凍干技術及其應用綜述

1、演講人：丁 健 凍干技術的優(yōu)點 凍干技術的起源和發(fā)展 凍干技術面臨的問題 凍干技術的應用 凍干技術的原理 凍干設備類型及應用范圍 凍干的一般過程 凍干過程中常見問題及解決方案 凍干設備的基本操作 凍干技術的概念凍干技術的概念：廣義廣義：把含有大量水分的物質(zhì)含有大量水分的物質(zhì)，預先進行降溫凍結成固體。然后在真空的條件下使水蒸汽直接從固體中升華出來，而物質(zhì)本身留在凍結的冰架子中，從而使得干燥制品不失原有的固體骨架結構，保持物料原有的形態(tài),且制品復水性極好。狹義狹義：將水溶液水溶液在低溫下凍結，而后在真空狀態(tài)下將其中的水分不經(jīng)過液體狀態(tài)而直接升華，這樣干燥后的物質(zhì)，其物理、化學和形狀基本不變，有效成

2、分損失小，復水性好，密封保存周期長。 凍干技術的目的凍干技術的目的：為了貯存物品。物品之所以會損壞、腐爛、變質(zhì)，主要是由于外因和內(nèi)因二個因素引起，外因者，空氣、水、溫度、生物等的作用；內(nèi)因者，主要是生物物質(zhì)自身的新陳代謝作用。如果能使外因和內(nèi)因的作用減小到最低程度，則能達到物品在一定時間內(nèi)保 持不變的目的。凍干技術的概念及目的凍干技術的起源和發(fā)展凍干技術面臨的問題凍干技術的應用凍干技術的原理凍干設備類型及應用范圍凍干的一般過程凍干過程中常見問題及解決方案凍干設備的基本操作 冷凍干燥與常規(guī)的曬干、烘干、煮干、噴霧干燥及真空干燥相冷凍干燥與常規(guī)的曬干、烘干、煮干、噴霧干燥及真空干燥相比，有許多突出

3、的優(yōu)點：比，有許多突出的優(yōu)點：（1）冷凍干燥在低溫下進行，因此在對于許多熱敏性的物質(zhì)特別適用。如蛋白質(zhì)、微生物之類，不會發(fā)生變性或失去生物活力。（2）在凍干過程中，微生物的生長和酶的作用無法進行。因此能保持原來的性狀。（3）在低溫下干燥時，物質(zhì)中的一些揮發(fā)性成份和受熱變性的營養(yǎng)成分損失很小，適合一些化學制品、藥品和食品的干燥。（4）由于在凍結的狀態(tài)下進行干燥，因此制品的體積、形狀幾乎不變，保持了原來的結構，不會發(fā)生濃縮現(xiàn)象。干燥后的物質(zhì)疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而完全，幾乎立即恢復原來的性狀。（5）在真空下進行干燥，物料處于高度缺氧狀態(tài)下，容易氧化的物質(zhì)得到了保護。（6）冷凍干燥能排除

4、95-99%以上的水份，使干燥后產(chǎn)品能長期保存而不變質(zhì)。凍干技術的概念及目的凍干技術的優(yōu)點凍干技術面臨的問題凍干技術的應用凍干技術的原理凍干設備類型及應用范圍凍干的一般過程凍干過程中常見問題及解決方案凍干設備的基本操作時間時間事件事件1890年阿特曼（Altmann）改變過去制作標本的方法，采用冷凍干燥的方法成功凍干保存了各種器官和組織，他的工作確立了生物標本系統(tǒng)的凍干程序，這是凍干在制作生物標本中的最早應用。1909年謝蓋爾（Shackell）將凍干引入細菌學和血清學領域。他采用鹽冰預凍，在真空狀態(tài)下，用硫酸作吸水劑，對補體、抗毒素、狂犬病毒等進行凍干，其設備雖十分簡陋，但卻是后世先進凍干機

5、的雛形。1912年卡瑞爾（Carrel）首先提出用凍干技術為外科移植保存組織。國外國外時間時間事件事件1930年弗洛斯道夫進行了食品凍干的試驗1936年第一臺商業(yè)用凍干機問世1940年凍干人血漿開始投入市場第二次世界大戰(zhàn)中凍干人血漿和青霉素的大量需求，推動了凍干在醫(yī)藥、血液制品等方面的應用和迅速發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)后凍干法又迅速擴展到各種疫苗、藥品等領域。1949年弗洛斯道夫在著作中展望了凍干在食品中和其他疏松材料方面應用的前景。二次世界大戰(zhàn)后，英國食品部在阿伯丁的試驗工廠也進行了食品凍干的研究。1961年他們在綜合了當時一些研究成果的基礎上，公布了試驗成果，證明凍干法用于食品加工是一種能獲得

6、優(yōu)質(zhì)食品的方法。隨著凍干技術的應用和發(fā)展，凍干機理和技術的研究也隨之發(fā)展起來，1949年弗洛斯道夫出版了他的世界上第一本有關凍干的技術及理論的專著。1951年和1958年先后在英國倫敦召開了第一屆和第二屆以凍干為主題的專題討論會。 現(xiàn)在凍干食品除在宇宙航行、軍隊、登山、航海、探險等特殊場合受到歡迎外，在一般的民用食品中也確立了穩(wěn)固的地位。目前，世界上已有較大規(guī)模的真空冷凍干燥食品企業(yè)130多家.真空凍干食品也在歐美日等國市場迅速流行。美國和日本市場上出售的脫水食品中凍干食品占了40%以上。 國內(nèi) 二十世紀三、四十年代，我國已有微生物學家用鹽水預凍，在蒸發(fā)器內(nèi)抽真空，用吸水劑的方法凍干菌毒種作保

7、存用。到五十年代初期，哈爾濱、鄭州和南昌等地的獸藥廠開始生產(chǎn)凍干疫苗，并逐漸形成一定生產(chǎn)能力。六十年代開始批量生產(chǎn)凍干疫苗及凍干人血漿，并在制藥和食品工業(yè)應用冷凍干燥技術。時間時間事件事件1951年武漢生物制品研究所陳疇等設計并由上海合眾機器廠（上海第一冷凍機廠前身）最先制造了一臺9m2凍干機。1965年北京人民食品廠用英國的試驗裝置對果蔬、肉類等品種進行凍干試驗。1967年 旅大冷凍食品廠試制成一臺日產(chǎn)500Kg的凍干裝置并進行生產(chǎn)。七十年代中期上海梅林食品廠建立了年產(chǎn)300噸的食品凍干車間。八十年代后凍干食品在我國有了較大的發(fā)展，青島市第二食品廠，引進了日本凍干設備生產(chǎn)凍干香蔥、姜片等用于

8、出口。1972年上海醫(yī)用分析儀器廠、天津?qū)嶒瀮x器廠、南京藥械廠等仿制了一批中、小型凍干機。1975年年華中科技大學林秀誠、趙鶴皋等和湖北獸醫(yī)生物藥品廠共同研制一臺大型凍干機，這是我國第一臺自行設計制造的能在凍干箱內(nèi)進行自動加塞的凍干機。凍干技術的概念及目的凍干技術的優(yōu)點凍干技術的起源和發(fā)展凍干技術的應用凍干技術的原理凍干設備類型及應用范圍凍干的一般過程凍干過程中常見問題及解決方案凍干設備的基本操作 真空冷凍干燥技術發(fā)展到今天，已在許多領域得到成功應用。但與其它干燥方法相比，設備投資依然較大、能源消耗及產(chǎn)品成本依然較高，限制了該技術的進一步發(fā)展。 另外，由于凍干機所使用場所的特殊性，設備要求十分

9、苛刻，運行環(huán)境惡劣，這都對凍干機的運行可靠性、合理性、方便性提出了更高的要求。新技術、新標準、新法規(guī)的出臺，都對凍干技術提出了更多的要求。這為凍干領域的發(fā)展提出了更多的研究課題。 (1)熱穩(wěn)定性差的生物制品，生化類制品，血液制品，基因工程類制品等藥物凍干； (2)為保持生物組織結構和活性，外科手術用的皮層、骨骼、角膜、心瓣膜等生物組織的處理； (3)以保持食物色、香、味和營養(yǎng)成分以及能迅速復水的咖啡、調(diào)料、肉類、海產(chǎn)品、果蔬的凍干； (4)在微膠囊制備、藥品控釋材料等方面的應用。以保持生鮮物質(zhì)不變性的人參、蜂皇漿、龜鱉等保健品及中草藥制劑的加工； (5)超微細粉末功能材料如：光導纖維、超導材料

10、、微波介質(zhì)材料、磁粉以及能加速反應工程的催化劑的處理等。凍干技術的概念及目的凍干技術的優(yōu)點凍干技術的起源和發(fā)展凍干技術面臨的問題凍干技術的應用凍干設備類型及應用范圍凍干的一般過程凍干過程中常見問題及解決方案凍干設備的基本操作 真空冷凍干燥是先將濕料凍結到共晶點溫度以下共晶點溫度以下,使水分變成固態(tài)的冰,然后在較高的真空度下,使冰直接直接升華為水蒸汽升華為水蒸汽,再用真空系統(tǒng)中的水汽凝結器將水蒸汽冷凝,從而獲得干燥制品的技術。干燥過程是水的物態(tài)變化和移動的過程。這種變化和移動發(fā)生在低低溫低壓溫低壓下。因此，真空冷凍干燥的基本原理就是低溫低壓下傳質(zhì)傳熱的機理。凍干技術的概念及目的凍干技術的優(yōu)點凍干

11、技術的起源和發(fā)展凍干技術面臨的問題凍干技術的應用凍干技術的原理凍干的一般過程凍干過程中常見問題及解決方案凍干設備的基本操作小小中試中試生產(chǎn)生產(chǎn)凍干技術的概念及目的凍干技術的優(yōu)點凍干技術的起源和發(fā)展凍干技術面臨的問題凍干技術的應用凍干技術的原理凍干設備類型及應用范圍凍干過程中常見問題及解決方案凍干設備的基本操作一般濃度范圍一般濃度范圍4%25%最佳濃度范圍10%15% 冷凍干燥過程一般分三步進行，即預凍結預凍結、升華干燥升華干燥（或稱第一階段干燥）、解吸干燥解吸干燥（或稱第二階段干燥）。 配置樣品 即需要凍干的物品需配制成一定濃度的液體， 若濃度低于2%，在凍干時樣品會隨著水汽飄動； 若濃度大于

12、25%，則會影響凍干效果。 將樣液分裝如西林瓶或者托盤中，樣液一般為1015mm 當樣液厚度小于10mm時，升華干燥時間計算： t:時間；K：樣液的厚度共熔點的測定預凍結好的樣品預凍結的目的預凍結的目的 預凍就是將溶液中的自由水固化，賦予干后產(chǎn)品與干燥前相同的形態(tài)，防止抽真空干燥時起泡、濃縮和溶質(zhì)移動等不可逆變化發(fā)生，盡量減少由溫度引起的物質(zhì)可溶性減少和生命特性的變化。預凍結的方法預凍結的方法 凍干箱內(nèi)預凍法凍干箱內(nèi)預凍法：直接把產(chǎn)品放置在凍干機內(nèi)的多層擱板上，由凍干機的冷凍機來進行冷凍。 一般在11.5h達到指定溫度，并保持12h，使樣液凍結充分。 箱外預凍法：箱外預凍法：有些小型凍干機沒有

13、進行預凍產(chǎn)品的裝置，只能利用低溫冰箱或酒精加干冰來進行預凍。另一種是專用的旋凍器，它可把大瓶的產(chǎn)品邊旋轉(zhuǎn)邊冷凍成殼狀結構，然后再進入凍干箱內(nèi)。升華干燥升華干燥 在較高的真空度下,升溫至略低于共晶點略低于共晶點（25 ），使冰直接升華為水蒸汽，通常0.51mm/h. 此過程通?？梢耘懦?0%的水分 此過程真空一般控制在1330Pa； 若低于10Pa則對流換熱較弱； 若高于30Pa，則影響升華速度。 干燥完畢后應繼續(xù)保持11.5h,以排除干燥箱中殘余的水蒸汽 當冷凝器溫度下降至升華前的狀態(tài)，凍干箱的壓力下降至接近冷凍機的壓力，我們可以判定升華干燥過程的結束。 在較高的真空度下,再次升高溫度（視樣品

14、特性而定），排除剩余的水分，約5%9.5%. 若在此過程中間歇性通入少量無菌空氣（15Pa）可以進一步減少樣品中殘余的水分 此過程溫度不宜過高，否則樣品會出現(xiàn)萎縮，氣泡，顏色變深等現(xiàn)象 經(jīng)大量實驗總結，當溫度升至制品允許的最高溫度，并保持2h以上；若使用了真空調(diào)節(jié)裝置，則停用后，恢復較高真空度已達到2h以上，可以基本認為凍干過程可以結束。 一般關閉真空后1min內(nèi)壓力上升小于1Pa，殘余的水分在1%2%解吸干燥解吸干燥凍干技術的概念及目的凍干技術的優(yōu)點凍干技術的起源和發(fā)展凍干技術面臨的問題凍干技術的應用凍干技術的原理凍干設備類型及應用范圍凍干的一般過程凍干設備的基本操作 在針劑安瓿瓶或者小玻璃

15、瓶中，由于玻璃破碎，可能造成凍干不合格產(chǎn)品的增加。一般需將不合格率降至1%以內(nèi)。 可采用以下措施，避免玻璃破碎： 容器玻璃質(zhì)量應保持始終如一； 增加玻璃的厚度，尤其是瓶底與瓶身的連接部位的厚度； 在接近0時，用延長制品冷卻時間來緩慢將樣液凍結； 在凍結期，準確的進行溫度控制； 在升華干燥開始時，進行緩慢加熱； 適當減小產(chǎn)品的厚度和濃度，或使用較大直徑的容器，較小樣液因過冷膨脹帶來的影響； 改變樣液的pH,從而改變樣液的低共熔點區(qū)域?；蛘吒淖冑x形劑，例如氯化鈉（可高達1.5%）或者乙醇（2%3%）。由于玻璃破碎造成不合格產(chǎn)品由于玻璃破碎造成不合格產(chǎn)品 現(xiàn)象現(xiàn)象： 凍干分層后,下層萎縮?；蛘哒麄€制

16、品萎縮。一部分產(chǎn)品凍的很好,一部分萎縮成很少的幾乎是空瓶 可能原因分析可能原因分析： 1、沒有預凍好，升華過快；2、升溫快了一些，水分沒脫完，造成下部融化。 解決方案：解決方案： 1、反復預凍結，確保樣液預凍結均勻、完整； 2、升華干燥及解析干燥時緩慢升溫23 /0.5h 凍干分層后凍干分層后,下層萎縮下層萎縮現(xiàn)象現(xiàn)象： 抽真空時，表面起了很多小泡，凍干后表面一層脫離?？赡茉蚍治隹赡茉蚍治觯?1、真空度達到要求之前物料表面已部分解凍預凍不好，水沒有完全凍結，抽真空時水外溢形成氣泡；2、板層四周的瓶子在升華時會快于中間的瓶子，或者升華段 保溫時間不夠。解決方案：解決方案： 1、這種現(xiàn)象多半是凍干樣品中鹽遷移到表面所致?？梢约訌婎A凍解決； 2、升華干燥時適當延長時間，使其干燥充分。 凍干表面起一層皮凍干表面起一層皮可能原因分析可能原因分析： 1、凍結不牢固2、沒有掌握好物料的性質(zhì)3、真空沒有控制好4、升華干燥及解析干燥時升溫過快5、樣液濃度較高，預凍結后表面結構密實，干燥時內(nèi)部氣體排出時所致。解決方案：解決方案： 1、反復預凍結，確保樣液預凍結均勻、完整； 2、凍干前了解物質(zhì)的特性，準確測量出共晶點，合理操作； 3、升華干燥及解析干燥時