1. Zmrazení produktů
Když je roztok rychle zmrazen (teplota klesne o 10~50 stupňů za minutu), krystality si udrží velikost viditelnou pod mikroskopem; naopak při pomalém zmrazení (1 stupeň / min) jsou vytvořené krystaly viditelné pouhým okem. Hrubé krystaly zanechávají velkou mezeru v sublimaci, což může zlepšit účinnost lyofilizace. Jemné krystaly zanechávají po sublimaci malou mezeru, která brání sublimaci spodní vrstvy. Hotové částice vyrobené rychlým zmrazením jsou jemné, mají jednotný vzhled, mají velkou specifickou plochu povrchu, mají dobrou porézní strukturu, rychle se rozpouštějí a relativně silněji absorbují vlhkost hotovými produkty. Drogy se předmrazují v lyofilizátoru dvěma způsoby: jedním je, že se produkty současně chladí v sušicí peci; Druhým je počkat, až se police sušícího boxu ochladí na přibližně -40 stupňů, a poté produkt vložit. První je ekvivalentní pomalému zmrazení, zatímco druhé je mezi rychlým zmrazením a pomalým zmrazením, takže se často používá k zohlednění účinnosti lyofilizace a kvality produktu. Nevýhodou této metody je, že při vložení produktu do krabice vodní pára ve vzduchu rychle kondenzuje na polici. V rané fázi sublimace, pokud teplota police stoupá rychleji, je však možné překročit běžné zatížení kondenzátoru kvůli sublimaci velkých ploch. Tento jev je zvláště výrazný v létě. Zmrazení produktu je ve statickém stavu. Zkušenosti ukázaly, že snadno dochází k jevu podchlazení, což povede k tomu, že teplota produktu dosáhne eutektického bodu, ale rozpuštěná látka stále nekrystalizuje. Aby se překonal jev podchlazení, teplota tuhnutí produktu by měla být nižší než rozmezí pod eutektickým bodem a měla by být udržována po určitou dobu, dokud produkt zcela nezmrazí.
2. Podmínky a rychlost sublimace
Sublimace může začít, když je tlak nasycených par ledu při určité teplotě vyšší než parciální tlak vodní páry v okolí; Nezbytnou podmínkou pro udržení sublimace je odsávání a zachycení vodní páry kondenzátorem, která je nižší než teplota produktu. Vzdálenost, kterou plyn urazí mezi dvěma po sobě jdoucími srážkami, se nazývá průměrná volná dráha, která je nepřímo úměrná tlaku. Za normálního tlaku je to drobné a sublimované molekuly vody se s plynem snadno srážejí a poté se vracejí na povrch zdroje páry, takže rychlost sublimace je velmi pomalá. S poklesem tlaku pod 13,3 Pa se průměrná volná dráha zvětší 105krát, díky čemuž je rychlost sublimace výrazně vyšší. Molekuly vody, které vylétají ven, jen zřídka mění své vlastní aspekty, a tak vytvářejí směrový proud páry. Vakuové čerpadlo hraje roli při odstraňování plynu v lyofilizátoru, aby se udržoval nízký tlak nezbytný pro sublimaci. 1 gram vodní páry je 1,25 l za normálního tlaku, ale expanduje na 10,000 l při 13,3 Pa. Pro běžné vývěvy je nemožné načerpat tak velký objem za jednotku času. Ve skutečnosti kondenzátor tvoří speciální vývěvu pro zachycení vodní páry. Teplota výroby a kondenzace je obvykle -25 stupňů a -50 stupňů . Při této teplotě je tlak nasycených par ledu 63,3 Pa a 1,1 Pa, což vytváří významný tlakový rozdíl mezi povrchem sublimace a povrchem kondenzace. Pokud lze v tomto okamžiku zanedbat parciální tlak nekondenzovatelného plynu v systému, podpoří to, že vodní pára sublimovaná z produktu dosáhne při určitém průtoku směrově na povrch kondenzátoru a vytvoří námrazu. Sublimační teplo ledu je asi 2822 J/g. Pokud proces sublimace nedodává teplo, může produkt pouze snižovat svou vnitřní energii, aby kompenzoval sublimační teplo, dokud se jeho teplota nevyrovná teplotě kondenzátoru a poté se sublimace zastaví. Výrobku je dodáváno dostatečné množství tepla pro udržení teplotního rozdílu mezi sublimací a kondenzací.
3. Proces sublimace
V prvním stupni zahřívání (stupeň sublimace hmoty) by teplota produktu měla být o určitý rozsah nižší než jeho eutektický bod. Proto by měla být teplota police řízena. Pokud byl produkt částečně vysušen, ale teplota překročí jeho eutektický bod, produkt se v této době roztaví. V tomto okamžiku je roztavená kapalina nasycena ledem, ale ne rozpuštěnou látkou, takže se do ní vysušená látka rychle rozpustí a nakonec se zkoncentruje do tenkého zmrazeného bloku, který má špatný vzhled a špatnou rychlost rozpouštění. Pokud se produkt roztaví v pozdější fázi sublimace, bude absorbován suchou porézní pevnou látkou v důsledku malého množství roztavené kapaliny, což způsobuje poškození hrudky po lyofilizaci, a také lze zjistit, že rychlost rozpouštění je pomalá při přidávání vody pro rozpuštění. V procesu sublimace, i když je teplota police a produktu zcela odlišná, teplota desky, kondenzátoru a vakua se v podstatě nemění. Absorpce sublimačního tepla je tedy relativně stabilní a teplota produktu je relativně konstantní. S vysycháním produktu shora dolů se postupně zvyšuje odolnost vůči sublimaci ledu. Teplota produktu se také mírně zvýší, dokud nebudou ledové krystaly neviditelné pouhým okem. V tuto chvíli je odstraněno více než 90 procent vody. Proces sublimace zatím v podstatě skončil. Aby byla zajištěna sublimace celé krabice s produkty, je třeba ještě jeden stupeň před druhým stupněm ohřevu udržovat teplotu police. Zbývající procento vody se nazývá zbytková voda, která se od volné vody liší fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Zbytková voda zahrnuje chemicky kombinovanou vodu a fyzikálně kombinovanou vodu, jako je krystalizace kombinované krystalové vody, voda vázaná proteinem prostřednictvím vodíkových vazeb a voda adsorbovaná na pevném povrchu nebo kapilárě. Tlak nasycených par zbytkové vody se vlivem odporu při určité gravitaci v různé míře snižuje, takže rychlost sušení se samozřejmě snižuje. Zvýšení teploty produktu sice může podpořit zplynování zbytkové vody, ale pokud překročí určitou teplotu, může také prudce klesnout biologická aktivita. Nejvyšší teplota sušení pro zajištění bezpečnosti výrobků by měla být určena experimenty. Obvykle je ve druhé fázi teplota desky asi 30 stupňů a udržuje se konstantní. Na začátku této fáze se teplota produktu rychle zvyšuje s rostoucí teplotou desky a zbytková voda se méně odpařuje. Jak se však teplota produktu postupně blíží teplotě desky, vedení tepla se zpomaluje a trpělivé čekání trvá dlouho. Praktické zkušenosti ukazují, že doba zasychání zbytkové vody se téměř rovná době sublimace a někdy ji i překračuje.
4. Lyofilizační křivka
Lyofilizační křivka se získá zaznamenáním změny teploty police a teploty produktu podle změny času. Typická lyofilizační křivka rozděluje teplotu police do dvou stupňů. Teplota police je udržována na nízké úrovni během sublimace hmoty, kterou lze obecně regulovat mezi -10 stupni a 10 stupni podle aktuální situace. Ve druhé fázi se teplota police zvýší podle vlastností produktu přiměřeně. Tato metoda je vhodná pro výrobky s nízkou teplotou tání. Pokud je výkon produktu neznámý a výkon stroje je špatný nebo jeho práce není dostatečně stabilní, je bezpečnější použít tuto metodu. Pokud je eutektický bod produktu vysoký, stupeň vakua v systému lze dobře udržovat a chladicí kapacita kondenzátoru je dostatečná, pak lze určitou rychlost ohřevu upravit tak, aby se teplota police zvýšila na maximální přípustnou teplotu, dokud nebude lyofilizace je dokončena. Je však také nutné zajistit, aby teplota produktu během sublimace hmoty nepřesáhla eutektický bod. Pokud je produkt nestabilní vůči zahřívání, teplota desky druhého stupně by neměla být příliš vysoká. Aby se zlepšila rychlost sublimace v první fázi, může být teplota police zvýšena nad maximální přípustnou teplotu produktu najednou; Když je fáze sublimace hmoty v podstatě dokončena, teplota police se sníží na maximální přípustnou teplotu. Ačkoli poslední dva způsoby zlepšily rychlost sublimace hmoty, schopnost proti rušení bude odpovídajícím způsobem snížena a náhlý pokles stupně vakua a chladicí kapacity nebo výpadek proudu mohou produkty roztavit. Rozumný a flexibilní přístup k první metodě je dnes stále častější metodou.