第五章-冷冻真空干燥技术

第五章冷冻真空干燥及冻干保护剂1英国科学家华莱斯顿首次发明首次实现血清的冷冻干燥用于为军队保存青霉素及血浆沙克尔首次对生物制品进行冻干引起各国学者的重视与研究冷冻干燥技术的发展历史各种形式的冷冻干燥设备相继出现其他产业相继应用冷冻干燥技术1813年1909年1933年1935年1950年1940年1980年2冷冻真空干燥是一种常用的物质干燥方法3第一节冷冻真空干燥原理、优点及设备4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。冷冻真空干燥又称冷冻干燥或冻干。5一、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制品的干燥，通常是除去制品中的水分。因此，要了解真空冷冻原理，首先须了解水的有关物理性质。

冰(s)

水(l)

水蒸气(g)熔化气化凝固液化升华凝华6

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”。7

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。82.真空冷冻干燥原理纯水的相平衡图ABCO气相区液相区固相区·a·b·d·c冻结升华温度/T压力/P0.01℃610Pa从理论上讲，OA线可以延伸到绝对零度，升高温度或者是降低压力均可以打破气、固两相平衡，使整个系统朝冰转化为气的方向进行，这即是真空冷冻干燥最基本的原理。9湿制品预冻升华干燥冻干产品水分(制品冻结)(除去非结晶水)解析干燥(除残余水分)真空冷冻干燥流程框图3.真空冷冻干燥流程

真空冷冻干燥就是先将固体湿制品冷冻，使湿制品中的水分变成固态（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，使制品脱水而干燥。1011物料中的水分按物料中水的结合方式分类机械结合水：包括表面湿润水分、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：指结晶形态的水，如葡萄糖钙（C6HO6Ca(OH)2·H2O）、石膏（CaSO4·2H2O）等，这种结合形态的水不能用冻干法去除。二、冷冻真空干燥优缺点1、因制品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，使易氧化的制品受到较好的保护。122、由于制品的干燥是在冷冻下进行操作，制品中的水分由冰直接升华为水蒸气被移出，使得制品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。133、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。144、制品在真空冷冻操作下干燥，可排出制品中95%-99％左右的水分，使得到的干燥产品不易收缩，不易变质，能较好地保留制品的构造（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。155.装量准确，因为药物是以溶液形式填装进入安瓿，可以精确到μg，其它的干燥方法是以粉末填装，远远达不到这样的要求16冻干蔬菜冻干香蕉171819二、冷冻真空干燥优缺点设备结构复杂、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，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。三、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中的应用3.冷冻干燥在生物制品方面的应用4.冷冻干燥的其他应用一）冷冻干燥在药学上的应用1.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.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.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,增加它们的溶解度抗生素、维生素、酶制剂、血液制品等的冻干二）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

抗菌素、疫苗、酶制剂、血浆等。三）冷冻干燥在生物制品方面的应用

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。

人参、蜂王浆、芦荟等。四）其他应用空气干燥

：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：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。速溶咖啡、果汁、催化剂等。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：动物的器官、组织；鲜花等植物类的等亦用此法干燥保存。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。24①制品的冻结（预冻）：将制品冻结成固态。②第一阶段干燥（升华干燥）：将制品中的冰晶以升华方式除去。③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。④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。四、冷冻真空干燥过程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，使制品固定，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。25①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）。26

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，制品预冻的最低温度应根据其共熔点来确定。一般制品预冻的最低温度应低于其共熔点的温度。27②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。28③预冻时间

预冻时间与预冻速率是相关的，可根据冻干制品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制品的种类外，还须保证在抽真空前制品已冻实，不至于因抽真空使制品冒出容器。29

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，主要除去冻结制品中大部分（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30①制品种类

不同种类的冻结制品，所需的升华干燥时间不同。一般而言，共熔点温度较高的制品易于干燥，所需的升华干燥时间较短；反之，共熔点温度较低的制品难以干燥，所需的升华干燥时间较长。②制品装填厚度制品的装填厚度直接影响着升华干燥速率，制品装填越厚，所需的升华干燥时间越长；反之，制品装填越薄，所需的升华干燥时间越短。31③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。32⑶解析干燥

升华干燥阶段只除去了冻结制品中约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制品毛细管壁上或靠氢键粘附在制品的极性基团上。

为了使干燥产品的含水量达到标准，还需对制品进一步干燥，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。33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制品的最高允许温度。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℃。34五、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、加盖系统和控制系统等几个部分组成。此外，大中型冷冻干燥机还常有蒸汽灭菌系统和清洗系统。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。351.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。36

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374.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。385.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、制品运输系统、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、制品托盘清洗方便，主要用于各种农副产品的深加工和生化制品的生产。3940实验室工艺型冻干机

第二节保护剂41

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42

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。43

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441.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452.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。

46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、毒苗的病毒滴度、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。47③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。48①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49

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50

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。7.5％葡萄糖肉汤7.5％乳糖肉汤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5135%21%室温保存7个月保护剂冻干的沙门氏菌

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。52

（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115℃、15min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。53

（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菌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。54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。551、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（