第六章-冷冻真空干燥技术-wang

第六章冷冻真空干燥技术第一节冷冻真空干燥原理、优点及设备冷冻真空干燥是一种常用的物质干燥方法冷冻真空干燥又称冷冻干燥或冻干。通常将含有大量水分的生物活性物质先行降温预冻成固体，再在真空和适度加温条件下使固体分子直接升华成水汽抽出，最后使生物活性物质形成疏松多孔、体积不变的干燥物的过程，称为冷冻真空干燥。一、冷冻真空干燥原理1.水的平衡相图

生产中采用真空冷冻技术对固体湿物料的干燥，通常是除去物料中的水分。因此，要了解真空冷冻原理，首先须了解水的有关物性。

冰(s)

水(l)

水蒸气(g)熔化气化凝固液化升华凝华

图中的O点是水蒸气、水、冰三相平衡共存的点，称为“三相点”，常称为水的“冰点”。⑴三相点pTABCDO水的平衡相图(p－T图)液相区气相区固相区

OC线是水蒸气与水两相平衡共存曲线，又称为“蒸发曲线”；它表示气－液平衡时，温度与蒸气压的对应关系。⑵连线

OA线是冰与水蒸气两相平衡共存曲线，又称为“升华曲线”；它表示固－气平衡时，温度与蒸气压的对应关系。

OB

线是冰与水两相平衡共存曲线，又称为“熔化曲线”；表示固－液平衡时，温度与蒸气压的对应关系。

OC线能向下延伸为虚线OD曲线，是过冷水与水蒸气平衡共存曲线；这种状态是一种不稳定的状态，称为“亚稳状态”。

相图中的三个区域为单相区，AOB区是固相区，BOC区是液相区，AOC区是气相区。⑶单相区pTABCDO水的平衡相图(p－T图)液相区气相区固相区若我们继续对气－液平衡体系进行增加压强（或升温）实验，则会得到水的超临界区。其中，C点就是临界点。

当水的气－液平衡曲线(OC线)达到临界点(C点)后，平衡体系的性质变得均一，气－液相界面消失，体系不在分为气体和液体。

真空冷冻干燥就是先将固体湿料冷冻到“三相点”以下，使湿料中的水分变成固态（冰）；然后在真空环境下加热，使冰直接升华为水蒸气逸出；并通过不断移走水蒸气，使物料脱水而干燥。即：pTABCDO水的平衡相图(p－T图)液相区气相区固相区Tf湿物料预冻升华干燥冻干产品水分(物料冻结)(除去结晶水)解析干燥(除残余水分)真空冷冻干燥流程框图2.真空冷冻干燥原理二、冷冻真空干燥优点1、因物料的干燥是在真空条件下进行，系统中高度缺氧，能较好地抑制微生物的生长，使易氧化的物料受到较好的保护。2、由于物料的干燥是在冷冻下进行操作，物料中的水分由冰直接升华为水蒸气被移出，使得物料中的一些挥发性成分或营养成分损失很小，比较适合一些生化制品或食品的干燥。3、真空冷冻干燥是在较低温度（低于水的冰点）下进行操作，对于许多热敏性物质的干燥特别适用。例如，对蛋白质、微生物等物质，采用真空冷冻干燥不会发生变性或失去生物活性。因此在医药上得到广泛应用。4、物料在真空冷冻操作下干燥，可排出物料中95%-99％左右的水分，使得到的干燥产品不易收缩，不易变质，能较好地保留物料的构造（营养纤维和固状物），使其加水后能迅速水化，恢复原来的性状。因此，采用真空冷冻干燥方法生产的食品更接近新鲜食品的风味。冻干蔬菜冻干香蕉三、冷冻真空干燥应用生物制品方面疫苗、诊断制剂、血清制品等的冻干医药工业方面抗生素、维生素、酶制剂、血液制品等的冻干

食品和化学工业方面速溶咖啡、果汁、催化剂等的冻干四、冷冻真空干燥过程

真空冷冻干燥流程可知，该过程可粗略地分为预冻、升华、解析三个主要步骤，其中升华和解析是在真空条件下进行的。⑴预冻

预冻是指在冷冻干燥前，先将制品溶液分装入适宜的容器，然后在低温（-40℃以下

）下冻结，使物料固定，为升华干燥做准备。或者说，预冻是真空冷冻干燥操作的准备阶段。在实际操作中，预冻阶段的最低温度、预冻速率和预冻时间是重要的工艺条件。①预冻最低温度

溶液的预冻与水或纯液体的冻结不一样，它不是在某一固定温度下完全凝结成固体。而是在某一温度下，晶体开始析出；随着温度的下降，晶体的数量不断增加，直至全部凝结。

这就是说，溶液的冻结是在某一温度范围内（凝程）。

当溶液在冷却时，开始析出晶体的温度常称为溶液的冰点；当溶液全部凝结时，此温度称为溶液的凝固点（或熔点）。对于溶液而言，此凝固点就是溶质和溶剂的共熔点。在真空冷冻干燥操作中，物料预冻的最低温度应根据其共熔点来确定。一般物料预冻的最低温度应低于其共熔点的温度。②预冻最优速率

在溶液预冻过程中，预冻速率的快慢往往会影响着生物活性以及形成晶体的大小，进而影响后续升华干燥速率及干燥产品的性状。因此，进行真空冷冻干燥操作前，须根据具体的干燥产品测定出预冻的最优速率，控制预冻操作。③预冻时间

预冻时间与预冻速率是相关的，可根据冻干物料种类及冷冻设备情况确定。

例如：对细胞悬浮液进行冷冻。若预冻时间缓慢，悬浮液大量的冰生成，会使细胞挤在冰空隙中；空隙中，因冰的形成使溶液浓缩，迫使细胞内水渗透出，造成细胞内细胞质的浓缩，不易结冰。同时，冰的形成还将迫使细胞变小、变形。

若进行快速预冻，则可形成胞内冰。一般来说，冷冻速度越快，温度越低，胞内冰的形成越多。

恰当的预冻时间除了须考虑冻干物料的种类外，还须保证在抽真空前物料已冻实，不至于因抽真空使物料冒出容器。

在共熔点温度将冻结物质中的水分除去的过程称为升华。升华阶段称为第一阶段干燥，主要除去冻结物料中大部分（约90％）非结晶水。升华干燥阶段的时间长短，主要与下列因素有关。⑵升华干燥①物料种类

不同种类的冻结物料，所需的升华干燥时间不同。一般而言，共熔点温度较高的物料易于干燥，所需的升华干燥时间较短；反之，共熔点温度较低的物料难以干燥，所需的升华干燥时间较长。②物料装填厚度物料的装填厚度直接影响着升华干燥速率，物料装填越厚，所需的升华干燥时间越长；反之，物料装填越薄，所需的升华干燥时间越短。③热量

升华过程是一个吸热过程，升华时提供的热量直接影响着升华干燥速率。

在升华干燥过程中，若提供的热量不足，必然会减慢升华速率，延长升华干燥时间；反之，会加快升华速率，缩短升华干燥时间。冰(s)

水蒸气(g)升华、吸热凝华、放热注意：若升华时提供的热量如果过多，会导致冰熔化，改变相变化路线，使干燥产品性状受到严重影响。⑶解析干燥

升华干燥阶段只除去了冻结物料中约90％的非结晶水，还含有约10％的残余非结晶水。这部分水是未被冻结的，是靠范德华力吸附在物料毛细管壁上或靠氢键粘附在物料的极性基团上。

为了使干燥产品的含水量达到标准，还需对物料进一步干燥，除去此部分水。此时的干燥常称为解析干燥，或第二阶段干燥。资料卡片1.范德华力

范德华力是一种分子间作用力。按其实质来说，范德华力是一种电性的吸引力。范德华力可进一步分为取向力、诱导力和色散力。2.取向力

取向力发生在极性分子与极性分子之间。因极性分子电性分布不均匀，一端带正电，一端带负电，形成偶极。当两个极性分子相互接近时，其偶极的同极相斥，异极相吸。+-+-3.诱导力

极性分子与非极性分子相遇时，在极性分子的诱导作用下，非极性分子变形而产生偶极。+-取向力+-+-诱导力4.色散力

非极性分子与非极性分子相遇时，因分子内电子的运动会产生瞬间偶极。在瞬间偶极的作用下，非极性分子与非极性分子同样会相互吸引。解析干燥阶段一般是通过升高干燥操作温度来实现。在此阶段，可以使制品的温度迅速上升到该制品的最高容许温度，并在该温度下一直维持到冻干结束。但应注意，解析干燥的温度不能超过物料的最高允许温度。为了确保干燥产品的安全，可通过实验来确定解析温度。例如：细菌产品的最高干燥温度一般为30℃，血清、抗生素等产品的最高干燥温度一般为40℃。五、真空冷冻干燥器真空冷冻干燥器常称为冻干机，其种类繁多。由系统功能来看，冻干机主要由制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统等四个部分组成。从设备结构来看，冻干机主要由干燥室、冷凝器（冷阱）、真空泵、阀门、电气控制元件等部件组成。1.ZG系列真空冷冻干燥机该设备主要由干燥箱、冷凝器（捕水器）、加热系统、真空系统、制冷系统和电气控制系统等六大部分组成。

该设备在食品工业主要用于果蔬、肉禽、水产、调味品、方便食品及名优特产等干燥；在医药工业方面主要用于血浆、疫苗、酶、抗生素、激素等中西药品的脱水与保存。

该设备结构紧凑，占地面积小，操作方便。可用于医药工业、生物化学工业等产品的脱水干燥。2.LGJ台式真空冷冻干燥机

该设备采用风冷方式散热，不需水冷却，造型美观，结构紧凑，操作方便。可用于医药、生物化工等产品的脱水干燥。3.FD-2真空冷冻干燥机4.NLG型真空冷冻干燥机该设备的板层温度控制系统是一个双泵系统。冷凝器的冰负荷容量大，可满足工业化生产的大负荷需要。自动控制系统调整功能强，在很多不正常的情况或误操作下，仍可顺利地按照冻干曲线完成冻干工艺过程或保护产品，也可以方便地进行手动控制。该设备可用于食品、医药、生物化工等产品的脱水干燥。5.ZDGS系列真空冷冻干燥设备ZDGS系列真空冷冻干燥设备是由一台或多台冻干机及相应的制冷系统、真空系统、加热系统、电气控制系统、除霜系统、物料运输系统、气动系统组成。该干燥设备动化程度高、能耗低、操作简单、维修方便、物料托盘清洗方便，主要用于各种农副产品的深加工和生化制品的生产。第二节保护剂

保护剂：指保护细胞、微生物、寄生虫等活力和酶、激素、免疫反应物等活性的一类物质，又称稳定剂。冻干保护剂是指在冻干过程中及其后使制品的活性物质免受破坏的一类物质。保护剂用途：不同用途加不同保护剂,主要针对活的微生物或细胞。①菌种或毒种保存：常用甘油作保护剂

②细胞株保存：常用二甲基亚砜(DMSO)

③疫苗冷冻真空干燥制备时：加脱脂乳（或二甲基亚砜）和蔗糖等（不同国家有不同配方）④干扰素类生物活性物质的保存：加葡聚糖

保护剂的分类分类：（根据其作用机理）——渗透剂：如二甲基亚砜（DMSO）、甘油和蔗糖等。——非渗透剂：如聚乙烯吡咯啶酮(PVP)和蛋白质等。（根据其分子量大小）——高分子物质、低分子物质。（按其化学性质）——复合物、糖类、盐类、醇类、酸类和聚合物。

复合物脱脂乳、明胶、蛋白质、蛋白胨、糊精、血清、甲基纤维素等糖类蔗糖、乳糖、麦芽糖、葡萄糖、果糖等盐类乳酸钙、谷氨酸钠、氯化钠、氯化钾、醋酸铵、硫代硫酸钠等醇类山梨醇、甘油、甘露醇、肌醇、木糖醇等酸类柠檬酸、酒石酸、氨基酸等聚合物葡聚糖、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等一些常用的冷冻干燥保护剂

分类保护剂1.营养液：可修复因冻干而受损的细胞，使冻干制品含有一定量水分；可促进高分子物质形成骨架，使冻干制品呈多孔的海绵状，增加溶解度。包括糖类（如葡萄糖、乳糖、蔗糖、棉子糖等）和氨基酸类（如谷氨酸、天门冬氨酸、精氨酸等）。

冻干保护剂组成2.赋形剂：防止低分子物质的碳化和氧化，保护活性物质不受加热影响；使冻干制品形成多孔性、疏松的海绵状物，增加溶解度。如白蛋白、血清、明胶、脱脂乳、淀粉等。3.抗氧化剂：抑制冻干制品中的酶作用，增加生物活性物质在冻干后贮存期间的稳定性，如维生素C、维生素E和硫代硫酸钠等。

保护剂的功能①保护微生物和活性物质在冻干过程中因理化因素的影响或损伤，维持较高的存活率和活性。例如：菌苗的活菌数、疫苗的病毒滴度、酶的活性等；②使微生物、活性物质处于半静止或静止状态，以延长生命、活性期。③活性物质在冻干过程中保持原有的构架，使制品形成海绵状结构。④抗氧化剂能抑制氧化作用，从而维持微生物、活性物质稳定以及静止状态。①防止活性物质失去结构水及阻止结构水形成结晶而导致生物活性物质的损伤；②降低细胞内外的渗透压差、防止细胞内结构水结晶，以保持细胞的活力；③保护或提供细胞复苏所需的营养物质，有利于生活力的复苏和迅速修复自身。

冻干保护剂作用机制

1、保护剂种类:

利用不同保护剂冻干的同一种微生物的保存期的存活率不同。

如：分别用7.5％葡萄糖肉汤和7.5％乳糖肉汤作保护剂冻干的沙门氏菌，在室温保存7个月后的细菌存活率分别为35%与21%。因此要根据微生物种类或者用途来添加不同种类保护剂。影响保护剂效能的因素

因此保护剂浓度要严格按照配方执行。2、保护剂浓度：以大肠杆菌加不同浓度葡萄糖作保护剂进行冻干，并测定冻干品的细菌存活率，证明5~10％葡萄糖存活率最高。

（3）保护剂配制方法

例如含糖保护剂灭菌温度不宜过高，否则由于糖的炭化而影响冻干制品的物理性状和保存效果，所以均以114℃、30min灭菌或间歇灭菌。

又如血清保护剂就不能用热灭菌法，必须以滤过法除菌。

（4）保护剂pH保护剂的pH应与微生物生存时的pH相同或相近，过高或过低都能招致微生物的死亡。例如明胶蔗糖保护剂的pH以6.8~7.0为最佳，否则会造成微生物大量死亡。又如含葡萄糖、乳糖保护剂经高压灭茵后能或多或少改变保护剂的pH值，从而影响保护效果，为此最好采取滤过除菌。因此，每种新的冻干制品在批量生产前应进行系统的最佳保护剂选择试验，包括:①保护剂冻干前后的活菌数、病毒滴度和效价测定的比较试验②不同保存条件和不同保存期的比较试验③即使在冻干制品投产以后，仍须根据条件的改变不断作选择试验，以改进冻干制品的质量。1、细菌保护剂①需氧或兼氧厌氧菌：５％蔗糖脱脂乳或10％蔗糖、1.5％明胶；②厌氧性细菌：含0.1％谷氨酸钠的10％乳糖或10％脱脂乳或7.5％葡糖血清。

注：脱脂乳：20％脱脂奶粉溶于水配制而成。常用的冻干保护剂（稳定剂）2、病毒的保护剂①5%蔗糖脱脂乳；②马立克814活细胞疫苗:保存液氮.稳定剂为10%二甲基亚砜和50%犊牛血清的199液。

注意:微生物保护剂缓冲液的组成比例，不同厂家有不同的配方。兽医生物制品常用的保护剂（1）5％蔗糖（乳糖）脱脂乳成分：蔗糖（乳糖）：5g脱脂乳加至100mL

制法：①充分溶解，100℃蒸汽间歇灭菌5次，每

次30min或110~116℃高压灭菌