凍干工藝的原理

凍干工藝的原理一、凍干的概念、目的及應(yīng)用架構(gòu)造，保持物料原有的形態(tài),且制品復(fù)水性極好。的水溶液。產(chǎn)品在凍結(jié)之后置于一個低水氣壓下，這時包含冰的升華，直接由固態(tài)在不發(fā)生熔化的狀況下變成汽態(tài)。與其他枯燥方式相比避開了化學(xué)、物理和酶的變化，從而確保了制品物性在保存時不易轉(zhuǎn)變。實際需要的低水汽壓是靠真空的狀況下到達(dá)的。真空冷凍枯燥技術(shù)主要應(yīng)用于：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；為保持生物組織構(gòu)造和活性，外科手術(shù)用的皮層、骨骼、角膜、心瓣膜等生物組織的處理；以保持食物色、香、味和養(yǎng)分成分以及能快速復(fù)水的咖啡、調(diào)料、肉類、海產(chǎn)品、果蔬的凍干；在微膠囊制備、藥品控釋材料等方面的應(yīng)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；超微細(xì)粉末功能材料如：光導(dǎo)纖維、超導(dǎo)材料、微波介質(zhì)材料、磁粉以及能加速反響工程的催化劑的處理等。二、冷凍枯燥的原理及優(yōu)點(diǎn)1物質(zhì)有固、液、汽三態(tài)，物質(zhì)的狀態(tài)與其溫度和壓力有關(guān)。圖1-1示出水〔H2O〕的狀態(tài)平衡圖。圖中OA、OB、OC三條曲線分別表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽兩相共存時其壓力和溫度別稱為固相區(qū)、液相區(qū)和氣相區(qū)。箭頭1、2、3分別表示冰溶化成水，水汽化成水蒸汽和冰升華成水蒸汽的過程。曲線OB的頂端有一點(diǎn)K，其溫度為374℃，稱為臨界點(diǎn)。假設(shè)水蒸汽的溫度高于其臨界溫度374O，為固、液、汽三相其存的狀態(tài)，稱為三相點(diǎn)，其溫度為0.01℃，壓力為610Pa。在三相點(diǎn)以下，不存在液相。假設(shè)將冰面的壓力保持低于610Pa，且給冰加熱，冰就會不經(jīng)液相直接變成汽相，這一過程稱為升華。2-1水的三相平衡圖真空冷凍枯燥是先將濕料凍結(jié)到共晶點(diǎn)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)中的水汽分散器將水蒸氣冷凝,從而獲得枯燥制品的技術(shù)?？菰镞^程是水的物態(tài)變化和移動的過程。這種變化和移動發(fā)生在低溫低壓下。因此，真空冷凍干燥的根本原理就是低溫低壓下傳質(zhì)傳熱的機(jī)理。2冷凍枯燥與常規(guī)的曬干、烘干、煮干、噴霧枯燥及真空枯燥相比，有很多突出的優(yōu)點(diǎn)：〔1〕冷凍枯燥在低溫下進(jìn)展，因此在對于很多熱敏性的物質(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?！?〕〔3〕藥品和食品的枯燥。〔4〕由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)展枯燥，因此制品的體積、外形幾乎不變，保持了原來的構(gòu)造，不會發(fā)生狀。在真空下進(jìn)展枯燥，物料處于高度缺氧狀態(tài)下，簡潔氧化的物質(zhì)得到了保護(hù)?？菰锬芘沤?5-99%以上的水份，使枯燥后產(chǎn)品能長期保存而不變質(zhì)。其次節(jié)冷凍枯燥的一般過程4%～25%10%～15%最正確。一般分三步進(jìn)展，即預(yù)凍結(jié)、升華枯燥〔或稱第一階段枯燥〕、解析枯燥〔或稱其次階段枯燥〕。一、預(yù)凍結(jié)預(yù)凍就是將溶液中的自由水固化，賜予干后產(chǎn)品與枯燥前一樣的形態(tài)，防止抽空枯燥時起泡、濃縮和溶質(zhì)移動等不行逆變化發(fā)生，盡量削減由溫度引起的物質(zhì)可溶性削減和生命特性的變化。1、預(yù)凍的方法溶液的預(yù)凍方法有兩種：凍干箱內(nèi)預(yù)凍法和箱外預(yù)凍法。小瓶和安瓶安瓶要事先凍好后加上導(dǎo)熱用的金屬架后再進(jìn)箱進(jìn)展冷凍。干冰來進(jìn)展預(yù)凍。另一種是專用的旋凍器，它可把大瓶的產(chǎn)品邊旋轉(zhuǎn)邊冷凍成殼狀構(gòu)造，然后再進(jìn)入凍干箱內(nèi)。2-2旋轉(zhuǎn)型冷凍還有一種特別的離心式預(yù)凍法，離心式凍干機(jī)就承受此法。利用在真空下液體快速蒸發(fā)，吸取本身的熱量而凍結(jié)。旋轉(zhuǎn)的離心力防止產(chǎn)品的氣體逸出，使產(chǎn)品能“安靜地”凍結(jié)成肯定的外形。轉(zhuǎn)800轉(zhuǎn)/分左右。2—3靠離心或旋轉(zhuǎn)液體形成楔狀或殼狀2出，剩下的溶液濃度將會上升，就這樣結(jié)冰點(diǎn)下降，接著連續(xù)冷卻，冰結(jié)晶隨著冷卻而增加，剩著冰晶體，這時的溫度就是共晶點(diǎn)。溶液需過冷到冰點(diǎn)以后，其內(nèi)產(chǎn)生晶核以后，自由水才會開頭以冰的形式結(jié)晶，同時放出結(jié)晶熱晶點(diǎn)以下時，溶液就會全部凍結(jié)。有關(guān)。而晶核生成速率和晶體生長速率這兩個因素又是隨溫度和壓強(qiáng)的變化而變化的，因此，我們可以通過掌握溫度和壓強(qiáng)來掌握溶液結(jié)晶的晶粒數(shù)量和大小。一般來說，冷卻速度越快，過冷粒越細(xì)；反之晶粒數(shù)量越少，晶粒越大。晶體的外形也與凍結(jié)溫度有關(guān)。在0oC四周開頭凍結(jié)時，冰晶呈六角對稱形，在六個主軸方向向前生長，同時，還會消滅假設(shè)干副軸，全部冰晶連接起來，在溶液中形成一個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。隨著過冷度的增加，冰晶將漸漸喪失容量識別的六角對稱形式，加之成核數(shù)多，凍結(jié)速度快,可能形成一種不規(guī)章的樹枝型，它們有任意數(shù)目的軸向柱狀體，而不象六方晶型那樣只有六條。2-4冷凍枯燥碎片，表示冰升華后空隙〔無比例〕生物體液〔如血液血漿、肌肉漿液、玻璃體液等〕結(jié)冰形成的結(jié)晶單元，往往與單一成分的水溶規(guī)章樹枝狀晶體。細(xì)胞懸浮液〔如紅血球、白血球、精子、細(xì)菌等懸浮于蒸餾水、血漿或其他懸浮介質(zhì)中〕，在高縮。與此同時，胞外冰的生長，還將迫使細(xì)胞物質(zhì)體積縮小、變形。但此時細(xì)胞內(nèi)不結(jié)冰。當(dāng)在與否、保護(hù)劑的性質(zhì)以及細(xì)胞內(nèi)水的含量有關(guān)，一般說來，冷卻速度越快、溫度越低，細(xì)胞內(nèi)形成的冰越多。懸浮液中添加非滲透性保護(hù)劑，可以使快速結(jié)冰時細(xì)胞內(nèi)形成的冰數(shù)目削減。出通道，大而連續(xù)的六方晶體升華后形成的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品枯燥速度快，反之樹枝形和不連續(xù)的球狀冰晶通道小或不連續(xù)，水蒸汽靠集中或滲透才能逸出，因而干燥速度慢。因此僅從枯燥速率來考慮，慢凍為好。此外，凍結(jié)的速率還與凍結(jié)設(shè)備的種類、力量和傳熱介質(zhì)等有關(guān)。預(yù)凍會對細(xì)胞和生命產(chǎn)生肯定的破壞作用，其機(jī)理是格外簡單的，一般認(rèn)為，預(yù)凍過程中水結(jié)冰指水結(jié)冰時體積增大，致使活性物質(zhì)活性部位中一些弱分子力鍵受到破壞，從而使活性損失；溶質(zhì)效應(yīng)是指水結(jié)冰以后引起溶質(zhì)濃度上升以及由于各種溶質(zhì)在各種溫度條件下溶解度變化不全都引起pH值的變化，導(dǎo)致活性物質(zhì)所處的環(huán)境發(fā)生變化而造成失活或變性。對這種現(xiàn)象可承受以下措施解決：①預(yù)凍承受速凍法，先將擱板溫度降至－45OC，再放入產(chǎn)品急速冷凍，形成微小冰晶，使其來不及產(chǎn)生氣械效應(yīng)。②選用緩沖劑時要選用溶解度相當(dāng)?shù)木彌_配對鹽。③參加產(chǎn)品保護(hù)劑。的時間短些；②每瓶內(nèi)的裝量〔正常的枯燥速率大約為1mm/h〕、總裝量、玻璃容器的外形、規(guī)格；③升華時供給的熱量；④凍干機(jī)本身的性能。二、升華枯燥〔第一階段枯燥〕中，升華界面約為每小時1mm的速度向下推動。當(dāng)全部冰晶除去時，第一階段枯燥就完成了，90%左右。產(chǎn)品在升華枯燥時要吸取熱量，一克冰全部變成水蒸汽大約需要吸取670卡左右的熱量。因此升華階段必需對產(chǎn)品進(jìn)展加熱。當(dāng)凍干箱內(nèi)的真空度降至10Pa〔可依據(jù)制品要求而定〕以下，就可以開頭給制品加熱，為產(chǎn)品升華供給能量，且凍干箱內(nèi)的真空度應(yīng)掌握在10-30Pa之間最有利于熱量的傳遞，利于升華的進(jìn)展。的熱量，則產(chǎn)品溫度持續(xù)上升，當(dāng)產(chǎn)品溫度超過其共熔點(diǎn)時，則產(chǎn)生噴瓶或瓶底變空的現(xiàn)象，質(zhì)不一樣、配方各不同、離子濃度各不一樣，對賦形劑選擇和用量要求各不一樣，假設(shè)掌握不好，凍干后的產(chǎn)品外觀成為不易溶解的蜂窩狀或粉狀，而不能成為構(gòu)造疏松、易于溶解的網(wǎng)狀構(gòu)造，閉1－2秒的時間〔切不行太長〕。然后又快速翻開，在關(guān)閉的瞬間觀看凍干箱內(nèi)的壓強(qiáng)上升狀況數(shù)假設(shè)電阻接近共熔點(diǎn)時的電阻數(shù)值，則說明產(chǎn)品溫度已接近或到達(dá)共熔點(diǎn)的溫度。第一階段枯燥完畢可以通過以下現(xiàn)象推斷：枯燥層和凍結(jié)層的交界面到達(dá)瓶底并消逝。產(chǎn)品溫度上升到接近產(chǎn)品共溶點(diǎn)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(dāng)關(guān)閉枯燥室與冷凝器之間的閥門時，壓強(qiáng)上升速率與滲漏相壓器近〔需要預(yù)先檢查滲漏的速率〕。當(dāng)在多歧管上枯燥時，容器外表上的冰或水珠消逝，其溫度到達(dá)環(huán)境溫度。通常在此根底上還要延長30分鐘到1小時的時間再轉(zhuǎn)到其次步枯燥，以保證沒有殘留的冰。三、解析枯燥〔其次階段枯燥〕解析枯燥也稱其次階段枯燥。在第一階段枯燥完畢后，產(chǎn)品內(nèi)還存在10%左右的水分吸附在枯燥物質(zhì)的毛細(xì)管壁和極性基團(tuán)上，這一局部的水是未被凍結(jié)的。當(dāng)它們到達(dá)肯定含量，就為微生物的生長生殖和某些化學(xué)反響供給了條件。試驗證明：即使是單分子層吸附以下的低含水量，也可定性，延長其保存期，需要除去這些水分。這就是解析枯燥的目的。水，需要抑制分子間的力，需要更多的能量。此時可以把制品溫度加熱到其允許的最高溫度以下〔產(chǎn)品的允許溫度視產(chǎn)品的品種而定，一般為25℃-40℃左右。病毒性產(chǎn)品為25℃，細(xì)菌性產(chǎn)品為30℃，血清、抗菌素等可高達(dá)40℃〕，維持肯定的時間〔由制品特點(diǎn)而定〕，使剩余水分含量到達(dá)預(yù)定值，整個凍干過程完畢。假設(shè)制品共晶點(diǎn)較高，系統(tǒng)的真空度也能保持良好，分散器的制冷力量充裕，則也可承受肯定的升溫速度，將擱板溫度上升至允許的最高溫度，直至凍干完畢，但也需保證制品在大量升華時的溫度不得超過共晶點(diǎn)。在解析枯燥階段由于產(chǎn)品內(nèi)逸出水份的削減，冷凝器溫度的下降又引起系統(tǒng)內(nèi)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，這就使凍干箱內(nèi)對流的熱傳遞幾乎消逝。為了改進(jìn)凍干箱傳熱，使產(chǎn)品溫度較快地到達(dá)最高允許溫度，以縮短解析枯燥階段時間，要對凍干15～30Pa之間。冷凝器由于負(fù)荷削減也到達(dá)了極限低溫，這樣凍干箱和冷凝器之間水蒸氣壓力差到達(dá)了最大值。這種狀況格外有利于產(chǎn)品內(nèi)剩余水份的逸出。4-63%。制。更重要的是對冷凍枯燥過程的每一階段的各參數(shù)進(jìn)展全面的掌握，才能得到優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。凍干曲線和時序就是進(jìn)展冷凍枯燥過程掌握的根本依據(jù)。的壓力。對于某一具體的凍干機(jī)，由于制品的溫度與擱板溫度或箱內(nèi)空間溫度有肯定依從關(guān)系，很多設(shè)備又不能掌握產(chǎn)品外表的壓力，所以實踐中凍干曲線往往用擱板溫度〔或箱內(nèi)空間溫度〕均為凍干曲線。2-5典型的冷凍曲線一般可掌握在-10℃～+10℃之間。其次階段則依據(jù)制品性質(zhì)將擱板溫度適當(dāng)調(diào)高，此法適用于較穩(wěn)妥。2-6凍干過程中各設(shè)備的運(yùn)行程序關(guān)。制定凍干曲線要考慮以下因素：①產(chǎn)品的品種：有些產(chǎn)品受冷凍的影響較大，有些產(chǎn)品則影響較??；一般細(xì)菌性的產(chǎn)品受冷凍的影響較大，病毒性的產(chǎn)品受冷凍的影響較小。共熔點(diǎn)低的產(chǎn)品要求預(yù)凍的溫度低，加熱時板層的溫含量要求高的產(chǎn)品，凍干時間可縮短；②裝液量：總裝液量和每一容器內(nèi)產(chǎn)品裝液量的多少，裝液量多則凍干時間長；③容器的品種：底部平坦則傳熱較好。底部不平或玻璃較厚則傳熱較差，后者明顯凍干時間較長；④制定出最正確的凍干曲線。制定凍干曲線和凍干時序主要確定以下數(shù)據(jù):預(yù)凍速率來說，慢凍晶粒大，產(chǎn)品外觀粗糙、不簡潔損傷活菌，但升華速率快，而速凍則與此相反。通常凍干機(jī)是不能調(diào)整凍結(jié)速率的。如需凍結(jié)得快一些，則先將枯燥室〔箱〕預(yù)冷至較低溫度，再將制品入箱凍結(jié)。假設(shè)使枯燥箱與制品一起降溫，其凍結(jié)速率較慢。預(yù)凍溫度依據(jù)預(yù)凍方法不同而略有差異。一般來說，擱板溫度應(yīng)低于制品共熔點(diǎn)5～10oC。預(yù)凍時間制品裝量多，分裝的容器底不平，托盤與擱板接觸傳熱不良，凍干機(jī)制冷力量小，產(chǎn)品的過冷度的擱板從室溫30oC降到-40oC約需2～4個小時，在制品樣品溫度降到預(yù)定的最低溫度后，還需1～2小時，才能升華。水汽分散器的降溫時間與溫度在產(chǎn)品預(yù)凍完畢前30-50分鐘〔視其制冷力量打算時間長短〕就應(yīng)使水汽分散器降溫。溫度降到-40oC左右，起動真空泵抽真空，當(dāng)產(chǎn)品外表壓力降至10-20Pa以下，起動加熱循環(huán)泵，給產(chǎn)品供熱升華。抽真空時間預(yù)凍完畢就是開頭抽真空，要求在0.5h左右的時間真空度能到達(dá)10Pa；預(yù)凍完畢就是停頓凍干箱冷凍機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通常在抽真空的同時或真空抽到規(guī)定要求時停頓冷凍機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。預(yù)凍完畢的時間溫。開頭加熱時間一般認(rèn)為開頭加熱的時間始于抽真空〔實際上抽真空開頭，升華即已開頭〕度到達(dá)10Pa之后，有些凍干機(jī)利用真空繼電器自動接通加熱，即真空度到達(dá)10Pa時，加熱便自動開頭；有些凍干機(jī)是在抽真空之后半小時開頭加熱，這時真空度已到達(dá)10Pa甚至更高。真空報警工作時間度下降而發(fā)生真空報警時，一方面發(fā)出報警信號，一方面自動切斷凍干箱的加熱。同時還啟動凍干箱的冷凍機(jī)對產(chǎn)品進(jìn)展降溫，以保護(hù)產(chǎn)品不致發(fā)生熔化。真空掌握的工作時間最高許可溫度之后即可停頓，連續(xù)恢復(fù)真空狀態(tài)，使用時間的長短由產(chǎn)品的品種、裝量和真空度的數(shù)值所打算。也可第一階段枯燥時使用。產(chǎn)品加熱的最高許可溫度產(chǎn)品的最高許可溫度相全都。由于傳熱的溫差，板層的溫度可比產(chǎn)品的最高許可溫度略高少許。凍干的總時間確定。凍干總時間依據(jù)產(chǎn)品的品種、瓶子的品種、裝箱方式、裝量、機(jī)器性能等來打算，一般冷18~24h左右，有些產(chǎn)品需要幾天的時間。主要由擱板的溫度和枯燥箱的壓力〔真空度〕〔對應(yīng)的水蒸汽飽和壓力〕和箱內(nèi)的水蒸汽分壓所打算。因此，要使枯燥過程具有“再現(xiàn)性”，擱板的溫度、枯燥箱的壓力〔真空度〕和其水蒸汽分壓這三個參數(shù)進(jìn)展“過程掌握”，才能使批與批間的制品具有一樣的凍干條件和同樣的質(zhì)量。下面從“過程再現(xiàn)”的角度分別介紹目前所承受的擱板溫度，枯燥箱內(nèi)壓力〔真空度〕和水蒸汽分壓的掌握。一、擱板溫度的掌握生物醫(yī)藥冷凍枯燥機(jī)均用電加熱，利用掌握電加熱的通斷，可以便利地掌握加熱量和溫度。一般承受兩種方式。1上限時，切斷加熱器，保溫到該段時間完畢，再轉(zhuǎn)入下區(qū)段的升溫。此種方式中每區(qū)段擱板的升溫速率不進(jìn)展掌握，但因制品升溫滯后于擱板的升溫，因此制品的升溫速率與預(yù)定的接近。2求的升溫曲線，這種方式能較準(zhǔn)確的進(jìn)展過程掌握。二、箱內(nèi)壓力〔真空度〕的掌握熱量，從而可加快枯燥的速度。引入“過程再現(xiàn)性”的觀點(diǎn)以后，人們還要用能否獲得“一樣的凍干條件”來重打量這些方法的優(yōu)劣。箱內(nèi)壓力調(diào)控的方法主要有：1將無菌空氣〔或氣體，下同〕引入枯燥箱和冷阱，在冷阱的冷凝外表上形成一層空