冷冻干燥技术

1、冷冻干燥技术冷冻干燥技术仓惠仓惠2015.12.042015.12.04什么是冷冻干燥技术？什么是冷冻干燥技术？冷冻干燥就是把含有大量水分的物质，预先进行降温冻结成固体，然后在真空的条件下使水蒸汽直接升华出来，而物质本身剩留在冻结时的冰架中，因此它干燥后体积基本不变，疏松多孔 。 Contents目目录录12341特点及应用冻干技术的特点冻干技术的特点优点：冷冻干燥在低温下进行，因此对于许多热敏性的物质特别适用（如蛋白质、微生物之类不会发生变性或失去生物活力）；在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小，适合一些化学产品，药品和食品干燥；在冷冻干燥过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因

2、此能保持原来的性状；由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎不变，可保持原来的结构，不会发生浓缩现象；冻干前后固体骨架基本保持不变，干制品可保持着原有形状，多孔结构的制品呈海绵状具有很理想的速溶性和快速复水性；可避免一般干燥方法中因物料内部水分向表面迁移，导致所携带的无机盐在表面析出而造成表面硬化；由于干燥在真空下进行，氧气极少，因此一些易氧化的物质得到了保护。 冻干技术的特点冻干技术的特点缺点：设备结构复杂、一次性投资大；干燥过程中制冷、加热系统能耗占总能耗的 80以上，且冻干过程时间较长，生产成本高，效率低；干燥产品呈多孔疏松状结构，暴露于空气中容易吸湿和氧化，对包装和贮藏条件有特殊的要求

3、。冷冻干燥技术的应用冷冻干燥技术的应用1.冷冻干燥在药学上的应用2.冷冻干燥在中药领域的应用3.冷冻干燥在生物制药方面的应用4.其他应用 一一. .冷冻干燥在药学上的应用冷冻干燥在药学上的应用1.1.用于不稳定药物的干燥用于不稳定药物的干燥主要适用于受热不稳定、易氧化、贮存过程易水解的药物。 例如青霉素、链霉素、苯巴比妥纳、激素类及药用酶等制剂。2.2.在药物剂型方面的应用在药物剂型方面的应用主要是解决药物剂型不稳定的问题，可以解决在乳剂和混悬剂中出现的油滴、粒子发生沉降絮凝等现象,保持良好的分散状态。3.3.可使固体药物粒度减小可使固体药物粒度减小可以较好地解决固体药物的分散,不但使药物粒度

4、减少,而且能够改善疏水性药物的溶解性能,增加它们的溶解度二二. .冷冻干燥在中药领域中的应用冷冻干燥在中药领域中的应用冷冻干燥由于在低温及真空状态下完成对制品的脱水干燥,使孢子处于休眠状态,且保存其原有活性。对于生物组织和细胞体损伤较少,能减少活菌体及病毒的死亡。并且便于运输,延长保存期限,而成为医学生物制品中首选的干燥保存方法如各种抗菌素、疫苗、酶制剂、血浆等。三三. .冷冻干燥在生物制药方面的应用冷冻干燥在生物制药方面的应用 我国中药品种数量丰富,对其进行深加工,可以增加附加值,或者对不易保存的中药进行干燥贮藏,利用冷冻干燥技术能够确保药效及活性成分完整保留。如:人参、蜂王浆、芦荟等。四四

5、. .其他应用其他应用空气干燥空气干燥 ：主要是对空压机高品质高要求压缩空气的冷冻干燥,可得到无油的干燥压缩空气。食品行业的应用：食品行业的应用：几乎所有的农副产品 ， 如肉 、禽 、蛋 、水产品、蔬菜、瓜果等都可以制成冻干食品 。在材料制备中的应用：在材料制备中的应用：作为一种先进的低温化学制备方法,可以应用于材料制备领域中,用来制备金属超微粉体,合成金属氧化物、复合氧化物等精细陶瓷粉末。生物行业的应用：生物行业的应用：动物的器官、组织；鲜花等植物类的等亦用此法干燥保存。 2基本原理物料中的水分物料中的水分按物料中水的结合方式分类按物料中水的结合方式分类机械结合水：机械结合水：包括表面湿润水

6、分、孔隙中的水分和毛细管中水分等。这类水分与物料的组织结合强度较弱，完全满足纯水升华的条件。物化物化结合水结合水：包括吸附、渗透在物料的细胞或纤维皮壁及生物胶体纤维毛细管中的结合水。它们与物料的结合强度较大，一般蒸发可除掉一部分，但升华则较难达到干燥要求。化学结合水：化学结合水：指结晶形态的水，如葡萄糖钙（C6HO6Ca(OH)2H2O）、石膏（CaSO42H2O）等，这种结合形态的水不能用冻干法去除。冻干过程中的常见参数冻干过程中的常见参数1.过冷度 指的是低于结冰点温度的度数。在结冰点，冰开始形成。 在过冷条件下冰的生长速率和过冷度的平方成正比，高过冷度会提高晶体生长速率，但是形成冰晶非常

7、小。过冷程度取决于物质的性质，但受冷冻速率和杂质粒子的几何形状和数量的影响。 2.共晶点 溶液中的全部物质凝固的温度，该温度参数在冻干过程非常重要。 溶液的结冰过程与纯液体不一样，如水在0时结冰，水的温度并不下降，直到全部水结冰之后温度才下降，这说明水有一个固定的结冰点。而溶液不一样，他是在某一温度时，晶体开始析出，随着温度的下降，晶体的数量不断增加，直到最后，溶液才全部凝结。冷却时开始析出晶体的温度称为溶液的冰点。而溶液全部凝结的温度叫做溶液的凝固点，即我们所说的共晶点。 3.塌陷温度 冻干时，干燥层温度上升到一定数值时，物料中的冰晶消失，原先为冰晶所占据的空间成为空穴，因此冻干层呈多孔蜂窝

8、状海绵体结构。此结构与温度有关。当蜂窝状结构体的固体基质温度较高时，其刚性降低。当温度达到某一临界值时，固体基质的刚性不足以维持蜂窝状结构，空穴的固形物基质壁将发生塌陷，原先蒸汽扩散的通道被封闭，此临界温度称为冻干物料的崩溃温度或塌陷温度。 4.玻璃化转变温度 在无定型结构材料中，原子、离子或分子的排列是无规则的。因为在冻结过程中随着冰晶的析出，剩余溶液的浓度逐渐增加，当达到一定浓度时，剩余的水分不再结晶，此时的溶液达到最大冻结浓缩状态，对应的温度称为玻璃化转变温度。在该温度下，很小的温度变化就可能引起冷冻浓缩液粘度显著增加。 在玻璃化转变温度下预冻，形成无定型结构，在玻璃化转变温度以上，在共

9、晶点温度以下预冻，就形成了晶体结构。晶体结构可以更快和更容易冻干，但稳定性稍差，溶解性稍差；无定型结构冻干比较难，但稳定性好，溶解性好。 3基本过程基本过程：基本过程：制品的制备（前处理）：如药物的培养、灭菌、分装、洗瓶、半加塞等，食品原料的挑选、清洗、切分、灭酶、分装等。制品的冻结（预冻）：将制品冻结成固态。第一阶段干燥（升华干燥）：将制品中的冰晶以升华方式除去。第二阶段干燥（解析干燥）：将残留于制品的水分在较高温度下蒸发一部分，使残余水分达到预定要求。密封包装：已干制品一般应在真空或充惰性气体条件下密封包装，以利于储存。预冻 预冻是冷冻干燥的第一步，在预冻结过程中，预冻速率、预冻温度和预冻

10、时间是影响后面过程的主要因素。若预冻没有冻好，产品冻结不实，在进入第一阶段升华干燥时，产品可能出现“沸腾”现象而引起喷瓶，或冻干后制品表面凹凸不平，影响外观；如果冷的过低，则浪费了能源和时间。 其中预冻速率的快慢，对制品冻结中晶粒的大小和升华的速率均有影响。 一般来说，快速冻结产生的冰晶较小，冰晶不规则，间隙小，升华时阻力大，不利于升华干燥。但干燥后则基本反映了制品的原有结构，溶解速度较快。 缓慢冻结过程中，溶液逐渐被浓缩，冰晶体逐渐长大，缓慢冷冻产生的冰晶较大，冰晶呈六角对称形，有利于升华过程中水分的排出，但是溶解缓慢。 冻干制品升华前，必须预冻到一定的温度，这个温度应设在制品的极限温度以下

11、10-20左右。该极限温度，主要取决于样品冻干过程中需要固化的状态,是晶体结构还是无定型结构。晶体结构，对应的极限温度为共晶点温度；无定型结构，对应的温度是玻璃化转变温度。 而预冻所需的时间要根据不同的具体条件来确定。总的原则是，应使制品的各部分完全冻牢。通常冻干箱的搁板从室温25降到-40约1.5小时。在达到预冻温度后再保持若干小时，确保整箱全部制品完全冻结。 第一阶段干燥（升华干燥） 将冻结后的产品置于密封的真空容器中加热，其冰晶就会升华成水蒸汽逸出而使产品脱水干燥。干燥是从外表面开始逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的空隙变成尔后升华水蒸汽的逸出通道。已干燥层和冻结部分的分界面称为升华界面

12、。当全部冰晶除去时，第一阶段干燥就完成了，此时约除去全部水分的90%左右。 第一阶段干燥是冷冻干燥的关键阶段，大部分的水在这一阶段被升华。若控制不好，会直接影响产品的外观质量和冻干时间。若搁板的温度过高，搁板向产品提供的热量大于水分升华所吸收的热量，则产品温度持续上升，当产品温度超过其共晶点时，则产生喷瓶或瓶底变空的现象，影响产品的外观质量。 第二阶段干燥（解析干燥） 在第一阶段干燥结束后，产品内还存在10%左右的水分吸附在干燥物质的毛细管壁和极性基团上，这一部分的水是未被冻结的。因此二次干燥的主要目的就是除去这些未被冻结的水。 对于吸附水，由于其吸附能量高，如果不给它们提供足够的能量，它们就

13、不可能从吸附中解析出来。因此，这一阶段产品的温度应足够的高。同时，为了使解吸出来的水蒸气有足够的推动力逸出产品，必须使产品内外形成较大的蒸汽压差，因此此阶段中箱内必须是高真空。 第二阶段干燥对制品中残留水分的影响很大，在这一阶段中，温度要选择能允许的最高温度；真空度的控制尽可能提高，有利于残留水分的逸出；持续的时间越长越有利于残留水分的除去；最终产品块的残余含水量一般为0.5%-4%，根据产品种类和要求不同而不同。 最简单的冷冻干燥曲线最简单的冷冻干燥曲线预冻升华干燥解析干燥4常见问题冻干制品常见问题冻干制品常见问题1.产品抽真空时发生喷瓶现象 产生原因：这是由于产品还没有冻实就抽真空的缘故，

14、预冻温度还没有低于共晶点温度，或者已低于共晶点温度，但时间还不够，产品的冻结还未完成。 解决方法：降低预冻温度和延长预冻时间。 冻干制品常见问题冻干制品常见问题2.产品有干缩和鼓泡的现象产生原因：这是由于在升华干燥过程中出现了局部熔化，由液体蒸发为汽体，造成体积缩小，或者干燥产品溶入液体之中，严重的熔化会产生鼓泡现象，原因是加热太高或局部真空不良使产品温度超过了共晶点或崩解点温度。解决方法：降低加热温度和提高冻干箱的真空度，应控制产品温度，使它低于共晶点或塌陷温度。 冻干制品常见问题冻干制品常见问题3.无固定形状产生原因：是由于产品中的干物质太少，产品浓度太低，没有形成骨架，甚至已干燥的产品被升华汽流带到容器的外边。解决方法：增加产品浓度或者添加赋形剂。 冻干制品常见问题冻干制品常见问题4.产品上层不好，下层好产生原因：冷冻时产品表面形成不透气的玻璃样结构，但未做回热处理，升华开始不久产品升温，部分产品发生熔化收缩，产品的收缩使表层破裂，因此下层的升华能正常进行。解决方法：预冻时做回热处理。 冻干制品常见问题冻干制品常见问题5.产品上层好，下层不好产生原因：升华阶段尚未结束，提前进入解吸阶段，这等于提前升高板层温度，结果下层产品受热过多而熔化；或者有些产品由于装载厚度太大，或干燥产品的