هي التي تحدد غالبًا سرعة التجفيف بالتجميد للمجففات غير المتبلورة [2].
ونظرًا لتأثير الماء الملين للماء، ترتبط درجة حرارة الانتقال الزجاجي للمرحلة غير المتبلورة ارتباطًا مباشرًا بالمحتوى المائي المحبوس. ومع تقدم عملية التجفيف، تزداد درجة حرارة الانتقال الزجاجي للسكروز كمادة صلبة؛ ويمكن أيضًا تحديد موضعها بسرعة ودقة عن طريق DSC.
الخاتمة
وتتمثل الخصائص الأساسية لتصميم عملية التجفيف الأولية في درجة حرارة الانتقال الزجاجي للمحلول المركز إلى أقصى حد (Tg´) ودرجة حرارة الانهيار التي تلين عندها المادة بحيث لا تعود قادرة على دعم بنيتها الخاصة وتبدأ في التدفق. باستخدام DSC (أحيانًا باسم TM-DSC*)، يمكن بسهولة تحديد درجة حرارة Tg´´بسهولة.
تكون درجة حرارة الانهيار أعلى قليلاً من درجة حرارة الانهيار؛وتعتمد الفترة الزمنية الدقيقة بين درجة حرارة الانهيارودرجة حرارة الانهيار على التركيبة.