真空冷冻干燥过程中几个影响因素的探讨

《4~_v--装备技术》第 25卷 第 6期 2004年 0 真空冷冻干燥过程中几个影响因素的探讨 胡 纲 (上海市离心机 械研究所 ) 摘 要 以某混合培养基使用VIRTIS真空冷冻干燥机为例，探讨预冻温度、水汽 凝结器温度、真空度、制品的温度控制四因素对真空冷冻干燥的影响 。 关键词 干燥 预冻温度 水汽凝结器温度 真空度 温度控制 在生物制品或抗生素制品中，真空冷冻干 燥工艺 (以下简称冻干工艺)有助于保持药物在 生产过程中的稳定性，延长成品的储藏期。冻 干工艺通常首先使药液冷却、冻结，然后在此 状态下，将药液中的溶剂(水)去除，即在一定 的气压下用升华和解吸附的方法，使药品干燥。 冻干工艺已经广泛应用于药物的开发和生物制 剂的保存。 以某混合培养基为例： 某混合培养基使用 VIRTIS真空冷冻干燥 机的冻干工艺一 ： 操作步骤： 6：00，开搁板预冻，使搁板温度<一20C； 6：30，放人物料，使物料温度<一30 C； 9：30，开冷阱，使冷阱温度<一55 C； 10：OO，抽真空； l1：OO，真空度建立，关搁板预冻； 13：OO，加热(按 2～3 C递增)； 18：OO，加热(接近室温 ，20 C)； 19：00，关机 ，取出物料。 冻干结果：2000瓶样品经处理后结构稳 定，骨架清晰，不吸潮，色泽淡黄，制品满足 要求 。 *胡 纲．男 ，1978年 1月生． 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师。上海市，20023l。 但是，同样的样品在同一台机器中用不同 的工艺(工艺二)便有不同的结果 。工艺二为 ： 操作步骤：搁板空载预冻，放人物料，物 料预冻 llh后开冷阱，达到一55 C后开真空，在 真空达到后一边开加热，一边开预冻，即预冻 与冷阱在打开后一直不关闭，直到冻干结束。共 计时间约 24h。 冻干结果：2000瓶样品冻干后，有些样品 坍塌，呈糖浆状，同时吸潮；有些样品底部拱 起，半悬于瓶中央，剩余部分的冻干效果也不 如工艺一的好。 同样的情况也在枸杞多糖等产品的冷冻干 燥过程中出现。据不完全统计，导致这种情况 的原因主要是：(1)预冻温度 ，(2)水汽凝结 器温度，(3)真空度，(4)制品的温度控制， (5)其他(设备故障等)，而前四个原因占到总 数的 80％～9O％。 下面对上述各个因素分别作一分析探讨。 1 预冻温度 制品预冻的基本目的是：在水分升华时使 制品中的固体颗粒得以固定，以防止制品发生 物理和化学反应。由于各种有机物或无机物构 维普资讯 http://www.cqvip.com 6 真空冷冻干燥过程 中几个影响因素的探讨 成的液态制品在预冻后通常形成一种共晶状 态，因此对于每一种需进行冷冻干燥处理的制 品，都应找出其相应的共晶点温度，即制品中 结构水冻结时的温度，而预冻温度也要求低于 共晶点温度。如果没能确定制品的共晶点 ，则 在该制品呈冻结状态时很可能有某些物质仍处 于液态 。这些少量的液体将与悬浮固体颗粒发 生反应 ，影响最终的脱水干燥效果 。另一方面 ， 预冻温度低于制品共晶点过多也无必要，因为 这会大大降低冻干的经济效益。最佳的升华状 态取决于能否恰当地保持制品中的冰与水汽凝 结器中的冰之间的蒸汽压力差。参阅表 1_l ]。 如果某制品的共晶点温度为一4 C，当将其冷冻 至一30 C时，其最初的蒸汽压为 38．11OPa，若 取水汽凝结器温度为一40’C，对应的蒸汽压为 12．876Pa，这 样 两 者 的 最 终 蒸 汽 压 差 为 25．234Pa。如果将该 制 品的预冻 温度 提高 至 一 10 C，对应的蒸汽压为 259．935Pa，而水汽凝 结器温度仍为一40 C，则压力差将提高至 247．059Pa。显而易见，此时的升华速率将显著 提高 。通常，大部分溶液或生物制品有一个从 一 10 C到 25 C的共 晶点温度。具体物料共晶点 温度参见表 2。实际制定工艺曲线时，一般预冻 温度要比共晶点温度低 5～10 C。 另外，制品的预冻速率对干燥效果也有很 大的影响__5]。从冰点到制品的共 晶点温度之间 需要快速冷却，否则易使蛋白质变质，生命体 死亡。快速冷却时晶体来不及生长就被冻结，所 形成的晶粒细且数量多。这样的冰晶在升华时 速度慢，但干后溶解快，能反映出产品原来的 结构；反之，缓慢冷却产生的冰晶较大，不利 于升华，但干后溶解慢。所以，我们需要试验 一 个合适的冷却速度，以得到较高的存活率、较 好的物理性状和溶解度，且有利于干燥过程中 的升华 。 2 水汽凝结器温度 在典型的真空冷冻干燥过程中，制品处于 表 1 温度、蒸汽压力对照表 温度／C 压力 ／Pa 备注 437．224 368．574 310．055 259．935 2l 7，545 l8I．42I l50．895 1 25．1 68 ‘ 3 4 l 4 2 0 典型物料温度 70．115 57．3l 9 46．788 38．110 30．898 24．967 20．088 l 2．876 8．1l7 5．038 ：‘!：： 典型冷阱温度 5 ． ub3 1．839 1．077 升华干燥阶段，单位体积的冰将产生 100万单 位体积的水蒸气，一般的真空系统不可能处理 这么大量的水蒸气。为此 ，在干燥室与真空泵 之间设置 了一个水汽凝结器，依靠干燥室箱体 与水汽凝结器之间的温差而形成的压力差作为 动力，将升华的水蒸气凝结成冰并聚集在水汽 凝结器上。它收集水汽的能力是每批冻干制品 数量大小的限制性 因素。在选择冻干设备时，要 注意设备的工作状态参数以及可能遇到的制品 最低共晶点温度。在干燥期间，水汽凝结器表 面温度至少比干燥箱板层温度低 10 C。当冷阱 温度在一40 C～一60 C时 ，大多数制品都可进 行有效的冻干处理。当有特殊溶剂或酸性物质 在常规水汽凝结器中不能被凝聚时．需要用复 叠式制冷系统将水汽凝结器温度打到一70 C以 维普资讯 http://www.cqvip.com 《化工装备技术》第 25卷 第 6期 2004年 7 下或更低。具体物料所需水汽凝结器温度参见 表 2。 表 2 不同物料合适的共晶点温度和干燥时间 3 真空度 真空系统 的作用是排出从干燥室 中抽 出的 不可凝性气体和空气 ，以建立能保持制品升华 速率的真空度。高真空度有效地降低 了水蒸气 气流的阻力 ，同时在干燥过程中由于没有空气 的存在，也就避免了氧化作用。在大多数的应 用中，要实现冷冻干燥，水汽凝结器真空度应 抽到 3．5Pa或更低，一般可将干燥箱内压力控 制在 13～130 Pa之间。 如果 冻干机带有预冻系统，由于制品在冷 冻的搁板上不会融化，所 以真空泵只要能在 15 ～ 30rain内将 系统 的真空度抽到 2～7Pa就可 以了。若无预冻系统，则真空泵的抽速必须增 大 ，从大气到所需真空度的抽气时间不能超过 5rain。因此，最经济的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方案是采用小抽速 的真空泵并带预冻系统的真空干燥室 。 4 制品的温度控制 向冻结的制品提供热量是为了补充水蒸气 升华所丧失的能量，以维持制品合适的升华温 度。产品升华时会受到下列几种温度的限制： (1)产品冻结部分的温度应低于产品共晶点的 温度 ；(2)产品干燥部分的温度应低于崩解温 度或容许的最高温度(不烧焦或性变)；(3)最 高搁板温度 ]。对冻干过程来说 ，最重要的参数 是制品的温度。因此，必须通过直接或间接的 方法对其进行连续不断的显示、记录和控制。 (a)直接控制 ：直接测量制品的温度．当 其值低于设定值时通 电加热，当其值超出设定 值 时进行冷冻降温。这种方法的缺点在于：因 存在着物体温度的 自然传递过程 ，温度测量、控 制中的过冲、滞后现象会造成控制状态周期性 的变化。 (b)间接控制 ：监测、控制冻干过程中的 搁板温度并利用时间一温度程序来获得所需的 制品温度—— 这是最佳的控制过程 。然而时间 一 温度程序这种方法需要对产品有 大量 的经 验 ，这是一种取平均值的统计方法 ，该法使重 复运行的一致性程度很高，这对于生产是非常 重 要 的 。 5 结束语 实践证明，以上四个因素对于选定与优化 冻干工艺，提高冷冻干燥速率和产品的冻干效 果有着直接的影响。因此，真空冷冻干燥机具 有良好的预冻温度、水汽凝结器温度、高真空 度和有效的加热温度控制，对于保证和提高冻 干质量作用明显 ，同时还可减少冻干时间，降 低运行成本和能耗。 参 考 文 献 l Goldblith S A．Reynold L，Rothmayr W W．Freeze dry— ing and advanced food technology．Academic Press， l975． 2 Ray I ．Advances in freeze—drying．1966 Hermann．1l5 Boulevard Sainted—German．ParisⅥ． 3 Freeze drying of foods．C．Judson King．CRC Press· l971． 4 Harris R J C．Biological application of freezing and dry— ing． Academic Press． 1954． 5 赵鹤皋 ．林秀诚．冷冻干燥技 术．武汉：华中理工大学 出版社，l990． 6 徐成海等．真空低温技术与设备．北京：冶金工业出版 社 ．1995． (收稿13期：2004—09—01) 维普资讯 http://www.cqvip.com