冻干工艺原理

冻干工艺原理第一节冷冻干燥的原理一、冻干的概念、目的及应用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从固体中升华出来，而物质本身留在冻结的冰架子中，从而使得干燥制品不失原有的固体骨架结构，保持物料原有的形态,且制品复水性极好。利用冷冻干燥目的是为了贮存潮湿的物质，通常是含有微生物组织的水溶要的低水汽压是靠真空的状况下达到的。真空冷冻干燥技术主要应用于：物冻干；为保持生物组织结构和活性，外科手术用的皮层、骨骼、角膜、心瓣膜等生物组织的处理；海产品、果蔬的冻干；在微胶囊制备、药品控释材料等方面的应用。以保持生鲜物质不变性的人参、蜂皇浆、龟鳖等保健品及中草药制剂的加工；及能加速反应工程的催化剂的处理等。二、冷冻干燥的原理及优点1、水的状态平衡图1-1（H2O）OA、、OC三条曲线分别表示冰和水、水和水蒸汽、冰123OBK374℃，称为临界点。若水蒸汽的温374℃时，无论怎样加大压力，水蒸汽也不能变成水。三曲线O0.01℃，压力610Pa。在三相点以下，不存在液相。若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。真空冷冻干燥是先将湿料冻结到共晶点温度以下,使水分变成固态的冰,然后在较高的真空度下,使冰直接升华为水蒸气,再用真空系统中的水汽凝结器将水蒸气冷凝,从而获得干燥制品的技术。干燥过程是水的物态变化和移动的过程。这下传质传热的机理。2、冷冻干燥的优点出的优点：冷冻干燥在低温下进行，因此在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。的性状。失很小，适合一些化学制品、药品和食品的干燥。由于在冻结的状态下进行干燥，因此制品的体积、形状几乎不变，保后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。在真空下进行干燥，物料处于高度缺氧状态下，容易氧化的物质得到了保护。95-99%以上的水份，使干燥后产品能长期保存而不变质。第二节冷冻干燥的一般过程需要冻干的物品需配制成一定浓度的液体，为了能保证干燥后有一定的形状，一般冻干产品应配制成含固体物质浓度在4%～25%之间的稀溶液，以浓度为10%～15%最佳。以分子吸附在固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步进行，即预冻结、升华干燥（或称第一阶段干燥、解析干燥（或称第二阶段干燥。一、预冻结质可溶性减少和生命特性的变化。1、预冻的方法溶液的预冻方法有两种：冻干箱内预冻法和箱外预冻法。品边旋转边冷冻成壳状结构，然后再进入冻干箱内。800转分左右。冻干工艺原理（2）2、预冻的过程：这时的温度就是共晶点。溶液需过冷到冰点以后，其内产生晶核以后，自由水才会开始以冰的形式结晶，同时放出结晶热使其温度上升到冰点，随着晶体的生长，溶液浓度的增加，当浓度达到共晶浓度，温度下降到共晶点以下时，溶液就会全部冻结。晶体的形状也与冻结温度有关。在0oC附近开始冻结时，冰晶呈六角对称形，在六个主轴方向向前生长，同时，还会出现若干副轴，所有冰晶连接起来，在溶液中形成一个网络结构。随着过冷度的增加，冰晶将逐渐丧失容量辨认的六角对称形式，加之成核数多，冻结速度快,可能形成一种不规则的树枝型，它们有任意数目的轴向柱状体，而不象六方晶型那样只有六条。生物体液（如血液血浆、肌肉浆液、玻璃体液等）结冰形成的结晶单元，往速度下形成六方结晶单元，快速冷却至低温时形成不规则树枝状晶体。细胞悬浮液（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，将细胞挤在溶液结晶的形式对冻干速率有直接的影响。冰晶升华后留下的空隙是后续冰此外，冻结的速率还与冻结设备的种类、能力和传热介质等有关。预冻过程中水结冰所产生的机械效应和溶质效应是引起生化药品在冻干过程中pH值① 形成细微冰晶，使其来不及产生机械效应。② 选用缓冲剂时要选用溶解度相当的缓冲配对盐。③ 加入产品保护剂。升华阶段时间的长短与下列因素有关：①产品的品种：共熔点温度较高的产品容易干燥，升华的时间短些；②每瓶内的装量（正常的干燥速率大约为1mm/本身的性能。冻干工艺原理（3）二、升华干燥（第一阶段干燥）1mm左右。产品在升华干燥时要吸收热量，一克冰全部变成水蒸汽大约需要吸收670卡左右的热量。因此升华阶段必须对产品进行加热。当冻干箱内的真空度降至可根据制品要求而定10-30Pa的进行。第一阶段升华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。1－2秒的时间（切不可太长。然后又迅速打开，在关闭的瞬间观察冻干箱内的压强升第一阶段干燥结束可以通过以下现象判断：a.干燥层和冻结层的交界面到达瓶底并消失。b.产品温度上升到接近产品共溶点的温度。冻干箱的压力和冷凝器的压力接近，且两者间压力差维持不变当关闭干燥室与冷凝器之间的阀门时，压强上升速率与渗漏相压器近（要预先检查渗漏的速率。301小时的时间再转到第二步干燥，以保证没有残留的冰。冻干工艺原理（4）三、解析干燥（第二阶段干燥）解析干燥也称第二阶段干燥。在第一阶段干燥结束后，产品内还存在10%由于这一部分水分是通过范德华力、氢键等弱分子力吸附在药品上的结合（25℃-4040℃，维持一定的时间（由制品特点而定，使残余水分含量达到预定值，整个冻干过程结束。但也需保证制品在大量升华时的温度不得超过共晶点。在解析干燥阶段由于产品内逸出水份的减少，冷凝器温度的下降又引起系统内水蒸气压力的下降，这样往往使冻干箱的总压力下降到低于10Pa，这就使冻15～30Pa之间。出。4-6。冻干工艺原理（5）第三节冻干曲线的制定（或箱内空间温度间的曲线。这些曲线均为冻干曲线。-10℃～+10楚，机器性能较差或其工作不够稳定时，用此法也比较稳妥。备条件等许多因素有关。制定冻干曲线要考虑下列因素：①产品的品种：有些产品受冷冻的影响较大，有些产品则影响较小；一般制定冻干曲线和冻干时序主要确定下列数据:预冻速率与制品一起降温，其冻结速率较慢。预冻温度根据预冻方法不同而略有差异。一般来说，搁板温度应低于制品共熔点5～10oC。预冻时间反之预冻时间可以缩短。通常搁板式冻干机，干燥箱的搁板从室温30oC降到-40oC2～41～2小时，才能升华。水汽凝结器的降温时间与温度30-50（视其制冷能力决定时间长短就应使水汽凝-40oC以下，起动加热循环泵，给产品供热升华。抽真空时间0.5h10Pa时停止冷冻机的运转。预冻结束的时间要求时停止板层的降温。开始加热时间（10Pa即真空度达到10Pa时，加热便自动开始；有些冻干机是在抽真空之后半小时开始加热，这时真空度已达到10Pa甚至更高。真空报警工作时间由于真空度对于升华是极其重要的，因此新式的冻干机均设有真空报警装真空控制的工作时间产品加热的最高许可温度差，板层的温度可比产品的最高许可温度略高少许。冻干的总时间18~24h左右，有些产品需要几天的时间。冻干工艺原理（6）第四节冻干过程中主要参数的控制（或供热量和水蒸汽逸（真空度（对应的水蒸汽饱和压力（真空度）和下面从“过程再现”的角度分别介绍目前所采用的搁板温度，干燥箱内压力（真空度）和水蒸汽分压的控制。一、搁板温度的控制量和温度。一般采用两种方式。1、阶梯式升温（质2、跟踪式升温程控制。二、箱内压力（真空度）的控制1、校下漏孔法是目前多数生物、医药冻干机所采用的方法，它是基于提高干燥塔速率而提出来的。其方法是将无菌空气（或气体，下同）引入干燥箱和冷阱，在冷阱的冷凝表面上形成一层空气膜，因而水蒸汽的凝结阻力增大，冷阱压力提高，同时使干燥箱的压力也相应提高。许温度，而水蒸汽分压稍低，有得水蒸汽的逸出，因此可以提高升华速率。但是：误差。②此种方法是利用降低冷阱的冷凝效率来提高箱内压力的，在开始升华阶段有大量的水蒸汽需要捕捉，冷阱效率的降低无疑阻碍了升华速率的进一