Выделение и очистка продуктов биотехнологии (стр. 18 )

1) осажденные в виде кристаллов антибиотики, имеющие сравнительно высокую стабильность (например, тетрациклиновые), подвергаются сушке при атмосферном давлении и температуре до 90° С в камерных или пневматических сушилках;

2) осажденные малостабильные антибиотики (пенициллины) высушиваются в вакуумных сушилках при техническом вакууме и температуре около 40° С - шкафах, сушилках-венулет и др.

Антибиотики, полученные при выделении-очистке в виде концентрата, т. е. 5-15% водного раствора (стрептомицин, антибиотики группы неомицина), весьма нестабильные в растворенном состоянии, подвергаются сушке двумя методами, исключающими инактивацию и ухудшение качества препаратов;

3) медленная сушка (в течение нескольких часов) при отрицательной температуре путем сублимации воды из замороженного раствора под средним или глубоким вакуумом; эту сушку называют молекулярной;

4) скоростная сушка (в течение долей секунды) при высоких температурах порядка 130° в виде аэрозоля, образованного из раствора в токе горячего воздуха; эту сушку называют распылительной.

Молекулярная сушка. Метод сублимационной сушки впервые был открыт и запатентован в 1921 г. советским инженером -Старженецким. Метод заключается в том, что влажный материал или раствор (бактериальная масса, сыворотка крови, раствор антибиотика, фруктовый сок, фрукты, мясо, рыба), замороженные до температуры минус 20-40° С сушатся в вакууме с остаточным давлением около 0,01 мм рт. ст., путем возгонки воды из кристаллов льда.

При этом благодаря вакууму средняя длина свободного пробега молекул воды в порах высушиваемого материала (≈ 5 мм) значительно больше поперечника капиллярных пор (10-4 - 10-2 мм) замороженного материала, по которым удаляются пары воды. В этих условиях молекулы воды движутся в порах в виде молекулярных пучков (эффузия). Поэтому сублимационный метод сушки, по предложению , назван молекулярной сушкой.

Технология молекулярной сушки заключается в следующем. Раствор антибиотика, чтобы не допустить его вспенивания в сублимационной камере и выброса в вакуумную систему, предварительно замораживают в камерах обычных холодильных установок до температуры -40° С. Перед замораживанием раствор стерилизуют фильтрацией и разливают во флаконы с помощью полуавтоматического дозатора по 3-5 мл в зависимости от клинической дозы антибиотика. Чем быстрее происходит замораживание, тем более мелкокристаллической и более гомогенной по концентрации антибиотика становится структура образующегося льда и тем быстрее идет последующая сушка благодаря более развитой поверхности сублимации.

Удаление влаги в период сублимации происходит с постоянной скоростью и при сохранении формы замороженного материала или раствора. Поскольку сушка происходит с поверхности тела, то, чем мельче дозировка, тем быстрее заканчивается сушка. Оптимальный режим сутки соответствует такой температуре и вакууму, при которых скорость сублимации наибольшая. Это достигается сушкой при постоянной температуре, немного меньшей температуры плавления продукта - криогидратной точки. Плавление продукта не допустимо, так как вспенивание раствора вызывает выброс раствора из флакона или частичный вынос его на стенки флакона. Такие «вспененные флаконы» выбраковываются при контроле качества сушки. В период сублимации (5-8 ч) удаляется около 80% влаги при температуре замороженного продукта минус 35-40° С и остаточном давлении 10-30 мм рт. ст. В конце периода сублимации температура внутренних слоев материала повышается до 0° С, и начинается период испарения остаточной влаги. В этот период материал постепенно нагревается до температуры окружающей среды (температуры теплоносителя), а скорость сушки постепенно уменьшается до нуля.

Принципиальная схема молекулярной сушки антибиотиков изображена на рис. 27. Стерильные растворы антибиотиков сушатся в открытых флаконах, помещенных в кассеты и прикрытых тканью Кассеты размещают на нескольких лодках прямоугольного или цилиндрического шкафа - сублиматора 1. В полые полки шкафа, после создания в системе вакуума, подают вначале холодную, а затем подогретую воду с целью подвода теплоты, необходимой для сублимации. В конце сушки температура воды повышается до 80° С. Вакуум в шкафу создается двумя ступенями насосов. Форвакуумный (или газобалластный) по конструкции ратационно-масляный насос 4, включаемый в начале сушки, создает остаточное давление в несколько мм рт. ст. Затем пароструйный диффузионный насос снижает остаточное давление до 10-50 мк. Для уменьшения нагрузки на насос и защиты его от конденсата водяного пара в схеме предусмотрен скребковый или, при больших мощностях установки, трубчатый конденсатор. В скребковом конденсаторе (2) на цилиндрической поверхности (а), охлаждаемой хладоагентом до температур, более низких, чем в сублиматоре, конденсируются и замораживаются пары воды, образуя слой льда. Скребком (б) лед непрерывно снимается в льдоприемник (в), откуда он периодически удаляется.

Распылительная сушка. Сушка распылением является одним из наиболее современных и перспективных методов обезвоживания лекарственных растворов термолабильной природы и пищевых продуктов (молока, яиц). В принципе метод сушки заключается в том, что высушиваемый раствор распыляется с помощью форсунок, струи сжатого воздуха или быстро вращающегося диска до частиц размером 5-25 мк в токе протекающего через сушильную камеру нагретого до температуры порядка 160° С воздуха. Величина поверхности частиц порядка 0,5 млн. м2 на 1 м3 раствора обеспечивает сушку в течение долей секунды. Высушенный продукт в виде порошка отделяется от отработанного теплоносителя в специальных пылеотделителях.

Киносъемка процесса сушки одиночных капель раствора стрептомицина, проведенная и соавт. (1963), позволила выявить пять этапов сушки капель коллоидных растворов: а) прогрев капли; б) сушку с постоянной скоростью при температуре, равной температуре мокрого термометра (около 40° С); в) образование при влажности капли 200-250% на ее поверхности корки из сухого стрептомицина, препятствующей выходу пара, и повышение температуры капли до температуры кипения (≈ 105о С); г) сушку капли с постоянной скоростью при температуре кипения; д) сушку с падающей скоростью, приближающейся к температуре окружающей среды.

Такой характер кинетики сушки капель привел авторов к выводу о целесообразности разделения процесса обезвоживания высоковлажных растворов антибиотиков на два этапа с целью интенсификации и удешевления процесса:

1. Испарение от начальной влажности, равной 1600-2000%, до влажности коркообразования. Поскольку на этом этапе капля имеет низшую температуру, длительность ее пребывания в камере, можно выбирать произвольно. Теплоноситель целесообразно использовать в максимальной степени, т. е. удалять его с температурой на 3-5° С выше температуры раствора, а относительную влажность доводить до 90%. Скорость теплоносителя по сечению камеры для интенсификации процесса можно брать в 3-8 раз больше, чем в сушильной камере, а размеры камеры делать в 1,5-2 раза меньше размера факела распыленного материала.

2. Сушка от влажности коркообразования (200-250%) до конечной влажности 1,5-2% в течение минимального временя, поскольку испарение термолабильного раствора происходит при температуре его кипения. Это достигается применением очень сухого воздуха (конечная относительная влажность 4-6%) и малым расходом высококонцентрированного раствора. Такие условия позволяют также увеличить скорость теплоносителя по сравнению с одноступенчатой сушилкой. Отработанный теплоноситель со ступени сушки с температурой 100-105° С подается на испарительную ступень и полностью используется.

Применение такого двухступенчатого испарительно-сушильного метода обезвоживания стрептомицина позволило при внедрении на Киевском заводе медицинских препаратов по сравнению с одноступенчатой распылительной сушилкой датской фирмы «Niro atomizer» увеличить коэффициент использования тепла теплоносителя с 25 до 75%, повысить выход антибиотика (с учетом потерь на вакуум-выпарке, необходимой при одноступенчатом режиме) с 85 до 93% и снизить себестоимость процесса обезвоживания стрептомицина с 0,98 до 0,34 руб./кг стрептомицина ( и соавт., 1963).

Аппаратурное оформление двухступенчатой сушки проследим по принципиальной схеме (рис. 28). Воздух всасывается из атмосферы через тканевой фильтр грубой очистки (1) вентилятором (2) и нагнетается через фильтр Петрянова (3), паровой калорифер (4) и электрокалориферы (5-6) в испарительную ступень (8) емкостью 7 м3. Воздух с температурой 165°С подается в камеру через газораспределительное устройство 7. Стерильный раствор стрептомицина подается на диск, вращающийся со скоростью 18 000 об/мин. Поток воздуха, проходя между потолком камеры и радиальным факелом распыляемого раствора, предупреждает оседание раствора на потолке камеры. Затем воздух поворачивает вниз. Испарение раствора уменьшает его объем в четыре раза. Раствор с влажностью 250-300% отделяется на 98-99% от воздуха в мокром циклоне 9. Воздух выбрасывается в атмосферу, а раствор немедленно распыляется на диске сушильной камеры (12) емкостью 17 м3. Подача теплоносителя в сушильную камеру производится из аналогичной системы стерилизации и нагрева атмосферного воздуха. Порошок антибиотика отделяется от отработанного воздуха в циклоне (13) и выгружается в герметичное устройство (14) для стерильной фасовки антибиотика в контейнеры. Отработанный воздух, содержащий около 7% порошка антибиотика, направляется в испарительную камеру, где, благодаря малой влажности, используется как вторичный сушильный агент.

Сушильные камеры изготовляются из полированной изнутри камеры нержавеющей стали и имеют форму цилиндра с конусным днищем.

Производительность сушилки 200 л/час испаренной влаги. Система автоматических приборов регулирует температуру теплоносителя на входе в камеры и расход раствора.

Сравнение молекулярной и распылительной сушки. С экономической точки зрения оба метода в настоящее время приблизительно равноценны. Молекулярная сушка требует в 2,7 раза больше производственной площади и в 2,1 раза больший расход электроэнергии. Трудовые затраты также выше. Вместе с тем выход антибиотиков при молекулярной сушке (97-98%) выше, чем при распылительной сушке (92-94%). Если же учесть потери при фасовке порошка антибиотиков, то снижение выхода ниже 90%, наблюдающееся в практической работе предприятий, сводит на нет экономические преимущества распылительного метода. При более тщательной отработке режима недавно освоенной двухступенчатой распылительной сушилки и устранения конструктивных недостатков, ее экономические показатели станут несомненно выше показателей молекулярной сушки.