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*節    冷凍干燥技術原理

干燥是保持物質不致腐敗變質的方法之一。干燥的方法有許多，如曬干、煮干、烘干、噴霧干燥和真空干燥等。但這些干燥方法都是在0℃以上或更高的溫度下進行。干燥所得的產品，一般是體積縮小、質地變硬，有些物質發生了氧化，一些易揮發的成分大部分會損失掉，有些熱敏性的物質，如蛋白質、維生素會發生變性。微生物會失去生物活力，干燥后的物質不易在水中溶解等。因此干燥后的產品與干燥前相比在性狀上有很大的差別。而冷凍干燥法不同于以上的干燥方法，產品的干燥基本上在0℃以下的溫度進行，即在產品凍結的狀態下進行，直到后期，為了進一步降低干燥產品的殘余水份含量，才讓產品升至0℃以上的溫度，但一般不超過40℃。

冷凍干燥就是把含有大量水分物質，預先進行降溫凍結成固體，然后在真空的條件下使水蒸汽直接升華出來。而物質本身剩留在凍結時的冰架子中，因此它干燥后體積不變，疏松多孔。在升華時凍結產品內的冰或其它溶劑要吸收熱量。引起產品本身溫度的下降而減慢升華速度，為了增加升華速度，縮短干燥時間，必須要對產品進行適當加熱。整個干燥是在較低的溫度下進行的。

冷凍干燥有下列優點：

⑴冷凍干燥在低溫下進行，因此對于許多熱敏性的物質特別適用。如蛋白質、微生物之類不會發生變性或失去生物活力。因此在醫藥上得到廣泛地應用。

⑵在低溫下干燥時，物質中的一些揮發性成分損失很小，適合一些化學產品、藥品和食品干燥。

⑶在冷凍干燥過程中，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。

⑷由于在凍結的狀態下進行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結構，不會發生濃縮現象。

⑸干燥后的物質疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而*，幾乎立即恢復原來的性狀。

⑹由于干燥在真空下進行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質得到了保護。

⑺干燥能排除95-99％以上的水分，使干燥后產品能長期保存而不致變質。

因此，冷凍干燥目前在醫藥工業、食品工業、科研和其他部門得到廣泛的應用。

第二節  　凍干機的組成和凍干程序

產品的冷凍干燥需要在一定裝置中進行，這個裝置叫做真空冷凍干燥機或冷凍干燥裝置，簡稱凍干機。

凍干機按系統分，由制冷系統、真空系統、加熱系統、和控制系統四個主要部分組成。按結構分，由凍干箱或稱干燥箱、冷凝器或稱水汽凝結器、制冷機、真空泵和閥門、電氣控制元件等組成。圖十三是凍干機組成示意圖。 

 凍干箱是一個能夠制冷到－55℃左右，能夠加熱到+80℃左右的高低溫箱，也是一個能抽成真空的密閉容器。它是凍干機的主要部分，需要凍干的產品就放在箱內分層的金屬板層上，對產品進行冷凍，并在真空下加溫，使產品內的水分升華而干燥。

冷凝器同樣是一個真空密閉容器，在它的內部有一個較大表面積的金屬吸附面，吸附面的溫度能降到－40℃～－70℃以下，并且能維持這個低溫范圍。冷凝器的功用是把凍干箱內產品升華出來的水蒸氣凍結吸附在其金屬表面上。

凍干箱、冷凝器、真空管道、閥門、真空泵等構成凍干機的真空系統。真空系統要求沒有漏氣現象，真空泵是真空系統建立真空的重要部件。真空系統對于產品的迅速升華干燥是*的。

制冷系統由制冷機與凍干箱、冷凝器內部的管道等組成。制冷機可以是互相獨立的二套或以上，也可以合用一套。制冷機的功用是對凍干箱和冷凝器進行制冷，以產生和維持它們工作時所需要的低溫，它有直接制冷和間接制冷二種方式。

加熱系統對于不同的凍干機有不同的加熱方式。有的是利用直接電加熱法；有的則利用中間介質來進行加熱，由一臺泵(或加一臺備用泵)使中間介質不斷循環。加熱系統的作用是對凍干箱內的產品進行加熱，以使產品內的水分不斷升華，并達到規定的殘余含水量要求。

控制系統由各種控制開關，指示調節儀表及一些自動裝置等組成，它可以較為簡單，也可以很復雜。一般自動化程度較高的凍干機則控制系統較為復雜。控制系統的功用是對凍干機進行手動或自動控制，操縱機器正常運轉，以使凍干機生產出合乎要求的產品來。

冷凍干燥的程序：

⑴在凍干之前，把需要凍干的產品分裝在合適的容器內，一般是玻璃模子瓶、玻璃管子瓶或安瓶，裝量要均勻，蒸發表面盡量大而厚度盡量薄一些；

⑵然后放入與凍干箱板層尺寸相適應的金屬盤內。對瓶裝一般采用脫底盤，有利于熱量的有效傳遞。

⑶裝箱之前，先將凍干箱進行空箱降溫，然后將產品放入凍干箱內進行預凍；或者將產品放入凍干箱內板層上同時進行預凍；

⑷抽真空之前要根據冷凝器制冷機的降溫速度提前使冷凝器工作，抽真空時冷凝器至少應達到－40℃的溫度；

⑸待真空度達到一定數值后（通常應達到13Pa～26Pa內的真空度），或者有的凍干工藝要求達到所要求的真空度后繼續抽真空1～2h以上；即可對箱內產品進行加熱。一般加熱分兩步進行，*步加溫不使產品的溫度超過共熔點或稱共晶點的溫度；待產品內水分基本干完后進行第二步加溫，這時可迅速地使產品上升的規定的zui高許可溫度。在zui高許可溫度保持2h以上后，即可結束凍干。

整個升華干燥的時間約12～24h左右有的甚至更長，與產品在每瓶內的裝量，總裝量，玻璃容器的形狀、規格，產品的種類，凍干曲線及機器的性能等等有關。

凍干結束后，要充入干燥無菌的空氣進入干燥箱，然后盡快地進行加塞封口，以防重新吸收空氣中的水分。

在凍干過程中，把產品和板層的溫度、冷凝器溫度和真空度對照時間劃成曲線，叫做凍干曲線。一般以溫度為縱坐標，時間為橫坐標。凍干不同的產品采用不同的凍干曲線。同一產品使用不同的凍干曲線時，產品的質量也不相同，凍干曲線還與凍干機的性能有關。因此不同的產品，不同的凍干機應用不同的凍干曲線。圖十四是凍干曲線示意圖（其中沒有冷凝器的溫度曲線和真空度曲線）。

第三節  共溶點及其測量方法

需要凍干的產品，一般是預先配制成水的溶液或懸濁液，因此它的冰點與水就不相同了，水在0℃時結冰，而海水卻要在低于0℃的溫度才能結冰，因為海水也是多種物質的水溶液。實驗指出:溶液的冰點將低于溶媒的冰點。

另外，溶液的結冰過程與純液體也不一樣，純液體如水在0℃時結冰，水的溫度并不下降，直到全部水結冰之后溫度才下降，這說明純液體有一個固定的結冰點。而溶液卻不一樣，它不是在某一固定溫度*凝結成固體，而是在某一溫度時，晶體開始析出，隨著溫度的下降，晶體的數量不斷增加，直到zui后，溶液才全部凝結。這樣，溶液并不是在某一固定溫度時凝結。而是在某一溫度范圍內凝結。當冷卻時開始析出晶體的溫度稱為溶液的冰點。而溶液全部凝結的溫度叫做溶液的凝固點。凝固點就是融化的開始點（即熔點），對于溶液來說也就是溶質和溶媒共同熔化的點。所以又叫做共熔點或共晶點。可見溶液的冰點與共熔點是不相同的。共熔點才是溶液真正全部凝成固體的溫度。

顯然共熔點的概念對于冷凍干燥是重要的。因為凍干產品可能有鹽類、糖類、明膠、蛋白質、血球、組織、病毒、細菌等等的物質。因此它是一個復雜的液體，它的凍結過程肯定也是一個復雜的過程，與溶液相似，也有一個真正全部凝結成固體的溫度，即共熔點。由于冷凍干燥是在真空狀態下進行的。只有產品全部凍結后才能在真空下進行升華干燥，否則有部分液體存在時，在真空下不僅會迅速蒸發，造成液體的濃縮使凍干產品的體積縮小；而且溶解在水中的氣體在真空下會迅速冒出來，造成象液體沸騰的樣子，使凍干產品鼓泡、甚至冒出瓶外。這是我們所不希望的。為此凍干產品在升華開始時必須要制冷到共熔點以下的溫度，使凍干產品真正全部凍結。

在凍結過程中，從外表的觀察來確定產品是否*凍結成固體是不可能的；靠測量溫度也無法確定產品內部的結構狀態。而隨著產品結構發生變化時電性能的變化是極為有用的，特別是在凍結時電阻率的測量能使我們知道凍結是在進行還是已經完成了，全部凍結后電阻率將非常大，因此溶液是離子導電。凍結時離子將固定不能運動，因此電阻率明顯增大。而有少量液體存在時電阻率將顯著下降。因此測量產品的電阻率將能確定產品的共熔點。

正規的共熔點測量法是將一對白金電極浸入液體產品之中，并在產品中插一支溫度計，把它們冷卻到－40℃以下的低溫，然后將凍結產品慢慢升溫。用惠斯頓電橋來測量其電阻，當發生電阻突然降低時，這時的溫度即為產品的共熔點。電橋要用交流電供電，因為直流電會發生電解作用，整個過程由儀表記錄（圖十六）。

也可用簡單的方法來測量，如圖十五所示。用二根適當粗細而又互相絕緣的銅絲插入盛放產品的容器中，作為電極。在銅電極附近插入一支溫度計，插入深度與電極差不多，把它們一起放入凍干箱內的觀察窗孔附近，并用適當方法把它們固定好，然后與其他產品一起預凍，這時我們用萬用表不斷地測量在降溫過程中的電阻數值，根據電阻數值的變化來確定共熔點。

把電極引線通過一個開關與萬用表相連，可以不分正負極。如果凍干箱沒有電線引出接頭，則可以用二根細導線從箱門縫處引出，在電線附近涂些真空密封蠟，這樣不致于影響真空度。待溫度計降至0℃之后即開始測量并作記錄。把萬用表的轉換開關放在測量電阻的zui（×1K或×10K）。由于萬用表內使用的是直流電，為了防止電解作用，在每次測量完之后要把開關立即關掉，把每一次測量的溫度和電阻數值一一記錄下來。開始時電阻值很小，以后逐步增高。到某一溫度時電阻突然增大，幾乎是無窮大，這時的溫度值便是共熔點數值。

用這種方法測量的共熔點有一定的誤差，因為銅電極處多少有些電解作用。萬用表對于高阻值沒有電橋靈敏；另外，凍結過程與熔化過程電阻的變化情況并不*相同，但所測之值仍有實用參考價值。

共熔點的數值從0℃到－50℃不等，與產品的品種、保護劑的種類和濃度有關。一些物質的共熔點列表二十二供參考，因實際的凍干產品還有其它成份。所以與此不相同。

　表二十二　一些物質的共熔點（℃）

第四節 凍干產品的崩解溫度

對于凍干產品的共熔點大家已經熟悉了，它就是產品的真正固化點。也就是產品在抽真必須冷卻到的那個溫度點，不然產品在抽空時將會起泡，在升華加熱的時候也不能使產品超過這個溫度，不然產品將熔化。因此，共熔點是在預凍階段和升華階段需要進行控制的溫度值。

現在引入一個崩解溫度的概念，它是不同于共熔點的另外一個溫度。

一個正常升華的產品，當升華進行到一定的時候，就會出現上層的干燥層和下層的凍結層，這二層之間的交界面就是升華面，升華面是隨著升華的進行而不斷下降的。

已經干燥的產品應該是疏松多孔，并保持在這一穩定的狀態，以便下層凍結產品升華出來的水蒸汽能順利地通過，使全部產品都得到良好的干燥。

但某些已經干燥的產品當溫度升高到某一數值時，會失去剛性，變得有粘性，發生類似塌方的崩解現象，使干燥產品失去疏松多孔的狀態，封閉了下層凍結產品水蒸汽的逸出通路，妨礙了升華的繼續進行。

于是，升華速率變慢，從凍結產品吸收升華熱也隨之減少，由板層供給的熱量將有多余，這樣便引起凍結產品的溫度上升，當溫度升高到共熔點以上的溫度時，產品就會發生熔化或發泡現象，致使凍干失敗。

發生崩解時的溫度叫做該產品的崩解溫度。對于這樣的產品要獲得良好的干燥，只有保持升華中的干燥產品的溫度在崩解點以下，直到凍結產品全部升華完畢為止，才能使產品溫度繼續上升。這時由于產品中已不存在凍結冰，干燥產品即使發生崩解也不會影響產品的干燥，因為產品已從升華階段轉入解吸干燥階段。

沒有發生崩解的干燥產品與發生崩解的干燥產品在外觀上用肉眼看不出有什么差別，只有在顯微鏡下才能看到結構上的變化。當在顯微鏡下觀察產品的冷凍干燥過程時，如果看到發生崩解現象，那么這時的溫度就是該產品的崩解溫度。

有些產品的崩解溫度高于共熔點溫度，那么升華時僅需控制產品溫度低于共熔點溫度就行了；但有些產品的崩解溫度低于共熔點溫度，那么按照一般的方法控制升華時就可能發生崩解現象，這樣的產品只有在較低的溫度下進行升華，因此必須延長凍干時間。

產品的共熔點可以通過電阻法、差示熱分析法和低溫顯微鏡直接觀察法得知，但產品的崩解溫度只有在冷凍干燥顯微鏡下直接觀察才能得知。

產品的崩解溫度取決于產品本身的品種和保護劑的種類；混合物質的崩解溫度取決于各組分的崩解溫度。因此在選擇產品的凍干保護劑時，應選擇具有較高崩解溫度的材料，使升華干燥能在不很低的溫度下進行，以節省凍干的能耗和時間，提高生產率。

甘氨酸、甘露醇、葡聚糖、木糖醇、聚已烯吡咯烷酮和蛋白質混合物等保護劑能提高產品的崩解溫度。一些物質的崩解溫度℃見表二十三

表二十三  一些物質的崩解溫度℃

第五節  凍干保護劑

在冷凍干燥的液體制品中，除了那些有活性、有生命或有治療效果的組分之外，統稱為凍干保護劑。它不同于佐劑，佐劑具有治療效果，而保護劑則無治療效果。

有些液體制品能單獨地進行冷凍干燥，但也有些液體制品進行冷凍干燥往往不易成功。為了使某些制品能成功地進行冷凍干燥，改善凍干產品的溶解性和穩定性，或使凍干產品有美觀的外形，需要在制品中加入一些附加物質，它們就是保護劑，有時也稱保護劑為懸浮介質、填充劑、賦形劑、緩沖劑、基礎物等。保護劑對于凍干制品必須是化學隋性的。

保護劑的作用：

⒈細菌和病毒需要在特定的培養介質下生長繁殖，但有些培養介質與細菌和病毒往往難以分離，它們一般能成功地冷凍干燥在這些培養介質中。例如肉湯、脫脂、蛋白質等。

⒉有些活性物質濃度極小，干物質含量極少。在冷凍干燥時已經干燥的物質會被升華的氣流帶走。為了改善濃度，增加干物質含量，使凍干后的產品能形成較理想的團塊。因此需要加入填充物質，使固體物質的濃度在4～25％之間。這些填充物或賦形劑是：蔗糖、乳糖脫脂、蛋白質及水解物、聚乙烯吡咯烷酮、葡聚糖、山梨醇等。

⒊有些活性物質特別脆弱，在冷凍干燥時由于物理或化學原因會受到危害，因此加入一些保護劑或防凍劑，以減少冷凍干燥中的損害。例如，加入二甲亞礬、甘油、右旋糖苷（葡聚糖）、糖類、聚乙烯吡咯烷酮等。

⒋加入某些物質可以提高產品的崩解溫度，以得到良好的產品并容易凍干。它們是甘露醇、甘氨酸、右旋糖苷、木糖醇、聚乙烯吡咯烷酮等。

⒌為了改變凍干液體制劑的酸堿度，從而改變共熔點以利于凍干，它們是碳酸氫鈉、氫氧化鈉等。

⒍為了改變產品貯藏的穩定性、提高貯藏溫度，增加貯藏時間，它們是：抗氧化劑類如維生素C、維生素E、氨基酸、硫代硫酸鈉、硫尿等。

保護劑的范圍相當寬廣，品種繁多，但找不到十分理想的保護劑。對于不同的凍干制品也沒有一個保護劑的通用配方。每種產品的適宜保護劑需通過反復的試驗才能確定。

保護劑的種類按化學成份可分為以下幾類：

第六節  影響干燥過程的因素

冷凍干燥過程實際上是水的物態變化及其轉移過程。含有大量水分的生物制品首先凍結成固體，然后在真空狀態下由固態冰直接升華成水蒸汽，水蒸汽又在冷凝器內凝華成冰霜，干燥結束后冰霜熔化排出。在凍干箱內得到了需要的冷凍干燥產品，干燥過程如圖十七所示。

凍干過程有二個放熱過程和二個吸收過程：液體生物制品放出熱量凝固成固體生物制品為放熱過程；固體生物制品在真空下吸收熱量升華成水蒸汽為吸熱過程；水蒸汽在冷凝器中放出熱量凝華成冰霜為放熱過程；凍干結束后冰霜在冷凝器中吸收熱量熔化成水為吸熱過程。

整個凍干過程中進行著熱量和質量的傳遞現象。熱量的傳遞貫穿冷凍干燥的全過程中。預凍階段、干燥的*階段和第二階段以及化霜階段均進行著熱量的傳遞；質量的傳遞僅在干燥階段進行，凍干箱制品中產生的水蒸汽到冷凝器內凝華成冰霜的過程，實際上也是質量傳遞的過程，只有發生了質量的傳遞,產品才能獲得干燥。在干燥階段，熱的傳遞是為了促進質的傳遞，改善熱的傳遞也能改善質的傳遞。

如果在產品的升華過程中不提供熱量，那么產品由于升華吸收自身的熱量使其自身的溫度下降，升華速率也逐漸下降，直到產品溫度相等于冷凝器的表面溫度，干燥便停止進行。這時從凍結產品到冷凝器表面的水蒸汽分子數與從冷凝器表面返回到凍結產品的水蒸汽分子數相等，凍干箱與冷凝器之間的水蒸汽壓力等于零，達到動態平衡狀態。

如果一個外界熱量加到凍結產品上，這個動態平衡狀態就被破壞，凍結產品的溫度就高于冷凝器表面的溫度，凍干箱和冷凝器之間便產生了水蒸汽壓力差，形成了從凍干箱流向冷凝器的水蒸汽流。由于冷凝器制冷的表面凝華水蒸汽為冰霜，使冷凝器內來自由凍干箱內的水蒸汽不斷地被吸附掉，冷凝器內便保持較低的蒸汽壓力；而凍干箱內流走的水蒸汽又不斷被產品中升華的水蒸汽得到補充，維持凍干箱內較高的水蒸汽壓力。這一過程的不斷進行，使產品逐步得到了干燥。

升華首先從產品的表面開始，在干燥進行了一段時間之后，在凍結產品上面形成了一層已干燥的產品，產生了干燥產品與凍結產品之間的交界面(也稱升華界面)。交界面隨著干燥的進行不斷下降，直到升華完畢交界面消失。當產生了交界面之后，水分子要穿越這層已干燥的產品才能進入空間；水分子跑出交界面之后，進入已經干燥產品的某一間隙內。以后可能還要穿過許多這樣的間隙后，才能從產品的縫隙進入空間。也可以經過一些轉折又回到凍結產品之中，干燥產品內的間隙有時象迷宮一樣。

當水分子跑出產品表面以后，它的運動路徑還很曲折。可能與玻璃瓶壁碰撞、可能與玻璃瓶上橡膠塞碰撞、可能與凍干箱的金屬板壁碰撞、也經常發生水分子之間的相互碰撞，然后進入冷凝器內。當水分子與冷凝器的制冷表面發生碰撞時，由于該表面的溫度很低，低溫表面吸收了水分子的能量，這樣水分子便失去了動能，使其沒有能量再離開冷凝器的制冷表面，于是水分子被“捕獲"了。大量水分子捕獲后在冷凝器表面形成一層冰霜，這樣冷凝器表面溫度就略有上升，但隨來自于凍干箱內的水蒸汽負荷的逐漸減少，冷凝器冰霜表面溫度就慢慢下降，從而也慢慢降低了系統內的水蒸汽壓力，使凍干箱內的水蒸汽不斷地流向冷凝器。隨著時間的延長，凍干箱內不斷對產品進行加熱以及冷凝器的持久工作，產品逐漸得到了干燥。

干燥的速率與凍干箱和冷凝器之間的水蒸汽壓力差成正比，與水蒸汽流動的阻力成反比。水蒸汽的壓力差越大，流動的阻力越小，則干燥的速率越快。水蒸汽的壓力差取決與冷凝器的有效溫度和產品溫度的溫度差。因此要盡可能地降低冷凝器的有效溫度和zui大限度地提高產品的溫度。

水蒸汽的流動阻力來自以下幾個方面：

⑴產品內部的阻力：水分子通過已經干燥的產品層的阻力。這個阻力的大小與干燥物質層的結構與產品的種類、成份、濃度、保護劑等有關。

⑵容器的阻力：容器的阻力主來自瓶口之處。因為瓶口的截面較小，瓶口處可能還有某些物品。例如：帶槽的橡皮塞、紗布等，瓶口截面大，則阻力小。

③機器本身的阻力：主要是凍干箱與冷凝器之間的管道阻力，管道粗、短、直則阻力小。另外阻力還與凍干箱的結構和幾何形狀有關。

加快凍干產品的升華速率辦法如下：

①提高凍干箱內產品的溫度：能增加凍干箱內的水蒸汽壓力，加速水蒸汽流向冷凝器，加快質的傳遞，增加干燥速率。但是提高產品的溫度是有一定限度的，不能使產品溫度超過共熔點的溫度。

②降低冷凝器的溫度：也就降低了冷凝器內水蒸汽的壓力，也能加速水蒸汽從凍干箱流向冷凝器的速率。同樣能加快質的傳遞，提高干燥速率。但是更多的降低冷凝器的溫度需增加投資和運行費用。

減少水蒸汽的流動阻力也能加快質的傳遞，提高干燥速率。降低水蒸汽流動阻力辦法有：①減小產品的分裝厚度和增加凍結產品的升華面積；

②合理的設計瓶、塞、減少瓶口阻力；

③合理的設計凍干機，減少機器的管道阻力；

④選擇合適的濃度和保護劑，使干燥產品的結構疏松多孔，減少干燥層的阻力；

⑤試驗*的預凍方法，造成有利于升華的冰晶結構等。這些方法均能促進質的傳遞，

提高干燥速率。