冷凍干燥技術原理

   冷凍干燥技術原理

干燥是保持物質不致腐敗變質的方法之一。干燥的方法有許多，如曬干、煮干、烘干、噴霧干燥和真空干燥等。但這些干燥方法都是在0℃以上或更高的溫度下進行。干燥所得的產品，一般是體積縮小、質地變硬，有些物質發(fā)生了氧化，一些易揮發(fā)的成分大部分會損失掉，有些熱敏性的物質，如蛋白質、維生素會發(fā)生變性。微生物會失去生物活力，干燥后的物質不易在水中溶解等。因此干燥后的產品與干燥前相比在性狀上有很大的差別。而冷凍干燥法不同于以上的干燥方法，產品的干燥基本上在0℃以下的溫度進行，即在產品凍結的狀態(tài)下進行，直到后期，為了進一步降低干燥產品的殘余水份含量，才讓產品升至0℃以上的溫度，但一般不超過40℃。

冷凍干燥就是把含有大量水分物質，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升華出來。而物質本身剩留在凍結時的冰架子中，因此它干燥后體積不變，疏松多孔。在升華時凍結產品內的冰或其它溶劑要吸收熱量。引起產品本身溫度的下降而減慢升華速度，為了增加升華速度，縮短干燥時間，必須要對產品進行適當加熱。整個干燥是在較低的溫度下進行的。

冷凍干燥有下列優(yōu)點：

⑴冷凍干燥在低溫下進行，因此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。因此在醫(yī)藥上得到廣泛地應用。

⑵在低溫下干燥時，物質中的一些揮發(fā)性成分損失很小，適合一些化學產品、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行，因此能保持原來的性狀。

⑷由于在凍結的狀態(tài)下進行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結構，不會發(fā)生濃縮現(xiàn)象。

⑸干燥后的物質疏松多孔，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。

⑹由于干燥在真空下進行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質得到了保護。

⑺干燥能排除95-99％以上的水分，使干燥后產品能長期保存而不致變質。

因此，冷凍干燥目前在醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、科研和其他部門得到廣泛的應用。

第二節(jié)  　凍干機的組成和凍干程序

產品的冷凍干燥需要在一定裝置中進行，這個裝置叫做真空冷凍干燥機或冷凍干燥裝置，簡稱凍干機。

凍干機按系統(tǒng)分，由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、和控制系統(tǒng)四個主要部分組成。按結構分，由凍干箱或稱干燥箱、冷凝器或稱水汽凝結器、制冷機、真空泵和閥門、電氣控制元件等組成。圖十三是凍干機組成示意圖。

凍干箱是一個能夠制冷到－55℃左右，能夠加熱到+80℃左右的高低溫箱，也是一個能抽成真空的密閉容器。它是凍干機的主要部分，需要凍干的產品就放在箱內分層的金屬板層上，對產品進行冷凍，并在真空下加溫，使產品內的水分升華而干燥。

冷凝器同樣是一個真空密閉容器，在它的內部有一個較大表面積的金屬吸附面，吸附面的溫度能降到－40℃～－70℃以下，并且能維持這個低溫范圍。冷凝器的功用是把凍干箱內產品升華出來的水蒸氣凍結吸附在其金屬表面上。

凍干箱、冷凝器、真空管道、閥門、真空泵等構成凍干機的真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)要求沒有漏氣現(xiàn)象，真空泵是真空系統(tǒng)建立真空的重要部件。真空系統(tǒng)對于產品的迅速升華干燥是必不可少的。

制冷系統(tǒng)由制冷機與凍干箱、冷凝器內部的管道等組成。制冷機可以是互相獨立的二套或以上，也可以合用一套。制冷機的功用是對凍干箱和冷凝器進行制冷，以產生和維持它們工作時所需要的低溫，它有直接制冷和間接制冷二種方式。

加熱系統(tǒng)對于不同的凍干機有不同的加熱方式。有的是利用直接電加熱法；有的則利用中間介質來進行加熱，由一臺泵(或加一臺備用泵)使中間介質不斷循環(huán)。加熱系統(tǒng)的作用是對凍干箱內的產品進行加熱，以使產品內的水分不斷升華，并達到規(guī)定的殘余含水量要求。

控制系統(tǒng)由各種控制開關，指示調節(jié)儀表及一些自動裝置等組成，它可以較為簡單，也可以很復雜。一般自動化程度較高的凍干機則控制系統(tǒng)較為復雜?？刂葡到y(tǒng)的功用是對凍干機進行手動或自動控制，操縱機器正常運轉，以使凍干機生產出合乎要求的產品來。

冷凍干燥的程序：

⑴在凍干之前，把需要凍干的產品分裝在合適的容器內，一般是玻璃模子瓶、玻璃管子瓶或安瓶，裝量要均勻，蒸發(fā)表面盡量大而厚度盡量薄一些；

⑵然后放入與凍干箱板層尺寸相適應的金屬盤內。對瓶裝一般采用脫底盤，有利于熱量的有效傳遞。

⑶裝箱之前，先將凍干箱進行空箱降溫，然后將產品放入凍干箱內進行預凍；或者將產品放入凍干箱內板層上同時進行預凍；

⑷抽真空之前要根據(jù)冷凝器制冷機的降溫速度提前使冷凝器工作，抽真空時冷凝器至少應達到－40℃的溫度；

⑸待真空度達到一定數(shù)值后（通常應達到13Pa～26Pa內的真空度），或者有的凍干工藝要求達到所要求的真空度后繼續(xù)抽真空1～2h以上；即可對箱內產品進行加熱。一般加熱分兩步進行，第一步加溫不使產品的溫度超過共熔點或稱共晶點的溫度；待產品內水分基本干完后進行第二步加溫，這時可迅速地使產品上升的規(guī)定的最高許可溫度。在最高許可溫度保持2h以上后，即可結束凍干。

整個升華干燥的時間約12～24h左右有的甚至更長，與產品在每瓶內的裝量，總裝量，玻璃容器的形狀、規(guī)格，產品的種類，凍干曲線及機器的性能等等有關。

凍干結束后，要充入干燥無菌的空氣進入干燥箱，然后盡快地進行加塞封口，以防重新吸收空氣中的水分。

在凍干過程中，把產品和板層的溫度、冷凝器溫度和真空度對照時間劃成曲線，叫做凍干曲線。一般以溫度為縱坐標，時間為橫坐標。凍干不同的產品采用不同的凍干曲線。同一產品使用不同的凍干曲線時，產品的質量也不相同，凍干曲線還與凍干機的性能有關。因此不同的產品，不同的凍干機應用不同的凍干曲線。圖十四是凍干曲線示意圖（其中沒有冷凝器的溫度曲線和真空度曲線）。

第三節(jié)  共溶點及其測量方法

需要凍干的產品，一般是預先配制成水的溶液或懸濁液，因此它的冰點與水就不相同了，水在0℃時結冰，而海水卻要在低于0℃的溫度才能結冰，因為海水也是多種物質的水溶液。實驗指出:溶液的冰點將低于溶媒的冰點。

另外，溶液的結冰過程與純液體也不一樣，純液體如水在0℃時結冰，水的溫度并不下降，直到全部水結冰之后溫度才下降，這說明純液體有一個固定的結冰點。而溶液卻不一樣，它不是在某一固定溫度完全凝結成固體，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。這樣，溶液并不是在某一固定溫度時凝結。而是在某一溫度范圍內凝結。當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和溶媒共同熔化的點。所以又叫做共熔點或共晶點?？梢娙芤旱谋c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。

顯然共熔點的概念對于冷凍干燥是重要的。因為凍干產品可能有鹽類、糖類、明膠、蛋白質、血球、組織、病毒、細菌等等的物質。因此它是一個復雜的液體，它的凍結過程肯定也是一個復雜的過程，與溶液相似，也有一個真正全部凝結成固體的溫度，即共熔點。由于冷凍干燥是在真空狀態(tài)下進行的。只有產品全部凍結后才能在真空下進行升華干燥，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品的體積縮?。欢胰芙庠谒械臍怏w在真空下會迅速冒出來，造成象液體沸騰的樣子，使凍干產品鼓泡、甚至冒出瓶外。這是我們所不希望的。為此凍干產品在升華開始時必須要制冷到共熔點以下的溫度，使凍干產品真正全部凍結。

在凍結過程中，從外表的觀察來確定產品是否完全凍結成固體是不可能的；*測量溫度也無法確定產品內部的結構狀態(tài)。而隨著產品結構發(fā)生變化時電性能的變化是極為有用的，特別是在凍結時電阻率的測量能使我們知道凍結是在進行還是已經完成了，全部凍結后電阻率將非常大，因此溶液是離子導電。凍結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。因此測量產品的電阻率將能確定產品的共熔點。

正規(guī)的共熔點測量法是將一對白金電極浸入液體產品之中，并在產品中插一支溫度計，把它們冷卻到－40℃以下的低溫，然后將凍結產品慢慢升溫。用惠斯頓電橋來測量其電阻，當發(fā)生電阻突然降低時，這時的溫度即為產品的共熔點。電橋要用交流電供電，因為直流電會發(fā)生電解作用，整個過程由儀表記錄（圖十六）。

也可用簡單的方法來測量，如圖十五所示。用二根適當粗細而又互相絕緣的銅絲插入盛放產品的容器中，作為電極。在銅電極附近插入一支溫度計，插入深度與電極差不多，把它們一起放入凍干箱內的觀察窗孔附近，并用適當方法把它們固定好，然后與其他產品一起預凍，這時我們用萬用表不斷地測量在降溫過程中的電阻數(shù)值，根據(jù)電阻數(shù)值的變化來確定共熔點。

把電極引線通過一個開關與萬用表相連，可以不分正負極。如果凍干箱沒有電線引出接頭，則可以用二根細導線從箱門縫處引出，在電線附近涂些真空密封蠟，這樣不致于影響真空度。待溫度計降至0℃之后即開始測量并作記錄。把萬用表的轉換開關放在測量電阻的最高檔（×1K或×10K）。由于萬用表內使用的是直流電，為了防止電解作用，在每次測量完之后要把開關立即關掉，把每一次測量的溫度和電阻數(shù)值一一記錄下來。開始時電阻值很小，以后逐步增高。到某一溫度時電阻突然增大，幾乎是無窮大，這時的溫度值便是共熔點數(shù)值。

用這種方法測量的共熔點有一定的誤差，因為銅電極處多少有些電解作用。萬用表對于高阻值沒有電橋靈敏；另外，凍結過程與熔化過程電阻的變化情況并不完全相同，但所測之值仍有實用參考價值。

共熔點的數(shù)值從0℃到－50℃不等，與產品的品種、保護劑的種類和濃度有關。一些物質的共熔點列表二十二供參考，因實際的凍干產品還有其它成份。所以與此不相同。

　表二十二　一些物質的共熔點（℃）

第四節(jié) 凍干產品的崩解溫度

對于凍干產品的共熔點大家已經熟悉了，它就是產品的真正固化點。也就是產品在抽真空前必須冷卻到的那個溫度點，不然產品在抽空時將會起泡，在升華加熱的時候也不能使產品超過這個溫度，不然產品將熔化。因此，共熔點是在預凍階段和升華階段需要進行控制的溫度值。

現(xiàn)在引入一個崩解溫度的概念，它是不同于共熔點的另外一個溫度。

一個正常升華的產品，當升華進行到一定的時候，就會出現(xiàn)上層的干燥層和下層的凍結層，這二層之間的交界面就是升華面，升華面是隨著升華的進行而不斷下降的。

已經干燥的產品應該是疏松多孔，并保持在這一穩(wěn)定的狀態(tài)，以便下層凍結產品升華出來的水蒸汽能順利地通過，使全部產品都得到良好的干燥。

但某些已經干燥的產品當溫度升高到某一數(shù)值時，會失去剛性，變得有粘性，發(fā)生類似塌方的崩解現(xiàn)象，使干燥產品失去疏松多孔的狀態(tài)，封閉了下層凍結產品水蒸汽的逸出通路，妨礙了升華的繼續(xù)進行。

于是，升華速率變慢，從凍結產品吸收升華熱也隨之減少，由板層供給的熱量將有多余，這樣便引起凍結產品的溫度上升，當溫度升高到共熔點以上的溫度時，產品就會發(fā)生熔化或發(fā)泡現(xiàn)象，致使凍干失敗。

發(fā)生崩解時的溫度叫做該產品的崩解溫度。對于這樣的產品要獲得良好的干燥，只有保持升華中的干燥產品的溫度在崩解點以下，直到凍結產品全部升華完畢為止，才能使產品溫度繼續(xù)上升。這時由于產品中已不存在凍結冰，干燥產品即使發(fā)生崩解也不會影響產品的干燥，因為產品已從升華階段轉入解吸干燥階段。

沒有發(fā)生崩解的干燥產品與發(fā)生崩解的干燥產品在外觀上用肉眼看不出有什么差別，只有在顯微鏡下才能看到結構上的變化。當在顯微鏡下觀察產品的冷凍干燥過程時，如果看到發(fā)生崩解現(xiàn)象，那么這時的溫度就是該產品的崩解溫度。

有些產品的崩解溫度高于共熔點溫度，那么升華時僅需控制產品溫度低于共熔點溫度就行了；但有些產品的崩解溫度低于共熔點溫度，那么按照一般的方法控制升華時就可能發(fā)生崩解現(xiàn)象，這樣的產品只有在較低的溫度下進行升華，因此必須延長凍干時間。

產品的共熔點可以通過電阻法、差示熱分析法和低溫顯微鏡直接觀察法得知，但產品的崩解溫度只有在冷凍干燥顯微鏡下直接觀察才能得知。

產品的崩解溫度取決于產品本身的品種和保護劑的種類；混合物質的崩解溫度取決于各組分的崩解溫度。因此在選擇產品的凍干保護劑時，應選擇具有較高崩解溫度的材料，使升華干燥能在不很低的溫度下進行，以節(jié)省凍干的能耗和時間，提高生產率。

甘氨酸、甘露醇、葡聚糖、木糖醇、聚已烯吡咯烷酮和蛋白質混合物等保護劑能提高產品的崩解溫度。一些物質的崩解溫度℃見表二十三

表二十三  一些物質的崩解溫度℃