СПОСОБ СУШКИ БИОПРЕПАРАТА В АМПУЛАХ Российский патент 1998 года по МПК C12N1/04 

Изобретение относится к биотехнологии и медицинской микробиологии и может быть использовано для получения сухих биопрепаратов в ампулах, а также при создании коллекций живых культур микроорганизмов.

Заявляемое изобретение направлено на решение задач ускорения процесса лиофильной сушки при сохранении структуры и качества биоматериалов на коллекторной установке типа Долинова.

Известен способ лиофильного высушивания, который включает подготовку, предварительное замораживание материала, сублимацию или переход воды в парообразное состояние непосредственно из твердой фазы (минуя жидкую) в условиях вакуума, удаление испаряемой влаги (Бланков Б.И., Клебанов Д.Л. Применение лиофилизации в микробиологии. -М.: Медгиз, 1961, с. 8-9). Удаление паров из препарата осуществляется с помощью охлаждаемых конденсаторов или прокаленного гипса, или адсорбента (например силикагеля). В процессе высушивания из биоматериала удаляется 98/99% свободной и частично связанной воды. При высушивании этим методом физико-химическая структура биоматериала подвергается минимальным изменениям, так как сублимация фиксирует "скелет" биосистемы, чего не наблюдается при сушке биоматериала из жидкого состояния.

Известен способ высушивания частиц растворов при параллельном токе газа и частиц раствора сверху вниз или же во встречных потоках газа и частиц раствора - распылительная сушка (Никитин Е.Е., Звягин И.В. Замораживание и высушивание биологических препаратов. -М.: Колос, 1971, с. 128-131). Он более производителен. Однако при данном способе высушивание биоматериала производится непосредственно из жидкого состояния минуя стадию сублимации, что ведет к глубоким повреждениям биомолекул. Также отсутствует возможность сушки непосредственно в ампулах или флаконах, возрастает риск контаминации, который при работе с биологическими или фармакологическими объектами должен сводиться к минимуму. Все вышеизложенное существенно ограничивает применение этого метода.

Широко известен также способ высушивания расфасованного биоматериала в камерных вакуумных установках (Никитин Е.Е., Звягин И.В. Замораживание и высушивание биологических препаратов. -М. : Колос, 1971, с. 113-120). Он включает те же этапы, что и другие способы лиофилизации: расфасовку материала, предварительное замораживание, сублимацию под вакуумом, отвод влаги. В некоторых установках данного типа применяется дополнительный прием, заключающийся в автоматической подаче в камеру газа (азота) или сухого стерильного воздуха. Причем давление газов не должно превышать половины давления пара высушиваемого продукта (там же, с. 76-117). Этот прием за счет понижения вакуума в камере увеличивает теплопроводность, а следовательно, конвенционную подачу тепла к высушиваемому препарату, что ускоряет процесс сублимации.

При всех преимуществах описанного метода - высокая производительность камерных аппаратов, техническое совершенство, низкая остаточная влажность, возможность дозировать препараты, процесс лиофилизации в них занимает продолжительное время - 20-70 ч, что влечет большой расход электроэнергии, высокие трудовые затраты.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ высушивания биопрепаратов на коллекторном аппарате ЦИЭМ Долинова К. Е. (Долинов К. Е. Основы технологии сухих биопрепаратов. -М.: Медицина, 1969, с. 82-84). Этот способ применяется для высушивания дозированных препаратов (живых вакцин, сывороток, микроорганизмов, диагностических препаратов и др.) в небольших объемах (до 2,5 мл в ампуле).

Процесс сушки по этому способу включает: расфасовку биопрепарата по ампулам, предварительное замораживание в охлаждающей жидкости (сухой лед и спирт) при температурах от минус 20 до минус 78^oC, сублимацию под вакуумом при остаточном давлении около 0,9 Па 20-50 ч, удаление влаги.

У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие существенные признаки: расфасовка биоматериала по ампулам, предварительное замораживание от минус 20 до минус 78^oC, сублимация под вакуумом, удаление влаги.

Недостатком описанного прототипа является длительность лиофилизации (20-50 ч), что влечет большой расход электроэнергии, высокие трудовые затраты. Указанный недостаток обусловлен тем, что в период сублимации идет медленное удаление паров из-за низкой температуры материала, узкого просвета в перешейках ампул, затруднения испарения влаги из глубоких слоев биоматериала (дно и стенки ампул).

Целью предлагаемого изобретения является снижение трудовых энергозатрат в процессе лиофильного высушивания биоматериала на коллекторной установке типа Долинова К.Е., что достигается за счет двукратного ускорения процесса сублимации.

Поставленная цель достигается тем, что биопрепарат расфасовывают, замораживают и сублимируют под вакуумом с подачей в ампулы инертного газа, охлажденного до температуры биопрепарата, при разнице давлений поступающего и отходящего потоков ΔP = 0,98 - 2,94 Па.

По отношению к прототипу у заявляемого изобретения имеются следующие отличительные признаки: продувка биопрепарата в процессе сублимации непосредственно в каждой ампуле сухим, охлажденным до температуры биопрепарата инертным газом (азотом) при разнице давлений поступающего и отходящего потоков ΔP = 0,98 - 2,94 Па, что обеспечивает сокращение времени сушки в два раза.

Сублимация превратившейся в лед свободной воды происходит сначала на открытой поверхности, а затем распространяется по поверхностям, граничащим со стенками сосуда и далее по мере удаления льда на все более и более глубокие слои замороженной массы. При этом освобождается сухая пористая масса вещества, состоящая из среды высушивания и биопрепарата и содержащая только связанную воду. Связанная вода в отличие от свободной удаляется только с поверхности всего объема пористой массы, предварительно освободившейся ото льда. Все этапы этого единого процесса высушивания ускоряются в два раза, если дополнительно направить поток инертного, охлажденного до температуры биопрепарата газа, который обладает свойством активно увлекать молекулы водяного пара по направлению к конденсатору влаги, что достигается за счет разницы давлений ΔP = 0,98 - 2,94 Па.

Этот прием помимо двукратного ускорения процесса лиофилизации обеспечивают экономию электроэнергии и снижает трудовые затраты.

Таким образом, между отличительными признаками и целью изобретения существует причинно-следственная связь.

Пример 1. Чистую культуру штамма кишечной палочки, подлежащего лиофильному высушиванию, засевают в 4 пробирки со скошенным агаром, которые инкубируют при 37^oC в течение 18-20 ч. С поверхностей агара всех пробирок делают смыв культуры 2 мл сахарозо-желатиновой среды и в стерильных условиях шприцем с длинной иглой или Пастеровской пипеткой вносят в каждую ампулу по 0,2 мл суспензии клеток, затем ампулы подсоединяют к резиновым цилиндрическим муфтам, закрепленным на коллекторе.

На стеблях ампул имеется сужение, наличие которого в соответствии с эмпирической формулой, характеризующей допустимые оптимальные отношения диаметра прохода и площади испарения где D - диаметр прохода, мм; S_с - площадь испарения, см².

Меньший диаметр является недопустимым для достижения оптимальных условий испарения. В связи в этим в каждую ампулу вводят воздуховодную трубку с диаметром на выходе 0,1-0,3 мм, что позволяет подавать поток газа (азота) перпендикулярно и непосредственно к поверхности высушиваемого материала. Устанавливают расстояние между концами воздуховодных трубок и поверхностью высушиваемой бактериальной массы 2-3 мм. Погружают концы ампул на глубину 25-30 мм в кювету с охлаждающей смесью (сухой лед и спирт), замораживают содержимое ампул в течение 5 мин. Включают вакуумный насос. Проверяют герметичность смонтированной системы по показанию манометрической лампы на шкале вакуумметра. После достижения вакуума до 0,98 Па включают дозатор для подачи через воздуховодные трубки дополнительных потоков азота, который проходит через осушитель, впускной фильтр и охлаждается до температуры суспензии при прохождении его по змеевику по дну кюветы с охлаждающей смесью. Степень открытия дозатора контролируют вакуумметром по снижению вакуума в системе до ΔP = 0,98 Па, что обеспечивает достаточное для активного удаления паров воды из ампул за счет поступления азота через воздуховоды. Через 4 ч культура имеет вид сухой пористой массы, сформированной в виде таблетки.

Пример 2. Выполняется аналогично примеру 1 с тем отличием, что разница давлений поступающего и отходящего потоков газа ΔP = 1,96 Па. Через 6 ч культура имеет вид сухой пористой массы, сформированной в виде таблетки.

Пример 3. Выполняется аналогично примеру 1, за исключением того, что разница давлений поступающего и отходящего потоков азота ΔP = 2,94 Па. Через 8 ч культура имеет вид сухой пористой массы, сформированной в виде таблетки.

ΔP ниже 0,98 Па не будет обеспечивать активного удаления паров и сокращения скорости высушивания. Превышение величины ΔP = 2,94 Па приводит к выносу высушиваемого материала за пределы ампулы и рассеиванию его по коллектору.

Скорость лиофильного высушивания препаратов при использовании предлагаемого способа значительно увеличивается и время, затрачиваемое на высушивание бактериальных препаратов, сокращается в два раза при сохранении всех требуемых свойств, предъявляемых к высушиваемым препаратам, в том числе и сохранении высокого уровня жизнеспособности микроорганизмов.

Способ может быть использован для получения сухих биопрепаратов в ампулах, а также при создании коллекций живых культур микроорганизмов. При сушке биопрепарата в ампулах в процессе сублимации в каждую ампулу подают охлажденный инертный газ при разнице давлений поступающего и отходящего потоков ΔP = 0,98 - 2,94 Па. Существенно снижаются энергозатраты и ускоряется процесс сушки.

Способ сушки биопрепарата в ампулах, включающий расфасовку биопрепарата, замораживание его, сублимацию под вакуумом, отличающийся тем, что в процессе сублимации в каждую ампулу подают инертный газ, охлажденный до температуры биопрепарата, при разнице давлений поступающего и отходящего потоков ΔP = 0,98 - 2,94 Па.