凍干工藝原理

凍干工藝原理第一節(jié)冷凍干燥的原理一、凍干的概念、目的及應用冷凍干燥就是把含有大量水分的物質，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。利用冷凍干燥目的是為了貯存潮濕的物質，通常是含有微生物組織的水溶要的低水汽壓是靠真空的狀況下達到的。真空冷凍干燥技術主要應用于：物凍干；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；海產品、果蔬的凍干；在微膠囊制備、藥品控釋材料等方面的應用。以保持生鮮物質不變性的人參、蜂皇漿、龜鱉等保健品及中草藥制劑的加工；及能加速反應工程的催化劑的處理等。二、冷凍干燥的原理及優(yōu)點1、水的狀態(tài)平衡圖1-1（H2O）OA、、OC三條曲線分別表示冰和水、水和水蒸汽、冰123OBK374℃，稱為臨界點。若水蒸汽的溫374℃時，無論怎樣加大壓力，水蒸汽也不能變成水。三曲線O0.01℃，壓力610Pa。在三相點以下，不存在液相。若將冰面的壓力保持低于610Pa，且給冰加熱，冰就會不經液相直接變成汽相，這一過程稱為升華。真空冷凍干燥是先將濕料凍結到共晶點溫度以下,使水分變成固態(tài)的冰,然后在較高的真空度下,使冰直接升華為水蒸氣,再用真空系統(tǒng)中的水汽凝結器將水蒸氣冷凝,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。這下傳質傳熱的機理。2、冷凍干燥的優(yōu)點出的優(yōu)點：冷凍干燥在低溫下進行，因此在對于許多熱敏性的物質特別適用。如蛋白質、微生物之類，不會發(fā)生變性或失去生物活力。的性狀。失很小，適合一些化學制品、藥品和食品的干燥。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，保后溶解迅速而完全，幾乎立即恢復原來的性狀。在真空下進行干燥，物料處于高度缺氧狀態(tài)下，容易氧化的物質得到了保護。95-99%以上的水份，使干燥后產品能長期保存而不變質。第二節(jié)冷凍干燥的一般過程需要凍干的物品需配制成一定濃度的液體，為了能保證干燥后有一定的形狀，一般凍干產品應配制成含固體物質濃度在4%～25%之間的稀溶液，以濃度為10%～15%最佳。以分子吸附在固體物質晶格間隙中或以氫鍵方式結合在一些極性基團上的結合步進行，即預凍結、升華干燥（或稱第一階段干燥、解析干燥（或稱第二階段干燥。一、預凍結質可溶性減少和生命特性的變化。1、預凍的方法溶液的預凍方法有兩種：凍干箱內預凍法和箱外預凍法。品邊旋轉邊冷凍成殼狀結構，然后再進入凍干箱內。800轉分左右。凍干工藝原理（2）2、預凍的過程：這時的溫度就是共晶點。溶液需過冷到冰點以后，其內產生晶核以后，自由水才會開始以冰的形式結晶，同時放出結晶熱使其溫度上升到冰點，隨著晶體的生長，溶液濃度的增加，當濃度達到共晶濃度，溫度下降到共晶點以下時，溶液就會全部凍結。晶體的形狀也與凍結溫度有關。在0oC附近開始凍結時，冰晶呈六角對稱形，在六個主軸方向向前生長，同時，還會出現若干副軸，所有冰晶連接起來，在溶液中形成一個網絡結構。隨著過冷度的增加，冰晶將逐漸喪失容量辨認的六角對稱形式，加之成核數多，凍結速度快,可能形成一種不規(guī)則的樹枝型，它們有任意數目的軸向柱狀體，而不象六方晶型那樣只有六條。生物體液（如血液血漿、肌肉漿液、玻璃體液等）結冰形成的結晶單元，往速度下形成六方結晶單元，快速冷卻至低溫時形成不規(guī)則樹枝狀晶體。細胞懸浮液（懸浮介質中，在高零下溫度緩慢結冰時，懸浮液中大量的冰生長，將細胞擠在溶液結晶的形式對凍干速率有直接的影響。冰晶升華后留下的空隙是后續(xù)冰此外，凍結的速率還與凍結設備的種類、能力和傳熱介質等有關。預凍過程中水結冰所產生的機械效應和溶質效應是引起生化藥品在凍干過程中pH值① 形成細微冰晶，使其來不及產生機械效應。② 選用緩沖劑時要選用溶解度相當的緩沖配對鹽。③ 加入產品保護劑。升華階段時間的長短與下列因素有關：①產品的品種：共熔點溫度較高的產品容易干燥，升華的時間短些；②每瓶內的裝量（正常的干燥速率大約為1mm/本身的性能。凍干工藝原理（3）二、升華干燥（第一階段干燥）1mm左右。產品在升華干燥時要吸收熱量，一克冰全部變成水蒸汽大約需要吸收670卡左右的熱量。因此升華階段必須對產品進行加熱。當凍干箱內的真空度降至可根據制品要求而定10-30Pa的進行。第一階段升華干燥是冷凍干燥的關鍵階段，大部分的水在這一階段被升華。1－2秒的時間（切不可太長。然后又迅速打開，在關閉的瞬間觀察凍干箱內的壓強升第一階段干燥結束可以通過以下現象判斷：a.干燥層和凍結層的交界面到達瓶底并消失。b.產品溫度上升到接近產品共溶點的溫度。凍干箱的壓力和冷凝器的壓力接近，且兩者間壓力差維持不變當關閉干燥室與冷凝器之間的閥門時，壓強上升速率與滲漏相壓器近（要預先檢查滲漏的速率。301小時的時間再轉到第二步干燥，以保證沒有殘留的冰。凍干工藝原理（4）三、解析干燥（第二階段干燥）解析干燥也稱第二階段干燥。在第一階段干燥結束后，產品內還存在10%由于這一部分水分是通過范德華力、氫鍵等弱分子力吸附在藥品上的結合（25℃-4040℃，維持一定的時間（由制品特點而定，使殘余水分含量達到預定值，整個凍干過程結束。但也需保證制品在大量升華時的溫度不得超過共晶點。在解析干燥階段由于產品內逸出水份的減少，冷凝器溫度的下降又引起系統(tǒng)內水蒸氣壓力的下降，這樣往往使凍干箱的總壓力下降到低于10Pa，這就使凍15～30Pa之間。出。4-6。凍干工藝原理（5）第三節(jié)凍干曲線的制定（或箱內空間溫度間的曲線。這些曲線均為凍干曲線。-10℃～+10楚，機器性能較差或其工作不夠穩(wěn)定時，用此法也比較穩(wěn)妥。備條件等許多因素有關。制定凍干曲線要考慮下列因素：①產品的品種：有些產品受冷凍的影響較大，有些產品則影響較?。灰话阒贫▋龈汕€和凍干時序主要確定下列數據:預凍速率與制品一起降溫，其凍結速率較慢。預凍溫度根據預凍方法不同而略有差異。一般來說，擱板溫度應低于制品共熔點5～10oC。預凍時間反之預凍時間可以縮短。通常擱板式凍干機，干燥箱的擱板從室溫30oC降到-40oC2～41～2小時，才能升華。水汽凝結器的降溫時間與溫度30-50（視其制冷能力決定時間長短就應使水汽凝-40oC以下，起動加熱循環(huán)泵，給產品供熱升華。抽真空時間0.5h10Pa時停止冷凍機的運轉。預凍結束的時間要求時停止板層的降溫。開始加熱時間（10Pa即真空度達到10Pa時，加熱便自動開始；有些凍干機是在抽真空之后半小時開始加熱，這時真空度已達到10Pa甚至更高。真空報警工作時間由于真空度對于升華是極其重要的，因此新式的凍干機均設有真空報警裝真空控制的工作時間產品加熱的最高許可溫度差，板層的溫度可比產品的最高許可溫度略高少許。凍干的總時間18~24h左右，有些產品需要幾天的時間。凍干工藝原理（6）第四節(jié)凍干過程中主要參數的控制（或供熱量和水蒸汽逸（真空度（對應的水蒸汽飽和壓力（真空度）和下面從“過程再現”的角度分別介紹目前所采用的擱板溫度，干燥箱內壓力（真空度）和水蒸汽分壓的控制。一、擱板溫度的控制量和溫度。一般采用兩種方式。1、階梯式升溫（質2、跟蹤式升溫程控制。二、箱內壓力（真空度）的控制1、校下漏孔法是目前多數生物、醫(yī)藥凍干機所采用的方法，它是基于提高干燥塔速率而提出來的。其方法是將無菌空氣（或氣體，下同）引入干燥箱和冷阱，在冷阱的冷凝表面上形成一層空氣膜，因而水蒸汽的凝結阻力增大，冷阱壓力提高，同時使干燥箱的壓力也相應提高。許溫度，而水蒸汽分壓稍低，有得水蒸汽的逸出，因此可以提高升華速率。但是：誤差。②此種方法是利用降低冷阱的冷凝效率來提高箱內壓力的，在開始升華階段有大量的水蒸汽需要捕捉，冷阱效率的降低無疑阻礙了升華速率的進一