冷冻干燥技术

1、 PAGE 60绪 论冷冻枯燥是将含水物质，先冻结成固态，而后使其中的水分从固态升华成气态，以除去水分而保存物质的方法。这种枯燥方法与通常的晒干、烘干、煮干、喷雾枯燥及真空枯燥相比有很多突出的优点，如：它是在低温下枯燥，不使蛋白质、微生物之类产生变性或失去生物活力。这对于那些热敏性物质，如疫苗、菌类、毒种、血液制品等的枯燥保存特别适用。由于是低温枯燥，使物质中的挥发性成分和受热变性的养分成分损失很小，是化学制品、药品和食品的优质枯燥方法。在低温枯燥过程中，微生物的生长和酶的作用几乎无法进展，能最好地保持物质原来的性状。枯燥后体积、外形根本不变，物质呈海棉状，无干缩；复水时，与水的接触面大，能快

2、速复原成原来的性状。因系真空下枯燥，氧气极少，使易氧化的物质得到了保护。能除去物质中 9599%的水分，制品的保存期长。总之，冷冻枯燥是一种优质的枯燥方法。但是它需要比较昂贵的专用设备，枯燥过程中的耗能较大， 因此加工本钱高，目前主要应用在以下一些方面：生物制品、药品方面：如抗菌素、抗毒素、诊断用品和疫苗等。微生物和藻类方面：如酵母、酵素、原生物、微细藻类等。生物标本、活组织方面：如制作各种动植物标本，枯燥保存用于动物异种移植或同种移植的皮层、角膜、骨骼、主动脉、心瓣膜等边缘组织。制作用于光学显微镜、电子扫描和投射显微镜的小组织片。食品的枯燥：如咖啡、茶叶、鱼肉蛋类、海藻、水果、蔬菜、调料、豆

3、腐、便利食品等。高级养分品及中草药方面：如蜂王浆、蜂蜜、花粉、中草药制剂等。其他：如化工中的催化剂，冻干后可提高催化效率 5-20 倍；将植物叶子、土壤冻干后保存，用以争辩土壤、肥料、气候对植物生长的影响及生长因子的作用；潮湿的木制文物、淹坏的书籍稿件等用冻干法枯燥，能最大限度的保持原状等。冷冻枯燥能保存食物很早就为人们所知。古代北欧的海盗利用干寒空气的自然条件来枯燥和保存食物， 就是其中一列。但是，将冷冻枯燥作为科学技术还是近百年来的事。1890 年啊特曼Altmann在制作标本时，为了防止标本中的物质在有机溶剂中溶解，造成不行逆损失，转变过去用有机溶剂脱水的方法，承受冷冻枯燥法冻干各种器官

4、和组织。他的工作确立了生物标本系统的冻干程序，这是冻干在制作生物标本中的最早应用。1909 年谢盖尔Shackell将冻干引入细菌学和血清学领域。他承受了盐水预冻，在真空状态下，用硫酸做吸水剂，对补体、抗毒素、狂犬病毒等进展冻干，其设备虽格外简陋，但却是后世先进冻干机的雏形。1912 年卡瑞尔Carrel首先提出用冻干技术为外科移植保存组织。1935 年第一台商用冻干机问世。1940 年冻干人血浆开头投入市场。其次次世界大战中，由于需要大量的冻干人血浆和青霉素，因而冻干在医药、血液制品等方面的应用得到快速的进展。艾尔塞Elser、沸烙斯道夫Flosdorf、格雷夫斯Greaves和他们的同事们

5、，一方面进展冻干根底理论的争辩，一方面进展装置大型化、现代化的改进，使冻干技术从试验室阶段向工业生产和产品商品化进展。战后，冻干法又快速扩展到各种疫苗、药品等领域。1930 年沸烙斯道夫进展了食品冻干的试验，1949 年他在著作中展望了冻干在食品和其他疏松材料方面应用的前景。二次世界大战后，英国食品部在啊伯丁Aberdeen的试验工厂也进展了食品冻干的争辩。他们在综合了当时的一些争辩成果的根底上，于 1961 年公布了试验成果，证明冻干法用于食品加工是一种能获得优质食品的方法。随后在美、日、英、加等国相继建立起冻干食品的工厂，到1965 年全球已有食品冻干工厂 50 多家，后来随着越南战斗的需

6、要，美国军需定货增多，加之冻干工艺的改进，生产本钱的降低，在日、美等国食品冻干的进展就更为快速。现在冻干食品除在宇宙航行、军队、登山、航海、探险等特别场合受到欢送外，在一般民用食品中也确立了稳定的地位。1985 年仅日本就有 25 家公司生产冻干食品， 其总销售额为 1700 亿日元。随着冻干技术的应用和进展，冻干机理和技术的争辩也随之进展起来。1949 年沸烙斯道夫出版了他的世界上第一本有关冻干技术及理论的专著。1951 年和 1958 年先后在英国伦敦召开了第一界和其次界以冻干为主题的专题争辩会。后来国际制冷学会将冷冻枯燥列为 C1 委员会的学术内容之一。经过约半个世纪的进展，冻干设备和技

7、术已趋于完善。现代先进的冻干设备不仅能能满足各种冻干工艺加工的要求，在操作把握上已成功地承受了电子计算机全自动把握；在工艺上制造了为改善加热条件， 缩短冻干周期的循环压力法，调压升华法和监控枯燥完毕的压力检查法；在医药品冻干中，可在真空条件下对小瓶自动加塞，对安瓶的自动溶封等。此外冷冻枯燥还应用于非水溶液的枯燥。固然冻干技术还有很多尚待解决的问题。如阻碍冻干技术更为广泛应用的最大障碍是生产本钱高，因此如何缩短冻干周期进展能源的综合利用、强扮装置的功能，降低装置的功能，降低设备造价都是冻干行业特别是食品冻干行业进展学要解决的重要课题。在我国，解放前只在试验室用简易的冻干装置进展保存菌种的试验。1

8、953 年卫生部所属北京、武汉两生物制品争辩所先后安装了大型冻干设备，迈开了我国生物制品冻干工业化的第一步。后来在其他人用、兽用生物药品厂、生化药厂等制药行业得到进展，目前全国大约有 200 家左右的工厂和争辩单位使用冻干机进展生物制品、医药品的生产和争辩。在食品冻干方面，60 年月后期在北京、上海、大连等地相继建立了一些试验性冻干设备，70 年月中起在上海建立了年产 3000 吨的食品冻干车间。但是当时我国的人民生活水平低，人们有爱吃颖食品的习惯， 冻干食品在国内市场不大；而当时的“闭关锁国”政策，冻干食品也未能打入国际市场，致使这些工厂相继停产。现在除北京、福建、广东、青岛等地还在生产俏销

9、的蘑菇、调料以外，食品冻干几乎没有进展。我国可用于冻干加工的食品资源特别是土特产格外丰富，如豆制品、蘑菇、苔菜、猕猴桃、椰汁、大蒜、茶叶、蜂蜜等产品在世界上都是知名的。随着党对外开放、对内搞活政策方针的贯彻和我国人民食品构造的转变，食品冻干业在我国将会得到快速进展。第一章 冷冻枯燥根底第一节 水和溶液的一些性质一、水的状态平衡图物质有固、液、汽三态。物质的状态与其温度和压力有关。图1-1 示出水H2O的状态平衡图。图中OA、OB、OC、三条曲线分别表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽两相共存时其压力和温度之间的关系。分别称为溶化线、沸腾线、和升华线。此三条线将图面分成、三个区域，分别表示冰溶化成

10、水， 水汽化成水蒸气和冰升华成水蒸气的过程。曲线OB 的顶端有一点 K，其温度为374，称为临界点。假设水蒸气的温度高于其临界点温度 374时，无论怎样加大压力，水蒸气也不能变成水。三曲线的交点O，为固、液、汽三相共存的状态，称为三相点，其温度为 0.01，压力为 610Pa。在三相点以下，不存在液相。假设将冰面的压力保持低于 610Pa，且给冰加热，冰就会不经液相直接变成汽相，这一过程称为升华。二、溶液及其结晶过程溶液一种或几种物质以分子或离子状态均匀地分布于另一种物质中，所得到的均匀的、稳定的液体叫做溶液。构成溶液的组分有溶质、溶剂之分，习惯上将占较大比例的组分成为溶剂，占较少比例的组分称

11、为溶质，由水与其他物质组成的溶液称为水溶液一般将水溶液中的水成为溶剂，而不管其在溶液中比例的多少。为了说明一种溶液，除了根本参数例如压力、温度外还需指出它的成分或浓度。表示溶液成分的方法很多，最常用的是用质量成分表示。对于二元溶液即两种组分组成的溶液，如用1、2 分别表示第一组分和其次组分的质量成分，用 m1、m2 分别表示相应的质量，则溶液的溶点、沸点与溶质溶剂的溶点、沸点均不一样，且随溶液的浓度不同而异。图 1-2 为氯化钠水溶液的温度浓度图。图上的任意一点均表示溶液的某一状态，例如点 A 表示温度为 t1，浓度为1 的氯化钠水溶液。线 BE、CE 为饱和溶解度线，该线上的点所表示的溶液的

12、溶解度均处于饱和状态，该线上部区域的点所表示的溶液的溶解度为未饱和状态，其下部的为过饱和状态，E 点称为溶液的共晶点。溶液的结晶过程使状态为 A温度 t1,浓度1的溶液冷却，开头时浓度1 不变，温度下降，过程沿 AH 进展，冷却到 H 以后，如溶液中有“种冰”或晶核，则溶液中的一局部水会结晶析出，剩下的溶液的浓度则上升、过程将沿析冰线 BE 进展，直到点 E，溶液浓度到达其共晶浓度，温度降到共晶温度以下，溶液才全部冻结。E 点成为溶液的共晶点。同理，假设使状态为 A的溶液冷却，到达 H后先析出盐，然后沿析盐线 CE，一边析出盐一边温度下降，直到共晶点 E 才全部冻结。其过程线为 AHE。假设溶

13、液冷却到平衡状态时，溶液中无“晶核”存在，则溶液并不会结晶，温度将连续下降，直到溶液由于外界干扰如植入“种晶”、振动等或冷却到某一所谓核化温度Th e t，在溶液中产生晶核，这时其超溶组分才会结晶，并快速生长，同时放出结晶热，使溶液温度升到平衡状态。其浓度也随超溶组分的析出而变化。其过程线为 AHGDE 或 AHGDE。三、冻干产品的溶液一般来说，冻干产品的溶液是由主要功能组分如药用成分、多种添加组分如抗氧化剂、填充剂等等和蒸馏水混合而成的胶体悬浮液。它与一般能互溶的溶液不完全一样，具有一系列的低共溶点温度。对于冻干加工来说，需要确定一个较高的安全操作温度，使得在该温度以上时，产品中存在未冻结

14、的液体， 而在该温度以上时，产品将全部冻结，这个温度就是冻干产品的共溶点温度。一些产品的共溶点温度列于表 1-1。溶液名称表 1-1一些饱和溶液的共溶温度摩尔溶解度30时观看共溶温度计算温度甲基芬尼定磷酸盐1.9534.293.97吩妥胺磷酸盐0.1200.750.88甘露醇1.02.24乳糖0.65.40氯化钠6.1221.624.0氯化钾4.9711.112.66溴化钾5.9312.913.26甘油水46.5二甲亚砜水73其次节溶液的冷冻枯燥过程为了有利于枯燥，一般冻干产品溶液配制成含固体物质 4%-15%的稀有溶液。这种溶液中的水，大局部是以分子形式存在于溶液中的自由水；少局部是吸取于固

15、体物质晶格间隙中或以氢键方式结合在一些极性基团上的结合水；至于固定于生物和细胞中能冻结、很难除去的结合水。冻干的目的就是在低温、真空环境中除去物质中的自由水和一局部吸附于固体晶格间隙中的吸附水。因此冷冻枯燥过程一般分三步进展，即预冻结、升华枯燥或称第一阶段枯燥、解析枯燥或称其次阶段枯燥。一、预冻结预冻预冻就是将溶液中的自由水固化，赐予干后产品与枯燥前有一样的形态，防止抽空枯燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不行逆变化产生，削减因温度下降引起的物质可溶性降低和生命特性的变化。溶液的冻结过程如图 1-3 所示。溶液需过冷到冰点以下，其内产生晶核以后，自由水才开头以纯冰的形式结晶，同时放出结晶热使其温

16、度上升到冰点，随着晶体的生长，溶液浓度增加，当浓度到达共晶浓度， 温度下降到共晶点以下时。溶液就全部冻结。溶液结晶的晶粒数量和大小除与溶液本身性质有关外，还与晶核生成速率和晶体生长速度有关，而这两者又都随冷却速度和温度而变化。一般来说，冷却速度愈快、 过冷温度越底，形成的晶核数量越多，晶体来不及生长就被冻结，此时所形成的晶体数量越多，晶粒越细， 反之晶粒数量越少晶粒越大。图 1-4 示出水的结晶速率很小，但生长速率却快速增加。因此假设让溶液在接近于 0晶核生长速率很小，但生长速率却快速增加。因此如多让溶液在接近于 0冻结，则会得到粗而大的结晶，假设使之在较低温度下结晶，则将得到量多粒小的晶体。

17、晶体的外形也与冻结温度有关。在 0四周开头冻结时，冰晶呈六角对称形，在六个主轴方向向前生长，同时还会消灭假设干副轴，全部冰晶将渐渐丧失简洁识别的六角对称形式，加之成核数多，冻结速度快可能形成一种不规章的树枝型他们有任意数目的轴向柱壮体轴柱，而不象六方晶型那样只有六条。最高冷却速度时获得渐消球晶，它是一种初始的或不完全的球型结晶，通过重结晶可以再完成其结晶过程。生物液体如血液血浆、肌肉浆液、玻璃体液等结冰形成的结晶单元，往往与单一成分的水溶液形成的冰晶类型相像。结晶类型主要取决于冷却速度和体液浓度，例如血浆、肌肉浆液等在正常浓度下结冰时，在较高零下温度、慢冷却速度下形成六方结晶单元，快速冷却至低

18、温时形成不规章树枝壮晶体。细胞悬浮液如红血球、白血球、精子、细菌等悬浮于蒸馏水、血浆或其他悬浮介质中，在高零下温度缓慢结冰时，悬浮液中大量的冰生长，将细胞挤在两冰柱之间的狭窄管道中，管道内的悬浮介质因水析出结冰而溶质浓缩，细胞内的水通过细胞膜渗透出细胞，又造成细胞内溶质的浓缩。与此同时，胞外冰的生长，还将迫使细胞物质体积缩小、变形。但此时细胞内不结冰。当在低温下快速结冰时，则细胞内将形成胞内冰，冰的大小、外形和分布与冷却速度、保护剂的存在与否、保护的性质以及细胞内的含量有关， 一般来说，冷却速度越快、温度越低，细胞内形成的冰越多。悬浮液中添加象蔗糖之类的非渗透保护剂， 可以使快速结冰时细胞内形

19、成的冰数目削减。溶液的结晶形式对冻干速率有直接影响。结晶升华后留下的空隙是后续冰晶升华时水蒸气逸出的通道， 大而连续的六方晶体升华后留下的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品枯燥速度快；反之树枝形和不连续的球状冰晶通道小或不连续，水蒸汽靠集中或渗透方能逸出，因而枯燥速度慢。因此仅从枯燥速率来说慢冻为好。冻结对细胞和生命体的破坏作用的机理，目前争辩不够，也无统一的看法。在为数众多的看法中有代表性的看法是：造成细胞死亡的主要缘由是溶质、特别是特别溶质如构造蛋白的浓缩、细胞脱水和胞内冰的形成。在溶液结冰过程中，水析出结冰，剩下的溶液浓度增加。我们知道，反响物的浓度增大，能促使其化学反映速度加快。

20、此外，溶质的沉淀，还会引起 PH 值的变化，结冰时环境的变化，可能引起蛋白质等生物大分子变性增大。假设这些变化中的某些成为不行逆的，就会导致细胞的死亡。在高零下温度慢速冷却时，细胞内虽不结冰，但细胞外水结冰后，蒸汽压降低，造成细胞内外的蒸汽压差，细胞内的水通过细胞膜渗透到胞外，造成细胞脱水。冻结的速度越慢，渗透的时间越长，其脱水也越厉害。这种状况发生在高渗性指水的细胞中。有人认为，胞内冰的形成，引起胞内溶质的浓缩或细胞膜的裂开，是造成细胞死亡的缘由，这种观点已为一些试验所证明，但其通用性尚待进一步争辩。然而，对于很多物质来说，胞内冰的形成对细胞的损害是明显的。上述机理均尚不具一般性，在冻干的实

21、践中还需依据具体条件进展分析和试验验证，找出适宜的冻结速度。此外，冻结的速率还与冻结设备的种类、力量和传热介质等有关。据爱得华冻干手册介绍，对于 10mm 厚的产品，冷冻到-25的最正确冷冻速度、最正确结晶构造和较快的枯燥时间是：在冻干机外部的风冷箱式冻结箱中冻结为 12 小时；壳状冻结器用酒精作传热介质时，假设用机械制冷则为 1020 分钟，假设用干冰制冷则为 510 分钟；垂直冻结器假设用液体冷却时则为 5-10 分钟，假设用气体冷却时则为 15-20 分钟；在冻干机枯燥箱内冻结用搁板冷冻时为 1-1.5 小时二、升华枯燥升华枯燥也称第一阶段枯燥。将冻结后的产品置于密闭的真空容器中加热，其

22、冰晶就会升华成水蒸汽逸出而使产品脱水枯燥，枯燥是从外外表开头逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的空隙变成此后升华水蒸气的逸出通道。已枯燥层和冻结局部的分界面称为升华界面。在生物制品枯燥中，升华界面约以每小时1mm 的速度向下推动。当全部冰晶除去时，第一阶段枯燥就完成了，此时约除去全部水分的 90%左右。产品中温度分布产品中冰的升华是在升华界面处进展，升华时所需的热量由加热设备通过搁板供给。如图 1-5 所示。从搁板传来的热量由以下途径传至产品的升华界面：1故体的传导。由玻璃瓶底与搁板接触部位传到玻璃瓶底、穿过瓶底和产品的冻结局部到达升华界面；2辐射。上搁板的下外表和下搁板的上外表对玻璃瓶及产品枯

23、燥层外表辐射，再通过玻璃瓶及冻结层或已枯燥的导热到达升华界面；3通过搁板与玻璃瓶外外表间残存的气体的对流。由于传热中必需有传热温差，且各段传热温差与其相应热阻成正比，所以产品中形成了图 1-5 所示的温度分布。例如：搁板外表温度为50，到升华界面的温度可能约为-25冰层最高温度约为-20，枯燥层上外表温度可能为+25。物质浓度温度表 1-2 主要药品的冷冻枯燥温度崩解临界温度司库乐5-50%-25葡萄糖10%3840乳糖10%1819马尼妥10%24山梨糖醇桔西乐10%4142多缩葡萄糖低 m. wt.10%2高 m. wt10%3PEG600010%910古力辛10%3-氨基丙酸10%23-

24、A10%13精氨酸10%3335EACA110%15变压器用 AMCHA25%24GABA110%1820NaC110%2122KC110%1011醋酸10%2627拘掾酸10%50硫胺素硝酸盐10%5吡哆醇10%4抗坏血酸5%3637抗坏血酸10%3637钠啊斯考派脱10%3033烟酰胺10%34钙、潘妥颠10%1819乙酰胺10%25钠、巴比妥10%4表 13 主要食品的冷冻枯燥温度食品名称厚度mm枯燥板温度压力Pa枯燥时间h牛肉煮熟810551.31026金枪鱼生6401.31026牡蛎生1015406.6101.314蟹水煮1020406.6101.38虾半刨水煮820456.6101

25、.36蛋白生5406.6101.34蛋黄生5406.6101.33全蛋生5406.6101.334白桃8 等分1020456.6101.314罐头桃1015456.6101.312香蕉切断5456.6101.36番茄汁5506.6101.345圆辣椒4501.31025圆辣椒早饭4501.31024卷心菜12501.310223洋葱34501.31025胡萝卜4501.31025藕4501.31024土豆10551.31025山芋菜23501.31023浆果2501.310234松蘑10456.6101.35酱油3456.6101.33豆油4451.310245绿茶浓茶水4406.6101.3

26、3红茶浓茶水4406.6101.33咖啡浓4406.6101.33果子冻4406.6101.323升华时的温度限制产品升华时受以下几种温度限制：1产品冻结局部的温度应低于产品共溶点温度；2产品枯燥局部的温度必需低于其崩解温度或容许的最高温度不烧焦或性变；3最高搁板温度。所谓崩解温度是液态产品已干局部构成的“骨架”，当温度上升到肯定数值时，其刚度降低，变的有粘性而塌陷，封闭了已干局部的海绵状微孔，阻挡升华的进展，升华速度减慢。由于所需热量削减，当消灭这种状态时，如不快速加热，降低温度，产品就会发生供热过剩溶化报废。所以把握产品的崩解温度是很重要的，一些制品的崩解温度列于表 1-2。崩解温度主要由

27、溶液的成分所打算。过低的崩解温度会延长枯燥时间，甚至是设备力量所不能到达的。这可通过选择适宜的添加剂来提高崩解温度。在固体食品冻干时，为了避开因搁板温度过高而产生变性或烧坏，搁板温度应限制在某一安全值以下。一些食品的搁板安全温度列于表 1-3。升华速率纯冰的升华速率：纯冰确实定升华速率 G。可用 Knudsen 方程来表示式中：蒸发系数G.=p.(M/2RT)1/2kg/sm2p.冰升华面温度 T 时饱和蒸汽压，kPa; M水蒸汽的分子量，kg/lmol； R气体常数，kl/kmolK； T冰确实定温度，K。因 p.随冰的饱和温度 T 增大而增大，所以升华面温度越高，其升华量G 也越大。在冷冻

28、枯燥产品时，假设传给升华界面的热量等于从升华界面逸出的水蒸汽升华时所需的热量时，则升华界面的温度和压力均到达平衡，升华正常进展。假设供给的热量缺乏，水的升华夺走了制品自身的热量而使升华界面的温度降低，假设逸出的水蒸汽少于升华的水蒸气，多余的水蒸气聚拢在升华界面使其压力增高， 升华温度提高，最终将导致制品溶化。所以，冷冻枯燥的升华速率一方面取决于供给应升华界面热量的多少；另一方面取决于从升华界面通过枯燥层逸出水蒸汽的快慢。传热量 为了简化计算，将冻干的传热传质简化成图 1-6 所示模型。通过冻层和已枯燥层的传热量可用以下公式表示iQ=A TwT/ W(1-5)Q=A T T/W(1-6)dwd式

29、中：A升华面积，m2；i* ，d冻层和干层的导热系数，W；Tw， T 冻层底部和干层外外表确实定温度，W/mK；wT升华界面确实定温度，K；d、 冻层厚度和干层厚度，m。蒸汽传输量 升华出来的水蒸气通过已枯燥层和箱内空间输送到水汽分散器。其传输速率即升华速率 可用下式表示式中：A升华界面面积；G=A(P-PO)/Rd+RS+k11kg/sP，PO升华界面和水汽分散器的压力；Rd、RS枯燥层的阻力和枯燥层外表到水汽分散器之间的空间的阻力，Pam2s/kg; k1由升华物质的分子量所打算的常数，kg/ Pam2s。从上述几个公式可见，欲提高升华速率，应使：冻层底部或干层外表的温度在允许的最高值以下

30、尽可能高。制品厚度越薄其热阻和流淌阻力越小，热量和质量传输越快，升华速率越高。但每批制品的产量与厚度成正比，而每批加工的关心工作量又大致相等，因而制品太薄会造成产品总本钱的提高。由厚到薄之间存在一个总本钱最低的最正确厚度。一般来说，生物制品的厚度为 1015mm。冻结层的导热系数*i 主要打算于制品的成分；已枯燥层的导热系数d 还打算于压力和气体的成分， 其变化关系参见图 1-7。由图可见，为了提高冻干层的导热系数，箱内压力越高越好。也可视为 PO 越高， 又会使水蒸气不易从升华面逸出，造成升华面温度过高，冻层溶化和枯燥面崩解。为了两者兼顾，依据产品不同一般可将箱内压力把握在 13Pa130P

31、a 之间。蒸气的排解还取决于Rd、Rs。由试验知，Rd 比 Rs 大 6-10 倍。也就是说，穿过已干多孔层的水蒸气的流率大体上打算了枯燥速率。而 Rd 主要与干层厚度和晶粒大小有关。一般来说，粗大而连续的网状冰晶， 升华后也形成粗大而连续的网状间隙通道，水蒸气逸出时流淌阻力较小，升华速率快。细小而不连续的空隙之间，水蒸气是靠渗透穿过已干的固体膜层的，很难枯燥。三、解析枯燥解析枯燥也称其次阶段枯燥。在第一阶段枯燥完毕后，在枯燥物质的毛细血管壁和极性基团上还吸附有一局部水分，这些水分是未被冻结的，当他们到达肯定含量，就为微生物的生长生殖和某些化学反响提供了条件。试验证明：即使是单分子层吸附以下的

32、低含水量，也可以成为某些化和物的溶液，产生与水溶液一样的移动性和反响性。因此为了改善产品的储存稳定性，延长其保存期，需要除去这些水分。这就是解析枯燥的目的。第一阶段是将水以冰晶的形式除去，因此其温度和压力都必需把握在产品共溶点以下，才不致使冰晶 溶化。但对于吸附水，由于其吸附能量高，假设不给它们供给足够的能量，假设不给它们供给足够的能量， 它们就不行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，只要烧毁产品和不造成主品过 热泪盈眶而变性就可。同时，为了使解吸出来的水蒸气有足够的推动力逸出产品，必需使产品内外形成较 大的蒸汽压差，因此此阶段中箱内必需是高真空。其次阶段枯燥后，产品内剩余

33、水分的含量视产品种类和要求而定。一般在 0.54%之间。第三节 传热学根底当物体之间存在温度差时，就有能量的传递。这种能量称之为“热”。冷冻枯燥过程中，无论是冻结， 还是加热升华，自始至终伴随着热量的传递。热量的传递简称传热在实践中虽是多种多样，但就其物理本质来说可分为三种根本形式，这就是导热、对流、和辐射。如图 1-8 所示：在静态介质中存在着温度差时。不管介质是固体还是流体，都会发生传热，这种传热过程成为导热；当一个外表和一种运动流体处于不同温度时，它们之间发生的传热称为对流；具有肯定温度的外表都以电磁波的形式放射能量，这种温度不同而又互不接触的两外表间，假设没有传热介质存在， 它们之间的

34、热交换就是净热辐射。一、导热导热可以看作是由于物质的质点分子、原子间的相互作用，能量较大的质点向能量较小的质点传输能量的过程。单层平壁导热如图 1-9 所示，设一维平壁其两侧外表温度分别为t1，t2，壁厚，则在单位时间垂直于热流方向的单位面积上的传热量 qx 与两外表间的温差成正比，与壁厚成反比。qx 成为通过平壁的热流密度。可表示为或qx=-t1t2/= t1t2/=t/RpW/m2qx=-dt/dxW/m21-81-9式中：t在厚度上的温差或温压；R p平壁在上的热阻，m2K/ W壁的导热系数W / mK常用材料的导热系数见表 1-4物质物质表 1-4 常用材料的导热系数铝203软木板0.

35、0410.07铜384水0.59钢45冰2.34铸铁63空气0.025玻璃0.74聚氨酯泡沫塑料0.0410.046不锈钢17.5聚苯乙烯泡沫塑料0.0290.046稻壳0.12假设平壁面积为 A，则总的传热两 Q 为 Q=A qxW1-10多层平壁导热假定有一个多层平壁如图 1-10 所示，在稳定导热时，单位时间内各层的导热量应当是相等的。即Q12=Q23=Q34=Q 或者 Q=1/1A(t1t2)= 2/2A(t2t3)= 3/3A(t3t3) 解此连等式，消去 t2，t3 得Q=t1t4A/1/1+2 /2 +3 /3=tA/RpiW1-11q=t/RpiW / m2 3.圆筒壁导热一个

36、长 l 米的圆筒，其内、外半径为 r1 和 r2直径为 d1、d2，内、外壁温度为 t1、t2，且 t1 t2。对于任取半径 r 厚 dr 的薄壁圆筒来说，可视为一厚 dr，外表积为 2rl 的平壁，于是其传热量Q=-2rl(dt/dr)或 -dt=(Qdr/2l r)积分上式可得 t1t2=(Q/2l )ln(r2/r1)Q=( t1t2)/1/2llnr1/r2=t/RW1-12式中：R=1/2llnr1/r2=1/2llnd1/d2称为圆筒壁的热阻，单位为K/W。对于多层例如三层圆筒壁，假设各层筒壁热阻分别为Rr1= lnd2/d1/2l，Rr2= lnd3/d2/2l； Rr3= ln

37、d4/d3/2l则其传热量 Q=t1t4/ Rr1+ Rr2 +Rr3W1-13冻干机的换热管、外包绝热材料的管道等都是属于多层圆筒壁。但换热器中的换热管因其壁厚很小， 且污垢层很薄，我们通常按多层平壁导热来计算已足够准确。二、对流对流是指流体各局部发生相对位移所引起的热交换过程，它既包括流体各局部相对位移所引起的对流作用，也包括流体分子间的导热作用。对流传热是和流体运动严密地联系在一起的，其换热机理与流体运动的性质亲热相关。层流和紊流流体在流道中运动有两种不同性质的流淌。当流速较小，流体成层状平行于流道流淌时称为“层流”；当流速增加时，上诉流淌性质遭到破坏，流体的流淌消灭了旋涡，流体分子除按

38、主流速度方向运行外，并在垂直于流淌的方向上产生脉动相互参合，这种流淌成为“紊流”。试验证明：层流和紊流可用无因次数Re=wmd/y 的大小开判别，这个数称为雷假设数。式中 wm 为流体的平均流速，d 为定型尺寸对于圆管为直径 d，y 为流体的运动粘度。由试验测出，水在管内流淌时，Re2200 为层流；Re104 为紊流；2200 Re104 为过度流。自由对流和受迫对流对流换热的强度除与流淌性质有关外，还和流淌产生的缘由、流体的物理性质及放热外表的外形大小等亲热相关。因流体各局部间密度差而引起流体的运动称为“强制对流”。因某种机械风机、泵的驱动的流淌称“强制对流”。强制对流总是伴随有自然对流，

39、其强度也大于自然对流，所以其放热强度也大于自然对流时的放热强度。对流放热系数仿照导热量的计算公式，对流放热的计算式可写成：Q= at1t2 W1-14q= at1t2 W/m21-15 式中：t1、t2流体与壁面的温度；F换热外表面积； a对流放热系数，W/m2K。引入对流换热系数 a 的目的是试图把全部影响对流传热的因素都包含在这个单一的量中。由于影响a 的因素太多，很难用某个统一的理论公式进展计算，现在人们都是依据计算对象的流淌状态、性质等承受适宜于计算条件的阅历公式或半阅历半理论公式进展计算。这些公式从有关热学的书籍或手册中查得。表 1-5 列出某些条件下 a 的数值范围。流体分散蒸汽膜

40、状冷凝沸腾的水有机物蒸汽冷凝垂直于管束的空气强制对流自然对流过热蒸汽水在管内受迫运动aW/m2K5800930017003500580170017465.89.323585011600表 1-5 对流放热系数的大致范围三、辐射热辐射是处于肯定温度下的物质以电磁波辐射能量的形式。不仅固体外表有辐射，液体和气体以及但凡具有肯定温度的物质都可以辐射能量。这种辐射是由于组成物质的原子或分子中电子排列位置的转变造成的。这种辐射传热不象导热和对流那样需要物质作媒介，实际上在真空中辐射传热最为有效。吸取率、反射率、穿透率、确定黑体如图 1-12 所示，投射到物体上的总能量 Q 可以分成三局部：一局部 QA

41、被物体所吸取，一局部 QR被反射；另一局部 QD 穿透过物体。于是有Q=QA+QR+QD或 QA/Q+QR/Q+QD/Q=A+R+D=11-16式中：A称为吸取率，表示物体吸取辐射能的力量；R称为反射率， D称为穿透率。假设某物体的 A=1，R=D=0，则落在其上的辐射能全部都被吸取，这种物体叫确定白体或白体。对于 D=1，A=R=0 的物体称为确定透亮或透亮体。在自然界中没有确定的黑体、白体、和透亮体。这样定义只是为了争辩辐射现象便利而假定的。必需指出，这里所讲的黑体、白体和透亮体不是对可见光线，而是对热射线而言的。例如：玻璃对可见光来说是透亮的，但对热射线来说几乎是不透亮体。又如白色外表只

42、反射可见光线，对于热射线白布、黑布一样能吸取。一个外表所能放射的最大辐射能流密度是斯蒂芬波尔兹曼定律给出soq=T4 =c T/1004 W/m21-17TS 是外表确实定温度K，是斯蒂芬波尔兹曼常数=5.67108W/m2K4。它说明黑体的辐射力与其确定温度的四次方成正比。工程上一般材料都遵循斯蒂芬波尔兹曼定律，这种材料称为“灰体”。对灰体而言E=cT/1004 W/m21-18将灰体的辐射力 E 与同一温度确定黑体的辐射力Eo 相比可得物体的另一特征量，称为黑度或辐射率=E/Eo =c/co式中，c、co 分别为黑体和灰体的辐射系数E=E o =cT/1004W/m21-19辐射放热的计算

43、各种外表之间的辐射换热是很简单的，这里仅介绍几个特列。一个凸面被另一个面完全包围时如图 1-13。外表外表积 F1、辐射率1、温度 t1被外表F2、2 、t22完全包围时，其两面间的传热量 Q1、Q2 为Q1=-Q2=F1t4t4 W式中：=12/2+F1/F2121称为平均黑度Q 的符号：散热面的为正，吸热面的为负。当 F2时，=1。在平行平面状况下如图 1-14 所示两平行平面的放热量12Q1 /F1=- Q2/F2=t4 t4 W/m21-19 平均辐射率=12/2+1211-20在两个外表之间插入几块搁板的状况下，如图 1-15。面、的面积均为 F，辐射率，温度 t1、t2，插入几块热

44、板F、时的传热量 Qn。四、平均温差在换热器计算时经常遇到对数平均温差的计算。这里仅列出顺流和逆流的两流体通过间壁换热时的对数平均温差。设t i=t h i-t c it e=t h e-t c e其中t i t e则=t i -t e/ lnt i/t e K 1-24式中 t h i 、t c i、t h e、t c e 分别表示两流体在进口端、出口端的温度，其中t h i 、t c i 表示温差较大一端两流体的温度。另有一种平均温差称为算术平均温差。=1/2t i =t e K 1-25当t e /t i0.6 时，算术平均温差与对数平均温差之差小于3%。这时用算术平均温差计算，其准确度

45、已足够。五、换热器的计算换热器是将一种热流体的热传给另一种冷流体的装置。按其运行原理不同，可分为间壁式、储热式和混合式。冻干机中冷冻机的冷凝器、蒸发器，枯燥箱的搁板、水汽分散器的凝华盘管都是换热器，且一般都是间壁式换热器。换热器计算的根本方程为传热方程式Q = k F W 1-26热平衡方程式Q = m k c ht h i t h e=m cC ct c e t c i W 1-27 式中：k传热系数 W/m2 k；F传热面积 m2 mk、mc分别为两流体的质量流量； kg / s 。ck、cc分别为两流体的比热；Js/kgK。对于如图 1-17 所示的换热管，管内流体进、出口温度t c i

46、、t c e，管外流体进出口温度为 t h i、t h e，管壁厚、导热系数，管外流体与管壁的放热系数为 ak，管内流体与管壁放热系数为 ai，管内、外污垢层热阻分别为 ri 和 ro，则管内外流体间的传热系数假设按管外外表积为计算基准时k = 1 / 1/ak+ro+/+r I + 1 / a id 2 / d 1 W/m2K 1-28第四章 冷冻枯燥设备第一节 概述含水物质的冷冻枯燥是在真空冷冻枯燥设备中实现的，依据所冻干的物质、要求、用途等不同，相应的冻干设备也不同。按所冻干的物质不同，一般可分为冻干生物制品或药品的冻干设备和冻干食品的冻干设备，按运行方式不同可分为间歇式和连续式冻干设备

47、，按冻干物质的容量不同可分为工业用和试验用冻干设备； 按箱体内能否进展预动可分为能预动和不能预动的冻干设备等等。冻干设备的构造形式是多种多样的，但无论何种冻干设备均由枯燥箱，水汽分散器这两部件有时也结合成一体、制冷系统、真空系统、加热系统、把握系统等所组成。连续性是冻干机如图 4-1 所示，这种冻干设备主要用于食品的冻干，从进料到出料可以连续进展。需冻干的食品先在冷冻室冻结，然后在装料室装盘，且将其装入吊装运输器，送入装料隔离室，开启闸阀进入冻干通道，使食品在连续地向前移动的过程中，不断地析出水汽而枯燥，最终经出口隔离室进入卸料室卸料并包装，运输器经清洗后再送回进口处装料。间歇式冻干设备如图

48、4-2 所示，这种冻干设备需周期性地冷却和加热搁板，从节能的角度它不如连续式。这种冻干设备设有枯燥箱 1，箱内有搁板，它是用来搁置被冻干的制品，当制品在箱内预冻时，则该搁板既能冷却又能加热，为了使板层的温度均匀，可以利用中间介质既作冷媒有作热媒；也可以用制冷剂直接冷却，加热承受间接形式。当制品不在箱内预冻时，则搁板只起加热作用。目前大多数的枯燥箱都带有预冻结功能，使制品在其中能冻结至共融点以下的温度，然后在真空下使搁板加热升温，供给水汽升华所必需的热量。水汽分散器 2 是用来分散制品中升华的水汽，它与枯燥箱用管道连接，一般中间装有真空阀门，水汽分散器的温度要求在-40以下，制冷系统一般为两级压

49、缩制冷循环或复叠式制冷循环。真空系统 3 是为了保持枯燥箱和水汽分散器内所必要的真空度和抽除从连接收道和阀门等处泄露入系统中的空气和不凝性气体，依据冻干机的要求，一般承受两级抽空。除了上述组成以外，现代的冻干设备，对于枯燥箱还要求有清洗消毒装置，自动加塞装置以及必要的自动把握系统。清洗消毒装置为了保证箱内的清洁和消毒灭菌，在箱内装有清洁液的喷淋喷嘴，通过泵升压使清洁液喷向箱内各局部进展清洗，清洗完毕将清洗液从箱体内放出。消毒有蒸汽消毒和化学药品消毒两种方法。蒸汽消毒是在箱内通以 121以上的高温蒸汽并维持肯定时间例如 121时为 30 分钟进展杀菌。承受这种消毒方式，要求枯燥箱和水汽分散器的强

50、度高，视镜、箱门等均能承受内压，枯燥箱外壁最好设有冷却盘管，以便消毒后能快速降到室温。假设用化学药品消毒，则对枯燥箱构造无特别要求，现代药品冻干机，多具有在冻干箱内自动加塞的功能，以免制品枯燥后箱外封装时空气中的水分、细菌污染制品，所谓自动加塞是在制品装箱前用半加塞机将一种带凹槽的瓶塞放在每个瓶子的瓶口上，升华时水汽从凹槽中逸出瓶外，枯燥完毕后，则用液压或其他动力推动搁板或搁板报上的加塞板，将瓶塞压入瓶口。制品出箱后，再进展压铝帽或封蜡。把握系统依据要求可分为手动操作，仪表显示，半自动挖制；全自动把握和微处理机把握四类。目前国内大局部承受继电式的半自动把握，按制品的不同冻干工艺设定温度和时间来

51、把握整个工艺过程。利用计算机的把握也已在有些冻干设备上使用，但还不格外普遍。冻干设备的布置依据容量的大小有几种方式，主要是针对箱体与水汽分散器的相对位置来分，对于小型试验用冻干机，水汽分散器放在箱体的下面，称为下置式；对于中大型工业用冻干机有箱侧连接式； 和箱后连接式。为了便于布置，对于箱后连接的一般箱体的抽空管口在侧壁的正中偏上。以前还有从箱顶开抽空管口，但由于管道弯头多，阻力大，现在很少承受。另外，依据水汽分散器的放置位置，可以是臣式布置和立式布置两种，这些布置各有其优缺点。至于其他系统的布置可依据状况而定，这里不多赘述。其次节 枯燥箱枯燥箱是冻干机中重要部件之一，它的性能好坏，直接影响到

52、整个冻干机的性能，它是一个密闭容器， 在其中内部主要有搁置制品的搁板，搁板的温度依据要求而定。一、对箱体与搁板的要求一箱体箱体要有足够的强度，防止抽真空时变形；箱体的泄漏应满足真空密封的要求；箱体壁面内部直角处有肯定的圆弧半径，低面应有肯定的坡度，坡向清洗排出口，以利于清洗液的排出，箱内应避开死角，以防清洗和消毒不净而发生的污染；假设用液压装置在箱内实现自动加塞时，搁板应能上下移动，移动时不得倾斜以致卡死；箱内零部件布置尽量削减升华水汽流向水汽分散器的流淌阻力。二搁板要有肯定的冷却和加热速度，冷却速率一般要求为 0.1-1.5/min，加热速率为 0.1-1.2/min；要求平坦、光化、传热性

53、能好，以削减传热热阻和传热温差；搁板各局部的温度应均匀全都，这样才可能使制品在冻结和升华时的温度均匀全都。搁板要有肯定的强度，以便承受加塞力而不致于产生搁板弯曲。二、枯燥箱和搁板的构造形式枯燥箱的外形有圆柱形和矩形两种，如图 4-6 和图 4-7 所示。从强度考虑、圆柱形优于矩形，但空间利用率而言，则刚好相反，从目前各国生产的冻干机状况看，用于工业生产的多数承受矩形构造。矩形构造由于受力差，箱壁一般承受外加加强筋加固、箱板的材料视对冻干制品的要求而定，对于医用冻干机，必需承受优质不锈钢，耐腐蚀性好，含碳量少。加强筋一般用碳素钢的矩形钢，槽钢或工字钢等，视箱体的大小而定。圆柱形筒壁由于受力好，一

54、般当长径比较小时可不承受加强筋，而底部和箱门依据外形不同需实行一些措施，以免受力时变形。工业用冻干机搁板一般做成一样的规格指同一台冻干箱体，按制冷与加热的形式不同可分为四种类型。直接制冷，直接加热对于这种形式的搁板，一般承受铝合金材料，内埋钢管或铜管，制冷剂在管内直接蒸发，为了使搁板温度均匀，制冷剂蒸发管也可以用逆流式。加热可用电热丝，直接对搁板加热，可防在搁板底部，其原理如图 4-8 所示。这种搁板的优点是温度均匀，但加热时热惰性大。此外，也有承受微波或红外加热制品的报导。直接制冷，间接加热直接制冷即制冷剂在搁板内直接蒸发，间接加热即利用各种加热源在外部先将载热介质加热，再用泵送入搁板内。在

55、搁板中制冷管与加热管相间布置，如图 4-9 所示：共有四根管子，其中两根做制冷用，另外两根作为加热用，相互为逆向流淌，适合与冻干机中用的载热介质有硅油以及乙醇、已二醇和水的混合物等。加热介质的热惰性相对于前一种搁板要小些。间接制冷，直接加热制冷剂在蒸发器中冷却中间介质，然后将被冷却的介质用泵送入搁板，加热却同第一种搁板形式，这种搁板目前较少承受。间接制冷，间接加热这种制冷和加热形式的搁板目前使用的较普遍，被冷却和加热的中间介质都是同一种工质，中间介质的冷却和加热都在箱外进展，然后用泵将中间介质送入搁板，这种搁板可以用不锈钢板焊接成中空的带有多流道的中空板，如图 4-10 所示。由于这种搁板与流

56、体的接触面积大，板内流体流量大，进出口温差小， 因此温度均匀，但由于承受中间介质，与直接制冷相比，在一样的冷量下机器的尺寸要大一些，功耗也要增加。三、枯燥箱设计枯燥箱设计计算包括以下内容：一搁板面积搁板面积大小依据所冻干的物质容积的大小来确定，对于生物制品的冻干，一般都是瓶装制品，可按瓶子的直径进展计算，一块搁板的面积还应与搁板的层数和箱体的体积相适应，使之设计的箱体既美观又大方，又要受力均匀，因此必需综合考虑。假设瓶子的直径为 Dmm，总瓶数为 N，每块搁板的瓶数为 N，每排瓶数为 Nw，每列瓶数为 N，则 W=Nw+0.5D+2030mmL=0.87(N+0.5)D+(2030)mm(4-

57、1)W 与 L 的尺寸如图 4-11 所示。搁板面积f=WL mm2 搁板数n=N/N搁板尺寸也可以事先确定，反过来再计算每箱的装量。二箱体内容积箱体内容积除了考虑搁板的尺寸外，还应考虑到搁板之间的净高，搁板离箱壁之间的距离和内部其它一些部件如液压板、连接软管等的一些布置以及有良好的水蒸气流淌通道。搁板之间的净高可依据不同的要求而定，一般为 80120mm，用于冻干人血浆的冻干机，净高应不小于 240mm，至于四周所留的空间视具体状况而定，所确定的容积最好是接近正方形，这样箱体各侧面的受力较均匀。三箱体的强度计算在水汽升华阶段，箱内为真空，因此箱体为一受外压的容器，箱体的强度应引起足够的重视，

58、这里仅介绍矩形箱体的强度计算，为了节约材料，一般均承受较薄的钢板再在外部焊接加强筋，如图 4-12 所示。最小壁厚箱壁可按矩形平板计算，周边固定，受外力为 0.9810 2 kPa，则实际壁厚 s 为：s=so+ c mso=0.72B p/弯 m上式：so箱壁的计算壁厚；B对于无加强筋的矩形平板为窄边的宽度，对于有加强筋的平板，为被加强筋分割的小矩形平板的窄边宽度。如图 4-12a中的 l，b中的 b，c中的 l 和b 中较小者；弯为材料弯曲时的许用应力，一般取简洁拉伸压缩许用应力；p为确定压力，可取为 0.9810 2 kPa。当需进展水压试验时，则矩形板的应力为：=0.5B2P 水/(s

59、c)20.9。式中：。材料的屈服极限，Pac板的裕度，mp 水水压试验压力，可取 1.96102 kPa。用蒸汽消毒的冻干机需进展内压试验，其试验压力应为工作压力的 1.5 倍。一般冻干机不进展水压试验。加强筋计算加强筋的计算，做如下假定，加强筋上所承受的载荷是被它所分割的小平面载荷的一半，并以均匀载荷作用在加强筋上，则抗弯截面模量为：对于a图：wp=B2 l p / 2k弯m34-6对于b图：wp =L2 b p / 2k弯m34-6对于a图：wp1 =B2 l p / 4k弯m34-6对于b图：wp2 =L2 b p / 4k弯m34-6式中： wp加强筋的截面模量：p设计压力，当进展水压

60、试验时，p 为 1.96102kPa，当不进展水压试验时，p 为 0.98102kPa；k系数，与筋两端的固定方式有关，假设为刚性固定如法兰连接或筋与筋相连时k=12，假设为非刚性连接，则 k=8。求的截面模量后，可按有关手册来确定加强筋的断面几何尺寸。对于型钢，可直接查有关手册中该钢的截面模量，所用型钢的截面模量必需等于或大于计算值。除了强度计算以外，还要进展箱壁的挠度计算，所计算得的挠度应小于允许值。假设所计算的强度已足够，而挠度超过允许值，则必需使挠度在合理的范围内来配置加强筋，否则箱体会产生变形。四箱体热负荷及制冷机的选配在冻干过程中，枯燥箱只有降温存保温两阶段需要供冷。降温阶段就是将