（制冷及低温工程专业论文）药品冷冻干燥装置的优化及实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 药品冷冻干燥装置的优化及实验研究 夏鹏 ( 浙江大学制冷与低温研究所，杭州) 摘要 冷冻干燥方法被认为是目前最优良、最为先进的干燥技术之一，药品在低温 下干燥，能避免药品、微生物等产生变性或失去生物活力。因而，采用冷冻干燥 的方法越来越多地被应用于制各各种干燥药品。但由于冷冻干燥设备初投资大， 干燥速率慢，干燥时间长，能耗大等缺点制约了该技术的大规模工业化应用。 本文对冷冻干燥装置和冻干燥工艺进行了理论和实验两方面的优化工作，以 期降低冷冻干燥方法的能耗，提高冻干药品的品质： ( 1 ) 设计、安装和调试成功能用于8 0 制冷温度的药品冷冻干燥实验装置， 并进行了许多后续的改进和优化工作。 ( 2 ) 在冷冻干燥过程中，制冷系统运行时间最长，消耗的能量最多：冻干制 品对降温速率，升温速率要求很高。本文分别以制冷系统的c o p 和降温速率为 优化目标，重点对制冷系统进行了优化。 ( 3 ) 对低温低压空间传热传质进行了理论探讨。通过实验寻找隔绝低温低压 空间有害传热的方法。 ( 4 ) 本文通过理论研究，以及对蔗糖、甘露醇大量的实验研究，得到了冻干 过程中退火工艺对于燥制品的质量以及冷冻干燥过程能耗的影响。 关键词：冻干药品优化传热退火 ! 燮兰堡主堂垡堡苎 些! ! ! 璺 o p t i m i z a t i o no fap h a r m a c e u t i c a lf r e e z e o r a n g e q u i p m e n ta n de x p e r i m e n t a ls t u d y x i a p e n g i n s t i t u t eo f r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i c s ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y h a n g 吐o u3 1 0 0 2 7 ，p r c h i n a a b s t r a c t d u et ot h ea d v a n t a g e so fl y o p h i l i z a t i o n ，m a n y p h a r m a c e u t i c a lp l a n t sa d o p t l y o p h i l i z a t i o nt od r yv a r i o u sk i n d so fm e d i c i n e b u tl y o p h i l i z a t i o ni st h em o s t e x p e n s i v eo fa l ld r y i n go p e r a t i o n sb o t hi nc a p i t a li n v e s t m e n ta n di no p e r a t i n ge x p e n s e i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t ya n de c o n o m i c a le f f i c i e n c yo ft h ep h a r m a c e u t i c s ，t h e o p t i m i z a t i o no ff r e e z e - d r i e ra n dp r o c e s so ff r e e z e - d r y i n ga r ea l w a y si nt h ef o c u so f f r e e z e d r y i n gr e s e a r c h i np r e s e n tt h e s i s ，t h eo p t i m i z a t i o no ff r e e z e d r i e ra n dp r o c e s s o f f r e e z e - d r y i n ga r ed i s c u s s e d ： ( 1 ) as e to fp h a r m a c e u t i c a lf r e e z e d r y i n ge q u i p m e n th a sb e e nd e v e l o p e da n dt h e o p t i m i z a t i o nw a sc a r r i e do u to nt h eb a s i so ff r e e z e d r y i n gs y s t e m ，w h i c hc a nw o r k v e r yw e l lb e l o w 一8 0 。c ( 2 ) d u r i n gt h ep r o c e s so ff r e e z ed r y i n g t h er u n n i n gt i m eo ft h er e f r i g e r a t i o n s y s t e mi st h el o n g e s t ，s ot h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni st h em o s t ；c o o l i n gr a t eh a sm u c h i m p a c to nt h eq u a l i t yo ff r e e z e d r i e dm e d i c i n e t h u s ，w eh a v ee m p h a s i z e do nt h e o p t i m i z a t i o no f t h i sr e f r i g e r a t i o ns y s t e m t h eo p t i m i z a t i o no f t h ec o p a n dt h ec o o l i n g r a t ei sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s ( 3 ) t h et h e o r yo fh e a ta n dm a s st r a n s f e ri nl o wt e m p e r a t u r ea n dl o wp r e s s u r ei s a l s od i s c u s s e da n dt h ew a yt oi s o l a t eh a r m f u lh e a tt r a n s f e ri nd r y i n gc h a m b e ri sf o u n d t h r o u 曲e x p e r i m e n t s ( 4 ) i nt h ep r o c e s so ff r e e z ed r y i n g ，t h e r ea r ef o u rf a c t o r sw h i c hh a v em u c h i m p a c to nt h eq u a l i t yo ff r e e z e d r i e dm e d i c i n ea n de n e r g yc o n s u m p t i o no ff r e e z e d r y i n gp r o c e s s ：f r e e z i n gr a t e ，h e a t i n gr a t e ，v a c u u m ，a n n e a l i n g t h ef i r s tt h r e ef a c t o r s h a v eb e e nd i s c u s s e di n d e t a i l i no t h e rl i t e r a t u r e s i nt h i st h e s i s ，t h ee x p e r i m e n to f s u c r o s ea n dm a n n i t o li sp e r f o r m e di no r d e rt oe x p l o r et h ei m p a c to fa n n e a l i n go nt h e d r y i n gp r o c e s s ，b a s e do nt h et h e o r e t i c a ls t u d y k e y w o r d s ：f r e e z e - d r y i n g ，p h a r m a c e u t i c a l ，o p t i m i z a t i o n ，h e a tt r a n s f e r , a n n e a l i n g i i 浙江大学硕士学位论文 主要符号表 拉丁字母 a c c d e g f h 删。 h k j l m m p p q q r r s t u 面积 比热 浓度 扩散系数 能量 吉布斯化学势g 体积自由能 质量 循环主流率 焓 升华潜热 比焓 传热系数 成核率 已干层厚度 分子量 抽取率 压力 压力 热量 热量 通用气体常数 半径 凝固潜热 熵 温度 温度 生长率 界面的移动速率 摩尔体积 主要符号表 1 1 i w x 质量分数 摩尔分数 希腊字母 口 对流换热系数 平均自由程 盯 表面张力 t时间 “化学势 p 密度 玎粘度 占 1 壬， r 上标 女 下标 g f p 厚度 各向同性界面能 液体密度校正因子 g i b b s t h o m s o n 系数 临界参数 玻璃态 组元号 低压 等压 等容 成分1 成分2 成分3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 冷冻干燥技术 第一章绪论 冷冻干燥技术最早由英国人华莱斯顿( w o l l a s t o n ) 于1 8 1 3 年发明。1 9 0 9 年沙克尔( s h s c k e l l ) 试验用该方法对抗毒素、菌种、狂犬病毒及其它生物制品 进行了冻干保存，取得了较好效果p 6 j 。在第二次世界大战中，作为军需品的血 浆和血清的大量生产极大地促进了冷冻干燥技术的发展，产生了系统的设计理论 和工艺过程。从六十年代开始，随着真空泵和制冷设备的出现与应用，冷冻干燥 技术飞速发展，并在热敏性药品和生物制品的生产方面显示了巨大的潜力 1 - 2 。 此后，随着科学技术的飞速发展和社会需求的日益多样化，药品冷冻干燥技术迅 速发展，尤其是在药品冷冻干燥机、药品稳定性研究、冻干理论和冻干工艺优化 等方面。 一般真空冷冻干燥有三步操作：预冻、一次干燥、二次干燥【3 一。首先将物 料冻结到共晶点温度以下，使水分变成固态的冰，然后在适当的真空度下，使冰 直接升华为水蒸气，再用真空系统中的冷阱( 捕水器) 将水蒸气冷凝，即一次干 燥( 升华干燥) 过程，去除物料中的自由水。升华完成后，温度继续升高至一定 温度，并保持一段时间可使已升华的水蒸气或残留的水分被除尽，即二次干燥( 解 吸干燥) 过程，进一步去除物料中的结合水，再干燥可减少制品冻干后回潮。 冷冻干燥装置由制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统组成。这几个系 统性能的好坏不但相互影响，而且也直接影晌着整个冷冻干燥机的性能优劣，因 此，设计好每一个系统都是至关重要的1 6 j 。 制冷系统 ( 1 ) 制冷机负荷的确定 制冷机负荷主要来源于冻干室冷负荷和水汽凝结器( 冷阱) 的冷负荷，总负 荷不应是上述两种热负荷的简单总和，而应分析冻干过程来合理确定机器负荷， 这样才能使机器选配合理。对于冻干室和凝结器共用一套制冷系统，应选择二者 耗冷量中的大值。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 制冷系统制冷温度的确定 制冷系统主要有两个作用：一是为样品冻结提供冷量。二是为捕捉升华出来 的水蒸气提供冷量。任何物品在冻干过程中都存在一个共晶点，一般生物制品的 共晶点在一2 5 至一3 5 之间，一些制品甚至达到了一4 4 ，因此要求制冷系统 能达到较低的制冷温度。 ( 3 ) 制冷剂及制冷装置的选择 冻干设备制冷系统的主要特点是：蒸发温度低，制冷负荷变化大，水汽凝结 器温度均匀性要求高。根据这些特点制冷系统在制冷机的配置上，目前较广泛采 用的是r 2 2 制冷机和r 7 1 7 制冷机。由于r 2 2 属于h c f c ，是过渡性物质，最终 将被替代，因而，替代工质技术也将在冻干机应用。 目前大部分药品冷冻干燥机都是采用两级压缩制冷系统或复叠式制冷系统。 国外冻干机的最低冻结温度为- - 5 5 ，冷阱最低温度为一7 5 ；国内冻干机的最 低冻结温度为一5 5 ，最低冷阱温度为一7 0 【l 】。 在罗吉友研制的冷冻干燥机1 7 】中，制冷工质为r 5 0 2 ，这是一种共沸混合物。 它比r 2 2 有更大的单位制冷量、更低温度的排气和较低的压缩比。因此，在一 定的压比范围内可获得比r 2 2 更低的温度。在- 4 5 。c 的低温度下仍可保证正压运 行。制冷机由回转式压缩机、风冷冷凝器、贮液器、过滤干燥器、热力膨胀阀、 蒸发器( 盘管) 等组成。回转式压缩机采用r 5 0 2 工质，在国内外尚未见使用。 而黄英等研制的l j g - - 2 5 型冻干机【8 1 ，l g j - - 8 0 型冻干机 9 中，制冷剂选用 r 4 0 2 a 。徐成海等【1 0 1 、胡连方等1 研制的冻干机上应用了两级压缩式复叠式制 冷循环。 浙江大学率先将自复叠式系统复叠式应用于冷冻干燥装置 1 2 1 ，只使用一台 压缩机，就可实现一8 0 的制冷温度。保持了传统复叠式系统可实现的制冷温区， 同时又克服了传统复叠式系统结构较为复杂，变工况性能差的缺点。 真空系统 真空系统应保证在一定的时间内抽除水蒸气和干空气，维持干燥箱内物料水 分升华和解析所需的真空度。目前，真空系统一般有两种。一种是不带冷阱的水 蒸气喷射泵真空系统；另一种是带有冷阱的油封式机械真空泵系统旧。 斯江大学硕士学位论文 第一章绪论 加热干燥系统 加热方式有直接加热和间接加热两种。直接加热一般均采用外包绝缘矿物材 料和金属保护套的电热丝。这种加热方式要求加热隔板有一定的厚度，以获得均 匀的隔板温度并避免隔板受热后发生翘浊。这种加热方式结构简单，易实现自动 控制，但热惰性较大。 间接加热即利用各种热源在干燥箱外部将载热介质首先加热，然后再用泵送 至干燥箱内隔板中。加热热源有电、煤、气等。载热介质有水蒸气、水、矿物油、 乙二醇和水的混合液等。 利用微波高频电磁场使极性分子快速旋转而发热，是目前冷冻干燥最具潜力 的能源之啊6 1 。它可以穿过己干层在物料内部产生热量，解决了真空状态下传热 不良的问题；同时由于升华界面温度高，有利于水蒸气向外扩散。虽然用微波作 干燥能源有许多优点，但目前在食品冷冻干燥中还处于实验研究阶段。 控制系统 冷冻干燥过程对控制系统的要求【1 3 ： ( 1 ) 能够将冻干曲线数值存储在磁盘中，并能在计算机屏幕上进行实时显示 和历史数据显示，且支持即时打印。这些曲线包括：a 物料温度曲线；b 板层温 度曲线：c 水汽凝结器曲线；d 真空度曲线； ( 2 ) 控制系统的测量误差：温度1 0 c 、真空度1 0 p a 、产品最终含水量1 ： ( 3 ) 该系统能根据不同的产品设定或修改药品冻干曲线，在冻干过程中通过 调节加热板的温度、供热量、箱体真空度、水汽凝结器的温度使物料跟踪设定蓝 线； ( 4 ) 对水汽凝结器的温度进行设定，通过控制制冷机能量调节器来跟踪设定 温度； ( 5 ) 对箱体内真空度能够设定，并通过微动阀来调节所要求的真空度； ( 6 ) 故障报警及处理，包括真空机组启动压力，动干过程中真空度超过设定 值的报警和有关数据显示； ( 7 ) 药品的自动加塞：在药品和生物制品出箱前进行自动加塞密封处理，保 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 证产品的洁净和冷冻状态，提高冻干制品的质量； ( 8 ) 前后批量生产之间的消毒：为了防止交叉污染，在两批量生产之间进行 在位自动消毒，要求达到g m p 标准。 在整个冻于控制过程中，温度控制系统是核心部分。温度控制系统的要求是： 在工艺限制范围内，保证物品质量前提条件下，使升华最快。具体要求：一是保 障水汽从物料中逸出的自由面积最大；二是为向升华区供热提供最佳的条件。为 此，采用极值温度法控制供热，其方法分为3 个阶段：第一时间段为固定供能加 热段，第二时间段为递减供能段，第三时间段为解析干燥段。 在系统设计中，被控变量的选取至关重要。虽然最终所要控制的参数是被冻 干物品的温度，但此变量可变性强、测量误差大等缺点，特别是由于水分升华从 表面开始，造成物品不同部位具有不同的温度，给选择合适的温度测量点带来了 困难。而大量实验表明：在冻干室压力一定的情况下，搁板的温度变化与被加热 物品的温度变化存在一定的关系，而且搁板的温度容易测量、滞后小、比较稳定。 所以，综合各种因素，选取搁板中间位置的温度作为被控变量。 冻干机自动控制常用方式有：继电器控制，单片机控制，可编程控制器控制。 在选择药品冻干技术及设备的控制时，其最佳方案，首选应是p c 控制器。因为 p c 工控机具有抗干扰等许多突出的优点，是当前自动控制的主流【l 。 在操作过程中，影响冷冻干燥过程的因素有很多。目前主要研究的有四个： 降温速率、真空度、加热温度、冷阱温度。 降温速率对冷冻干燥过程的影响 冻结过程中水结冰会产生机械效应和溶质效应。机械效应是指水结冰时体积 增大，致使活性物质活性部位中一些由弱分子力键连接的键遭到破坏，从而使活 性损失；溶质效应是指水结冰后引起溶质浓度上升以及由于各种溶质在各种温度 条件下溶解度变化不一致引起p h 值的变化，导致活性物质所处的环境发生变化 而造成失活或变性。一般慢速冻结产生机械效应，快速冻结产生溶质效应。 慢速冻结比快速冻结的干燥时间短。这主要是由于慢速冷冻形成比较大的冰 晶，快速冷冻形成比较小的冰晶，因此慢速冷冻的干燥速率比快速冷冻的干燥速 率快。但是华泽钊等1 川在实验中发现，在慢速过程中，制品的外观，颜色会有 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 一定的影响，这主要是由于制品在空气中的停留时间过长，使制品中的酶发生褐 变，从而使制品的质量受到影响，因而不能简单地说慢速冷冻比快速冷冻好。比 较合适的降温速率应该在保证物料质量不受到影响地前提下，采用比较慢的降温 速率。 真空度对冷冻干燥过程的影响 合适而足够高的真空度既可以缩短冷冻干燥时问，又可保持制品的原有形 状。此外，真空度对实验中天平的称重有直接的影响。在常压下把电子天平清零， 随着干燥室压力的下降，天平读数逐渐减小。造成这种情况的原因是：在常压下 天平的称重是四个支点的电阻应变片测量的，此时天平上受到的大气压和物料重 量两个力，天平出厂前已进行了校准，除去了大气压的影响，因此，天平测量的 重量即是物料的实际重量。而在真空条件下，天平上方的气体压力大大低于大气 压力，因而天平的读数比实际重量轻l l ”。 加热板温度对冷冻干燥过程的影响 加热板温度的高低直接影响药品冻干时间的长短及冻干质量的优劣。加热板 温度升高，干燥速率加快，但过高的加热温度在升华阶段会使制品断裂而塌陷， 在解析阶段会使药品崩解而变性。加热板温度对冷冻干燥过程的影响还取决于加 热板离药品的高度。 冷阱温度对冷冻干燥过程的影响 冷阱温度对冷冻干燥过程也产生很重要的影响。一般来说当冷阱温度较低 时，药品升华界面与冷阱表面间的水蒸气压力差越大，水蒸气的凝结速率也越大。 但随着冷阱温度的降低，水蒸气的凝结速率变化却不大。文献【1 6 表明，当冷阱 温度低于- 5 0 。c 时，再过多的降低冷阱温度，对于缩短冻干时间意义并不大，因 此我们选择冷阱温度为- - 4 0 c 一5 0 ，实验表明这一温度范围既能保证冻干过 程较快地顺利进行，又避免更多地耗能1 1 “。 冻干技术目前还不十分成熟，有不少方面还非常依赖于经验去实现a 因此， 冻干技术中的许多经验还有待于上升到理论、完善和科学化，以更好地进一步解 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 决实际问题。 真空冷冻干燥技术的理论研究可概括为低压低温传热传质的理论研究，非稳 态流场的理论研究、热物性参数及其测量方法研究三大部分 1 7 - 1 8 】。 目前在低压低温传热传质的理论研究方面进展不大，大都采用以下三种模 型。一种是1 9 6 8 年d r y e r 等提出的准稳态模型；另一种是1 9 7 6 年s a n d e u 等提 出的冰界面均匀后移的稳态模型( u r i f ) ；第三种是1 9 7 9 年l i t c h i e l d 等提出的吸 附一升华模型。这几种模型都可以描述冻干过程，但又都存在着不足，描述传热 过程比较准确，描述传质过程误差较大。主要问题是在传质过程中要发生固一汽 相变，水蒸气在多孑l 的通道中传递，通道长度要随时间不同而变化，是非稳态过 程。此外多孔通道的结构尺寸还与预冻速度、被冻干物料的物质结构等有关。国 内外学者根据上述模型对冷冻干燥过程进行了数值模拟，取得了一定的成绩，如 国内的郑宗和【1 9 】、齐锡龄f 2 0 】、李云飞【2 1 l 、刘永忠和陈孟林1 2 3 】等以及国外的 m a r c oes c h o e n 2 4 1 、rs h e e h a n l 2 5 1 、m b r u l l s 2 6 l 等。 冻干过程传热传质的理论研究重点是研究发生在被冻干物料内部的过程。而 非稳态流场的理论研究的重点是研究物料之外、冻干机之内的低压低温空间环 境。描述该空间环境的参数有温度、压力、湿度等。这些参数形成的温度场、压 力场、湿度分布等都是随时间变化的非稳态流场，这些非稳态流场的模拟方法至 今还是个难题。而且冻干机捕水器中的非稳态流场中又增加了一个汽一固相变的 问题，使研究更加复杂化。因此，近几年虽然有人研究并发表了论文，但都没有 形成有效的理论，仍是值得深入研究的课题之一。 无论是传热传质理论研究还是非稳态流场理论研究，都需要一些热物性参 数，例如被冻干物料的密度、导热系数、传质系数、水分含量等。由于被冻干物 料的热物性差异较大，往往无法查找这些数据，需要自己测量。而测量时采用什 么方法、什么仪表、什么原理等都是值得研究的课题。还有一类热物性参数测量 更是困难，这就是在低温低压下湿空气和霜层的特性参数，因为在真空条件下霜 层的密度、厚度、导热系数等都随时间、温度、压力而变化。 冻干技术的最大缺点是成本高，运转费用大。如何降低生产设备的成本和设 备的运转费用，是迈向2 1 世纪冻干技术的又一个重点课题。因为在低温下干燥， 热效率自然很低，能否找到更好的办法? 捕水器如何优化，使其能耗低、体积小、 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 重量轻、捕水量大，至今没有很好解决 1 7 - | 8 。 1 2 药品的冷冻干燥 药品生产中经常遇到产品需要干燥的问题。随着科学技术的进步，干燥的方 法越来越多，有常压干燥、减压干燥，以及近年来又兴起的喷雾干燥、冷冻干燥、 红外线干燥等等。其中冷冻干燥是用来干燥热敏性物料和需要保持生物活性的物 质的一种有效方法【3 】。 真空冷冻干燥是干燥技术领域科技含量高，涉及知识面广的- - f 3 技术，被认 为是目前最优良、最为先进的干燥技术之一。药品在低温下干燥，能避免药品、 微生物之类产生变性或失去生物活力。这对于热敏性药品保存特别重要。用冷冻 干燥法制成的药品挥发性成分和受热变性的营养成分损失很少，药品中微生物的 生长和酶的作用也几乎无法进行，能最好地保持药品原来的形状，干燥后药品的 体积、形状基本不便；复水后能迅速还原成原来的形状。在真空下干燥，氧气极 少，使药品中易氧化的物质得到保护。能除去药品中决大部分的水，使其能在室 温下长期保存【2 7 】。 虽然药品冷冻干燥具有上述优点，但是干燥设备投资大、干燥速率低、干燥 时间长、干燥过程能耗高等缺点制约了该技术的大规模工业化应用【1 7 。18 1 。因此， 有效地降低冷冻干燥设备成本及提高冷冻干燥过程速率、降低冷冻干燥过程能 耗、提高冷冻干燥过程经济性是冷冻干燥技术的理论研究和开发应用的目标。 1 2 1 生化药品的冷冻干燥 目前，人类6 0 以上的生物技术成果集中应用于制药工业，用以开发特色 新药或对传统医药进行改良。在全世界范围内，生物技术新药产业中心正在迅速 崛起，生物制药正成为最活跃、进展最快的产业之一。但是，一般的液体生化药 品的物理化学稳定性非常有限，不能长期贮存和方便的运输，对于这个难题，我 们可以用冷冻干燥方法很好地解决2 。4 瑚3 乳。 蛋白质药品是生化药品当中比较典型的一类。蛋白质是构成生命的基本物质 之一，它承担着各种各样复杂的生理功能，从整体上维持着生物机体新陈代谢活 动的进行。冷冻干燥法制备蛋白质类药品可以很好的防止蛋白质的变性。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 在冷冻干燥过程中，蛋白质分子受到物理和化学因素的影响，会产生多种应 力【2 伪3 0 3 5 4 们，包括低温应力、冻结应力( 包括枝状冰晶的形成，离子浓度的 增加，p h 值的改变及相分离) 、干燥应力( 除去蛋白质水合层) 等。 关于蛋白质在冷冻干燥过程中变性的机理，大多数研究者认为蛋白质分子周 围分布着多层水分子，在降温过程中，蛋白质分子周围的水分子不断冻结，但只 要蛋白质分子表面的单层水分子没有冻结，则蛋白质就不会变性，反之，蛋白质 就会变性2 叭。h a n a f u s a 4 1 利用在冷冻干燥过程中比较稳定的卵清蛋白 ( o v a l b u m i n ) 和不稳定的肌球蛋白( i n y o s i n ) 进行冷冻干燥对比实验，发现随 着温度的降低，肌球蛋白中的未冻水含量逐渐降低，而卵清蛋白中的未冻水含量 在低于o 后开始下降，在- - 2 0 - - 4 5 基本不变，温度低于- - 4 5 后，随着 温度的降低，未冻水的含量又开始下降，从而认为在卵清蛋白温度从o 降到一 2 0 的过程中，蛋白质分子周围的多层水分子冻结；温度从一2 0 降到一4 5 的 过程中未冻水含量保持不变，在这段过程中，蛋白质表面覆盖着没有冻结的单层 水分子，正是由于单层水分子的存在，才使蛋白质在冷冻过程中不发生变性作用。 当温度低于一4 5 后，未冻水含量又开始降低，说明蛋白质表面的单层水分子开 始冻结，蛋白质分子表面的氢键以及极性基团就会暴露在周围环境中而变性。在 冷冻过程中没有变性的蛋白质，在干燥过程中也应保证蛋白质分子表面的单层水 分子不受到破坏。因此在冷冻干燥蛋白质药物的过程中，一般要加入保护剂，防 止由于蛋白质表面的单层水分子破坏而引起蛋白质的变性。 监控冻干过程中蛋白质变性最通用的方法是红外线光谱法( i r ) ，此外还有 质量光谱法和r a l n a n 光谱法等。 许多学者研究了保护剂对蛋白质的保护机理，关于保护剂在冷冻干燥过程中 使蛋白质保持稳定的机理目前有两种观点：一种认为具有粘性的保护剂包围在蛋 白质分子的周围，阻止蛋白质的伸展和沉淀；另一种认为由于蛋白质分子中存在 大量氢键，吸附水通过氢键与蛋白质分子连结，当蛋白质在冷冻干燥过程中失去 水分后，保护剂能通过氢键与蛋白质分子相连，这样可保护氢键的连结位置不直 接暴露在周围环境中，从而减少蛋白质的变性。大多数研究者赞成后一种观点。 首先能够直接测量冻干的蛋白质与保护剂蔗糖间的氢键，从而显示蔗糖对蛋白质 的保护作用；其次，d e a n 等【蜘做了一组对比试验，在蛋白质冷冻干燥过程中， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 考察蔗糖、葡聚糖、蔗糖与葡聚糖的混合物的保护作用，发现蔗糖对蛋白质具有 保护作用，葡聚糖在冷冻和干燥过程中不能防止蛋白质变性，而蔗糖与葡聚糖的 混合物则大大提高了在冷冻干燥过程中对蛋白质的保护作用。这说明在冷冻干燥 过程中，保护剂的存在，可以避免蛋白质的变性，但并不是说加入保护剂就一定 能保证蛋白质不变性，关键在于保护剂在蛋白质脱水后能否与氢键结合。尽管葡 聚糖不能单独作为蛋白质的保护剂，但它具有高的解链温度( g l a s st r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e ) ，并能提高冻干蛋白质的储藏质量，因此和蔗糖等其它保护剂混合 使用可以防止蛋白质的损伤，提高产品的质量【2 吼。 不同浓度的保护剂对蛋白质的保护作用不同。冷冻过程中的降温速率的选择 与保护剂的浓度有关。如果保护剂的浓度很高，以不太高的降温速率就能使溶液 以玻璃态固化。但由于过高的保护剂浓度对蛋白质分子产生毒性，一般选用的保 护剂浓度较低，因此就要求有很高的降温速率。保持玻璃态的甘露醇在药品冷冻 干燥过程中能够保护蛋白质的活性，而结晶的甘露醇则对蛋白质不能起保护作用 4 3 。 目前，有关蛋白质冷冻干燥的研究重点是保护剂的选择及浓度对冻干后蛋白 质质量的影响【1 7 j 。 1 2 2 中草药的冷冻干燥 美国专家指出：“植物药草”这类改善生活品质的产品，将成为消费者选购 “健康类相关营养补充品”的重点，中国的中草药医疗保健品是一个值得开发的 宝贵资源。但传统干燥加工方法造成的中草药的性味劣变、生物活性物质( 特别 是药用有效成分) 损失，以及安全性等问题，越来越影响我国中草药行业的竞争 力。利用冷冻干燥这一高科技方法来加工中草药是一个急需研究和开发的课题 3 2 - 3 3 。 目前，国内外已有将冷冻干燥法应用于天麻、人参、冬虫夏草、灵芝、地 黄等中草药的干燥的报道1 3 2 】。 中草药真空冷冻干燥大致包括预处理、冷冻干燥( 冻结、升华干燥、解析 干燥) 、包装、储藏等几个工艺流程。 预处理是指为了抑制酶的活性，保证干燥品质和提高干燥速度，在干燥前 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 对中草药进行漂烫、蒸汽熏蒸等处理。蒸汽熏蒸可以有效地钝化人参中酶的活性， 防止有效物质和有效成分分解；还能使细胞内原生质发生凝固，产生质壁分离， 有利于传热传质，提高干燥速度。 在干燥阶段中，若物料温度超过一定极限值，中草药中热敏性成分将发生 热分解，有效成分裂变，品质降低。因此要以平衡含水率作为干燥终结指标，在 中草药物料达到热变性温度之前，停止加热，破坏真空，真空冷冻干燥过程即告 结束。 中草药的有效成分( 如地黄梓醇等) 、挥发油以及其他热敏性物质随干燥时 间的延长而发生降解，其降解程度与底物浓度、反应速度常数、温度以及含水率 等密切相关。现行的研究中，一般认为该过程属于化学反应动力学问题。干燥过 程中，物料质量降解的速度由反应速度常数k 反映，随温度t 的变化遵循 a r r h e n i u s 方程【3 2 】。 真空冷冻干燥技术应用于中草药干燥有很多优点： ( 1 ) 可避免常见的干燥过程中物料热敏性成分的破坏和易氧化成分的氧化 等劣变反应，药用有效成分保存率高，芳香物质挥发性降低，产品性味浓厚。 ( 2 ) 中草药干燥前进行预冻处理，形成了稳定的固体骨架，水分蒸发以后， 固体骨架基本保持不变，较好地保持了物料的外形，具有较好的外观品质。 ( 3 ) 升华时，溶解于水中的无机盐等物质均匀析出在固体骨架中，避免了一 般干燥过程中物料水分向表面迁移时，所携带的无机盐在表面析出而造成的药材 表面的硬化。 ( 4 ) 由于低温下化学反应速率降低以及酶发生钝化。冷冻干燥过程中几乎没 有因色素分解而造成的退色，以及酶和氨基酸所引起的褐变现象。 ( 5 ) 脱水彻底，质量轻，保存性好，适合长途运输和储藏。在常温下，采用 真空包装，保质期可达3 5 年。 真空冷冻干燥中草药的主要缺点在于设备昂贵、生产成本较高。但是随着 真空冷冻干燥技术水平的提高，设备的日益完善及国产化，真空冷冻干燥中草药 的生产成本正在逐渐降低，而其产品的高品质所附带的高价值也得到了市场的认 可。真空冷冻干燥作为保证中草药干燥品质的先进工艺，将会被十分广泛地应用 到生产实际中去3 2 - 3 3 。 l o 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 本文主要研究内容 由于冷冻干燥方法的诸多优点，很多药厂都采用冷冻干燥的方法来干燥各种 药品，但其缺点也明显；冷冻干燥设备初投资大，干燥速率慢，干燥时间长，能 耗大。 本文的目标是对冷冻干燥装置及冷冻干燥工艺进行优化，以降低冷冻干燥装 置的能耗，提高冻干方法的经济性。所作的工作包括： 设计、安装和调试成功能用于8 0 。c $ l j 冷温度的药品冷冻干燥实验装置，并 进行了许多改进和优化工作。 ( 1 ) 在已有的基础上，对冷冻干燥装置进行优化。由于在冷冻干燥过程中， 制冷系统运行时间最长，消耗的能量最多；制品的质量对降温速率，升温速率要 求很高。所以重点对制冷系统进行优化，优化的目标有两个：制冷系统的c o p 和降温速率。 ( 2 ) 对低温低压空间传热传质进行了理论探讨和实验研究，寻找隔绝低温低 压空间有害换热和增强有益换热的方法。 ( 3 ) 在冷冻干燥操作工艺中，对干燥制品的质量以及冷冻干燥过程的能耗性 有较大影响的因素有：冻结方式、加热方式、真空度、冻干工艺退火a 由于前面 三种在各种文献中已经研究得很多。本文通过理论和对蔗糖、甘露醇的实验研究， 重点考察退火对冻干过程的影响，对冷冻干燥过程工艺进行优化。一方面是提高 干燥制品的质量：另一方面是通过缩短冷冻干燥所用的时间，提高整个装置的经 济性。 浙江大学硕士学位论文 第二章冷冻干燥理论基础 第二章冷冻干燥理论基础 由于冻干药品具有稳定性高、能够长期保存、复水性能好等优点，冷冻干 燥法在制药领域的应用越来越广泛。药品冻干的常规操作包括药液冻结、升华干 燥和解吸干燥三个步骤。 在药液冻结固化过程中，液体结晶过程对后续干燥过程影响很大，一般情 况下，慢速冻结形成大冰晶，一次干燥速率较快；快速冻结形成小冰晶，一次干 燥速率较慢( 9 0 以上的水分在一次干燥时被升华除去) 。同时，液体结晶过程 还对干燥制品的质量有很大影响，如果冰晶形态各异而且大小分布不均匀，则干 燥制品的质量很粗糙：如果形态相似，冰晶细小分布均匀，则干燥制品结构疏松， 易于溶解。而干燥制品的玻璃化温度对于冷冻干燥过程顺利进行有很大帮助，在 实验中，一次干燥温度一定要控制在玻璃化温度以下，否则会发现“喷瓶”现象， 实验失败。 冻干过程的传热传质主要发生在被冻干物料内部和物料之外、冻干机之内 的低压低温空间环境。描述该空间环境的参数有温度、压力、湿度等。 药液冻结固化后，冰晶通常镶嵌在浓缩溶液非晶态中。在适当的冻干条件 下，冰晶通过升华干燥除去，浓缩溶液非晶态中的残余水分通过解吸干燥除去。 由于在实际冻结过程中形成的冰晶形态各异而且大小分布不均匀，导致升华干燥 过程水蒸气的流动阻力很大，降低了干燥效率。同时在非晶态区域内也会有多余 的未冻结水存在，即没有实现真正意义上的最大冻结浓缩状态，增加了解吸干燥 的解吸量。针对这些问题，研究者在大量的实验中发现在升华干燥之前引入退火 操作，能够提高干燥速率和制品品质。 本章冷冻干燥理论基础包括液体结晶过程、材料的玻璃化、冷冻干燥中的 传热传质、冷冻干燥退火四部分。 2 1 液体结晶过程 在药厂里，很多药品被制成药液，然后直接放置在隔板上，随着隔板一起 降温。我们观察到这种方法会导致同一容器内的物料的一次干燥速率很不均匀。 浙江大学硕士学位论文 第二章冷冻干燥理论基础 在实验中，我们观察到冻结过程当中的冰成核温度和接下来的一次干燥速率之间 有一定的关系，在较低的温度下面结晶成核会产生大量离散化的球状冰晶。因面 在一次干燥过程中，已干燥层的孔隙较小。成核温度的不同，也直接导致了冻结 之后瓶与瓶之间冰晶尺寸的不一样以及升华速率的不一样。 液体的结晶由两个过程组成，一是晶核形成过程，另一是晶体的生长的过 程。这两个过程均是和过冷度有密切关系。 成核理论 在液体中产生稳定的固态核的过程称为成核过程。成核只能是在温度低于 融点温度的条件下才能产生。冰晶的成核( n u c l e a t i o n ) 过程主要由热力学条件 决定，而冰晶的生长过程主要由动力学条件决定。根据机理，成核可分为均相成 核和异相成核两类。 当水处于过冷态时，可能以两种形式形成冰晶核心，即均匀成核和非均匀 成核。均匀成核是指在一个体系内各处的成核几率均相等；由于热起伏( 或热涨 落) 可能使原子或分子一时聚集成为新相的基团，若胚芽大于临界尺寸时就成为 晶核。均匀成核，要求有较大的过冷度。 非均匀成核，又称异相成核，是指水在尘埃、容器表面及其他异相表面等 处形成晶核。对于非均匀成核，所要求的过冷度比均匀成核要小得多。对于体积 较大的水，一般均具有异相成核的条件，因此只要温度比0 * c 稍低几度就能形成 冰晶核【州。 成核过程的一个重要参数是单位时间、单位体积中的成核数，即成核率。 成核率可以近似表示为 j “a e x p 一p t 3 ( r ) 2 ( 2 1 ) a 和口代表简化后的系数。 实验能探测到的成核率都要求在j 1 b 3 s ) - 1 以上。当温度t 降低，而使过 冷度丁增加时，成核率先快速升高：而到一定温度以下，若过冷度再增加，成 核率反而快速降低。对于金属材料，值较大，成核率很低：而对于水和低浓度 溶液，值较小，成核率很高，因此要抑制其结晶，达到形成玻璃化的目的是非 1 浙江大学硕士学位论文 第二章冷冻干燥理论基础 常困难的【6 】。 冰晶的生长 冰晶生长的快慢，可以用线增长速率u 来表示( 单位为m m m i n ) 。u 值和 溶液的性质、浓度有关；更和过冷度有密切的关系。在溶液中冰晶生长速率u 与过冷度的关系存在着峰值的情况【删。前面己讨论过，溶液的成核率j 与过冷度 的关系也有着峰值的情况。这样，在溶液结晶的情况中，成核率j 和生长率u 都是和溶液的过冷度密切相关的。一般说来，如降温速率很快，成核率j 很大， 而生长率u 很低，则形成数量多的细小的冰晶；如降温速率很慢，成核率j 很 小，生长率u 高，则形成数量少的粗大冰晶。 药品组织材料的冻结过程可能造成药品材料微观结构的重大变化，其改变 的程度主要取决于冰晶生长的位置，而这又取决于冻结速率和药品组织的水渗透 率。 对于生物药品，在慢速冻结、过冷度较小的情况下，冰晶在细胞外形成， 即细胞处于富含冰的基质中。由于细胞外冰晶增多，细胞外溶液浓度升高，细胞 内外的渗透压增大，细胞类的水分不断穿过细胞膜向外渗透，以至于细胞收缩， 过分脱水；如果水的渗透率很高，细胞壁可能被撕裂和折损。在解冻过程中又会 发生失水。 另一方面，如果热量传递过程比水分渗透过程快，细胞类的水来不及渗透 出来而被过冷形成冰晶。这样，细胞内外均形成数量多而体积小的冰晶。细胞内 冰晶的形成以及在融化过程中冰晶的再结晶都是造成细胞破裂、物料品质下降的 原因【6 】。 2 2 冻干过程中的玻璃化 玻璃态 在冷冻干燥过程的一次干燥过程中，我们要控制物料的温度始终在溶液的 玻璃化转变温度以下。如果物料的温度超过其玻璃化转变温度，则一段时间之后， 我们就可以观察到冻千物料出现“喷瓶”现象。因此，冻干过程中玻璃化转变温 度是一个很重要的参数，它对干燥制品的质量也起到很重要的作用。 浙江大学硕士学位论文 第二章冷冻干燥理论基础 在玻璃化过程中，物质不放出潜热，其比体积p 和熵s 是连续变化的。但 是r 比体积y 和嫡s 的变化斜率发生阶跃变化，即等压热膨胀系数口、等压压缩 系数和比热容c p 等发生阶跃变化。 由于a 、c 。都是吉布斯化学势g 的二阶导数，即 a = 吉( 筹 = 三，旦a t 阿l t 箜 j ， 。 c z z ， 肛矧，一础驯，一文魏眩s ， 铲r ( 孙一丁球剐。川( 现眩4 ， 所以，这类变化在热力学上被称为二级转变。 玻璃态可以被看成凝固了的过冷液体。从热力学角度来看，它是固态，因 为它的粘度卵很大，高于1 0 1 2 1 0 1 4 p a s 。 图2 1 给出了玻璃态和部分结晶的聚合物的粘度玎和温度的关系 4 5 1 ，其纵 坐标是1 9 玎，横坐标是相对温度，即融化温度与实际温度之比t m 厂r 。 相对曩魔r m ，r 图2 1 聚合物的粘度和相对温度的关系 现在大多数人己同意将叩 1 0 1 4 p a * s 作为玻璃态的一个判断标志，而对应 叩= 1 0 ”p a s 的温度称为玻璃化温度t g 。当t t g 时，称为玻璃态区。在生化药 浙江大学硕士学位论文第二章冷冻干燥理论基础 品的冻干过程中，保持物料的玻璃化状态对其活性保持及其重要，由于从动力学 角度来看，玻璃态物体是很稳定的，因为它的粘度极大，分子运动性几乎为零， 所以在有限的时间内不可能进行结构调整转化为晶体，这样就有了足够的冻千时 间。 玻璃化的实现 对于颗粒较小的纯水，要求全部实现玻璃化，其降温速率要达到1 c k s 【6 1 ， 但对于有一定浓度的溶液，比较小的降温速率就可以实现玻璃化，比如我们在物 料冻结实验中观察到，以l 2 r a i n 的降温速度降温到一6 0 的1 0 的蔗糖溶 液能够较好地实现玻璃化。 2 3 冷冻干燥中的传热和传质 我们在实验中，使用瓶底有弧度的玻璃瓶来装物料，如下图2 2 所示。我 们从理论上对这种装料形式的传热传质进行研究。 图2 2 装物料用玻璃瓶 2 3 1 低温低压空间环境的传热传质 冷冻干燥低温低压空间环境的换热主要发生在玻璃瓶与隔板、玻璃瓶与冻 干室壁之间。可能的换热方式是玻璃瓶与环境之间通过稀薄气体对流、热辐射、 隔板与玻璃瓶之间的直接接触导热。 低压空间气体换热4 6 4 7 1 6 浙江大学硕士学位论文 第= 章冷冻干燥理论基础 在冷冻干燥过程当中，在冻于室中主要是氮气( 空气当中7 9 的成分是氮 气，在干燥后期，还可以在冻干室中充入氮气，氮气既可以作保护气，还可以调 节系统的压力) 。 低压气体换熟问题一般有殴种不同的状态。一般用k n u d s e n 数进行划分， k n u d s e n 数是原子的平均自由程与特征长度的比率，特征长度一般取气体层宽 度。四种不同状态分别是连续态，温度跃变态，转变态和自由分子态。自由分子 流动发生在当平均自由程远大于气体层厚度，这里的气体层厚度就是瓶子和隔板 之间的间隙高度。平均自由程( 入) 可以用下面的关联式估算： 扣1 。! ：! ：! ! ：圣 ( 2 5 ) 扣n n d 2 , f 亏“i 厂一 “川 这里，n ，每立方米中的原子数目；d ，气体原子的直径：t g ，气体温度： p ，冻干室压力。 在我们关注的范围中，冻干室压力和气体温度对平均自由程的影响见图 苣 嚣 u