冷冻干燥技术.docx

1、冷冻干燥技术绪 论冷冻干燥是将含水物质，先冻结成固态，而后使其中的水分从固态升华成气态，以除去水分而保留物质的方式。这种干燥方式与通常的晒干、烘干、煮干、喷雾干燥及真空干燥相较有许多突出的优势，如：（1）它是在低温下干燥，不使蛋白质、微生物之类产生变性或失去生物活力。这关于那些热敏性物质，如疫苗、菌类、毒种、血液制品等的干燥保留专门适用。（2）由于是低温干燥，使物质中的挥发性成份和受热变性的营养成份损失很小，是化学制品、药品和食物的优质干燥方式。（3）在低温干燥进程中，微生物的生长和酶的作用几乎无法进行，能最好地维持物质原先的性状。（4）干燥后体积、形状大体不变，物质呈海棉状，无干缩；复水时，

2、与水的接触面大，能迅速还原成原先的性状。（5）因系真空下干燥，氧气极少，使易氧化的物质取得了爱惜。（6）能除去物质中9599%的水分，制品的保留期长。总之，冷冻干燥是一种优质的干燥方式。可是它需要比较昂贵的专用设备，干燥进程中的耗能较大，因此加工本钱高，目前要紧应用在以下一些方面：（1）生物制品、药品方面：如抗菌素、抗毒素、诊断用品和疫苗等。（2）微生物和藻类方面：如酵母、酵素、原生物、微细藻类等。（3）生物标本、活组织方面：如制作各类动植物标本，干燥保留用于动物异种移植或同种移植的皮层、角膜、骨骼、主动脉、心瓣膜等边缘组织。（4）制作用于光学显微镜、电子扫描和投射显微镜的小组织片。（5）食物

3、的干燥：如咖啡、茶叶、鱼肉蛋类、海藻、水果、蔬菜、调料、豆腐、方便食物等。（6）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。（7）其他：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、土壤冻干后保留，用以研究土壤、肥料、气候对植物生长的阻碍及生长因子的作用；潮湿的木制文物、淹坏的书籍稿件等用冻干法干燥，能最大限度的维持原状等。冷冻干燥能保留食物很早就为人们所知。古代北欧的海盗利用干寒空气的自然条件来干燥和保留食物，确实是其中一列。可是，将冷冻干燥作为科学技术仍是近百年来的事。1890年啊特曼（Altmann）在制作标本时，为了避免标本中的物质在有机溶剂中溶解，造成

4、不可逆损失，改变过去用有机溶剂脱水的方式，采纳冷冻干燥法冻干各类器官和组织。他的工作确立了生物标本系统的冻干程序，这是冻干在制作生物标本中的最先应用。1909年谢盖尔（Shackell）将冻干引入细菌学和血清学领域。他采纳了盐水预冻，在真空状态下，用硫酸做吸水剂，对补体、抗毒素、狂犬病毒等进行冻干，其设备虽十分简陋，但却是后世先进冻干机的雏形。1912年卡瑞尔（Carrel）第一提出用冻干技术为外科移植保留组织。1935年第一台商用冻干机问世。1940年冻干人血浆开始投入市场。第二次世界大战中，由于需要大量的冻干人血浆和青霉素，因此冻干在医药、血液制品等方面的应用取得迅速的进展。艾尔塞（Els

5、er）、沸烙斯道夫（Flosdorf）、格雷夫斯（Greaves）和他们的同事们，一方面进行冻干基础理论的研究，一方面进行装置大型化、现代化的改良，使冻干技术从实验室时期向工业生产和产品商品化进展。战后，冻干法又迅速扩展到各类疫苗、药品等领域。1930年沸烙斯道夫进行了食物冻干的实验，1949年他在高作中展望了冻干在食物和其他疏松材料方面应用的前景。二次世界大战后，英国食物部在啊伯丁（Aberdeen）的实验工厂也进行了食物冻干的研究。他们在综合了那时的一些研究功效的基础上，于1961年发布了实验功效，证明冻干法用于食物加工是一种能取得优质食物的方式。随后在美、日、英、加等国接踵成立起冻干食物

6、的工厂，到1965年全世界已有食物冻干工厂50多家，后来随着越南战争的需要，美国军需定货增多，加上冻干工艺的改良，生产本钱的降低，在日、美等国食物冻干的进展就更为迅速。此刻冻干食物除在宇宙航行、军队、登山、航海、探险等特殊场合受到欢迎外，在一样民用食物中也确立了稳固的地位。1985年仅日本就有25家公司生产冻干食物，其总销售额为1700亿日元。随着冻干技术的应用和进展，冻干机理和技术的研究也随之进展起来。1949年沸烙斯道夫出版了他的世界上第一本有关冻干技术及理论的专著。1951年和1958年前后在英国伦敦召开了第一界和第二界以冻干为主题的专题讨论会。后来国际制冷学会将冷冻干燥列为C1委员会的

7、学术内容之一。通过约半个世纪的进展，冻干设备和技术已趋于完善。现代先进的冻干设备不仅能能知足各类冻干工艺加工的要求，在操作操纵上已成功地采纳了电子运算机全自动操纵；在工艺上发明了为改善加热条件，缩短冻干周期的循环压力法，调压升华法和监控干燥终止的压力检查法；在医药品冻干中，可在真空条件下对小瓶自动加塞，对安瓶的自动溶封等。另外冷冻干燥还应用于非水溶液的干燥。固然冻干技术还有许多尚待解决的问题。如妨碍冻干技术更为普遍应用的最大障碍是生产本钱高，因此如何缩短冻干周期进行能源的综合利用、强扮装置的功能，降低装置的功能，降低设备造价都是冻干行业专门是食物冻干行业进展学要解决的重要课题。在我国，解放前只

8、在实验室用简易的冻干装置进行保留菌种的实验。1953年卫生部所属北京、武汉两生物制品研究所前后安装了大型冻干设备，迈开了我国生物制品冻干工业化的第一步。后来在其他人用、兽用生物药品厂、生化药厂等制药行业取得进展，目前全国大约有200家左右的工厂和研究单位利用冻干机进行生物制品、医药品的生产和研究。在食物冻干方面，60年代后期在北京、上海、大连等地接踵成立了一些实验性冻干设备，70年代中起在上海成立了年产3000吨的食物冻干车间。可是那时我国的人民生活水平低，人们有爱吃新鲜食物的适应，冻干食物在国内市场不大；而那时的“闭关锁国”政策，冻干食物也未能打入国际市场，致使这些工厂接踵停产。此刻除北京、

9、福建、广东、青岛等地还在生产俏销的蘑菇、调料之外，食物冻干几乎没有进展。我国可用于冻干加工的食物资源专门是土特产十分丰硕，如豆制品、蘑菇、苔菜、猕猴桃、椰汁、大蒜、茶叶、蜂蜜等产品活着界上都是出名的。随着党对外开放、对内弄活政策方针的贯彻和我国人民食物结构的改变，食物冻干业在我国将会取得迅速进展。第一章 冷冻干燥基础第一节 水和溶液的一些性质一、水的状态平稳图物质有固、液、汽三态。物质的状态与其温度和压力有关。图1-1示出水（H2O）的状态平稳图。图中OA、OB、OC、三条曲线别离表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽两相共存时其压力和温度之间的关系。别离称为溶化线、沸腾线、和升华线。此三条线将图

10、面分成、三个区域，别离表示冰溶化成水，水汽化成水蒸气和冰升华成水蒸气的进程。曲线OB的顶端有一点K，其温度为374，称为临界点。假设水蒸气的温度高于其临界点温度374时，不管如何加大压力，水蒸气也不能变成水。三曲线的交点O，为固、液、汽三相共存的状态，称为三相点，其温度为，压力为610Pa。在三相点以下，不存在液相。假设将冰面的压力维持低于610Pa，且给冰加热，冰就会不经液相直接变成汽相，这一进程称为升华。二、溶液及其结晶进程一种或几种物质以分子或离子状态均匀地散布于另一种物质中，所取得的均匀的、稳固的液体叫做溶液。组成溶液的组分有溶质、溶剂之分，适应上将占较大比例的组分成为溶剂，占较少比例

11、的组分称为溶质，由水与其他物质组成的溶液称为水溶液一样将水溶液中的水成为溶剂，而不论其在溶液中比例的多少。为了说明一种溶液，除大体参数（例如压力、温度）外还需指出它的成份（或浓度）。表示溶液成份的方式很多，最经常使用的是用质量成份表示。关于二元溶液（即两种组分组成的溶液），如用1、2别离表示第一组分和第二组分的质量成份，用m1、m2别离表示相应的质量，那么溶液的溶点、沸点与溶质溶剂的溶点、沸点均不相同，且随溶液的浓度不同而异。图1-2为氯化钠水溶液的温度浓度图。图上的任意一点均表示溶液的某一状态，例如点A表示温度为t1，浓度为1的氯化钠水溶液。线BE、CE为饱和溶解度线，该线上的点所表示的溶液

12、的溶解度均处于饱和状态，该线上部区域的点所表示的溶液的溶解度为未饱和状态，其下部的为过饱和状态，E点称为溶液的共晶点。使状态为A（温度t1,浓度1）的溶液冷却，开始时浓度1不变，温度下降，进程沿AH进行，冷却到H以后，如溶液中有“种冰”（或晶核），那么溶液中的一部份水会结晶析出，剩下的溶液的浓度那么上升、进程将沿析冰线BE进行，直到点E，溶液浓度达到其共晶浓度，温度降到共晶温度以下，溶液才全数冻结。E点成为溶液的共晶点。同理，假设使状态为A的溶液冷却，达到H后先析出盐，然后沿析盐线CE，一边析出盐一边温度下降，直到共晶点E才全数冻结。其进程线为AHE。假设溶液冷却到平稳状态时，溶液中无“晶核”

13、存在，那么溶液并非会结晶，温度将继续下降，直到溶液由于外界干扰（如植入“种晶”、振动等）或冷却到某一所谓核化温度Th e t，在溶液中产生晶核，这时其超溶组分才会结晶，并迅速生长，同时放出结晶热，使溶液温度升到平稳状态。其浓度也随超溶组分的析出而转变。其进程线为AHGDE或AHGDE。三、冻干产品的溶液一样来讲，冻干产品的溶液是由要紧功能组分（如药用成份）、多种添加组分（如抗氧化剂、填充剂等等）和蒸馏水混合而成的胶体悬浮液。它与一样能互溶的溶液不完全相同，具有一系列的低共溶点温度。关于冻干加工来讲，需要确信一个较高的平安操作温度，使得在该温度以上时，产品中存在未冻结的液体，而在该温度以上时，产

14、品将全数冻结，那个温度确实是冻干产品的共溶点温度。一些产品的共溶点温度列于表1-1。表1-1 一些饱和溶液的共溶温度溶液名称摩尔溶解度（30时）观察共溶温度（）计算温度（）甲基芬尼定磷酸盐吩妥胺磷酸盐甘 露 醇乳 糖氯 化 钠氯 化 钾溴 化 钾甘 油 水二甲亚砜水73第二节溶液的冷冻干燥进程 为了有利于干燥，一样冻干产品溶液配制成含固体物质4%-15%的稀有溶液。这种溶液中的水，大部份是以分子形式存在于溶液中的自由水；少部份是吸收于固体物质晶格间隙中或以氢键方式结合在一些极性基团上的结合水；至于固定于生物和细胞中能冻结、很难除去的结合水。冻干的目的确实是在低温、真空环境中除去物质中的自由水和

15、一部份吸附于固体晶格间隙中的吸附水。因此冷冻干燥进程一样分三步进行，即预冻结、升华干燥（或称第一时期干燥）、解析干燥（或称第二时期干燥）。一、预冻结（预冻）预冻确实是将溶液中的自由水固化，给予干后产品与干燥前有相同的形态，避免抽暇干燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不可逆转变产生，减少因温度下降引发的物质可溶性降低和生命特性的转变。溶液的冻结进程如图1-3所示。溶液需过冷到冰点以下，其内产生晶核以后，自由水才开始以纯冰的形式结晶，同时放出结晶热使其温度上升到冰点，随着晶体的生长，溶液浓度增加，当浓度达到共晶浓度，温度下降到共晶点以下时。溶液就全数冻结。溶液结晶的晶粒数量和大小除与溶液本身性质有关

16、外，还与晶核生成速度和晶体生长速度有关，而这二者又都随冷却速度和温度而转变。一样来讲，冷却速度愈快、过冷温度越底，形成的晶核数量越多，晶体来不及生长就被冻结，现在所形成的晶体数量越多，晶粒越细，反之晶粒数量越少晶粒越大。图1-4示出水的结晶速度很小，但生长速度却迅速增加。因此若是让溶液在接近于0晶核生长速度很小，但生长速度却迅速增加。因此如多让溶液在接近于0冻结，那么会取得粗而大的结晶，假设使之在较低温度下结晶，那么将取得量多粒小的晶体。晶体的形状也与冻结温度有关。在0周围开始冻结时，冰晶呈六角对称形，在六个主轴方向向前生长，同时还会显现假设干副轴，所有冰晶将慢慢丧失容易识别的六角对称形式，加

17、上成核数多，冻结速度快可能形成一种不规那么的树枝型他们有任意数量的轴向柱壮体（轴柱），而不象六方晶型那样只有六条。最高冷却速度时取得渐消球晶，它是一种初始的或不完全的球型结晶，通过重结晶能够再完成其结晶进程。生物液体（如血液血浆、肌肉浆液、玻璃体液等）结冰形成的结晶单元，往往与单一成份的水溶液形成的冰晶类型相似。结晶类型要紧取决于冷却速度和体液浓度，例如血浆、肌肉浆液等在正常浓度下结冰时，在较高零下温度、慢冷却速度下形成六方结晶单元，快速冷却至低温时形成不规那么树枝壮晶体。细胞悬浮液（如红血球、白血球、精子、细菌等悬浮于蒸馏水、血浆或其他悬浮介质中），在高零下温度缓慢结冰时，悬浮液中大量的冰生

18、长，将细胞挤在两冰柱之间的狭小管道中，管道内的悬浮介质因水析出结冰而溶质浓缩，细胞内的水通过细胞膜渗透出细胞，又造成细胞内溶质的浓缩。与此同时，胞外冰的生长，还将迫使细胞物质体积缩小、变形。但现在细胞内不结冰。当在低温下快速结冰时，那么细胞内将形成胞内冰，冰的大小、形状和散布与冷却速度、爱惜剂的存在与否、爱惜的性质和细胞内的含量有关，一样来讲，冷却速度越快、温度越低，细胞内形成的冰越多。悬浮液中添加象蔗糖之类的非渗透爱惜剂，能够使快速结冰时细胞内形成的冰数量减少。溶液的结晶形式对冻干速度有直接阻碍。结晶升华后留下的间隙是后续冰晶升华时水蒸气逸出的通道，大而持续的六方晶体升华后留下的间隙通道大，

19、水蒸汽逸出的阻力小，因此制品干燥速度快；反之树枝形和不持续的球状冰晶通道小或不持续，水蒸汽靠扩散或渗透方能逸出，因此干燥速度慢。因此仅从干燥速度来讲慢冻为宜。冻结对细胞和生命体的破坏作用的机理，目前研究不够，也无统一的观点。在为数众多的观点中有代表性的观点是：造成细胞死亡的要紧缘故是溶质、专门是特殊溶质（如结构蛋白）的浓缩、细胞脱水和胞内冰的形成。在溶液结冰进程中，水析出结冰，剩下的溶液浓度增加。咱们明白，反映物的浓度增大，能促使其化学反映速度加速。另外，溶质的沉淀，还会引发PH值的转变，结冰时环境的转变，可能引发蛋白质等生物大分子变性增大。若是这些转变中的某些成为不可逆的，就会致使细胞的死亡

20、。在高零下温度慢速冷却时，细胞内虽不结冰，但细胞外水结冰后，蒸汽压降低，造成细胞内外的蒸汽压差，细胞内的水通过细胞膜渗透到胞外，造成细胞脱水。冻结的速度越慢，渗透的时刻越长，其脱水也越厉害。这种情形发生在高渗性（指水）的细胞中。有人以为，胞内冰的形成，引发胞内溶质的浓缩或细胞膜的破裂，是造成细胞死亡的缘故，这种观点已为一些实验所证明，但其通用性尚待进一步研究。但是，关于许多物质来讲，胞内冰的形成对细胞的损害是明显的。上述机理均尚不具一般性，在冻干的实践中还需依照具体条件进行分析和实验验证，找出适合的冻结速度。另外，冻结的速度还与冻结设备的种类、能力和传热介质等有关。据爱得华冻干手册介绍，关于1

21、0mm厚的产品，冷冻到-25的最正确冷冻速度、最正确结晶结构和较快的干燥时刻是：在冻干机外部的风冷箱式冻结箱中冻结为12小时；壳状冻结器用酒精作传热介质时，假设用机械制冷那么为1020分钟，假设用干冰制冷那么为510分钟；垂直冻结器假设用液体冷却时那么为5-10分钟，假设用气体冷却时那么为15-20分钟；在冻干机干燥箱内冻结用搁板冷冻时为小时二、升华干燥升华干燥也称第一时期干燥。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汽逸出而使产品脱水干燥，干燥是从外表面开始慢慢向内推移的，冰晶升华后残留下的间隙变成尔后升华水蒸气的逸出通道。已干燥层和冻结部份的分界面称为升华界面。在生物制

22、品干燥中，升华界面约以每小时1mm的速度向下推动。当全数冰晶除去时，第一时期干燥就完成了，现在约除去全数水分的90%左右。产品中冰的升华是在升华界面处进行，升华时所需的热量由加热设备（通过搁板）提供。如图1-5所示。从搁板传来的热量由以下途径传至产品的升华界面：（1）故体的传导。由玻璃瓶底与搁板接触部位传到玻璃瓶底、穿过瓶底和产品的冻结部份抵达升华界面；（2）辐射。上搁板的下表面和下搁板的上表面向玻璃瓶及产品干燥层表面辐射，再通过玻璃瓶及冻结层或已干燥的导热抵达升华界面；（3）通过搁板与玻璃瓶外表面间残余的气体的对流。由于传热中必需有传热温差，且各段传热温差与其相应热阻成正比，因此产品中形成了

23、图1-5所示的温度散布。例如：搁板表面温度为50，到升华界面的温度可能约为-25冰层最高温度约为-20，干燥层上表面温度可能为+25。表1-2要紧药品的冷冻干燥温度（崩解临界温度）物 质浓 度温 度（）司库乐5-50%-25葡萄糖10%3840乳糖10%1819马尼妥10%24山梨糖醇桔西乐10%4142多缩葡萄糖 低m. wt.10%2 高m. wt10%3PEG600010%910古力辛10%3-氨基丙酸10%23-A10%13精氨酸10%3335EACA110%15变压器用AMCHA25%24GABA110%1820NaC110%2122KC110%1011醋酸10%2627拘掾酸10%

24、50硫胺素硝酸盐10%5吡哆醇10%4抗坏血酸5%3637抗坏血酸10%3637钠啊斯考派脱10%3033烟酰胺10%34钙、潘妥颠10%1819乙酰胺10%25钠、巴比妥10%4表13要紧食物的冷冻干燥温度食品名称厚度（mm）干燥板温度（）压力（Pa）干燥时间（h）牛肉（煮熟）810551026金枪鱼（生）6401026牡蛎（生）1015401014蟹（水煮）102040108虾（半刨水煮）82045106蛋白（生）540104蛋黄（生）540103全蛋（生）5401034白桃（8等分）1020451014罐头桃1015451012香蕉（切断）545106番茄汁5501045圆辣椒45010

25、25圆辣椒（早饭）4501024卷心菜125010223洋葱34501025胡萝卜4501025藕4501024土豆10551025山芋菜23501023浆果25010234松蘑1045105酱油345103豆油44510245绿茶（浓茶水）440103红茶（浓茶水）440103咖啡（浓）440103果子冻4401023产品升华时受以下几种温度限制：（1）产品冻结部份的温度应低于产品共溶点温度；（2）产品干燥部份的温度必需低于其崩解温度或允许的最高温度（不烧焦或性变）；（3）最高搁板温度。所谓崩解温度是液态产品已干部份组成的“骨架”，当温度上升到必然数值时，其刚度降低，变的有粘性而塌陷，封锁了

26、已干部份的海绵状微孔，阻止升华的进行，升华速度减慢。由于所需热量减少，当显现这种状态时，如不迅速加热，降低温度，产品就会发生供热多余融化报废。因此把握产品的崩解温度是很重要的，一些制品的崩解温度列于表1-2。崩解温度要紧由溶液的成份所决定。太低的崩解温度会延长干燥时刻，乃至是设备能力所不能达到的。这可通过选择适合的添加剂来提高崩解温度。在固体食物冻干时，为了幸免因搁板温度太高而产生变性或烧坏，搁板温度应限制在某一平安值以下。一些食物的搁板平安温度列于表1-3。纯冰的升华速度：纯冰的绝对升华速度G。可用Knudsen方程来表示G.=p.(M/2RT)1/2kg/sm2式中：蒸发系数p.冰升华面温

27、度T时饱和蒸汽压，kPa;M水蒸汽的分子量，kg/lmol；R气体常数，kl/kmolK；T冰的绝对温度，K。因p.随冰的饱和温度T增大而增大，因此升华面温度越高，其升华量G也越大。在冷冻干燥产品时，假设传给升华界面的热量等于从升华界面逸出的水蒸汽升华时所需的热量时，那么升华界面的温度和压力均达到平稳，升华正常进行。假设供给的热量不足，水的升华夺走了制品自身的热量而使升华界面的温度降低，假设逸出的水蒸汽少于升华的水蒸气，多余的水蒸气聚集在升华界面使其压力增高，升华温度提高，最后将致使制品融化。因此，冷冻干燥的升华速度一方面取决于提供给升华界面热量的多少；另一方面取决于从升华界面通过干燥层逸出水

28、蒸汽的快慢。传热量 为了简化计算，将冻干的传热传质简化成图1-6所示模型。通过冻层和已干燥层的传热量可用以下公式表示Q=Ai（TwT）/ W (1-5)Q=Ad（TwT）/d W (1-6)式中：A升华面积，m2；i ，d冻层和干层的导热系数，W；Tw， Tw冻层底部和干层外表面的绝对温度，W/mK；T升华界面的绝对温度，K；、d冻层厚度和干层厚度，m。蒸汽传输量 升华出来的水蒸气通过已干燥层和箱内空间输送到水汽凝结器。其传输速度（即升华速度）可用下式表示G=A(P-PO)/Rd+RS+k11 kg/s式中：A升华界面面积；P，PO升华界面和水汽凝结器的压力；Rd、RS干燥层的阻力和干燥层表面

29、到水汽凝结器之间的空间的阻力，Pam2s/kg;k1由升华物质的分子量所决定的常数，kg/ Pam2s。从上述几个公式可见，欲提高升华速度，应使：（1）冻层底部或干层表面的温度在许诺的最高值以下尽可能高。（2）制品厚度越薄其热阻和流动阻力越小，热量和质量传输越快，升华速度越高。但每批制品的产量与厚度成正比，而每批加工的辅助工作量又大致相等，因此制品太薄会造成产品总本钱的提高。由厚到薄之间存在一个总本钱最低的最正确厚度。一样来讲，生物制品的厚度为1015mm。（3）冻结层的导热系数i要紧决定于制品的成份；已干燥层的导热系数d还决定于压力和气体的成份，其转变关系参见图1-7。由图可见，为了提高冻干层的导热系数，箱内压力越高越好。也可视为PO越高，又会使水蒸气不易从升华面逸出，造成升华面温度太高，冻层融化和干燥面崩解。为了二者兼顾，依照产品不同一样可将箱内压力操纵在13Pa130Pa之间。（4）蒸气的排除还取决于Rd、Rs。由实验知，Rd比Rs大6-10倍。也确实是说，穿过已干多孔层的水蒸气的流率大体上决定了干燥速度。而Rd要紧与干层厚度和晶粒大小有关。一样来讲，粗大而持续的网状冰晶，升华后也形成粗大而持续的网状间隙通道，水蒸气逸出时流动阻力较小，升华速度快。细小