冷凍干燥原理

1、無凍干機(jī)的原理凍干機(jī)的原理干燥是保持物質(zhì)不致腐敗變質(zhì)的方法之一。干燥的方法許多，如曬干、煮干、烘干、噴霧干燥和真空干燥等。但這些干燥方法都是在 0以上或更高的溫度下進(jìn)行。干燥所得的產(chǎn)品，一般是體積縮小、質(zhì)地變硬，有些物質(zhì)發(fā)生了氧化，一些易揮發(fā)的成分大部分會(huì)損失掉，有些熱敏性的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、維生素會(huì)發(fā)生變性。微生物會(huì)失去生物活力，干燥后的物質(zhì)不易在水中溶解等。因此干燥后的產(chǎn)品與干燥前相比在性狀上有很大的差別。 而冷凍干燥法不同于以上的干燥方法，產(chǎn)品的干燥基本上在 0以下的溫度進(jìn)行，即在產(chǎn)品凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行，直到后期，為了進(jìn)一步降低產(chǎn)品的殘余水份含量，才讓產(chǎn)品升至 0以上的溫度，但一般不超過 5

2、0。冷凍干燥就是把含有大量水分物質(zhì)，預(yù)先進(jìn)行降溫凍結(jié)成固體，然后在真空的條件下使水蒸汽直接升華出來， 而物質(zhì)本身剩留在凍結(jié)時(shí)的冰架中，因此它干燥后疏松多孔體積不變。引起產(chǎn)品本身溫度的下降而減慢升華速度，為了增加升華速度，縮短干燥時(shí)間，必須要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)加熱。整個(gè)干燥是在較低的溫度下進(jìn)行的。物質(zhì)在干燥前始終處于低溫（凍結(jié)狀態(tài)），同時(shí)冰晶均勻分布于物質(zhì)中，升華過程不會(huì)因脫水而發(fā)生濃縮現(xiàn)象，避免了由水蒸氣產(chǎn)生泡沫、氧化等副作用。干燥物質(zhì)呈干海綿多孔狀，體積基本不變，極易溶于水而恢復(fù)原狀。 在最大程度上防止干燥物質(zhì)的理化和生物學(xué)方面的變性。無它的工作原理是將被干燥的物品先凍結(jié)到三相點(diǎn)溫度以下，然后在

3、真空條件下使物品中的固態(tài)水份 （冰） 直接升華成水蒸氣，從物品中排除，使物品干燥。物料經(jīng)前處理后，先進(jìn)行速凍，再真空干燥升華脫水，之后在后處理車間包裝。真空系統(tǒng)為升華干燥倉(cāng)建立低氣壓條件，加熱系統(tǒng)向物料提供升華潛熱，制冷系統(tǒng)向捕水器和干燥倉(cāng)提供所需的冷量。對(duì)凍干制品的質(zhì)量要求是：生物活性不變、外觀色澤均勻、形態(tài)飽滿、結(jié)構(gòu)牢固、溶解速度快，殘余水分低。要獲得高質(zhì)量的制品，對(duì)凍干的理論和工藝應(yīng)有一個(gè)比較全面的了解。凍干工藝包括預(yù)凍、升華和再凍干三個(gè)分階段。合理而有效地縮短凍干的周期在工業(yè)生產(chǎn)上具有明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。一一制品的凍結(jié)制品的凍結(jié)( (預(yù)凍預(yù)凍) )無在真空冷凍干燥過程中，需要先對(duì)被干燥的藥

4、品進(jìn)行預(yù)凍，然后在真空狀態(tài)下，使水分直接由冰變?yōu)闅舛顾幤犯稍铩Ｔ谡麄€(gè)升華階段，藥品必須保持在凍結(jié)狀態(tài)，否則就不能得到性狀良好的產(chǎn)品。溶液速凍時(shí)，晶粒保持在顯微鏡下可見的大??；相反慢凍時(shí)，形成的結(jié)晶肉眼可見。粗晶在升華留下較大的空隙，可以提高凍干的效率，細(xì)晶在升華后留下的間隙較小，使下層升華受阻，速成凍的成品粒子細(xì)膩，外觀均勻，比表面積大，多孔結(jié)構(gòu)好，溶解速度快，便成品的引濕性相對(duì)也要強(qiáng)些。藥品在凍干機(jī)中預(yù)凍在兩種方式：一種是制品與干燥箱同時(shí)降溫；另一種是待干燥箱擱板降溫至-40左右，再將制品放入，前者相當(dāng)于慢凍，后者則介于速凍與慢凍之間，因而常被采用，以兼顧凍干效率與產(chǎn)品質(zhì)量。此法的缺點(diǎn)是制

5、品入箱時(shí)，空氣中的水蒸氣將迅速地凝結(jié)在擱板上，而在升華初期，若板升溫較快，由于大面積的升華將有可能超越凝結(jié)器的正常負(fù)荷。此現(xiàn)象在夏季尤為顯著。制品的凍結(jié)處于靜止?fàn)顟B(tài)。經(jīng)驗(yàn)證明，過冷現(xiàn)象容易發(fā)生致使制品溫度雖已達(dá)到共晶點(diǎn)，但溶質(zhì)仍不結(jié)晶，為了克服過冷現(xiàn)象，制品凍結(jié)的溫度應(yīng)低于共晶點(diǎn)以下一個(gè)范圍，并需保持一段時(shí)間，以待制品完全凍結(jié)。預(yù)凍溫度：進(jìn)行真空冷凍干燥，必須保證預(yù)凍溫度足夠低。由于物料的多樣性，對(duì)有共晶點(diǎn)的物料，一般的處理方法是低于共晶點(diǎn)的 5 至 10 攝氏度；對(duì)于不存在共晶點(diǎn)的物料（以非晶態(tài)、玻璃態(tài)或兩種狀態(tài)共存）就需要進(jìn)行多次試驗(yàn)，確認(rèn)預(yù)凍溫度。無預(yù)凍時(shí)間：整個(gè)預(yù)凍需要持續(xù)一段時(shí)間，物

6、料的凍結(jié)過程也是一個(gè)放熱的過程。為了能使預(yù)凍的效果更好， 通常在達(dá)到預(yù)凍溫度的時(shí)候， 保持一段時(shí)間。 通常的時(shí)間為 2 小時(shí)左右，當(dāng)然這只是一個(gè)估計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，具體需要根據(jù)物料的特性進(jìn)行計(jì)算。預(yù)凍速率：速率與物料有很大的關(guān)系，緩慢冷凍產(chǎn)生的冰晶較大，干燥速率較快，對(duì)于普通的藥品的凍干很有幫助； 而較為快速冷凍產(chǎn)生的冰晶就較小， 對(duì)應(yīng)的干燥速率較慢，對(duì)于生物制品干燥的效果較好。 對(duì)于速率的調(diào)整需要針對(duì)不同的物料進(jìn)行區(qū)分， 如生物細(xì)胞就不能過慢的冷凍，會(huì)造成其蛋白質(zhì)的變性，生命體死亡，我們稱這種現(xiàn)象為溶質(zhì)效應(yīng)，是需要我們?cè)谡婵绽鋬龈稍镄枰苊獾?。二?升華的條件與速度升華的條件與速度冰在一定溫度下的飽

7、和蒸汽壓大于環(huán)境的水蒸氣分壓時(shí)即可開始升華；比制品溫更低的凝結(jié)器對(duì)水水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維持升華所必需的條件。氣體分子在兩次連續(xù)碰撞之間所走的距離稱為平均自由程， 它與壓力成反比。在常壓下，其值很小，升華的水分子很容易與氣體碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升華速度很漫。隨著壓力降低 13.3Pa 以下，平均自由程增大 105 倍，使升華速度顯著加快，飛離出來的水分子很少改變自己的方面，從而形成了定向的蒸汽流。真空泵在凍干機(jī)中起著抽除永久氣體的作用， 以維護(hù)升華所必需的低壓強(qiáng)。1 g 水蒸氣在常壓下為 1.25 L 而在 13.3Pa 時(shí)卻膨脹為10000 升，普通的真空泵在單位時(shí)間內(nèi)抽除如

8、此大量的體積是不可能的。凝結(jié)器實(shí)際上形成了專門捕集水蒸氣的真空泵。制品與凝結(jié)器的溫度通常為-25與-50。 冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分別為 63.3Pa 與 1.1Pa，因而在升華面與冷凝面之間便產(chǎn)生無了一個(gè)相當(dāng)大的壓力差， 如果此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體分壓可以忽略不計(jì)，它將促使制品升華出來的水蒸氣，以一定的流速定向地抵達(dá)凝結(jié)器表面結(jié)成冰霜。冰的升華熱約為 2822J/克，如果升華過程不供給熱量，那末制品只有降低內(nèi)能來補(bǔ)償升華熱，直至其溫度與凝結(jié)器溫度平衡后，升華也就停止了。為了保持升華與冷凝來的溫度差，必須對(duì)制品提供足夠的熱量。三三 升華過程升華過程在升溫的第一階段（大量升華階段），制品溫度要

9、低于其共晶點(diǎn)一個(gè)范圍。因此擱板溫要加以控制，若制品已經(jīng)部分干燥，但溫度卻超過了其共晶點(diǎn)，此時(shí)將發(fā)生制品融化現(xiàn)象，而此時(shí)融化的液體，對(duì)冰飽和，對(duì)溶質(zhì)卻未飽和，因而干燥的溶質(zhì)將迅速溶解進(jìn)去，最后濃縮成一薄僵塊，外觀極為不良，溶解速度很差，若制品的融化發(fā)生在大量升華后期，則由于融化的液體數(shù)量較少，因而被干燥的孔性固體所吸收，造成凍干后塊狀物有所缺損，加水溶解時(shí)仍能發(fā)現(xiàn)溶解速度較慢。無在大量升華過程， 雖然擱板和制品溫度有很大懸殊， 但由于板溫、凝結(jié)器溫度和真空溫度基本不變，因而升華吸熱比較穩(wěn)定，制品溫度相對(duì)恒定。隨著制品自上而下層層干燥，冰層升華的阻力逐漸增大。制品溫度相應(yīng)也會(huì)小幅上升。直至用肉眼已

10、看不到冰晶的存在。此時(shí)90%以上的水分已除去。大量升華的過程至此已基本結(jié)束，為了確保整箱制品大量升華完畢， 板溫仍需保持一個(gè)階段后再進(jìn)行第二階段的升溫。剩余百分之幾的水分稱殘余水分，它與自由狀態(tài)的水在物理化學(xué)性質(zhì)上有所不同，殘余水分包括了化學(xué)結(jié)合之水與物理結(jié)合之水，諸如化合的結(jié)晶水結(jié)晶、 蛋白質(zhì)通過氫鍵結(jié)合的水以及固體表面或毛細(xì)管中吸附水等。由于殘余水分受到某種引力的束縛，其飽和蒸汽壓則是不同程度的降低，因而干燥速度明顯下降。雖然提高制品溫度促無進(jìn)殘余水分的氣化， 但若超過某極限溫度， 生物活性也可能急劇下降。保證制品安全的最高干燥溫度要由實(shí)驗(yàn)來確定。 通常我們?cè)诘诙A段(解析干燥)將板溫+3

11、0左右，并保持恒定。在這一階段初期，由于板溫升高，殘余水分少又不易氣化，因此制品溫度上升較快。但隨著制品溫度與板溫逐漸靠攏，熱傳導(dǎo)變得更為緩慢，需要耐心等待相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，殘余水分干燥的時(shí)間與大量升華的時(shí)間幾乎相等有時(shí)甚至還會(huì)超過。四四 真空冷凍干燥的程序真空冷凍干燥的程序真空冷凍干燥的程序是這樣的：在凍干之前，把需要凍干的產(chǎn)品分裝在合適的容器內(nèi)， 裝量要均勻， 蒸發(fā)表面盡量大而厚度盡量薄些；然后放入與凍干箱尺寸相適應(yīng)的金屬盤內(nèi)。 將產(chǎn)品放入凍干箱內(nèi)進(jìn)行預(yù)凍預(yù)凍， 抽真空之前要根據(jù)捕水器制冷壓縮機(jī)的降溫速度提前使捕水器工作，抽真空時(shí)捕水器應(yīng)達(dá)到-40左右的溫度，待真空度達(dá)到一定數(shù)值后（通常應(yīng)達(dá)到 100Pa 以上的真空度），即可對(duì)箱內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)行加熱。一般加熱分兩步進(jìn)行，第一步加溫不使產(chǎn)品的溫度超過共熔點(diǎn)的溫度；待產(chǎn)品內(nèi)水份基本干完后進(jìn)行第二步加溫，這時(shí)可迅速地使產(chǎn)品上升到規(guī)定的最高溫度。 在最高溫度保持?jǐn)?shù)小時(shí)后， 即可結(jié)束凍干。整個(gè)升華干燥的時(shí)間約 12-24 小時(shí)左右，與產(chǎn)品的形狀、規(guī)格，產(chǎn)品的種類，凍干曲線及機(jī)器的性能等等有關(guān)。無凍干結(jié)束后，要在