第六章-冷凍真空干燥技術-wang

第六章冷凍真空干燥技術第一節(jié)冷凍真空干燥原理、優(yōu)點及設備冷凍真空干燥是一種常用的物質干燥方法冷凍真空干燥又稱冷凍干燥或凍干。通常將含有大量水分的生物活性物質先行降溫預凍成固體，再在真空和適度加溫條件下使固體分子直接升華成水汽抽出，最后使生物活性物質形成疏松多孔、體積不變的干燥物的過程，稱為冷凍真空干燥。一、冷凍真空干燥原理1.水的平衡相圖

生產(chǎn)中采用真空冷凍技術對固體濕物料的干燥，通常是除去物料中的水分。因此，要了解真空冷凍原理，首先須了解水的有關物性。

冰(s)

水(l)

水蒸氣(g)熔化氣化凝固液化升華凝華

圖中的O點是水蒸氣、水、冰三相平衡共存的點，稱為“三相點”，常稱為水的“冰點”。⑴三相點pTABCDO水的平衡相圖(p－T圖)液相區(qū)氣相區(qū)固相區(qū)

OC線是水蒸氣與水兩相平衡共存曲線，又稱為“蒸發(fā)曲線”；它表示氣－液平衡時，溫度與蒸氣壓的對應關系。⑵連線

OA線是冰與水蒸氣兩相平衡共存曲線，又稱為“升華曲線”；它表示固－氣平衡時，溫度與蒸氣壓的對應關系。

OB

線是冰與水兩相平衡共存曲線，又稱為“熔化曲線”；表示固－液平衡時，溫度與蒸氣壓的對應關系。

OC線能向下延伸為虛線OD曲線，是過冷水與水蒸氣平衡共存曲線；這種狀態(tài)是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，稱為“亞穩(wěn)狀態(tài)”。

相圖中的三個區(qū)域為單相區(qū)，AOB區(qū)是固相區(qū)，BOC區(qū)是液相區(qū)，AOC區(qū)是氣相區(qū)。⑶單相區(qū)pTABCDO水的平衡相圖(p－T圖)液相區(qū)氣相區(qū)固相區(qū)若我們繼續(xù)對氣－液平衡體系進行增加壓強（或升溫）實驗，則會得到水的超臨界區(qū)。其中，C點就是臨界點。

當水的氣－液平衡曲線(OC線)達到臨界點(C點)后，平衡體系的性質變得均一，氣－液相界面消失，體系不在分為氣體和液體。

真空冷凍干燥就是先將固體濕料冷凍到“三相點”以下，使?jié)窳现械乃肿兂晒虘B(tài)（冰）；然后在真空環(huán)境下加熱，使冰直接升華為水蒸氣逸出；并通過不斷移走水蒸氣，使物料脫水而干燥。即：pTABCDO水的平衡相圖(p－T圖)液相區(qū)氣相區(qū)固相區(qū)Tf濕物料預凍升華干燥凍干產(chǎn)品水分(物料凍結)(除去結晶水)解析干燥(除殘余水分)真空冷凍干燥流程框圖2.真空冷凍干燥原理二、冷凍真空干燥優(yōu)點1、因物料的干燥是在真空條件下進行，系統(tǒng)中高度缺氧，能較好地抑制微生物的生長，使易氧化的物料受到較好的保護。2、由于物料的干燥是在冷凍下進行操作，物料中的水分由冰直接升華為水蒸氣被移出，使得物料中的一些揮發(fā)性成分或營養(yǎng)成分損失很小，比較適合一些生化制品或食品的干燥。3、真空冷凍干燥是在較低溫度（低于水的冰點）下進行操作，對于許多熱敏性物質的干燥特別適用。例如，對蛋白質、微生物等物質，采用真空冷凍干燥不會發(fā)生變性或失去生物活性。因此在醫(yī)藥上得到廣泛應用。4、物料在真空冷凍操作下干燥，可排出物料中95%-99％左右的水分，使得到的干燥產(chǎn)品不易收縮，不易變質，能較好地保留物料的構造（營養(yǎng)纖維和固狀物），使其加水后能迅速水化，恢復原來的性狀。因此，采用真空冷凍干燥方法生產(chǎn)的食品更接近新鮮食品的風味。凍干蔬菜凍干香蕉三、冷凍真空干燥應用生物制品方面疫苗、診斷制劑、血清制品等的凍干醫(yī)藥工業(yè)方面抗生素、維生素、酶制劑、血液制品等的凍干

食品和化學工業(yè)方面速溶咖啡、果汁、催化劑等的凍干四、冷凍真空干燥過程

真空冷凍干燥流程可知，該過程可粗略地分為預凍、升華、解析三個主要步驟，其中升華和解析是在真空條件下進行的。⑴預凍

預凍是指在冷凍干燥前，先將制品溶液分裝入適宜的容器，然后在低溫（-40℃以下

）下凍結，使物料固定，為升華干燥做準備?；蛘哒f，預凍是真空冷凍干燥操作的準備階段。在實際操作中，預凍階段的最低溫度、預凍速率和預凍時間是重要的工藝條件。①預凍最低溫度

溶液的預凍與水或純液體的凍結不一樣，它不是在某一固定溫度下完全凝結成固體。而是在某一溫度下，晶體開始析出；隨著溫度的下降，晶體的數(shù)量不斷增加，直至全部凝結。

這就是說，溶液的凍結是在某一溫度范圍內(nèi)（凝程）。

當溶液在冷卻時，開始析出晶體的溫度常稱為溶液的冰點；當溶液全部凝結時，此溫度稱為溶液的凝固點（或熔點）。對于溶液而言，此凝固點就是溶質和溶劑的共熔點。在真空冷凍干燥操作中，物料預凍的最低溫度應根據(jù)其共熔點來確定。一般物料預凍的最低溫度應低于其共熔點的溫度。②預凍最優(yōu)速率

在溶液預凍過程中，預凍速率的快慢往往會影響著生物活性以及形成晶體的大小，進而影響后續(xù)升華干燥速率及干燥產(chǎn)品的性狀。因此，進行真空冷凍干燥操作前，須根據(jù)具體的干燥產(chǎn)品測定出預凍的最優(yōu)速率，控制預凍操作。③預凍時間

預凍時間與預凍速率是相關的，可根據(jù)凍干物料種類及冷凍設備情況確定。

例如：對細胞懸浮液進行冷凍。若預凍時間緩慢，懸浮液大量的冰生成，會使細胞擠在冰空隙中；空隙中，因冰的形成使溶液濃縮，迫使細胞內(nèi)水滲透出，造成細胞內(nèi)細胞質的濃縮，不易結冰。同時，冰的形成還將迫使細胞變小、變形。

若進行快速預凍，則可形成胞內(nèi)冰。一般來說，冷凍速度越快，溫度越低，胞內(nèi)冰的形成越多。

恰當?shù)念A凍時間除了須考慮凍干物料的種類外，還須保證在抽真空前物料已凍實，不至于因抽真空使物料冒出容器。

在共熔點溫度將凍結物質中的水分除去的過程稱為升華。升華階段稱為第一階段干燥，主要除去凍結物料中大部分（約90％）非結晶水。升華干燥階段的時間長短，主要與下列因素有關。⑵升華干燥①物料種類

不同種類的凍結物料，所需的升華干燥時間不同。一般而言，共熔點溫度較高的物料易于干燥，所需的升華干燥時間較短；反之，共熔點溫度較低的物料難以干燥，所需的升華干燥時間較長。②物料裝填厚度物料的裝填厚度直接影響著升華干燥速率，物料裝填越厚，所需的升華干燥時間越長；反之，物料裝填越薄，所需的升華干燥時間越短。③熱量

升華過程是一個吸熱過程，升華時提供的熱量直接影響著升華干燥速率。

在升華干燥過程中，若提供的熱量不足，必然會減慢升華速率，延長升華干燥時間；反之，會加快升華速率，縮短升華干燥時間。冰(s)

水蒸氣(g)升華、吸熱凝華、放熱注意：若升華時提供的熱量如果過多，會導致冰熔化，改變相變化路線，使干燥產(chǎn)品性狀受到嚴重影響。⑶解析干燥

升華干燥階段只除去了凍結物料中約90％的非結晶水，還含有約10％的殘余非結晶水。這部分水是未被凍結的，是靠范德華力吸附在物料毛細管壁上或靠氫鍵粘附在物料的極性基團上。

為了使干燥產(chǎn)品的含水量達到標準，還需對物料進一步干燥，除去此部分水。此時的干燥常稱為解析干燥，或第二階段干燥。資料卡片1.范德華力

范德華力是一種分子間作用力。按其實質來說，范德華力是一種電性的吸引力。范德華力可進一步分為取向力、誘導力和色散力。2.取向力

取向力發(fā)生在極性分子與極性分子之間。因極性分子電性分布不均勻，一端帶正電，一端帶負電，形成偶極。當兩個極性分子相互接近時，其偶極的同極相斥，異極相吸。+-+-3.誘導力

極性分子與非極性分子相遇時，在極性分子的誘導作用下，非極性分子變形而產(chǎn)生偶極。+-取向力+-+-誘導力4.色散力

非極性分子與非極性分子相遇時，因分子內(nèi)電子的運動會產(chǎn)生瞬間偶極。在瞬間偶極的作用下，非極性分子與非極性分子同樣會相互吸引。解析干燥階段一般是通過升高干燥操作溫度來實現(xiàn)。在此階段，可以使制品的溫度迅速上升到該制品的最高容許溫度，并在該溫度下一直維持到凍干結束。但應注意，解析干燥的溫度不能超過物料的最高允許溫度。為了確保干燥產(chǎn)品的安全，可通過實驗來確定解析溫度。例如：細菌產(chǎn)品的最高干燥溫度一般為30℃，血清、抗生素等產(chǎn)品的最高干燥溫度一般為40℃。五、真空冷凍干燥器真空冷凍干燥器常稱為凍干機，其種類繁多。由系統(tǒng)功能來看，凍干機主要由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等四個部分組成。從設備結構來看，凍干機主要由干燥室、冷凝器（冷阱）、真空泵、閥門、電氣控制元件等部件組成。1.ZG系列真空冷凍干燥機該設備主要由干燥箱、冷凝器（捕水器）、加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等六大部分組成。

該設備在食品工業(yè)主要用于果蔬、肉禽、水產(chǎn)、調味品、方便食品及名優(yōu)特產(chǎn)等干燥；在醫(yī)藥工業(yè)方面主要用于血漿、疫苗、酶、抗生素、激素等中西藥品的脫水與保存。

該設備結構緊湊，占地面積小，操作方便?？捎糜卺t(yī)藥工業(yè)、生物化學工業(yè)等產(chǎn)品的脫水干燥。2.LGJ臺式真空冷凍干燥機

該設備采用風冷方式散熱，不需水冷卻，造型美觀，結構緊湊，操作方便?？捎糜卺t(yī)藥、生物化工等產(chǎn)品的脫水干燥。3.FD-2真空冷凍干燥機4.NLG型真空冷凍干燥機該設備的板層溫度控制系統(tǒng)是一個雙泵系統(tǒng)。冷凝器的冰負荷容量大，可滿足工業(yè)化生產(chǎn)的大負荷需要。自動控制系統(tǒng)調整功能強，在很多不正常的情況或誤操作下，仍可順利地按照凍干曲線完成凍干工藝過程或保護產(chǎn)品，也可以方便地進行手動控制。該設備可用于食品、醫(yī)藥、生物化工等產(chǎn)品的脫水干燥。5.ZDGS系列真空冷凍干燥設備ZDGS系列真空冷凍干燥設備是由一臺或多臺凍干機及相應的制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、除霜系統(tǒng)、物料運輸系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)組成。該干燥設備動化程度高、能耗低、操作簡單、維修方便、物料托盤清洗方便，主要用于各種農(nóng)副產(chǎn)品的深加工和生化制品的生產(chǎn)。第二節(jié)保護劑

保護劑：指保護細胞、微生物、寄生蟲等活力和酶、激素、免疫反應物等活性的一類物質，又稱穩(wěn)定劑。凍干保護劑是指在凍干過程中及其后使制品的活性物質免受破壞的一類物質。保護劑用途：不同用途加不同保護劑,主要針對活的微生物或細胞。①菌種或毒種保存：常用甘油作保護劑

②細胞株保存：常用二甲基亞砜(DMSO)

③疫苗冷凍真空干燥制備時：加脫脂乳（或二甲基亞砜）和蔗糖等（不同國家有不同配方）④干擾素類生物活性物質的保存：加葡聚糖

保護劑的分類分類：（根據(jù)其作用機理）——滲透劑：如二甲基亞砜（DMSO）、甘油和蔗糖等。——非滲透劑：如聚乙烯吡咯啶酮(PVP)和蛋白質等。（根據(jù)其分子量大?。叻肿游镔|、低分子物質。（按其化學性質）——復合物、糖類、鹽類、醇類、酸類和聚合物。

復合物脫脂乳、明膠、蛋白質、蛋白胨、糊精、血清、甲基纖維素等糖類蔗糖、乳糖、麥芽糖、葡萄糖、果糖等鹽類乳酸鈣、谷氨酸鈉、氯化鈉、氯化鉀、醋酸銨、硫代硫酸鈉等醇類山梨醇、甘油、甘露醇、肌醇、木糖醇等酸類檸檬酸、酒石酸、氨基酸等聚合物葡聚糖、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等一些常用的冷凍干燥保護劑

分類保護劑1.營養(yǎng)液：可修復因凍干而受損的細胞，使凍干制品含有一定量水分；可促進高分子物質形成骨架，使凍干制品呈多孔的海綿狀，增加溶解度。包括糖類（如葡萄糖、乳糖、蔗糖、棉子糖等）和氨基酸類（如谷氨酸、天門冬氨酸、精氨酸等）。

凍干保護劑組成2.賦形劑：防止低分子物質的碳化和氧化，保護活性物質不受加熱影響；使凍干制品形成多孔性、疏松的海綿狀物，增加溶解度。如白蛋白、血清、明膠、脫脂乳、淀粉等。3.抗氧化劑：抑制凍干制品中的酶作用，增加生物活性物質在凍干后貯存期間的穩(wěn)定性，如維生素C、維生素E和硫代硫酸鈉等。

保護劑的功能①保護微生物和活性物質在凍干過程中因理化因素的影響或損傷，維持較高的存活率和活性。例如：菌苗的活菌數(shù)、疫苗的病毒滴度、酶的活性等；②使微生物、活性物質處于半靜止或靜止狀態(tài)，以延長生命、活性期。③活性物質在凍干過程中保持原有的構架，使制品形成海綿狀結構。④抗氧化劑能抑制氧化作用，從而維持微生物、活性物質穩(wěn)定以及靜止狀態(tài)。①防止活性物質失去結構水及阻止結構水形成結晶而導致生物活性物質的損傷；②降低細胞內(nèi)外的滲透壓差、防止細胞內(nèi)結構水結晶，以保持細胞的活力；③保護或提供細胞復蘇所需的營養(yǎng)物質，有利于生活力的復蘇和迅速修復自身。

凍干保護劑作用機制

1、保護劑種類:

利用不同保護劑凍干的同一種微生物的保存期的存活率不同。

如：分別用7.5％葡萄糖肉湯和7.5％乳糖肉湯作保護劑凍干的沙門氏菌，在室溫保存7個月后的細菌存活率分別為35%與21%。因此要根據(jù)微生物種類或者用途來添加不同種類保護劑。影響保護劑效能的因素

因此保護劑濃度要嚴格按照配方執(zhí)行。2、保護劑濃度：以大腸桿菌加不同濃度葡萄糖作保護劑進行凍干，并測定凍干品的細菌存活率，證明5~10％葡萄糖存活率最高。

（3）保護劑配制方法

例如含糖保護劑滅菌溫度不宜過高，否則由于糖的炭化而影響凍干制品的物理性狀和保存效果，所以均以114℃、30min滅菌或間歇滅菌。

又如血清保護劑就不能用熱滅菌法，必須以濾過法除菌。

（4）保護劑pH保護劑的pH應與微生物生存時的pH相同或相近，過高或過低都能招致微生物的死亡。例如明膠蔗糖保護劑的pH以6.8~7.0為最佳，否則會造成微生物大量死亡。又如含葡萄糖、乳糖保護劑經(jīng)高壓滅茵后能或多或少改變保護劑的pH值，從而影響保護效果，為此最好采取濾過除菌。因此，每種新的凍干制品在批量生產(chǎn)前應進行系統(tǒng)的最佳保護劑選擇試驗，包括:①保護劑凍干前后的活菌數(shù)、病毒滴度和效價測定的比較試驗②不同保存條件和不同保存期的比較試驗③即使在凍干制品投產(chǎn)以后，仍須根據(jù)條件的改變不斷作選擇試驗，以改進凍干制品的質量。1、細菌保護劑①需氧或兼氧厭氧菌：５％蔗糖脫脂乳或10％蔗糖、1.5％明膠；②厭氧性細菌：含0.1％谷氨酸鈉的10％乳糖或10％脫脂乳或7.5％葡糖血清。

注：脫脂乳：20％脫脂奶粉溶于水配制而成。常用的凍干保護劑（穩(wěn)定劑）2、病毒的保護劑①5%蔗糖脫脂乳；②馬立克814活細胞疫苗:保存液氮.穩(wěn)定劑為10%二甲基亞砜和50%犢牛血清的199液。

注意:微生物保護劑緩沖液的組成比例，不同廠家有不同的配方。獸醫(yī)生物制品常用的保護劑（1）5％蔗糖（乳糖）脫脂乳成分：蔗糖（乳糖）：5g脫脂乳加至100mL

制法：①充分溶解，100℃蒸汽間歇滅菌5次，每

次30min或110~116℃高壓滅菌