冷冻乾燥机--中文百科全书

冷冻乾燥

冷冻乾燥（以下简称冻乾）就是将含水物质，先冻结成固态，而后使其中的水分从固态升华成气态，以除去水分而保存物质的方法。

在压缩空气乾燥过程中，其冷冻乾燥是通过降低压缩空气温度，使压缩空气中的水份析出。冷冻乾燥机（冷乾机）的工作原理与电冰柜一样，压缩空气经过冷冻的压缩空气管道后，压缩空气温度下降至要求的温度，达到乾燥的要求。

起源

冻乾机起源于19世纪20年代的真空冷冻乾燥技术经历了几十年的起伏和徘徊后，在最后的20年中取得了长足进展。进入21世纪，真空冻乾技术凭藉其它乾燥方法无法比拟的优点，越来越受到人们的青睐，除了在医药、生物製品、食品、血液製品、活性物质领域得到广泛套用外，其套用规模和领域还在不断扩大中。为此，真空冷冻乾燥必将成为21世纪的重要套用技术。

优势

乾燥的方法多种多样，如晒乾、煮乾、烘乾、喷雾乾燥和真空乾燥等,但普通乾燥方法通常都在0℃以上或更高的温度下进行。乾燥所得的产品一般都存在体积缩小、质地变硬的问题，易挥发的成分大部分会损失掉，一些热敏性的物质发生变性、失活，有些物质甚至发生了氧化。因此，乾燥后的产品与乾燥前相比，在性状上有很大的差别。冻乾法则基本上在0℃以下进行，即在产品冻结的状态下进行，只在后期降低产品的残余水份含量时，才让产品升至0℃以上的温度，但一般不超过40℃。在真空条件下，当水蒸汽直接升华出来后，药物剩留在冻结时的冰架中，形成类似海绵状疏鬆多孔架构，因此它乾燥后体积大小几乎不变。再次使用前，只要加入注射用水，又会立即溶解。冻乾机相对常规方法，冻乾法具有如下优点：

* 许多热敏性的物质不会发生变性或失活。

* 在低温下乾燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小。

* 在冻乾过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因此能保持原来的性状。

* 由于在冻结的状态下进行乾燥，因此体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。

* 由于物料中水分在预冻以后以冰晶的形态存在，原来溶于水中的无机盐类溶解物质被均匀地分配在物料之中。升华时，溶于水中的溶解物质就析出，避免了一般乾燥方法中因物料内部水分向表面迁移所携带的无机盐在表面析出而造成表面硬化的现象。

* 乾燥后的物质疏鬆多孔，呈海绵状，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。

* 由于乾燥在真空下进行，氧气极少，因此一些易氧化的物质得到了保护。

* 乾燥能排除95%～99%以上的水分，使乾燥后产品能长期保存而不致变质。

* 因物料处于冻结状态，温度很低，所以供热的热源温度要求不高，採用常温或温度不高的加热器即可满足要求。如果冷冻室和乾燥室分开时，乾燥室不需绝热，不会有很多的热损失，故热能的利用很经济。

正所谓没有完美的技术，真空冷冻乾燥技术的主要缺点是成本高。由于它需要真空和低温条件，所以真空冷冻乾燥机要配置一套真空系统和低温系统，因而投资费用和运转费用都比较高。

主要参数

1：乾燥室：乾燥室的尺寸（宽*深*高），搁板数目，搁板有效总面积、搁板尺寸、搁板温度

2. 是否具备压盖功能：若具备是手动还自动的

3. 冷凝器：冷凝器的材料、冷凝器凝冰量、冷凝器最终温度、冷凝室门材料、除霜器系统

4. 冷却系统：採用的压缩机

5. 乾燥能力：每天干燥样品重量

6. 电源：

7. 监控方式：使用外置电脑还是机器自身液晶显示，以及监控的参数设计

套用

真空冷冻乾燥技术在生物工程、医药工业、食品工业、材料科学和农副产品深加工等领域有着广泛的套用。

药品冷冻乾燥包括西药和中药两部分。西药冷冻乾燥在国内已经得到了一定的发展，很多较大型的製药厂都有冷冻乾燥设备。在针剂方面，冷冻乾燥工艺採用的比较多，提高了药品质量和贮存期限，给医患双方都带来了利益。冻乾药品的品种不多，产品价格高，乾燥工艺不先进。在中药方面，局限在人参、鹿茸、山药、冬虫夏草等少量中药材的冻乾，大量的中成药还没有採用冻乾工艺，与国外差距较大。日本几年前就开展了“汉药西制”，改变了中药的熬制方法，解决了中药不能製成针剂或片剂的传统，也解决了中药不治急病的难题，因此我国中药冻乾工艺及产品的研究很有潜力可挖。

在生物技术产品领域，冻乾技术主要用于血清、血浆、疫苗、酶、抗生素、激素等药品的生产；生物化学的检查药品、免疫学及细菌学的检查药品；血液、细菌、动脉、骨骼、皮肤、角膜、神经组织及各种器官长期保存等。

设备的现状与发展

冻乾技术的套用和设备是分不开的，到目前为止，冻乾设备的形式主要分为间歇式和连续式两大类，设备的规模从不到一平方米到几十平方米都有。

间歇式冻乾设备

间歇式冻乾设备适合多品种小批量生产，特别是在食品领域适用于季节性强的食品生产。採用单机操作，如果一台设备发生故障，不会影响其它设备的正常运行。间歇式冻乾设备便于控制物料乾燥时不同阶段的加热温度和真空度的要求。设备的加工製造和维修保养易于进行。但由于装料、卸料、起动等操作占用时间较多，因此设备利用率低，生产效率也不高。

连续式冻乾设备

国内外开始探索和使用连续式真空冷冻乾燥设备。连续式设备的特点是适于品种单一而产量庞大、原料充足的产品生产，特别适合浆状和颗粒状製品的生产。连续式设备容易实现自动化控制，简化了人工操作和管理，其主要缺点是成本高。

随着GMP认证的结束，国产的优秀医药用冻乾设备全面进入了现代化阶段，功能齐全、工作可靠、性能稳定，可实现线上清洗（CIP）或蒸汽消毒灭菌（SIP），各项技术指标都能满足生物製品和药品冻乾生产的需要。相比之下，国外冻乾设备的品种规格比国内多，配套设备齐全，节能型结构比较精緻，连续式冻乾设备生产量大。为保证冻乾产品的质量和节能，常採用冻乾设备与其它乾燥设备组合在一起的组合冻乾设备，例如喷雾冻乾设备。

在未来，如何在保证产品质量的前提下，提高冷冻乾燥效率，缩短乾燥时间，节约能源将是广大冻乾行业工作者的目标。

加工工艺

冻乾加工工艺对于某些生物製品、药品的製造起到关键性作用。如麻疹疫苗和卡介苗冻乾前在保冷情况下的有效期只有3个月，而卡介苗的安全试验就需耗时2个月才能完成。冻乾工艺使卡介苗的活菌数经 4~5 年存放后仍保持在合格水平。冻乾工艺生物製药中主要套用于生物、生化製品、中药注射剂製品和热不稳定的抗生素类製品的生产。

工作原理

压缩空气中水蒸气的量是由压缩空气的温度决定的：在保持压缩空气压力基本不变的情况下，降低压缩空气的温度可减少压缩空气中的水蒸气含量，而多余的水蒸气会凝结成液体。冷冻乾燥机就是利用这一原理採用製冷技术乾燥压缩空气的。因此冷乾机具有製冷系统。格力冷冻乾燥机原理正视图

冷冻乾燥机的製冷系统属于压缩式製冷，由製冷压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等四个基本部件组成。它们之间用管道次连线，形成一个密闭的系统，製冷剂在系统中不断地循环流动，发生状态变化并与压缩空气和冷却介质进行热量交换。

製冷压缩机将蒸发器内的低压（低温）製冷剂吸入压缩机汽缸内，製冷剂蒸汽经过压缩，压力、温度同时升高；高压高温的製冷剂蒸汽被压至冷凝器，在冷凝器内，温度较高的製冷剂蒸汽与温度比较低的冷却水或空气进行热交换，製冷剂的热量被水或空气带走而冷凝下来，製冷剂蒸汽变成了液体。这部分液体再被输送至膨胀阀，经过膨胀阀节流成了低温低压的液体并进入蒸发器；在蒸发器内低温、低压的製冷剂液体吸收压缩空气的热量而汽化（俗称“蒸发”），而压缩空气得到冷却后凝结出大量的液体水；蒸发器中的製冷剂蒸汽又被压缩机吸走，这样製冷剂便在系统中经过压缩、冷凝、节流、蒸发这样四个过程，从而完成了一个循环。

在冷冻乾燥机的製冷系统中，蒸发器是输送冷量的设备,製冷剂在其中吸收压缩空气的热量，实现脱水乾燥的目的。压缩机是心脏，起着吸入、压缩、输送製冷剂蒸汽的作用。冷凝器是放出热量的设备，将蒸发器中吸收的热量连同压缩机输入功率转化的热量一起传递给冷却介质（如水或空气）带走。膨胀阀/节流阀对製冷剂起节流降压作用、同时控制和调节流入蒸发器中製冷剂液体的数量，并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。

製品的冻结

溶液速冻时（每分钟降温10~50℃），晶粒保持在显微镜下可见的大小；相反慢冻时（1℃/分），形成的结晶肉眼可见。粗晶在升华留下较大的空隙，可以提高冻乾的效率，细晶在升华后留下的间隙较小，使下层升华受阻，速成冻的成品粒子细腻，外观均匀，比表面积大，多孔结构好，溶解速度快，便成品的引湿性相对也要强些。

药品在冻乾机中预冻在两种方式：一种是製品与乾燥箱同时降温，另一种是待乾燥箱搁板降温至-40℃左右，再将製品放入，前者相当于慢冻，后者则介于速冻与慢冻之间，因而常被採用，以兼顾冻乾效率与产品质量。此法的缺点是製品入箱时，空气中的水蒸气将迅速地凝结在搁板上，而在升华初期，若板升温较快，由于大面积的升华将有可能超越凝结器的正常负荷。此现象在夏季尤为显着。

製品的冻结处于静止状态。经验证明，过冷现象容易发生至使製品温度虽已达到共晶点。但溶质仍不结晶，为了克服过冷现象，製品冻结的温度应低于共晶点以下一个範围，并需保持一段时间，以待製品完全冻结。

二升华条件

冰在一定温度下的饱和蒸汽压大于环境的水蒸气分压时即可开始升华；比製品温更低的凝结器对水蒸气的抽吸与捕获作用，则是维护升所必需的条件。

气体分子在两次连续碰撞之间所走的距离称为平均自由程，它与压力成反比。在常压下，其值很小，升华的水分子很容易与气体碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升华速度很漫。随着压力降低13.3Pa以下，平均自由程增大105倍，使升华速度显着加快，飞离出来的水分子很少改变自己的方面，从而形成了定向的蒸汽流。

真空泵在冻乾机中起着抽除永久气体的作用，以维护升华所必需的低压强。1g水蒸气在常压下为1.25L而在13.3Pa时却膨胀为10000升，普通的真空泵在单位时间内抽除如此大量的体积是不可能的。凝结器实际上形成了专门捕集水蒸气的真空泵。

製品与凝结的温度通常为-25℃与-50℃。冰在该温度下的饱和蒸汽压分别为63.3Pa与1.1Pa,因而在升华面与冷凝面之间便产生了一个相当大的压力差,如果此时系统内的不凝性气体分压可以忽略不计,它将促使製品升华出来的水蒸气,以一定的流速定向地抵达凝结器表面结成冰霜。

冻的升华热约为2822J/克，如果升华过程不供给热量，那末製品只有降低内能来补偿升华热，直至其温度与凝结器温度平衡后，升华也就停止了。为了保持升华与冷凝来的温度差，必须对製品提供足够的热量。

三升华过程

在升温的第一阶段（大量升华阶段），製品温度要低于其共晶点一个範围。因此搁板温要加以控制，若製品已经部分乾燥，但温度却超过了其共晶点，此时将发生製品融化现象，而此时融化的液体，对冰饱和，对溶质却未饱和，因而乾燥的溶质将迅速溶解进去，最后浓缩成一薄僵块，外观极为不良，溶解速度很差，若製品的融化发生在大量升华后期，则由于融化的液体数量较少，因而被乾燥的孔性固体所吸收，造成冻乾后块状物有所缺损，加水溶解时仍能发现溶解速度较慢。

在大量升华过程，虽然搁板和製品温度有很大悬殊，但由于板温、凝结器温度和真空温度基本不变，因而升华吸热比较稳定，製品温度相对恆定。随着製品自上而下层层乾燥，冰层升华的阻力逐渐增大。製品温度相应也会小幅上升。直至用肉眼已不到冰晶的存在。此时90%以上的水分已除去。大量升华的过程至此已基本结束，为了确保整箱製品大量升华完毕，板温仍需保持一个阶段后再进行第二阶段的升温。剩余百分之几的水分称残余水分，它与自由状态的水在物理化学性质上有所不同，残余水分包括了化学结合之水与物理结合之水，诸如化合的结晶水结晶、蛋白质通过氢键结合的水以及固体表面或毛细管中吸附水等。由于残余水分受到某种引力的束缚，其饱和蒸汽压则是不同程度的降低，因而乾燥速度明显下降。虽然提高製品温度促进残余水分的气化，但若超过某极限温度，生物活性也可能急剧下降。保证製品安全的最高乾燥温度要由实验来确定。通常我们在第二阶段将板温+30℃左右，并保持恆定。在这一阶段初期，由于板温升高，残余水分少又不易气化，因此製品温度上升较快。但随着製品温度与板温逐渐靠拢，热传导变得更为缓慢，需要耐心等待相当长的一段时间，实践经验表明，残余水分乾燥的时间与大量升华的时间几乎相等有时甚至还会超过。

四冻乾曲线

将搁板温度与製品温度随时间的变化记录下来，即可得到冻乾曲线。比较典型的冻乾曲线系将搁板升温分为两个阶段，在大量升华时搁板温度保持较低，根据实际情况，一般可控制在-10至+10之间。第二阶段则根据製品性质将搁板温度适当调高，此法适用于其熔点较低的製品。若对製品的性能尚不清楚，机器性能较差或其工作不够稳定时，用此法也比较稳妥。

如果製品共晶点较高，系统的真空度也能保持良好，凝结器的製冷能力充裕，则也可採用一定的升温速度，将搁板温度升高至允许的最高温度，直至冻乾结束，但也需保证製品在大量升华时的温度不得超过共晶点。

若製品对热不稳定，则第二阶段板温不宜过高。为了提高第一阶段的升华速度，可将搁板温度一次升高至製品允许的最高温度以上；待大量升华阶段基本结束时，再将板温降至允许的最高温度，这后两种方式虽然使大量的升华速度有一些提高，但其抗干扰的能力相应降低，真空度和製冷能力的突然降低或停电都可能会使製品融化。合理而灵活地掌握第一种方式，是较常用的方式。