冷凍幹燥機:冷凍幹燥機器-中文百科頻道

介紹

冷凍幹燥（以下簡稱凍幹）就是将含水物質，先凍結成固态，而後使其中的水分從固态升華成氣态，以除去水分而保存物質的方法。

在壓縮空氣幹燥過程中，其冷凍幹燥是通過降低壓縮空氣溫度，使壓縮空氣中的水份析出。冷凍幹燥機（冷幹機）的工作原理與電冰箱一樣，壓縮空氣經過冷凍的壓縮空氣管道後，壓縮空氣溫度下降至要求的溫度，達到幹燥的要求。

起源

凍幹機起源于19世紀20年代的真空冷凍幹燥技術經曆了幾十年的起伏和徘徊後，在最後的20年中取得了長足進展。進入21世紀，真空凍幹技術憑借其它幹燥方法無法比拟的優點，越來越受到人們的青睐，除了在醫藥、生物制品、食品、血液制品、活性物質領域得到廣泛應用外，其應用規模和領域還在不斷擴大中。為此，真空冷凍幹燥必将成為21世紀的重要應用技術。

優勢

幹燥的方法多種多樣，如曬幹、煮幹、烘幹、噴霧幹燥和真空幹燥等,但普通幹燥方法通常都在0℃以上或更高的溫度下進行。幹燥所得的産品一般都存在體積縮小、質地變硬的問題，易揮發的成分大部分會損失掉，一些熱敏性的物質發生變性、失活，有些物質甚至發生了氧化。因此，幹燥後的産品與幹燥前相比，在性狀上有很大的差别。

凍幹法則基本上在0℃以下進行，即在産品凍結的狀态下進行，隻在後期降低産品的殘餘水份含量時，才讓産品升至0℃以上的溫度，但一般不超過40℃。在真空條件下，當水蒸汽直接升華出來後，藥物剩留在凍結時的冰架中，形成類似海綿狀疏松多孔架構，因此它幹燥後體積大小幾乎不變。再次使用前，隻要加入注射用水，又會立即溶解。凍幹機相對常規方法，凍幹法具有如下優點：

1.許多熱敏性的物質不會發生變性或失活。

2.在低溫下幹燥時，物質中的一些揮發性成分損失很小。

3.在凍幹過程中，微生物的生長和酶的作用無法進行，因此能保持原來的性狀。

4.由于在凍結的狀态下進行幹燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結構，不會發生濃縮現象。

5.由于物料中水分在預凍以後以冰晶的形态存在，原來溶于水中的無機鹽類溶解物質被均勻地分配在物料之中。升華時，溶于水中的溶解物質就析出，避免了一般幹燥方法中因物料内部水分向表面遷移所攜帶的無機鹽在表面析出而造成表面硬化的現象。

6.幹燥後的物質疏松多孔，呈海綿狀，加水後溶解迅速而完全，幾乎立即恢複原來的性狀。

7.由于幹燥在真空下進行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質得到了保護。

8.幹燥能排除95%～99%以上的水分，使幹燥後産品能長期保存而不緻變質。

9.因物料處于凍結狀态，溫度很低，所以供熱的熱源溫度要求不高，采用常溫或溫度不高的加熱器即可滿足要求。如果冷凍室和幹燥室分開時，幹燥室不需絕熱，不會有很多的熱損失，故熱能的利用很經濟。

正所謂沒有完美的技術，真空冷凍幹燥技術的主要缺點是成本高。由于它需要真空和低溫條件，所以真空冷凍幹燥機要配置一套真空系統和低溫系統，因而投資費用和運轉費用都比較高。

主要參數

1.幹燥室：幹燥室的尺寸（寬*深*高），擱闆數目，擱闆有效總面積、擱闆尺寸、擱闆溫度

2.是否具備壓蓋功能：若具備是手動還自動的

3.冷凝器：冷凝器的材料、冷凝器凝冰量、冷凝器最終溫度、冷凝室門材料、除霜器系統

4.冷卻系統：采用的壓縮機

5.幹燥能力：每天幹燥樣品重量

6.電源

7.監控方式：使用外置電腦還是機器自身液晶顯示，以及監控的參數設計

應用

真空冷凍幹燥技術在生物工程、醫藥工業、食品工業、材料科學和農副産品深加工等領域有着廣泛的應用。

藥品冷凍幹燥包括西藥和中藥兩部分。西藥冷凍幹燥在國内已經得到了一定的發展，很多較大型的制藥廠都有冷凍幹燥設備。在針劑方面，冷凍幹燥工藝采用的比較多，提高了藥品質量和貯存期限，給醫患雙方都帶來了利益。凍幹藥品的品種不多，産品價格高，幹燥工藝不先進。

在中藥方面，局限在人參、鹿茸、山藥、冬蟲夏草等少量中藥材的凍幹，大量的中成藥還沒有采用凍幹工藝，與國外差距較大。日本幾年前就開展了“漢藥西制”，改變了中藥的熬制方法，解決了中藥不能制成針劑或片劑的傳統，也解決了中藥不治急病的難題，因此我國中藥凍幹工藝及産品的研究很有潛力可挖。

在生物技術産品領域，凍幹技術主要用于血清、血漿、疫苗、酶、抗生素、激素等藥品的生産；生物化學的檢查藥品、免疫學及細菌學的檢查藥品；血液、細菌、動脈、骨骼、皮膚、角膜、神經組織及各種器官長期保存等。

設備的現狀與發展

凍幹技術的應用和設備是分不開的，到目前為止，凍幹設備的形式主要分為間歇式和連續式兩大類，設備的規模從不到一平方米到幾十平方米都有。

間歇式凍幹設備

間歇式凍幹設備适合多品種小批量生産，特别是在食品領域适用于季節性強的食品生産。采用單機操作，如果一台設備發生故障，不會影響其它設備的正常運行。間歇式凍幹設備便于控制物料幹燥時不同階段的加熱溫度和真空度的要求。設備的加工制造和維修保養易于進行。但由于裝料、卸料、起動等操作占用時間較多，因此設備利用率低，生産效率也不高。

連續式凍幹設備

國内外開始探索和使用連續式真空冷凍幹燥設備。連續式設備的特點是适于品種單一而産量龐大、原料充足的産品生産，特别适合漿狀和顆粒狀制品的生産。連續式設備容易實現自動化控制，簡化了人工操作和管理，其主要缺點是成本高。

随着GMP認證的結束，國産的優秀醫藥用凍幹設備全面進入了現代化階段，功能齊全、工作可靠、性能穩定，可實現在線清洗（CIP）或蒸汽消毒滅菌（SIP），各項技術指标都能滿足生物制品和藥品凍幹生産的需要。相比之下，國外凍幹設備的品種規格比國内多，配套設備齊全，節能型結構比較精緻，連續式凍幹設備生産量大。為保證凍幹産品的質量和節能，常采用凍幹設備與其它幹燥設備組合在一起的組合凍幹設備，例如噴霧凍幹設備。

在未來，如何在保證産品質量的前提下，提高冷凍幹燥效率，縮短幹燥時間，節約能源将是廣大凍幹行業工作者的目标。

加工工藝

凍幹加工工藝對于某些生物制品、藥品的制造起到關鍵性作用。如麻疹疫苗和卡介苗凍幹前在保冷情況下的有效期隻有3個月，而卡介苗的安全試驗就需耗時2個月才能完成。凍幹工藝使卡介苗的活菌數經4~5年存放後仍保持在合格水平。凍幹工藝生物制藥中主要應用于生物、生化制品、中藥注射劑制品和熱不穩定的抗生素類制品的生産。

工作原理

壓縮空氣中水蒸氣的量是由壓縮空氣的溫度決定的：在保持壓縮空氣壓力基本不變的情況下，降低壓縮空氣的溫度可減少壓縮空氣中的水蒸氣含量，而多餘的水蒸氣會凝結成液體。冷凍幹燥機就是利用這一原理采用制冷技術幹燥壓縮空氣的。因此冷幹機具有制冷系統。格力冷凍幹燥機原理正視圖

冷凍幹燥機的制冷系統屬于壓縮式制冷，由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥等四個基本部件組成。它們之間用管道次連接，形成一個密閉的系統，制冷劑在系統中不斷地循環流動，發生狀态變化并與壓縮空氣和冷卻介質進行熱量交換。

制冷壓縮機将蒸發器内的低壓（低溫）制冷劑吸入壓縮機汽缸内，制冷劑蒸汽經過壓縮，壓力、溫度同時升高；高壓高溫的制冷劑蒸汽被壓至冷凝器，在冷凝器内，溫度較高的制冷劑蒸汽與溫度比較低的冷卻水或空氣進行熱交換，制冷劑的熱量被水或空氣帶走而冷凝下來，制冷劑蒸汽變成了液體。

這部分液體再被輸送至膨脹閥，經過膨脹閥節流成了低溫低壓的液體并進入蒸發器；在蒸發器内低溫、低壓的制冷劑液體吸收壓縮空氣的熱量而汽化（俗稱“蒸發”），而壓縮空氣得到冷卻後凝結出大量的液體水；蒸發器中的制冷劑蒸汽又被壓縮機吸走，這樣制冷劑便在系統中經過壓縮、冷凝、節流、蒸發這樣四個過程，從而完成了一個循環。

在冷凍幹燥機的制冷系統中，蒸發器是輸送冷量的設備,制冷劑在其中吸收壓縮空氣的熱量，實現脫水幹燥的目的。壓縮機是心髒，起着吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用。冷凝器是放出熱量的設備，将蒸發器中吸收的熱量連同壓縮機輸入功率轉化的熱量一起傳遞給冷卻介質（如水或空氣）帶走。膨脹閥/節流閥對制冷劑起節流降壓作用、同時控制和調節流入蒸發器中制冷劑液體的數量，并将系統分為高壓側和低壓側兩大部分。

制品的凍結

溶液速凍時（每分鐘降溫10~50℃），晶粒保持在顯微鏡下可見的大小；相反慢凍時（1℃/分），形成的結晶肉眼可見。粗晶在升華留下較大的空隙，可以提高凍幹的效率，細晶在升華後留下的間隙較小，使下層升華受阻，速成凍的成品粒子細膩，外觀均勻，比表面積大，多孔結構好，溶解速度快，便成品的引濕性相對也要強些。

藥品在凍幹機中預凍在兩種方式：一種是制品與幹燥箱同時降溫，另一種是待幹燥箱擱闆降溫至-40℃左右，再将制品放入，前者相當于慢凍，後者則介于速凍與慢凍之間，因而常被采用，以兼顧凍幹效率與産品質量。此法的缺點是制品入箱時，空氣中的水蒸氣将迅速地凝結在擱闆上，而在升華初期，若闆升溫較快，由于大面積的升華将有可能超越凝結器的正常負荷。此現象在夏季尤為顯着。

制品的凍結處于靜止狀态。經驗證明，過冷現象容易發生至使制品溫度雖已達到共晶點。但溶質仍不結晶，為了克服過冷現象，制品凍結的溫度應低于共晶點以下一個範圍，并需保持一段時間，以待制品完全凍結。

二升華條件

冰在一定溫度下的飽和蒸汽壓大于環境的水蒸氣分壓時即可開始升華；比制品溫更低的凝結器對水水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維護升所必需的條件。

氣體分子在兩次連續碰撞之間所走的距離稱為平均自由程，它與壓力成反比。在常壓下，其值很小，升華的水分子很容易與氣體碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升華速度很漫。随着壓力降低13.3Pa以下，平均自由程增大105倍，使升華速度顯着加快，飛離出來的水分子很少改變自己的方面，從而形成了定向的蒸汽流。

真空泵在凍幹機中起着抽除永久氣體的作用，以維護升華所必需的低壓強。1g水蒸氣在常壓下為1.25L而在13.3Pa時卻膨脹為10000升，普通的真空泵在單位時間内抽除如此大量的體積是不可能的。凝結器實際上形成了專門捕集水蒸氣的真空泵。

制品與凝結的溫度通常為-25℃與-50℃。冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分别為63.3Pa與1.1Pa,因而在升華面與冷凝面之間便産生了一個相當大的壓力差,如果此時系統内的不凝性氣體分壓可以忽略不計,它将促使制品升華出來的水蒸氣,以一定的流速定向地抵達凝結器表面結成冰霜。

冰的升華熱約為2822J/克，如果升華過程不供給熱量，那末制品隻有降低内能來補償升華熱，直至其溫度與凝結器溫度平衡後，升華也就停止了。為了保持升華與冷凝來的溫度差，必須對制品提供足夠的熱量。

三升華過程

在升溫的第一階段（大量升華階段），制品溫度要低于其共晶點一個範圍。因此擱闆溫要加以控制，若制品已經部分幹燥，但溫度卻超過了其共晶點，此時将發生制品融化現象，而此時融化的液體，對冰飽和，對溶質卻未飽和，因而幹燥的溶質将迅速溶解進去，最後濃縮成一薄僵塊，外觀極為不良，溶解速度很差，若制品的融化發生在大量升華後期，則由于融化的液體數量較少，因而被幹燥的孔性固體所吸收，造成凍幹後塊狀物有所缺損，加水溶解時仍能發現溶解速度較慢。

在大量升華過程，雖然擱闆和制品溫度有很大懸殊，但由于闆溫、凝結器溫度和真空溫度基本不變，因而升華吸熱比較穩定，制品溫度相對恒定。随着制品自上而下層層幹燥，冰層升華的阻力逐漸增大。制品溫度相應也會小幅上升。直至用肉眼已不到冰晶的存在。此時90%以上的水分已除去。大量升華的過程至此已基本結束，為了确保整箱制品大量升華完畢，闆溫仍需保持一個階段後再進行第二階段的升溫。

剩餘百分之幾的水分稱殘餘水分，它與自由狀态的水在物理化學性質上有所不同，殘餘水分包括了化學結合之水與物理結合之水，諸如化合的結晶水結晶、蛋白質通過氫鍵結合的水以及固體表面或毛細管中吸附水等。由于殘餘水分受到某種引力的束縛，其飽和蒸汽壓則是不同程度的降低，因而幹燥速度明顯下降。雖然提高制品溫度促進殘餘水分的氣化，但若超過某極限溫度，生物活性也可能急劇下降。保證制品安全的最高幹燥溫度要由實驗來确定。

通常我們在第二階段将闆溫+30℃左右，并保持恒定。在這一階段初期，由于闆溫升高，殘餘水分少又不易氣化，因此制品溫度上升較快。但随着制品溫度與闆溫逐漸靠攏，熱傳導變得更為緩慢，需要耐心等待相當長的一段時間，實踐經驗表明，殘餘水分幹燥的時間與大量升華的時間幾乎相等有時甚至還會超過。

四凍幹曲線

将擱闆溫度與制品溫度随時間的變化記錄下來，即可得到凍幹曲線。比較典型的凍幹曲線系将擱闆升溫分為兩個階段，在大量升華時擱闆溫度保持較低，根據實際情況，一般可控制在-10至+10之間。第二階段則根據制品性質将擱闆溫度适當調高，此法适用于其熔點較低的制品。若對制品的性能尚不清楚，機器性能較差或其工作不夠穩定時，用此法也比較穩妥。

如果制品共晶點較高，系統的真空度也能保持良好，凝結器的制冷能力充裕，則也可采用一定的升溫速度，将擱闆溫度升高至允許的最高溫度，直至凍幹結束，但也需保證制品在大量升華時的溫度不得超過共晶點。

若制品對熱不穩定，則第二階段闆溫不宜過高。為了提高第一階段的升華速度，可将擱闆溫度一次升高至制品允許的最高溫度以上；待大量升華階段基本結束時，再将闆溫降至允許的最高溫度，這後兩種方式雖然使大量的升華速度有一些提高，但其抗幹擾的能力相應降低，真空度和制冷能力的突然降低或停電都可能會使制品融化。合理而靈活地掌握第一種方式，是較常用的方式。