冷凍干燥機

干燥的方法多種多樣，如曬干、煮干、烘干、噴霧干燥和真空干燥等,但普通干燥方法通常都在0℃以上或更高的溫度下進行。干燥所得的產(chǎn)品一般都存在體積縮小、質(zhì)地變硬的問題，易揮發(fā)的成分大部分會損失掉，一些熱敏性的物質(zhì)發(fā)生變性、失活，有些物質(zhì)甚至發(fā)生了氧化。因此，干燥后的產(chǎn)品與干燥前相比，在性狀上有很大的差別。 凍干法則基本上在0℃以下進行，即在產(chǎn)品凍結(jié)的狀態(tài)下進行，只在后期降低產(chǎn)品的殘余水份含量時，才讓產(chǎn)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后，藥物剩留在凍結(jié)時的冰架中，形成類似海綿狀疏松多孔架構(gòu)，因此它干燥后體積大小幾乎不變。再次使用前，只要加入注射用水，又會立即溶解。凍干機相對常規(guī)方法，凍干法具有如下優(yōu)點:

* 許多熱敏性的物質(zhì)不會發(fā)生變性或失活。

* 在低溫下干燥時，物質(zhì)中的一些揮發(fā)性成分損失很小。

* 在凍干過程中，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。

* 由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結(jié)構(gòu)，不會發(fā)生濃縮現(xiàn)象。

* 由于物料中水分在預(yù)凍以后以冰晶的形態(tài)存在，原來溶于水中的無機鹽類溶解物質(zhì)被均勻地分配在物料之中。升華時，溶于水中的溶解物質(zhì)就析出，避免了一般干燥方法中因物料內(nèi)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(xiàn)象。

* 干燥后的物質(zhì)疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而完全，幾乎立即恢復(fù)原來的性狀。

* 由于干燥在真空下進行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質(zhì)得到了保護。

* 干燥能排除95%~99%以上的水分，使干燥后產(chǎn)品能長期保存而不致變質(zhì)。

* 因物料處于凍結(jié)狀態(tài)，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。如果冷凍室和干燥室分開時，干燥室不需絕熱，不會有很多的熱損失，故熱能的利用很經(jīng)濟。

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

1:干燥室:干燥室的尺寸(寬*深*高)，擱板數(shù)目，擱板有效總面積、擱板尺寸、擱板溫度

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(tǒng)

4. 冷卻系統(tǒng):采用的壓縮機

5. 干燥能力:每天干燥樣品重量

6. 電源:

7. 監(jiān)控方式:使用外置電腦還是機器自身液晶顯示，以及監(jiān)控的參數(shù)設(shè)計

凍干機起源于19世紀20年代的真空冷凍干燥技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的起伏和徘徊后，在最后的20年中取得了長足進展。進入21世紀，真空凍干技術(shù)憑借其它干燥方法無法比擬的優(yōu)點，越來越受到人們的青睞，除了在醫(yī)藥、生物制品、食品、血液制品、活性物質(zhì)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用外，其應(yīng)用規(guī)模和領(lǐng)域還在不斷擴大中。為此，真空冷凍干燥必將成為21世紀的重要應(yīng)用技術(shù)。

冷凍干燥(以下簡稱凍干)就是將含水物質(zhì)，先凍結(jié)成固態(tài)，而后使其中的水分從固態(tài)升華成氣態(tài)，以除去水分而保存物質(zhì)的方法。

在壓縮空氣干燥過程中，其冷凍干燥是通過降低壓縮空氣溫度，使壓縮空氣中的水份析出。冷凍干燥機(冷干機)的工作原理與電冰箱一樣，壓縮空氣經(jīng)過冷凍的壓縮空氣管道后，壓縮空氣溫度下降至要求的溫度，達到干燥的要求。

真空冷凍干燥技術(shù)在生物工程、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、材料科學(xué)和農(nóng)副產(chǎn)品深加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

藥品冷凍干燥包括西藥和中藥兩部分。西藥冷凍干燥在國內(nèi)已經(jīng)得到了一定的發(fā)展，很多較大型的制藥廠都有冷凍干燥設(shè)備。在針劑方面，冷凍干燥工藝采用的比較多，提高了藥品質(zhì)量和貯存期限，給醫(yī)患雙方都帶來了利益。凍干藥品的品種不多，產(chǎn)品價格高，干燥工藝不先進。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干，大量的中成藥還沒有采用凍干工藝，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(tǒng)，也解決了中藥不治急病的難題，因此我國中藥凍干工藝及產(chǎn)品的研究很有潛力可挖。

在生物技術(shù)產(chǎn)品領(lǐng)域，凍干技術(shù)主要用于血清、血漿、疫苗、酶、抗生素、激素等藥品的生產(chǎn);生物化學(xué)的檢查藥品、免疫學(xué)及細菌學(xué)的檢查藥品;血液、細菌、動脈、骨骼、皮膚、角膜、神經(jīng)組織及各種器官長期保存等。

設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展

凍干技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)備是分不開的，到目前為止，凍干設(shè)備的形式主要分為間歇式和連續(xù)式兩大類，設(shè)備的規(guī)模從不到一平方米到幾十平方米都有。

間歇式凍干設(shè)備

間歇式凍干設(shè)備適合多品種小批量生產(chǎn)，特別是在食品領(lǐng)域適用于季節(jié)性強的食品生產(chǎn)。采用單機操作，如果一臺設(shè)備發(fā)生故障，不會影響其它設(shè)備的正常運行。間歇式凍干設(shè)備便于控制物料干燥時不同階段的加熱溫度和真空度的要求。設(shè)備的加工制造和維修保養(yǎng)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(shè)備利用率低，生產(chǎn)效率也不高。

連續(xù)式凍干設(shè)備

國內(nèi)外開始探索和使用連續(xù)式真空冷凍干燥設(shè)備。連續(xù)式設(shè)備的特點是適于品種單一而產(chǎn)量龐大、原料充足的產(chǎn)品生產(chǎn)，特別適合漿狀和顆粒狀制品的生產(chǎn)。連續(xù)式設(shè)備容易實現(xiàn)自動化控制，簡化了人工操作和管理，其主要缺點是成本高。

隨著GMP認證的結(jié)束，國產(chǎn)的優(yōu)秀醫(yī)藥用凍干設(shè)備全面進入了現(xiàn)代化階段，功能齊全、工作可靠、性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)在線清洗(CIP)或蒸汽消毒滅菌(SIP)，各項技術(shù)指標都能滿足生物制品和藥品凍干生產(chǎn)的需要。相比之下，國外凍干設(shè)備的品種規(guī)格比國內(nèi)多，配套設(shè)備齊全，節(jié)能型結(jié)構(gòu)比較精致，連續(xù)式凍干設(shè)備生產(chǎn)量大。為保證凍干產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)能，常采用凍干設(shè)備與其它干燥設(shè)備組合在一起的組合凍干設(shè)備，例如噴霧凍干設(shè)備。

在未來，如何在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高冷凍干燥效率，縮短干燥時間，節(jié)約能源將是廣大凍干行業(yè)工作者的目標。

1 打開機箱左側(cè)的總電源開關(guān)，氣壓數(shù)顯為大氣壓110pk;

2 按住控制面板上的總開關(guān)鍵三秒鐘以上，溫度數(shù)顯為冷阱的實際溫度;

3 啟動制冷機，預(yù)冷30分鐘以上;

4 將樣品放入樣品架，蓋上有機玻璃罩，并啟動真空泵;

5 待氣壓數(shù)顯穩(wěn)定后，記錄溫度和氣壓數(shù)值。

1 紀錄停機前的溫度和氣壓數(shù)值;

2 按住控制面板的充氣閥，并立即關(guān)閉真空泵;

3 氣壓數(shù)顯為大氣壓時，打開有機玻璃罩，取出樣品;

4 關(guān)閉制冷機，按住總開關(guān)鍵三秒以上，最后關(guān)閉總電源開關(guān);

5 等冷阱中的冰完全化成水后，打開機箱左側(cè)的出水閥放水，并用干布清潔冷阱內(nèi)壁，蓋上大張濾紙防塵。

凍干加工工藝對于某些生物制品、藥品的制造起到關(guān)鍵性作用。如麻疹疫苗和卡介苗凍干前在保冷情況下的有效期只有3個月，而卡介苗的安全試驗就需耗時2個月才能完成。凍干工藝使卡介苗的活菌數(shù)經(jīng) 4~5 年存放后仍保持在合格水平。凍干工藝生物制藥中主要應(yīng)用于生物、生化制品、中藥注射劑制品和熱不穩(wěn)定的抗生素類制品的生產(chǎn)。

1 制備樣品應(yīng)盡可能擴大其表面積，其中不得含有酸堿物質(zhì)和揮發(fā)性有機溶劑;

2 樣品必須完全凍結(jié)成冰，如有殘留液體會造成氣化噴射;

3 注意冷阱約為零下65度，可以做低溫冰箱使用，但必須戴保溫手套操作防止凍傷;

4 啟動真空泵以前，檢查出水閥是否擰緊，充氣閥是否關(guān)閉，有機玻璃罩與橡膠圈的接觸面是否清潔無污物，良好密封;

5 一般情況下，該機不得連續(xù)使用超過48小時;

6 樣品在冷凍過程中，溫度逐漸降低，可以將樣品取出回暖一段時間后(仍處于冰凍狀態(tài))，繼續(xù)干燥，以縮短干燥時間。

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，而多余的水蒸氣會凝結(jié)成液體。冷凍干燥機就是利用這一原理采用制冷技術(shù)干燥壓縮空氣的。因此冷干機具有制冷系統(tǒng)。 格力冷凍干燥機原理正視圖

冷凍干燥機的制冷系統(tǒng)屬于壓縮式制冷，由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)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(tǒng)，制冷劑在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動，發(fā)生狀態(tài)變化并與壓縮空氣和冷卻介質(zhì)進行熱量交換。

制冷壓縮機將蒸發(fā)器內(nèi)的低壓(低溫)制冷劑吸入壓縮機汽缸內(nèi)，制冷劑蒸汽經(jīng)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，在冷凝器內(nèi)，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(jīng)過膨脹閥節(jié)流成了低溫低壓的液體并進入蒸發(fā)器;在蒸發(fā)器內(nèi)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(fā)")，而壓縮空氣得到冷卻后凝結(jié)出大量的液體水;蒸發(fā)器中的制冷劑蒸汽又被壓縮機吸走，這樣制冷劑便在系統(tǒng)中經(jīng)過壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)這樣四個過程，從而完成了一個循環(huán)。

在冷凍干燥機的制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)器是輸送冷量的設(shè)備,制冷劑在其中吸收壓縮空氣的熱量，實現(xiàn)脫水干燥的目的。壓縮機是心臟，起著吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用。冷凝器是放出熱量的設(shè)備，將蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機輸入功率轉(zhuǎn)化的熱量一起傳遞給冷卻介質(zhì)(如水或空氣)帶走。膨脹閥/節(jié)流閥對制冷劑起節(jié)流降壓作用、同時控制和調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器中制冷劑液體的數(shù)量，并將系統(tǒng)分為高壓側(cè)和低壓側(cè)兩大部分。

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(jié)晶肉眼可見。粗晶在升華留下較大的空隙，可以提高凍干的效率，細晶在升華后留下的間隙較小，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(jié)構(gòu)好，溶解速度快，便成品的引濕性相對也要強些。

藥品在凍干機中預(yù)凍在兩種方式:一種是制品與干燥箱同時降溫，另一種是待干燥箱擱板降溫至-40℃左右，再將制品放入，前者相當于慢凍，后者則介于速凍與慢凍之間，因而常被采用，以兼顧凍干效率與產(chǎn)品質(zhì)量。此法的缺點是制品入箱時，空氣中的水蒸氣將迅速地凝結(jié)在擱板上，而在升華初期，若板升溫較快，由于大面積的升華將有可能超越凝結(jié)器的正常負荷。此現(xiàn)象在夏季尤為顯著。

制品的凍結(jié)處于靜止狀態(tài)。經(jīng)驗證明，過冷現(xiàn)象容易發(fā)生至使制品溫度雖已達到共晶點。但溶質(zhì)仍不結(jié)晶，為了克服過冷現(xiàn)象，制品凍結(jié)的溫度應(yīng)低于共晶點以下一個范圍，并需保持一段時間，以待制品完全凍結(jié)。

冰在一定溫度下的飽和蒸汽壓大于環(huán)境的水蒸氣分壓時即可開始升華;比制品溫更低的凝結(jié)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(xù)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。隨著壓力降低13.3Pa以下，平均自由程增大105倍，使升華速度顯著加快，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。

真空泵在凍干機中起著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內(nèi)抽除如此大量的體積是不可能的。凝結(jié)器實際上形成了專門捕集水蒸氣的真空泵。

制品與凝結(jié)的溫度通常為-25℃與-50℃。冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分別為63.3Pa與1.1Pa,因而在升華面與冷凝面之間便產(chǎn)生了一個相當大的壓力差,如果此時系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體分壓可以忽略不計,它將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(jié)器表面結(jié)成冰霜。

冰的升華熱約為2822J/克，如果升華過程不供給熱量，那末制品只有降低內(nèi)能來補償升華熱，直至其溫度與凝結(jié)器溫度平衡后，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。

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范圍。因此擱板溫要加以控制，若制品已經(jīng)部分干燥，但溫度卻超過了其共晶點，此時將發(fā)生制品融化現(xiàn)象，而此時融化的液體，對冰飽和，對溶質(zhì)卻未飽和，因而干燥的溶質(zhì)將迅速溶解進去，最后濃縮成一薄僵塊，外觀極為不良，溶解速度很差，若制品的融化發(fā)生在大量升華后期，則由于融化的液體數(shù)量較少，因而被干燥的孔性固體所吸收，造成凍干后塊狀物有所缺損，加水溶解時仍能發(fā)現(xiàn)溶解速度較慢。

在大量升華過程，雖然擱板和制品溫度有很大懸殊，但由于板溫、凝結(jié)器溫度和真空溫度基本不變，因而升華吸熱比較穩(wěn)定，制品溫度相對恒定。隨著制品自上而下層層干燥，冰層升華的阻力逐漸增大。制品溫度相應(yīng)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(jié)束，為了確保整箱制品大量升華完畢，板溫仍需保持一個階段后再進行第二階段的升溫。剩余百分之幾的水分稱殘余水分，它與自由狀態(tài)的水在物理化學(xué)性質(zhì)上有所不同，殘余水分包括了化學(xué)結(jié)合之水與物理結(jié)合之水，諸如化合的結(jié)晶水結(jié)晶、蛋白質(zhì)通過氫鍵結(jié)合的水以及固體表面或毛細管中吸附水等。由于殘余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，因而干燥速度明顯下降。雖然提高制品溫度促進殘余水分的氣化，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干燥溫度要由實驗來確定。通常我們在第二階段將板溫+30℃左右，并保持恒定。在這一階段初期，由于板溫升高，殘余水分少又不易氣化，因此制品溫度上升較快。但隨著制品溫度與板溫逐漸靠攏，熱傳導(dǎo)變得更為緩慢，需要耐心等待相當長的一段時間，實踐經(jīng)驗表明，殘余水分干燥的時間與大量升華的時間幾乎相等有時甚至還會超過。

將擱板溫度與制品溫度隨時間的變化記錄下來，即可得到凍干曲線。比較典型的凍干曲線系將擱板升溫分為兩個階段，在大量升華時擱板溫度保持較低，根據(jù)實際情況，一般可控制在-10至+10之間。第二階段則根據(jù)制品性質(zhì)將擱板溫度適當調(diào)高，此法適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(wěn)定時，用此法也比較穩(wěn)妥。

如果制品共晶點較高，系統(tǒng)的真空度也能保持良好，凝結(jié)器的制冷能力充裕，則也可采用一定的升溫速度，將擱板溫度升高至允許的最高溫度，直至凍干結(jié)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(wěn)定，則第二階段板溫不宜過高。為了提高第一階段的升華速度，可將擱板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(jié)束時，再將板溫降至允許的最高溫度，這后兩種方式雖然使大量的升華速度有一些提高，但其抗干擾的能力相應(yīng)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。

1、液晶顯示、中文界面，帶樣品干燥曲線;

2、進口壓縮機，另設(shè)有換熱器后，增大了制冷量，提高了捕水能力;

3、冷阱開口大，無內(nèi)盤管，帶樣品預(yù)凍功能;

4、預(yù)冷架，可作導(dǎo)流桶，加快干燥速度;

5、冷阱和操作面為全不銹鋼，耐腐蝕易光潔，透明鐘罩。

6、透明鐘罩式干燥室，安全直觀;

7、 不銹鋼樣品架，普通型樣品盤間距可調(diào);

8、設(shè)計新穎，體積小操作方便，減少實驗室臺面占用;

9、可選加有氮氣充氣閥。

噴霧冷凍干燥機是21 世紀新發(fā)展的一項革命性技術(shù)，其綜合了噴霧干燥和冷凍干燥的優(yōu)點，而又有效的避免了兩者的缺點，相對于冷凍干燥機，噴霧冷凍干燥機能耗更低，符合低碳要求，干燥出來的樣品呈顆粒狀，流動性非常好，不需要再重新粉碎，相對于噴霧干燥機，噴霧冷凍干燥機對營養(yǎng)成分的破壞更少，而且不改變生物活性，應(yīng)用面更廣。

在國外，噴霧冷凍干燥(Spray freeze drying,SFD)技術(shù)應(yīng)用于藥物微膠囊技術(shù)和奶粉生產(chǎn)越來越多，特別是，以前的藥物微膠囊主要依靠噴霧干燥技術(shù)，但是噴霧干燥過程，是一個高溫的干燥過程，很多熱敏性藥物，就會有物性甚至化學(xué)性質(zhì)的變化，影響了藥物的實際成分。而噴霧冷凍干燥技術(shù)主要聯(lián)合噴霧冷凍和冷凍干燥2種技術(shù) 。與傳統(tǒng)冷凍干燥技術(shù)相比,SFD具有以下優(yōu)點:(1)霧化分散的細小液滴浸入低溫中迅速凍結(jié),能弱化冰晶的生長,減小冰晶對脂質(zhì)體的破壞,避免藥物的滲漏和突釋;(2)凍結(jié)樣品經(jīng)真空干燥后形成具有微孔結(jié)構(gòu)的球形微粒,流動性好,且微粒的大小可以通過改變噴霧工藝來調(diào)節(jié)。

實驗室噴霧冷凍干燥機YC-3000，填補了國內(nèi)實驗室噴霧冷凍干燥研發(fā)設(shè)備領(lǐng)域的空白。適合在實驗室內(nèi)完全模擬噴霧冷凍整個過程，能用于實驗室里原始配方確定/配方更新、口味的甄別、顏色的評估、穩(wěn)定劑/乳化劑應(yīng)用、貨架期實驗以及制作贈送客戶之樣品，實驗數(shù)據(jù)可直接放大應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。適用于熱敏性、粘稠性、活性物料及含糖量高的物料的低溫干燥，如中草藥天然產(chǎn)物提取液、乳制品、生物制劑、酶制劑、水果原汁、高分子材料等。