整理冻干机原理及说明.docx

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整理冻干机原理及说明

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Al2O3、ZrO2、TiO2、Ba2Cu3O7～8、Ba2Ti9O20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（H2O）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OK的在顶端点K，其温度为374℃，称为临界点。

当水蒸气的温度高于其临界温度374℃时，无论怎样加大压力，水蒸气也不能变成水。

三曲线的交点O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）和蒸馏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（30℃）

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

溴化钾

5.93

-12.9

-13.26

甘油水

-

-46.5

二甲亚砜水

-

-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

0

2％明胶10％葡萄糖溶液

-32

0.85％氯化钠溶液

-22

2％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。

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）。

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中循环，我们在管道中加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；

Ø熟悉该设备的结构、原理、性能、操作要领及操作注意事项,做到心中有数；

Ø现场巡检

Ø检查冻干箱内测温探头是否安放准确。

Ø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；

Ø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；

Ø检查冷却水压力≥0.15Mpa、流量是否满足要求,水温≤28℃，是否符合要求；

Ø检查制冷系统中的所有阀门是否处于开启位置；

Ø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；

Ø检查冷阱内化霜水是否已排放干净。

Ø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；

Ø检查各压力控制器设定值：

v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

Ø检查各接线和熔断器是否松动,设备接地是否正确；

Ø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

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“干箱阀”，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。

加热方法共有二种：

“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

冷冻干燥

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5-10℃），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）逐步提高搁板温度即控制升华速度，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）当导热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---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），提高升华速率。

j）渗气结束后，恒温2-3小时，冻干过程结束。

k）关小蝶阀、关