真空冷冻干燥原理与应用

一、真空冷冻干燥原理

真空冷冻干燥（简称冻干）是将含水物质先冻结成固态，然后使

其中的水份从固态升华成气态，从而除去水份而保存物质的方法。

1.冻干的优点：

冻干与通常的晒干、煮干、喷雾干燥及真空干燥相比有如下

突出的优点。

a.冻干是在低温下干燥的，不会使蛋白质产生变性，但可使微生

物等失去生物活力。这对于那些热稳定性能差的生物活性制品、生物

化学类制品、基因工程类制品和血液制品等的干燥保存特别适用。

b.由于是低温干燥，使物质中的挥发性成分和受热变性的营养成

分和芳香成分损失很小，因此是化学制品、药品和食品的优质干燥方

法。

c..在低温干燥过程中，微生物的生长和酶的作用几乎无法进行,

从而能最好地保持物质原来的性状。

d.干燥后体积、形状基本不变，物质呈海绵状，无干缩，复水时

与水的接触面大，能迅速还成原来的形状。

e.因一般是在真空下干燥，故氧气极少，使易氧化的物质得到了

保护。

f.能除去物质中95%〜99.5%的水分，制品的保存期长。

2.冻干的应用

冻干是一种优质的干燥方法。但是它需要比较昂贵的专用设

备，干燥过程中的能耗较大，因此加工成本较高，目前主要应用在以

下几个方面。

a.生物制品、药品方面：如抗菌素、抗毒素、诊断用品和疫苗的

保存。

b.微生物和藻类方面：如各种细菌、酵母、酵素、原生动物、微

细藻类等的长期保存。

c.生物标本、生物组织方面：如制作各种动植物标本，干燥保存

用于动物异种或同种移植的皮肤、骨骼、主动脉、心瓣膜等边缘组织。

d.制作用于光学显微镜、电子扫描和透射显微镜的小组织片。

e.食品的干燥方面：如咖啡、茶叶、肉鱼蛋类、海藻、水果、蔬

菜、调料、豆腐、方便食品等。

f.高级营养品及中草药方面：如蜂王浆、蜂蜜、花粉、中草药制

剂等。

g.超细微粉的制备方面:如制取ALO?、ZrO2>T。、Ba2Cu307^8.

BazTiMo等超细微粉。

h.其他方面：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、土壤冻干保存，用以研究土壤、肥料、气候对植物

生长的影响及因子的作用；潮湿的木制文物、淹坏的书籍稿件等用冻

干法干燥，能最大限度地保持原状等。

3.冷冻干燥的基本过程如下：

a.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。

b.制品的冻结（预冻）：将制品冻结成固态。

c.第一阶段干燥（升华干燥）：将制品中的冰晶以升华方式除去。

d.第二阶段干燥（解吸干燥）：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。

e.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。

4.制品冷冻的物理基础

物质有固、液、气三态。物质的状态与其温度和压力有关。（图

1）示出了水（H2。）的状态平衡。图中OL、OK、OS三条曲线分别表

示冰和水、水和水蒸气、冰和水蒸气两相共存时其压力和温度之间的

关系，分别称为熔化线、沸腾线和升华线。此三条曲线将图面分成固

相区、液相区和气相区。箭头分别表示冰融化成水，水蒸发成水蒸气

和冰升华成水蒸气的过程。曲线0K的在顶端点K,其温度为374'C,

图-1水的状态平衡图

称为临界点。当水蒸气的温度高于其临界温度3740c时，无论怎样加

大压力，水蒸气也不能变成水。三曲线的交点。为固、液、气三相共

存的状态，称为三相点，其温度为0.01℃,压力为610.5Pa以下，

且给冰加热，则冰就会不经液相直接变成气相，这一过程称为升华。

5.冻干制品溶液的共熔点和共晶点

一般来说，冻干药品的溶液是主要功能组分（如细菌等药用成

分）、多种添加组分（抗冻剂、抗氧化剂、填充剂等）和蒸馅水混合

而成的胶体悬浮液。它与一般能互溶的溶液不完全相同，具有一系列

的低共熔点温度。对于冻干加工来说，需要确定一个较高的操作温度,

当在该温度以上时，产品中存在已溶化的液体；而在该温度以下时，

产品将全部冻结，这个温度即为冻干产品的共熔点温度。一些产品的

共熔点温度列于（表1中）。与此相仿，制品溶液在降温冻结过程中，

亦有一^系列的共晶温度，其中温度最低的共晶点温度称为该溶液的共

晶点温度。一些物质的共晶点温度列于（表2）中。

溶液名称摩尔溶解度观察共溶温度计算温度

甲基芬尼磷酸盐1.95-4.29-3.97

吩妥胺磷酸盐0.12-0.75-0.88

甘露醇1.0-2.24

乳糖0.6-5.4

氯化钠6.21-21.6-24.00

氯化钾4.97-11.1-12.66

澳化钾5.93-12.9-13.26

甘油水—-46.5

二甲亚矶水—-73

（表1）一些饱和溶液的共熔点温度

升华干燥

升华干燥是将冻结后的产品置于密闭的真空容器中加热，其冰晶

就会升华成水蒸气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。

物质名称共晶点/℃物质名称共晶点/℃

纯水02%明胶10%葡萄糖溶液-32

0.85%氯化钠溶液-222%明胶10%蔗糖溶液-19

10%蔗糖溶液-26马血清-35

10%葡萄糖溶液-27一般生物制品-30

脱脂牛奶-26菠菜-6

人参-25甘油水-46.5

（表2）一些物质的共晶点温度

空隙变成尔后升华水蒸气的逸出通道。已干燥层和冻结部分的分

界面（实际上是一薄层）称为升华界面。在生物制品干燥中，升华界

面约为1mm/h的速率向内推进。当全部冰晶除去时，升华干燥就完成

了，此时可除去全部水分的90%左右。

解吸干燥

解吸干燥也称第二阶段干燥。在第一阶段干燥后，在干燥物质的

毛细管壁和极性基因上还吸附有一部分水分，这些水分是未被冻结

的。当它们达到一定含量时，就为微生物的生长繁殖和某些化学反应

提供了条件。实验证明，即使是单分子层吸附的低含水量，也可能成

为某些化合物的溶液，产生与水溶液相同的移动性和反应性。因此为

了改善产品的储存稳定性，延长其保存期，需要除去这些水分中的大

部分，只留下单分子层的水分。这就是解吸干燥的目的。

第一阶段干燥是将水以冰晶形式除去的，因此冻干层的温度和升

华界面的压力都必须控制在产品共熔点（或崩解温度）以下，才不致

使冰晶溶化。但对于吸附水，其吸附能量高，如果不给它们提供足够

的能量，它们就不可能从吸附中解吸出来c因此，这一阶段产品的温

度应足够地高，只要不超过允许的最高温度，不烧毁产品和不造成产

品过热而变性就可。同时，为了使解吸出来的水蒸气有足够的推动力

逸出产品，必须使产品内外形成较大的蒸气压差，因此此阶段中箱内

必须高真空。

第二阶段干燥后，产品内残余水分的含量视产品种类和要求而

定。一般在0.5%〜4%之间。

6.冻干曲线制定过程：

冻干曲线的形状与制品的性能、装量的多少、分装容器的种类、

冻干机的性能等诸多因素有关。即使同一制品，生产厂家不同，其冻

干曲线亦不完全一样。因此应根据各自的具体条件，用试验定出最佳

的冻干曲线。

冻干曲线制定的过程是，根据所获取的制品的共熔点温度、崩解温度、

最佳预冻速率和残水含量等参数，根据所用冻干机的性能，初步拟订

出搁板温度曲线和冻干箱的压力曲线，用此曲线在实验冻干机上试

验。根据测量并记录的搁板温度、制品冻层温度、制品干层温度、冻

干箱压力、冷阱温度等参数，随时修改冻干曲线中不合理部分。由检

测和观察确定升华阶段结束和解吸干燥结束的时间，冻干结束后，对

产品质量和含水量进行检测。根据所得冻干过程参数的数据，重新拟

订冻干曲线并进行试验，直到得到较为满意的曲线为止。结合生产用

冻干机的性能，将上述曲线加以修改，曲线的不合理部分，直到获得

成熟的冻干曲线（图-3）。

黏结」一升舒康一一*鼾康川行量

二、冻干机系统

1.控制系统

控制系统有可编程程序控制器（西门子-PLC）、触摸屏、外围继

电器、传感器等组成。

2.制冷系统

制冷系统由制冷压缩机及辅助设施构成，为干燥箱和冷阱提供冷

源。（制冷系统中，除装有显示的高、低压压力表外还装有压力控制

器。当高压压力过高时高压继电器动作，压缩机停止工作）

3.循环系统

冷冻干燥和加热是依靠温差引起物质传递的一种工艺技术。搁板

的制冷和加热都是通过导热油的传热来进行，为了使导热油不断

地在整个系统内循环，我们在管道中m了一个屏蔽式循环泵。

4.真空系统

真空系统由干燥箱、冷阱、真空阀门、真空泵、真空管道、真空测

量规管等部分组成。真空泵组组成强大的抽吸能力，一方面促使干

燥箱的水分在真空状态下升华，另一方面该系统在冷阱和干燥箱之

间形成一个真空度压力差，使干燥箱水分升华后被冷阱捕获。

5.液压系统

主要用在干燥结束时将瓶塞压入瓶口。

三、冻干机的操作

1.开机前的准备

交接设备运行记录及设备清洗记录，并仔细检查有无异常情

况，如有须及时处理好方能开车；

>熟悉该设备的结构、原理、性能、操作要领及操作注意事

项，做到心中有教；

>现场巡检

>检查冻干箱内测温探头是否安放准确。

>检查制冷机的润滑油，应清澈不粘稠，符合要求，油位是否

在油镜中位；

>检查真空泵的真空油，应清澈不粘稠，符合要求，油位是否

在油镜中位；

>检查冷却水压力20.15Mpa、流量是否满足要求，水温W28℃,

是否符合要求.

>检查制/系统事的所有阀门是否处于开启位置；

>检查真空系统中的阀门位置是否符合正常工作要求，凡是

通往大气的阀门均应关闭；

>检查冷阱内化霜水是否已排放干净。

>检查中间介质循环系统中的阀门位置是否符合正常工作要

求，通大气的阀门应关紧，其余阀门应常开。检查电源电

压是否正常，控制柜上各开关是否处于复位位置；

>检查各压力控制器设定值：

❖温度控制器设定值:50℃（可根据制品的要求确定）。

安装完或检修完的检修项目

>检查各接线和熔断器是否松动，设备接地是否正确；

>检查真空泵的电机转向是否符合正常工作要求。

2.进入系统：转动钥匙钮，给系统供电，触摸屏会自动进入如

下画面

上海浦东冷冻干燥设备有限公司

日期：Iyy/inm/dd

时间：HH:MM

卜口•丁■17~进入系统

用手触摸“进入系统”，系统将会自动进入模拟运行窗

开启某一部分只需在触摸屏上轻按一下该部分即可，若要关闭则再按

一下。例如，工艺过程中，要先打开压缩机、循环泵及干箱阀对制品

预冷,用手按触摸屏上的“屏锁”、“压缩机”、“循环泵”及“干箱网”，

就打开了压缩机、循环泵及干箱阀对制品预冷，预冷结束，再按“干

箱阀”，关闭干箱阀。打开“捕水器制冷阀”，使捕水器降温。温度降到

-40℃左右，打开“真空泵”抽真空，当压力降至10Pa左右开始加热，

给产品供热升华。

装热方工其有二抽“纯手动定点设定控温”、或“程序曲线控温”。

“程序曲线控温”加热方法见“程序运行”。

“模拟运行图”可直观地显示出机器目前正在运行的情况，各部分的

运行状态以动画形式展现

冷冻干煤

a）开循环泵

b）开压缩机、干箱阀，对制品进行预冻。

c）当制品温度达到工艺所要求的温度后（产品的预冻温度通

常比产品共晶点温度低570℃）,恒温（既保持目前温度）

一段时间（由工艺决定，一般为2~3小时）。

d）恒温结束后，对冷凝器进行制冷，即关干箱阀、开捕水阀。

e）当冷凝器温度低于-50℃后，开启真空泵两秒钟后开小蝶

阀，系统开始抽真空。

f）当冻干箱的真空度达到10Pa左右，开启循环泵，开启电加

热处理开始一次升华。

g）强步提篙搁般温度即控需升华速度，当制品温度接近搁板

温度，真空度曲线有明显弯曲后，一次升华结束。

h）一次或分阶段将导热油温度加热到最高允许温度进行二次

升华。

i）当导装油温度达到最高温度后，恒温两小时，“真空调节”

参数设定为中下限15Pa-一中上限20Pa,开启“真空调节”,

进行渗气，时间为2小时以上（根据制品的要求），提高升

华速轧

j）渗气结鼠后，恒温2-3小时，冻干过程结束。

k）关小蝶阀、关真空泵、关冷阱阀，关压缩机

点菜单关：触摸所要进入的菜单，系统会自动进入该菜单页（“工艺

设置”、“程序运行”、“全自动”、“共用与手动参数设置”、“实时曲

线”、“历史数据”、“报警记录”、“进入副菜单”）

共用与手动参数设定”

按“共用与手动参数设定”进入该菜单，

纯手动板温控制设定”：手动设置定点温度控制搁板加热。

>“捕水器温度控制设定”：可设定捕水器温度。

>“真空上限设定”：当实际真空度超出上限值，系统真空报

警。

>7'真空中上限设定”和“真空中下限设定”：参与控制加热,和

真空校正恒定控制。

A

数值设定方法：按该数值，出现数值设定窗口，先按“CLR”，再按数

值，最后按“ENTER"，数值设定完毕。（本操作系统中数值设定方法均

为此）

“工艺设置”

按“工艺设置”，进入该窗口,

当进行全自动运行时或冻干程序运行时，要事先设置这些参数。

这是一条带有十步段的（温度+时间）的冻干工艺曲线，既可用

于半自动运行时的动态控温，又是全0动运行时的主执行程序。

设置说明1:每一步的温度值必须从0℃值开始算起（<80℃）：

每一步的时间长度必须是从起始点开始计算（分钟）。

❖设置说明2：如是全自动运行的曲线程序，第二步的时间

长度必须是包括“干箱预冻时间“保温时间”“捕水器制冷

时间”以及+“系统真空抽到时间”的总长度。

见下图曲线表

干箱制冷----caserefrigeration预冻保温----keep冷阱制冷

------condenserrefrigeration

真空系统运行----vacuumrun

FIG.<3）

本系统可设定10条程序（不同的冻干工艺曲线）可以储存，当

一条程序曲线设置完毕后，就按“当前值写入工艺曲线第XX条”

即可。当程序输入完毕后，可查询。按“查看工艺曲线库”钮即

可查询。

“程序运行”——半自动运行时调用冻干工艺曲线。

“程序运行”进入下窗口画面。

条件：当已经手动开启各相应的动力系统后，进入搁板及制品加热前。

1.首先选定第XX号冻干工艺曲线，然后按第XX号装载曲线钮。该

号程序曲线即刻被置入为当前值。在屏幕上可显示出当前曲线的

号码，当前总周期时间等信息，按初始。

2.运行程序曲线时，首先将手设控温切换成“曲线控温”，按“运行锁

定”，再按“锁闭”钮，然后按“开始运行钮”。程序进入运行执行状

态O

3.“窗£运行中等待”是指程序暂停运行且保持状态。

冻干全自动

1.首先选定第XX号程序，然后按第XX号程序装载钮。该号程序即

刻被置入为当前值。在屏幕上可显示出当前程序曲线的号码，当前总

周期时间等信息。

2.设置干箱预冻保温时间和捕水器温度（启动真空点）。

3.全自动程序运行时，首先，按“全自动运行准备锁定”，再按“锁闭/

允许”钮，然后按“全自动运行执行钮"。程序即刻进入全自动运行

执行状态，各动力系统进入逐级开启程序。

4.“自动运行中等待”是指程序暂停运行且保持状态。

5.特别注意全自动运行退出时的注意事项：当屏幕出现“程序已达终

点，请退出运行"的字样时，表示本次全自动运行已达到终点，可

以根据产品的实标情况而关机。如确定要关机，首先按“锁闭/允

许”，再按“退出全自动运行”钮。注意：此时并不是马上全部停机，

只是逐级退出。所以，不可以马上再按*退出全自动运行锁定”。当

屏幕再一次出现“系统已完全停机完毕，请按'退出全自动运行锁定'

钮”的字样时，这时可以真正退出兀

注：使用此功能时，务必确认各阀门已关闭，真空密闭良好；建议

在未熟悉本操作系统时，先使用前二种控制方式。

a）旋开控制柜钥匙开关，进入冷冻干燥操作系统，点击“全自动”，

进入相应窗口。

b）用户需根据所生产制品的工艺要求来设置。（详见“全自动运行”那

一节5。

C）当选择好了所需的XX号程序，将该号程序置入当前状态，同时设

置另两个自动运行参数（捕温设定及保温时间设定）后，按“全自动

运行准备锁定”，按“锁闭/允许”，按“全自动运行执行"。系统进入逐

级启动运行状态。

d）自动程序启动后进行10秒钟报警判断后，循环泵启动，10秒后

压缩机启动，10秒后千箱阀打开。进入前箱预冷阶段。

e）前箱预冷：选取进行温度判断，若搁板温度低于设定值，转入干

箱预冷保温阶段。

f）干箱预冷保温阶段：进行时间判断，若干箱预冷保温时间达到设

定值，转入捕水器制冷。

g）捕水器制冷：逐级关闭干箱阀，逐级打开捕水阀，进行温度判断，

若捕水器温度小于设定值，转入抽真空。

h）抽真空：进入后12秒后打开真空泵，经过设定的小蝶阀开启时间

后，打开小蝶阀，进入真空预抽阶段。进行真空判断，干箱真空度小

于设定值，转入升华阶段。

i）升华：进入升华阶段，按设定的冻干曲线（冻干程序）进行，直

至程序终点。

j）结束’7详见“全自动运行”那一节）

k）要进行真空压塞的，开液压泵，按上升按钮进行压塞，压塞结束

按下降按钮降下板层°

I）开冻干箱、冷阱放气阀进行放气，取出制品，关掉电源。

全自动运行：

注意1：用户在未熟练掌握该设备前不宜运用该功能！

注意2：在全自动运行时，手动操作，程序运行，压塞操作、化霜操

作均被锁住，不能操作！

注意3：在全自动运行前，必须检查并保证所有按钮处于正常关闭位

置。如上一次是非正常停机，还需将机器重新启动一次。

“报警记录”

按“报警记录”，进入该窗口，

“开始”表示进入报警信息查阅，

。“结束”表示结束报警信息查阅，

删除”表示去除某项选定报警信息,

♦:♦“删除全部”表示去除所有报警信息。

。“▲”表示逐条向上翻屏，

“▼”表示逐条向下翻屏,

。“双▲”表示向上逐页翻屏，

。“双▼”表示向下逐页翻屏。

“实时曲线”

按“实时曲线”，进入实时曲线记录窗

搁板温度”、“制品温度”、“捕水器温度”分别显示对应的温度，“干箱真

空”表示干燥箱体内的实际真空。

“历史数据库”

按“历史数据库二进入该窗口，

该窗口是直接显示系统运行时的数据参数：各类温度数据，各类系统

真空度数据。

真空冷冻干燥系统操作规程

注意操作』应严格按照操作规程进行各项操作，具体参数如温

度、时间等，可根据冻干工艺进行调整。

历史数据记录能改变记录间隔。按“记录间隔”进入下窗口。

设置范围（1-------30分钟）

按“开始记录”进入数据记录的状态，按“停止记录”表示数据停止记录。

>“上一页”表示向上翻页，“下一页”表示向下翻页；

>“左一页”表示向左翻页，“右一页”表示向右翻页；

>“数据清空”表示清除所有历史记录；

>“写入CF”表示将当前屏幕内存的数据写入用户CF卡。

进入副菜单

1.内部参数设定：在全自动运行时使用

1,"系统自动参数的捕温设定”：用于在全自动运行时，启动

系统真论o

2.二落统备营参数的干箱预冻保温时间设定”：用于在全自动

运行时，干箱预冻后的保温持续时间。

2.进入压塞操作：干燥结束需要压塞时使用

压塞：开液压泵点上升按钮，压好后关上升按钮，点下降按钮

降到位后关下降按钮，关液压泵。干燥箱、冷阱放气。

箱内压塞应注意以下几点：

1)箱内压塞对使用瓶子和塞子有较高的要求，要求瓶

子高度、瓶口内径、塞子外径的误差要小；

2)由于压塞总力量较大，为了不使冻干箱内板层弯曲

变形，每一层的产品必须放置均匀，不能偏