1、真 空 冷 冻 干 燥 过 程 中 几 个 影 响 因 素 的 探 讨胡 纲 3(上 海 市 离 心 机 械 研 究 所 )摘 要 以 某 混 合 培 养 基 使 用 V IR T IS 真 空 冷 冻 干 燥 机 为 例 , 探 讨 预 冻 温 度 、 水 汽凝 结 器 温 度 、 真 空 度 、 制 品 的 温 度 控 制 四 因 素 对 真 空 冷 冻 干 燥 的 影 响 。关 键 词 干 燥 预 冻 温 度 水 汽 凝 结 器 温 度 真 空 度 温 度 控 制在 生 物 制 品 或 抗 生 素 制 品 中 , 真 空 冷 冻 干燥 工 艺 (以 下 简 称 冻 干 工 艺 )有 助
2、于 保 持 药 物 在生 产 过 程 中 的 稳 定 性 , 延 长 成 品 的 储 藏 期 。 冻干 工 艺 通 常 首 先 使 药 液 冷 却 、 冻 结 , 然 后 在 此状 态 下 , 将 药 液 中 的 溶 剂 (水 )去 除 , 即 在 一 定的 气 压 下 用 升 华 和 解 吸 附 的 方 法 , 使 药 品 干 燥 。冻 干 工 艺 已 经 广 泛 应 用 于 药 物 的 开 发 和 生 物 制剂 的 保 存 。以 某 混 合 培 养 基 为 例 :某 混 合 培 养 基 使 用 V IR T IS 真 空 冷 冻 干 燥机 的 冻 干 工 艺 一 :操 作 步 骤 :6 0
3、0, 开 搁 板 预 冻 , 使 搁 板 温 度 - 20 ;6 30, 放 入 物 料 , 使 物 料 温 度 - 30 ;9 30, 开 冷 阱 , 使 冷 阱 温 度 - 55 ;10 00, 抽 真 空 ;11 00, 真 空 度 建 立 , 关 搁 板 预 冻 ;13 00, 加 热 (按 2 3 递 增 ) ;18 00, 加 热 (接 近 室 温 , 20 ) ;19 00, 关 机 , 取 出 物 料 。冻 干 结 果 : 2000 瓶 样 品 经 处 理 后 结 构 稳定 , 骨 架 清 晰 , 不 吸 潮 , 色 泽 淡 黄 , 制 品 满 足要 求 。但 是 , 同 样
4、的 样 品 在 同 一 台 机 器 中 用 不 同的 工 艺 (工 艺 二 )便 有 不 同 的 结 果 。 工 艺 二 为 :操 作 步 骤 : 搁 板 空 载 预 冻 , 放 入 物 料 , 物料 预 冻 11h 后 开 冷 阱 , 达 到 - 55 后 开 真 空 , 在真 空 达 到 后 一 边 开 加 热 , 一 边 开 预 冻 , 即 预 冻与 冷 阱 在 打 开 后 一 直 不 关 闭 , 直 到 冻 干 结 束 。 共计 时 间 约 24h。冻 干 结 果 : 2000 瓶 样 品 冻 干 后 , 有 些 样 品坍 塌 , 呈 糖 浆 状 , 同 时 吸 潮 ; 有 些 样 品
5、 底 部 拱起 , 半 悬 于 瓶 中 央 , 剩 余 部 分 的 冻 干 效 果 也 不如 工 艺 一 的 好 。同 样 的 情 况 也 在 枸 杞 多 糖 等 产 品 的 冷 冻 干燥 过 程 中 出 现 。 据 不 完 全 统 计 , 导 致 这 种 情 况的 原 因 主 要 是 : (1) 预 冻 温 度 , (2) 水 汽 凝 结器 温 度 , (3) 真 空 度 , (4) 制 品 的 温 度 控 制 ,(5) 其 他 (设 备 故 障 等 ) , 而 前 四 个 原 因 占 到 总数 的 80% 90%。下 面 对 上 述 各 个 因 素 分 别 作 一 分 析 探 讨 。1 预
6、 冻 温 度制 品 预 冻 的 基 本 目 的 是 : 在 水 分 升 华 时 使制 品 中 的 固 体 颗 粒 得 以 固 定 , 以 防 止 制 品 发 生物 理 和 化 学 反 应 。 由 于 各 种 有 机 物 或 无 机 物 构3 胡 纲 , 男 , 1978 年 1 月 生 , 工 程 师 。 上 海 市 , 200231。5 化 工 装 备 技 术 第 25 卷 第 6 期 2004 年 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/成 的 液 态
7、制 品 在 预 冻 后 通 常 形 成 一 种 共 晶 状态 , 因 此 对 于 每 一 种 需 进 行 冷 冻 干 燥 处 理 的 制品 , 都 应 找 出 其 相 应 的 共 晶 点 温 度 , 即 制 品 中结 构 水 冻 结 时 的 温 度 , 而 预 冻 温 度 也 要 求 低 于共 晶 点 温 度 。 如 果 没 能 确 定 制 品 的 共 晶 点 , 则在 该 制 品 呈 冻 结 状 态 时 很 可 能 有 某 些 物 质 仍 处于 液 态 。 这 些 少 量 的 液 体 将 与 悬 浮 固 体 颗 粒 发生 反 应 , 影 响 最 终 的 脱 水 干 燥 效 果 。 另 一 方
8、 面 ,预 冻 温 度 低 于 制 品 共 晶 点 过 多 也 无 必 要 , 因 为这 会 大 大 降 低 冻 干 的 经 济 效 益 。 最 佳 的 升 华 状态 取 决 于 能 否 恰 当 地 保 持 制 品 中 的 冰 与 水 汽 凝结 器 中 的 冰 之 间 的 蒸 汽 压 力 差 。 参 阅 表 1 1 4 。如 果 某 制 品 的 共 晶 点 温 度 为 - 4 , 当 将 其 冷 冻至 - 30 时 , 其 最 初 的 蒸 汽 压 为 381110Pa, 若取 水 汽 凝 结 器 温 度 为 - 40 , 对 应 的 蒸 汽 压 为121876Pa, 这 样 两 者 的 最 终
9、 蒸 汽 压 差 为251234Pa。 如 果 将 该 制 品 的 预 冻 温 度 提 高 至- 10 , 对 应 的 蒸 汽 压 为 2591935Pa, 而 水 汽 凝结 器 温 度 仍 为 - 40 , 则 压 力 差 将 提 高 至2471059Pa。 显 而 易 见 , 此 时 的 升 华 速 率 将 显 著提 高 。 通 常 , 大 部 分 溶 液 或 生 物 制 品 有 一 个 从- 10 到 25 的 共 晶 点 温 度 。 具 体 物 料 共 晶 点温 度 参 见 表 2。 实 际 制 定 工 艺 曲 线 时 , 一 般 预 冻温 度 要 比 共 晶 点 温 度 低 5 10
10、 。另 外 , 制 品 的 预 冻 速 率 对 干 燥 效 果 也 有 很大 的 影 响 5 。 从 冰 点 到 制 品 的 共 晶 点 温 度 之 间需 要 快 速 冷 却 , 否 则 易 使 蛋 白 质 变 质 , 生 命 体死 亡 。 快 速 冷 却 时 晶 体 来 不 及 生 长 就 被 冻 结 , 所形 成 的 晶 粒 细 且 数 量 多 。 这 样 的 冰 晶 在 升 华 时速 度 慢 , 但 干 后 溶 解 快 , 能 反 映 出 产 品 原 来 的结 构 ; 反 之 , 缓 慢 冷 却 产 生 的 冰 晶 较 大 , 不 利于 升 华 , 但 干 后 溶 解 慢 。 所 以 ,
11、 我 们 需 要 试 验一 个 合 适 的 冷 却 速 度 , 以 得 到 较 高 的 存 活 率 、 较好 的 物 理 性 状 和 溶 解 度 , 且 有 利 于 干 燥 过 程 中的 升 华 。2 水 汽 凝 结 器 温 度在 典 型 的 真 空 冷 冻 干 燥 过 程 中 , 制 品 处 于表 1 温 度 、 蒸 汽 压 力 对 照 表温 度 压 力 Pa 备 注- 2 5171204- 4 4371224- 6 3681574- 8 3101055- 10 2591935- 12 2171545- 14 1811421- 16 1501895- 18 1251168- 20 10314
12、40- 22 851312- 24 701115- 26 571319- 28 461788- 30 381110- 32 301898- 34 241967- 36 201088- 40 121876- 44 81117- 48 51038- 50 31585- 52 31065- 56 11839- 60 11077典 型 物 料 温 度典 型 冷 阱 温 度- 64 01618- 68 01347升 华 干 燥 阶 段 , 单 位 体 积 的 冰 将 产 生 100 万 单位 体 积 的 水 蒸 气 , 一 般 的 真 空 系 统 不 可 能 处 理这 么 大 量 的 水 蒸 气 。 为
13、 此 , 在 干 燥 室 与 真 空 泵之 间 设 置 了 一 个 水 汽 凝 结 器 , 依 靠 干 燥 室 箱 体与 水 汽 凝 结 器 之 间 的 温 差 而 形 成 的 压 力 差 作 为动 力 , 将 升 华 的 水 蒸 气 凝 结 成 冰 并 聚 集 在 水 汽凝 结 器 上 。 它 收 集 水 汽 的 能 力 是 每 批 冻 干 制 品数 量 大 小 的 限 制 性 因 素 。 在 选 择 冻 干 设 备 时 , 要注 意 设 备 的 工 作 状 态 参 数 以 及 可 能 遇 到 的 制 品最 低 共 晶 点 温 度 。 在 干 燥 期 间 , 水 汽 凝 结 器 表面 温 度
14、 至 少 比 干 燥 箱 板 层 温 度 低 10 。 当 冷 阱温 度 在 - 40 - 60 时 , 大 多 数 制 品 都 可 进行 有 效 的 冻 干 处 理 。 当 有 特 殊 溶 剂 或 酸 性 物 质在 常 规 水 汽 凝 结 器 中 不 能 被 凝 聚 时 , 需 要 用 复叠 式 制 冷 系 统 将 水 汽 凝 结 器 温 度 打 到 - 70 以6 真 空 冷 冻 干 燥 过 程 中 几 个 影 响 因 素 的 探 讨 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reser
15、ved. http:/下 或 更 低 。 具 体 物 料 所 需 水 汽 凝 结 器 温 度 参 见表 2。表 2 不 同 物 料 合 适 的 共 晶 点 温 度 和 干 燥 时 间选 择 物 料 厚 度10mm共 晶 点 温 度凝 结 装 置 温 度干 燥 时 间h牛 奶 - 5 - 40 10尿 素 - 7 - 40 10血 浆 - 18 - 25 - 40 16血 清 - 25 - 40 18牛 痘 苗 - 30 - 40 - 50 22流 感 疫 苗 - 45 - 50 24人 组 织 - 50 - 80 48植 物 组 织 - 60 - 80 803 真 空 度真 空 系 统 的 作
16、 用 是 排 出 从 干 燥 室 中 抽 出 的不 可 凝 性 气 体 和 空 气 , 以 建 立 能 保 持 制 品 升 华速 率 的 真 空 度 。 高 真 空 度 有 效 地 降 低 了 水 蒸 气气 流 的 阻 力 , 同 时 在 干 燥 过 程 中 由 于 没 有 空 气的 存 在 , 也 就 避 免 了 氧 化 作 用 。 在 大 多 数 的 应用 中 , 要 实 现 冷 冻 干 燥 , 水 汽 凝 结 器 真 空 度 应抽 到 315Pa 或 更 低 , 一 般 可 将 干 燥 箱 内 压 力 控制 在 13 130 Pa 之 间 。如 果 冻 干 机 带 有 预 冻 系 统 ,
17、 由 于 制 品 在 冷冻 的 搁 板 上 不 会 融 化 , 所 以 真 空 泵 只 要 能 在 15 30m in 内 将 系 统 的 真 空 度 抽 到 2 7Pa 就 可以 了 。 若 无 预 冻 系 统 , 则 真 空 泵 的 抽 速 必 须 增大 , 从 大 气 到 所 需 真 空 度 的 抽 气 时 间 不 能 超 过5m in。 因 此 , 最 经 济 的 设 计 方 案 是 采 用 小 抽 速的 真 空 泵 并 带 预 冻 系 统 的 真 空 干 燥 室 。4 制 品 的 温 度 控 制向 冻 结 的 制 品 提 供 热 量 是 为 了 补 充 水 蒸 气升 华 所 丧 失
18、的 能 量 , 以 维 持 制 品 合 适 的 升 华 温度 。 产 品 升 华 时 会 受 到 下 列 几 种 温 度 的 限 制 :(1) 产 品 冻 结 部 分 的 温 度 应 低 于 产 品 共 晶 点 的温 度 ; (2) 产 品 干 燥 部 分 的 温 度 应 低 于 崩 解 温度 或 容 许 的 最 高 温 度 (不 烧 焦 或 性 变 ) ; (3) 最高 搁 板 温 度 6 。 对 冻 干 过 程 来 说 , 最 重 要 的 参 数是 制 品 的 温 度 。 因 此 , 必 须 通 过 直 接 或 间 接 的方 法 对 其 进 行 连 续 不 断 的 显 示 、 记 录 和
19、控 制 。(a) 直 接 控 制 : 直 接 测 量 制 品 的 温 度 , 当其 值 低 于 设 定 值 时 通 电 加 热 , 当 其 值 超 出 设 定值 时 进 行 冷 冻 降 温 。 这 种 方 法 的 缺 点 在 于 : 因存 在 着 物 体 温 度 的 自 然 传 递 过 程 , 温 度 测 量 、 控制 中 的 过 冲 、 滞 后 现 象 会 造 成 控 制 状 态 周 期 性的 变 化 。(b) 间 接 控 制 : 监 测 、 控 制 冻 干 过 程 中 的搁 板 温 度 并 利 用 时 间 温 度 程 序 来 获 得 所 需 的制 品 温 度 这 是 最 佳 的 控 制 过
20、 程 。 然 而 时 间 温 度 程 序 这 种 方 法 需 要 对 产 品 有 大 量 的 经验 , 这 是 一 种 取 平 均 值 的 统 计 方 法 , 该 法 使 重复 运 行 的 一 致 性 程 度 很 高 , 这 对 于 生 产 是 非 常重 要 的 。5 结 束 语实 践 证 明 , 以 上 四 个 因 素 对 于 选 定 与 优 化冻 干 工 艺 , 提 高 冷 冻 干 燥 速 率 和 产 品 的 冻 干 效果 有 着 直 接 的 影 响 。 因 此 , 真 空 冷 冻 干 燥 机 具有 良 好 的 预 冻 温 度 、 水 汽 凝 结 器 温 度 、 高 真 空度 和 有 效
21、的 加 热 温 度 控 制 , 对 于 保 证 和 提 高 冻干 质 量 作 用 明 显 , 同 时 还 可 减 少 冻 干 时 间 , 降低 运 行 成 本 和 能 耗 。参 考 文 献1 Go ldblith S A , Reyno ld L , Ro thm ayr W W. F reezedrying and advanced food techno logy1A cadem ic P ress,1975.2 Ray L. A dvances in freeze- drying11966 H erm ann, 115Boulevard Sainted- Germ an, Paris 1
22、3 F reeze drying of foods1C1Judson King1CRC P ress,197114 H arris R J C. B io logical app lication of freezing anddrying. A cadem ic P ress, 1954.5 赵 鹤 皋 , 林 秀 诚 . 冷 冻 干 燥 技 术 . 武 汉 : 华 中 理 工 大 学出 版 社 , 1990.6 徐 成 海 等 . 真 空 低 温 技 术 与 设 备 . 北 京 : 冶 金 工 业 出 版社 , 1995.(收 稿 日 期 : 2004209201)7 化 工 装 备 技 术 第 25 卷 第 6 期 2004 年 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/
