第八章 干燥技術(shù)

第八章

干燥技術(shù)

Drying主要內(nèi)容干燥基本知識熱干燥冷凍干燥干燥的基本概念用熱能加熱物料，使物料中濕分蒸發(fā)而干燥或者用冷凍法使水分結(jié)冰后升華而除去的單元操作；通常是制藥產(chǎn)品分離的最后一步；在制藥生產(chǎn)中所得到的固態(tài)產(chǎn)品或半成品往往含有過多的水分或有機溶劑(濕分)，要制得合格的產(chǎn)品需要除去固體物料中多余的濕份。除濕方法機械除濕——如離心分離、沉降、過濾。物理化學(xué)除濕——加干燥劑如硅膠、無水氯化鈣、石灰等

干燥

——利用熱能使?jié)裎锪现械臐穹萜?。除濕程度高，但能耗大。慣用做法：先采用機械方法把固體所含的絕大部分濕份除去，然后再通過加熱把機械方法無法脫除的濕份干燥掉，以降低除濕的成本。干燥分類濕物料水分含量的表示方法濕物料是絕干固體與液態(tài)濕分的混合物。濕度m：水分在濕物料中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。濕含量M：濕物料中的水分與絕干物料的質(zhì)量比。換算關(guān)系：工業(yè)生產(chǎn)中，物料濕含量通常以濕度表示，但由于物料的總質(zhì)量在干燥過程中不斷減少，而絕干物料的質(zhì)量不變，故在干燥計算中以濕含量表示較為方便。一定干燥條件下，按能否除去，分為平衡水分與自由水分。平衡水分：等于平衡含水量X*的水分，是不可除水分。自由水分：高于平衡含水量X*的水分，是可除水分。一定干燥條件下，水分除去的難易，分為結(jié)合水與非結(jié)合水。非結(jié)合水分：與物料機械形式的結(jié)合，附著在物料表面的水，具有和獨立存在的水相同的蒸汽壓和汽化能力。結(jié)合水分：與物料存在某種形式的結(jié)合，其汽化能力比獨立存在的水要低，蒸汽壓或汽化能力與水分和物料結(jié)合力的強弱有關(guān)。濕分分類熱干燥過程的基本流程新鮮空氣過濾器鼓風(fēng)機加熱器

排放引風(fēng)機二次除塵一次除塵干燥器

產(chǎn)品濕料對流干燥過程原理熱氣體流過濕物料的表面，物料表面溫度低于氣體溫度;由于溫差的存在，氣體以對流方式向固體物料傳熱，使?jié)穹萜?；在分壓差的作用下，濕份由物料表面向氣流主體擴(kuò)散，并被氣流帶走。干燥是熱、質(zhì)同時傳遞的過程干燥介質(zhì)：用來傳遞熱量（載熱體）和濕份（載濕體）的介質(zhì)。注意：只要物料表面的濕份分壓高于氣體中濕份分壓，干燥即可進(jìn)行，與氣體的溫度無關(guān)。氣體預(yù)熱并不是干燥的充要條件，其目的在于加快濕份汽化和物料干燥的速度，達(dá)到一定的生產(chǎn)能力。HtqWtippiM熱空氣流過濕物料表面熱量傳遞到濕物料表面濕物料表面水分汽化并被帶走表面與內(nèi)部出現(xiàn)水分濃度差內(nèi)部水分?jǐn)U散到表面?zhèn)鳠徇^程傳質(zhì)過程傳質(zhì)過程干燥過程推動力傳質(zhì)推動力：物料表面水分壓P表水

>熱空氣中的水分壓P空水傳熱推動力：熱空氣的溫度t空氣

>物料表面的溫度t物表對流干燥過程實質(zhì)由于物料預(yù)熱段很短，通常將其并入恒速干燥段；以臨界濕含量Xc

為界，可將干燥過程只分為恒速干燥和降速干燥兩個階段。干燥速率曲線：干燥速率U或干燥速度N與濕含量X的關(guān)系曲線。干燥過程的特征在干燥速率曲線上更為直觀。干燥曲線和干燥速率曲線ABCD干燥速率U或NABCD物料溫度twXcX*濕含量XIIIC’恒速干燥階段濕物料表面為非結(jié)合水所濕潤，物料表面溫度是該空氣狀態(tài)下的濕球溫度；此時，傳熱推動力（溫度差）以及傳質(zhì)推動力（飽和蒸汽壓差）是一個定值；因此，干燥速率也是一個定值；實際上，該階段的干燥速率決定于物料表面水分汽化的速率、決定于水蒸氣通過干燥表面擴(kuò)散到氣相主體的速率。因此，又稱為表面汽化控制階段。此時的干燥速率幾乎等于純水的汽化速度，和物料濕含量、物料類別無關(guān)；影響因子主要有：空氣流速、空氣濕度、空氣溫度等外部條件。降速干燥階段物料濕含量降至臨界點以后，便進(jìn)入降速干燥階段。在降速干燥階段，非結(jié)合水已經(jīng)被蒸發(fā)，繼續(xù)進(jìn)行干燥，只能蒸發(fā)結(jié)合水。結(jié)合水的蒸氣壓恒低于同溫下純水的飽和蒸汽壓，傳質(zhì)、傳熱推動力逐漸減小，干燥速率隨之降低；干燥空氣的剩余能量被用于加熱物料表面，物料表面溫度逐漸升高，局部干燥。在這一階段，干燥速率取決于水分和蒸汽在物料內(nèi)部的擴(kuò)散速度。因此，亦稱為內(nèi)部擴(kuò)散控制階段，與外部條件關(guān)系不大。主要影響因素為物料結(jié)構(gòu)、形狀和大小制藥產(chǎn)品常用的干燥方法氣流干燥噴霧干燥冷凍干燥干燥設(shè)備選擇原則被干燥物料的性質(zhì)：濕物料的物理特性、干物料的物理特性、腐蝕性、毒性、可燃性、粒子大小及磨損性；物料的干燥特性：濕分的類型（結(jié)合水、非結(jié)合水）、初始和最終濕含量、允許的最高干燥溫度、產(chǎn)品的色澤、光澤等；粉塵及溶劑回收安裝的可行性干燥設(shè)備的分類與選擇原則干燥設(shè)備針對熱敏性物質(zhì)開發(fā)的單元操作有：瞬時快速干燥：接觸時間短、氣流溫度高噴霧干燥：時間短、熱效低、可同時造粒氣流干燥：接觸時間較長沸騰干燥：接觸時間最長，熱效最高低溫干燥：適用于粘稠狀物料，活性保持最好微波干燥：時間短，效率高紅外干燥：溫度高，干燥速度快廂式干燥設(shè)備由一個或多個小格（室）組成；干燥媒介的流動方式：自然對流、強制平行流動、強制穿流流動；使用范圍：適用于粒狀、晶狀和片狀產(chǎn)品優(yōu)缺點：結(jié)構(gòu)簡單，但能耗大，熱效低，現(xiàn)已逐漸被淘汰。氣流干燥設(shè)備干燥介質(zhì)為熱干空氣使用范圍：含非結(jié)合水的粉末或顆粒物料的干燥；優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，傳熱系數(shù)大，干燥速度快噴霧干燥設(shè)備采用霧化器，將料液分散成細(xì)小霧滴，在噴霧干燥器內(nèi)直接進(jìn)行干燥，并采用旋風(fēng)分離器對干燥后的物料進(jìn)行回收；優(yōu)點：傳熱表面積大，干燥時間短，適用于抗生素、酵母粉、酶制劑等熱敏性物質(zhì)的干燥；并可將蒸發(fā)、結(jié)晶、過濾、粉碎等過程集成于一次完成。缺點是熱效低、能耗大、設(shè)備體積過大流化床干燥設(shè)備在流化床中加入濕的顆粒狀物料，在流化床下部通入熱空氣，在一定流速下形成激烈的固體流態(tài)化狀態(tài)。因此，又稱沸騰床，是一種有效的干燥裝置。使用范圍：由于物料在干燥器中停留時間過長，不適宜干燥一些熱敏性物質(zhì)，使用于干燥葡萄糖、味精、檸檬酸等穩(wěn)定物料的干燥。紅外干燥以電磁波輻射作為熱量來源，通常波長在0.75~1000微米波段；熱量高，溫度變化幅度大，適用于稀薄的物料干燥微波干燥利用微波產(chǎn)生的電磁能，從內(nèi)部加熱濕物料；在交流電磁場的作用下，偶極離子會產(chǎn)生與電場方向變化相適應(yīng)的振動，從而摩擦產(chǎn)熱，使水分蒸發(fā)。冷凍干燥使被干燥的液體在極低的溫度下，冷凍成固體；然后，在低溫、低壓下利用水的升華性能，使冰升華汽化而除去，以達(dá)到干燥的目的；冷凍干燥法適用于絕大多數(shù)生物產(chǎn)品的干燥和濃縮，可以最大限度地保證生物產(chǎn)品的活性。第二節(jié)冷凍干燥技術(shù)傳統(tǒng)干燥技術(shù)的缺點體積縮小、質(zhì)地變硬

物質(zhì)發(fā)生了氧化

易揮發(fā)的成分大部分會損失掉

熱敏性的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、維生素會發(fā)生變性

微生物會失去生物活力，干燥后的物質(zhì)不易在水中溶解等

凍干技術(shù)定義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)時的冰架子中，因此它干燥后體積不變，疏松多孔。

凍干特點⑴冷凍干燥在低溫下進(jìn)行，因此對于許多熱敏性的物質(zhì)特別適用。⑵在低溫下干燥時，物質(zhì)中的一些揮發(fā)性成分損失很小，適合一些化學(xué)產(chǎn)品、藥品和食品干燥。⑶在冷凍干燥過程中，微生物的生長和酶的作用無法進(jìn)行，因此能保持原來的性狀。⑷由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結(jié)構(gòu)，不會發(fā)生濃縮現(xiàn)象。⑸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(fù)原來的性狀。⑹由于干燥在真空下進(jìn)行，氧氣極少，因此易氧化的物質(zhì)得到了保護(hù)。⑺干燥能排除95-99％以上的水分，使干燥后產(chǎn)品能長期保存而不致變質(zhì)。水的三相圖雙組份溶液相平衡示意圖共晶點（共熔點）純液體有一個固定的結(jié)冰點。而溶液卻不一樣，它不是在某一固定溫度完全凝結(jié)成固體，而是在某一溫度時，晶體開始析出，隨著溫度的下降，晶體的數(shù)量不斷增加，直到最后，溶液才全部凝結(jié)。這樣，溶液并不是在某一固定溫度時凝結(jié)。而是在某一溫度范圍內(nèi)凝結(jié)。當(dāng)冷卻時開始析出晶體的溫度稱為溶液的冰點。而溶液全部凝結(jié)的溫度叫做溶液的凝固點。凝固點就是融化的開始點（即熔點），對于溶液來說也就是溶質(zhì)和溶媒共同熔化的點。所以又叫做共熔點或共晶點。可見溶液的冰點與共熔點是不相同的。共熔點才是溶液真正全部凝成固體的溫度。冷凍干燥中共晶點的意義由于冷凍干燥是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的。只有產(chǎn)品全部凍結(jié)后才能在真空下進(jìn)行升華干燥，否則有部分液體存在時，在真空下不僅會迅速蒸發(fā)，造成液體的濃縮使凍干產(chǎn)品的體積縮??；而且溶解在水中的氣體在真空下會迅速冒出來，造成象液體沸騰的樣子，使凍干產(chǎn)品鼓泡、甚至冒出瓶外。為此凍干產(chǎn)品在升華開始時必須要制冷到共熔點以下的溫度，使凍干產(chǎn)品真正全部凍結(jié)。共晶點（共熔點）的測定方法凍結(jié)時離子將固定不能運動，因此電阻率明顯增大。而有少量液體存在時電阻率將顯著下降。因此測量產(chǎn)品的電阻率將能確定產(chǎn)品的共熔點。一些物質(zhì)的共熔點物質(zhì)名稱共熔點溫度℃純水0.85％氯化鈉溶液10％蔗糖溶液40％蔗糖溶液10％葡萄糖溶液2％明膠、10％葡萄糖溶液2％明膠、10％蔗糖溶液10％蔗糖溶液、10％葡萄糖溶液、0.85％氯化鈉溶液脫脂牛奶馬血清人參菠菜30℃,溶解度1.95mol/L的甲級芬尼定磷酸鹽30℃,溶解度0.12mol/L的吩妥胺磷酸鹽30℃,溶解度1mol/L的甘露醇30℃,溶解度0.6mol/L的乳糖30℃,溶解度4.97mol/L的氯化鉀30℃,溶解度5.93mol/L的溴化鉀二甲亞礬水甘油水(丙三醇)

草莓冬蟲夏草山藥0－22℃－26℃－33℃－27℃－32℃－19℃－36℃－26℃－35℃－15℃－6℃－4.29℃－0.75℃－2.24℃－5.4℃－11.1℃－12.9℃－73℃－46.5℃－15℃－15℃－20℃凍干基本程序物料的預(yù)處理或制備預(yù)凍結(jié)升華（一期干燥）解析干燥（二期干燥）封裝和儲存物料的預(yù)處理或制備藥品和細(xì)胞預(yù)處理：必須添加劑，添加劑功能分類：凍干保護(hù)劑、乳化劑、填充劑、抗氧化劑、酸堿調(diào)整劑。其中糖類（海藻糖、蔗糖等）是很有效的凍干保護(hù)劑。預(yù)凍結(jié)預(yù)凍結(jié)

是將物料充分冷卻，不僅要使物料中的自由水完全結(jié)成冰，還要使物料中其他部分也完全固化，形成固態(tài)的非晶體（玻璃態(tài)）。冷卻固化后的物料，實際上是既具有晶態(tài)，又具有玻璃態(tài)的、堅硬的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。凍結(jié)終溫：冷卻固化過程的最終溫度應(yīng)當(dāng)是完全固化溫度，它應(yīng)低于物料的共晶溫度，或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。預(yù)凍結(jié)風(fēng)冷法：在凍干機外對物料進(jìn)行速凍，隨后快速送入凍干機中進(jìn)行升華干燥。其特點：適合疏松結(jié)構(gòu)材料凍結(jié)快凍干機利用率高5min內(nèi)移入凍干機，15min內(nèi)降壓至100Pa。預(yù)凍結(jié)直冷法：凍干機擱板具有凍結(jié)能力，物料在凍干機內(nèi)凍結(jié)后直接進(jìn)行升華干燥。

其特點適合衛(wèi)生要求高、導(dǎo)熱性能好的瓶裝制劑對真空抽速要求相對低存在冷熱能量干擾問題預(yù)凍結(jié)升華干燥（一期干燥）過程物料中的水分,對冷凍干燥過程的分析而言，可以劃分為兩類。一類是在低溫下可被凍結(jié)成冰的，這部分的水可以稱為“自由水”或“物理截留水”；另一類是在低溫下不可被凍結(jié)的水分，這部分的水可以被看作是被“束縛”的，稱為“結(jié)合水”或“束縛水”。對于含水量高的物料，其中“自由水”的含量約占總水分量的90%以上。升華干燥（一期干燥）過程升華干燥是指在低溫下對物料加熱，使其中被凍結(jié)成冰的“自由水”直接升華成水蒸汽。一次干燥的物料溫度必須低于物料的最高允許溫度凍結(jié)層的溫度低于共晶溫度干燥層的溫度低于塌陷溫度加熱：在一次干燥過程中，所需要的熱量為冰的升華熱。加熱的方式可以是擱板導(dǎo)熱加熱；或輻射加熱。要維持升華干燥的順利進(jìn)行，必須滿足兩個基本條件：一是升華產(chǎn)生的水蒸汽必須不斷地從升華表面被移走；二是必須不斷地給物料提供升華所需要的熱量。如控制不好，會出現(xiàn)軟化、融化、隆起、塌陷等現(xiàn)象。升華干燥過程實際上是傳熱、傳質(zhì)同時進(jìn)行的過程。只有當(dāng)傳遞給升華界面的熱量等于從升華界面溢出的水蒸汽所需的熱量時，升華干燥才能順利進(jìn)行。解吸干燥（二期干燥）過程第一階段干燥結(jié)束后，在干燥物料的多孔結(jié)構(gòu)表面和極性基團(tuán)上還吸附著未凍結(jié)的結(jié)合水。吸附的能量很大，必須提供較高的溫度和足夠的熱量，才能實現(xiàn)結(jié)合水的解吸過程。解吸干燥，是在較高溫度下加熱，使物料中被吸附的部分“結(jié)合水”解吸，變成“自由”的液態(tài)水，再吸熱蒸發(fā)成水蒸汽。在解吸干燥過程中，物料的溫度必須低于物料的最高允許溫度。

最高允許溫度由物料的性質(zhì)所決定，如對蛋白質(zhì)藥物，最高允許溫度一般應(yīng)低于40℃；對果蔬等食品，最高允許溫度可以到60-70℃。解吸干燥（二期干燥）過程在二次干燥過程中，所需要的熱量為解吸附熱與蒸發(fā)熱之和，一般簡稱之為“解吸熱”。在二次干燥過程結(jié)束時，物料中的含水量應(yīng)當(dāng)達(dá)到最終要求的剩余含水量。凍干后物料中的剩余水分含量過高或過低都不利。剩余含水量過高不利于長期貯存；過低也會損傷物料的活性。經(jīng)二次干燥后，凍干后物料中的剩余水分含量一般應(yīng)低于5%。封裝和密封工質(zhì)對經(jīng)二次干燥后，要進(jìn)行封裝和儲存。在干燥狀態(tài)下，如果不與空氣中的氧氣和水蒸汽相接觸，凍干藥品可以長時間貯存。待需要使用時，再將其復(fù)水。封裝和密封封裝仍須在真空條件，或充惰性氣體（氮氣或氬氣）的條件下進(jìn)行。對于瓶裝的物料，可在干燥室內(nèi)，用壓瓶塞器直接將橡膠瓶塞壓下，堵住蒸汽通道，并保證密封。對于安瓿裝的物料或較大塊的物料，可由干燥室通過真空通道引出，送至真空室，或充惰性氣體室，用機械手封裝。凍干物料的儲藏溫度一般是室溫。藥品4℃~18℃凍干系統(tǒng)組成冷凍干燥系統(tǒng)主要由干燥箱（或稱凍干箱）、冷阱、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。冷凍干燥系統(tǒng)主要部件的技術(shù)要求凍干箱

凍結(jié)過程

干燥室

冷阱

真空系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)

凍干箱凍干箱是物料進(jìn)行真空干燥的場所。物料瓶置于下隔板上，物料瓶的上方可以有上隔板。對物料的加熱，可以用下隔板，以導(dǎo)熱的方式進(jìn)行；也可以用上隔板，以輻射的方式進(jìn)行。

藥劑的凍干過程，要求凍干箱與真空系統(tǒng)是無菌的，采用高溫蒸汽滅菌，要求凍干箱箱體采用不銹鋼材，箱內(nèi)全部零部件具有耐受高溫蒸汽的能力。凍結(jié)過程

對物料的冷卻固化過程（凍結(jié)過程），可以在干燥室內(nèi)進(jìn)行，此時下擱板內(nèi)有載冷劑，通過制冷系統(tǒng)進(jìn)行降溫。物料的凍結(jié)過程，也可以在干燥室外進(jìn)行，待物料完全冷卻固化后，放入干燥室內(nèi)，再進(jìn)行真空干燥。干燥室

干燥室要求密封良好。有的干燥室內(nèi)，還設(shè)有壓瓶塞器，在干燥結(jié)束時，就立即對物料瓶密封。冷阱可以放在干燥室內(nèi)或外。冷阱的作用是在真空系統(tǒng)中提供一個低溫的環(huán)境。冷阱的溫度要比物料升華界面的溫度低20k以上。冷阱表面的飽和水蒸汽壓力和物料升華界面的飽和水蒸氣壓力差是物料升華水蒸氣逸出的傳質(zhì)驅(qū)動力。物料中逸出的水蒸氣，遇到冷阱的低溫表面，凝結(jié)成液態(tài)水，排出系統(tǒng)。對一般升華干燥，如物料的升華溫度在-10℃至-40℃時，冷阱的溫度可工作在-30℃至-70℃之間。物料升華溫度與冷阱溫度之間的差值越大，則升華的傳質(zhì)驅(qū)動力就越大。但是兩者的溫差過大也是沒有意義的。制冷系統(tǒng)制冷系統(tǒng)的任務(wù)是在冷阱處形成低溫條件，有些還在凍干箱內(nèi)起著制冷冷卻的作用。制冷系統(tǒng)可以有蒸氣壓縮式制冷、熱電制冷和利用液氮等多種方式。在蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)，冷阱是制冷系統(tǒng)中制冷工質(zhì)的蒸發(fā)器。如果要求冷阱的溫度很低，則要采用雙級壓縮制冷循環(huán)或復(fù)疊式制冷循環(huán)。真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)的主要功能是抽走“非凝性”氣體。在冷凍干燥系統(tǒng)的溫度范圍內(nèi)，空氣是“非凝性”氣體，它既包括由外界大氣漏入干燥箱的空氣；也包括由物料中逸出的空氣或其他“非凝性”氣體。對于冷凍干燥系統(tǒng)真空泵的要求，除了真空度和抽氣速率外，還要求能用于水蒸汽，并能有一定的水蒸汽抽除能力。冷凍干燥系統(tǒng)對真空度的要求并不高，約1Pa；可以采用旋片式機械真空泵，或在旋片式真空泵的低壓側(cè)再加羅茨泵。

加熱系統(tǒng)對凍干箱中物料的加熱，一般是通過擱板進(jìn)行的。下擱板以導(dǎo)熱的方式對物料瓶進(jìn)行加熱；上擱板是以輻射的方式對物料進(jìn)行加熱。擱板中可以裝置電加熱器；也可以裝有載熱劑。擱板的溫度由溫控系統(tǒng)控制。凍干技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用食品工業(yè)凍干草莓凍干蘑菇凍干青豆凍干山