冷凍干燥技術(shù)原理

??第一節冷凍干燥技術(shù)原理

干燥是保持物質(zhì)不致腐敗變質(zhì)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(jìn)行。干燥所得的產(chǎn)品，一般是體積縮小、質(zhì)地變硬，有些物質(zhì)發(fā)生了氧化，一些易揮發(fā)的成分大部分會(huì )損失掉，有些熱敏性的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、維生素會(huì )發(fā)生變性。微生物會(huì )失去生物活力，干燥后的物質(zhì)不易在水中溶解等。因此干燥后的產(chǎn)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(chǎn)品的干燥基本上在0℃以下的溫度進(jìn)行，即在產(chǎn)品凍結的狀態(tài)下進(jìn)行，直到后期，為了進(jìn)一步降低干燥產(chǎn)品的殘余水份含量，才讓產(chǎn)品升至0℃以上的溫度，但一般不超過(guò)40℃。
冷凍干燥就是把含有大量水分物質(zhì)，預先進(jìn)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(lái)。而物質(zhì)本身剩留在凍結時(shí)的冰架子中，因此它干燥后體積不變，疏松多孔。在升華時(shí)凍結產(chǎn)品內的冰或其它溶劑要吸收熱量。引起產(chǎn)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(shí)間，必須要對產(chǎn)品進(jìn)行適當加熱。整個(gè)干燥是在較低的溫度下進(jìn)行的。
冷凍干燥有下列優(yōu)點(diǎn)：
⑴冷凍干燥在低溫下進(jìn)行，因此對于許多熱敏性的物質(zhì)特別適用。如蛋白質(zhì)、微生物之類(lèi)不會(huì )發(fā)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(shí)，物質(zhì)中的一些揮發(fā)性成分損失很小，適合一些化學(xué)產(chǎn)品、藥品和食品干燥。
⑶在冷凍干燥過(guò)程中，微生物的生長(cháng)和酶的作用無(wú)法進(jìn)行，因此能保持原來(lái)的性狀。
⑷由于在凍結的狀態(tài)下進(jìn)行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來(lái)的結構，不會(huì )發(fā)生濃縮現象。
⑸干燥后的物質(zhì)疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而完全，幾乎立即恢復原來(lái)的性狀。
⑹由于干燥在真空下進(jìn)行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質(zhì)得到了保護。
⑺干燥能排除95-99％以上的水分，使干燥后產(chǎn)品能長(cháng)期保存而不致變質(zhì)。
因此，冷凍干燥目前在醫藥工業(yè)、食品工業(yè)、科研和其他部門(mén)得到廣泛的應用。
 

第二節凍干機的組成和凍干程序

產(chǎn)品的冷凍干燥需要在一定裝置中進(jìn)行，這個(gè)裝置叫做真空冷凍干燥機或冷凍干燥裝置，簡(jiǎn)稱(chēng)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(gè)主要部分組成。按結構分，由凍干箱或稱(chēng)干燥箱、冷凝器或稱(chēng)水汽凝結器、制冷機、真空泵和閥門(mén)、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(gè)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(gè)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(chǎn)品就放在箱內分層的金屬板層上，對產(chǎn)品進(jìn)行冷凍，并在真空下加溫，使產(chǎn)品內的水分升華而干燥。
冷凝器同樣是一個(gè)真空密閉容器，在它的內部有一個(gè)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(gè)低溫范圍。冷凝器的功用是把凍干箱內產(chǎn)品升華出來(lái)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(mén)、真空泵等構成凍干機的真空系統。真空系統要求沒(méi)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(chǎn)品的迅速升華干燥是必不可少的。
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(jìn)行制冷，以產(chǎn)生和維持它們工作時(shí)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(zhì)來(lái)進(jìn)行加熱，由一臺泵(或加一臺備用泵)使中間介質(zhì)不斷循環(huán)。加熱系統的作用是對凍干箱內的產(chǎn)品進(jìn)行加熱，以使產(chǎn)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(kāi)關(guān)，指示調節儀表及一些自動(dòng)裝置等組成，它可以較為簡(jiǎn)單，也可以很復雜。一般自動(dòng)化程度較高的凍干機則控制系統較為復雜?？刂葡到y的功用是對凍干機進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制，操縱機器正常運轉，以使凍干機生產(chǎn)出合乎要求的產(chǎn)品來(lái)。
冷凍干燥的程序：
⑴在凍干之前，把需要凍干的產(chǎn)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(fā)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(pán)內。對瓶裝一般采用脫底盤(pán)，有利于熱量的有效傳遞。
⑶裝箱之前，先將凍干箱進(jìn)行空箱降溫，然后將產(chǎn)品放入凍干箱內進(jìn)行預凍；或者將產(chǎn)品放入凍干箱內板層上同時(shí)進(jìn)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(shí)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(chǎn)品進(jìn)行加熱。一般加熱分兩步進(jìn)行，第一步加溫不使產(chǎn)品的溫度超過(guò)共熔點(diǎn)或稱(chēng)共晶點(diǎn)的溫度；待產(chǎn)品內水分基本干完后進(jìn)行第二步加溫，這時(shí)可迅速地使產(chǎn)品上升的規定的最高許可溫度。在最高許可溫度保持2h以上后，即可結束凍干。

整個(gè)升華干燥的時(shí)間約12～24h左右有的甚至更長(cháng)，與產(chǎn)品在每瓶?jì)鹊难b量，總裝量，玻璃容器的形狀、規格，產(chǎn)品的種類(lèi)，凍干曲線(xiàn)及機器的性能等等有關(guān)。
凍干結束后，要充入干燥無(wú)菌的空氣進(jìn)入干燥箱，然后盡快地進(jìn)行加塞封口，以防重新吸收空氣中的水分。
在凍干過(guò)程中，把產(chǎn)品和板層的溫度、冷凝器溫度和真空度對照時(shí)間劃成曲線(xiàn)，叫做凍干曲線(xiàn)。一般以溫度為縱坐標，時(shí)間為橫坐標。凍干不同的產(chǎn)品采用不同的凍干曲線(xiàn)。同一產(chǎn)品使用不同的凍干曲線(xiàn)時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量也不相同，凍干曲線(xiàn)還與凍干機的性能有關(guān)。因此不同的產(chǎn)品，不同的凍干機應用不同的凍干曲線(xiàn)。圖十四是凍干曲線(xiàn)示意圖（其中沒(méi)有冷凝器的溫度曲線(xiàn)和真空度曲線(xiàn)）。

第三節共溶點(diǎn)及其測量方法

需要凍干的產(chǎn)品，一般是預先配制成水的溶液或懸濁液，因此它的冰點(diǎn)與水就不相同了，水在0℃時(shí)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(zhì)的水溶液。實(shí)驗指出:溶液的冰點(diǎn)將低于溶媒的冰點(diǎn)。
另外，溶液的結冰過(guò)程與純液體也不一樣，純液體如水在0℃時(shí)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(shuō)明純液體有一個(gè)固定的結冰點(diǎn)。而溶液卻不一樣，它不是在某一固定溫度完全凝結成固體，而是在某一溫度時(shí)，晶體開(kāi)始析出，隨著(zhù)溫度的下降，晶體的數量不斷增加，直到最后，溶液才全部凝結。這樣，溶液并不是在某一固定溫度時(shí)凝結。而是在某一溫度范圍內凝結。當冷卻時(shí)開(kāi)始析出晶體的溫度稱(chēng)為溶液的冰點(diǎn)。而溶液全部凝結的溫度叫做溶液的凝固點(diǎn)。凝固點(diǎn)就是融化的開(kāi)始點(diǎn)（即熔點(diǎn)），對于溶液來(lái)說(shuō)也就是溶質(zhì)和溶媒共同熔化的點(diǎn)。所以又叫做共熔點(diǎn)或共晶點(diǎn)?？梢?jiàn)溶液的冰點(diǎn)與共熔點(diǎn)是不相同的。共熔點(diǎn)才是溶液真正全部凝成固體的溫度。
顯然共熔點(diǎn)的概念對于冷凍干燥是重要的。因為凍干產(chǎn)品可能有鹽類(lèi)、糖類(lèi)、明膠、蛋白質(zhì)、血球、組織、病毒、細菌等等的物質(zhì)。因此它是一個(gè)復雜的液體，它的凍結過(guò)程肯定也是一個(gè)復雜的過(guò)程，與溶液相似，也有一個(gè)真正全部凝結成固體的溫度，即共熔點(diǎn)。由于冷凍干燥是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的。只有產(chǎn)品全部?jì)鼋Y后才能在真空下進(jìn)行升華干燥，否則有部分液體存在時(shí)，在真空下不僅會(huì )迅速蒸發(fā)，造成液體的濃縮使凍干產(chǎn)品的體積縮??；而且溶解在水中的氣體在真空下會(huì )迅速冒出來(lái)，造成象液體沸騰的樣子，使凍干產(chǎn)品鼓泡、甚至冒出瓶外。這是我們所不希望的。為此凍干產(chǎn)品在升華開(kāi)始時(shí)必須要制冷到共熔點(diǎn)以下的溫度，使凍干產(chǎn)品真正全部?jì)鼋Y。
在凍結過(guò)程中，從外表的觀(guān)察來(lái)確定產(chǎn)品是否完全凍結成固體是不可能的；靠測量溫度也無(wú)法確定產(chǎn)品內部的結構狀態(tài)。而隨著(zhù)產(chǎn)品結構發(fā)生變化時(shí)電性能的變化是極為有用的，特別是在凍結時(shí)電阻率的測量能使我們知道凍結是在進(jìn)行還是已經(jīng)完成了，全部?jì)鼋Y后電阻率將非常大，因此溶液是離子導電。凍結時(shí)離子將固定不能運動(dòng)，因此電阻率明顯增大。而有少量液體存在時(shí)電阻率將顯著(zhù)下降。因此測量產(chǎn)品的電阻率將能確定產(chǎn)品的共熔點(diǎn)。
正規的共熔點(diǎn)測量法是將一對白金電極浸入液體產(chǎn)品之中，并在產(chǎn)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(chǎn)品慢慢升溫。用惠斯頓電橋來(lái)測量其電阻，當發(fā)生電阻突然降低時(shí)，這時(shí)的溫度即為產(chǎn)品的共熔點(diǎn)。電橋要用交流電供電，因為直流電會(huì )發(fā)生電解作用，整個(gè)過(guò)程由儀表記錄（圖十六）。
也可用簡(jiǎn)單的方法來(lái)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(chǎn)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(guān)察窗孔附近，并用適當方法把它們固定好，然后與其他產(chǎn)品一起預凍，這時(shí)我們用萬(wàn)用表不斷地測量在降溫過(guò)程中的電阻數值，根據電阻數值的變化來(lái)確定共熔點(diǎn)。

把電極引線(xiàn)通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)與萬(wàn)用表相連，可以不分正負極。如果凍干箱沒(méi)有電線(xiàn)引出接頭，則可以用二根細導線(xiàn)從箱門(mén)縫處引出，在電線(xiàn)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(kāi)始測量并作記錄。把萬(wàn)用表的轉換開(kāi)關(guān)放在測量電阻的最高檔（×1K或×10K）。由于萬(wàn)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(kāi)關(guān)立即關(guān)掉，把每一次測量的溫度和電阻數值一一記錄下來(lái)。開(kāi)始時(shí)電阻值很小，以后逐步增高。到某一溫度時(shí)電阻突然增大，幾乎是無(wú)窮大，這時(shí)的溫度值便是共熔點(diǎn)數值。
用這種方法測量的共熔點(diǎn)有一定的誤差，因為銅電極處多少有些電解作用。萬(wàn)用表對于高阻值沒(méi)有電橋靈敏；另外，凍結過(guò)程與熔化過(guò)程電阻的變化情況并不完全相同，但所測之值仍有實(shí)用參考價(jià)值。
共熔點(diǎn)的數值從0℃到－50℃不等，與產(chǎn)品的品種、保護劑的種類(lèi)和濃度有關(guān)。一些物質(zhì)的共熔點(diǎn)列表二十二供參考，因實(shí)際的凍干產(chǎn)品還有其它成份。所以與此不相同。
表二十二一些物質(zhì)的共熔點(diǎn)（℃）

第四節凍干產(chǎn)品的崩解溫度

對于凍干產(chǎn)品的共熔點(diǎn)大家已經(jīng)熟悉了，它就是產(chǎn)品的真正固化點(diǎn)。也就是產(chǎn)品在抽真空前必須冷卻到的那個(gè)溫度點(diǎn)，不然產(chǎn)品在抽空時(shí)將會(huì )起泡，在升華加熱的時(shí)候也不能使產(chǎn)品超過(guò)這個(gè)溫度，不然產(chǎn)品將熔化。因此，共熔點(diǎn)是在預凍階段和升華階段需要進(jìn)行控制的溫度值。
現在引入一個(gè)崩解溫度的概念，它是不同于共熔點(diǎn)的另外一個(gè)溫度。
一個(gè)正常升華的產(chǎn)品，當升華進(jìn)行到一定的時(shí)候，就會(huì )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(zhù)升華的進(jìn)行而不斷下降的。
已經(jīng)干燥的產(chǎn)品應該是疏松多孔，并保持在這一穩定的狀態(tài)，以便下層凍結產(chǎn)品升華出來(lái)的水蒸汽能順利地通過(guò)，使全部產(chǎn)品都得到良好的干燥。
但某些已經(jīng)干燥的產(chǎn)品當溫度升高到某一數值時(shí)，會(huì )失去剛性，變得有粘性，發(fā)生類(lèi)似塌方的崩解現象，使干燥產(chǎn)品失去疏松多孔的狀態(tài)，封閉了下層凍結產(chǎn)品水蒸汽的逸出通路，妨礙了升華的繼續進(jìn)行。
于是，升華速率變慢，從凍結產(chǎn)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(chǎn)品的溫度上升，當溫度升高到共熔點(diǎn)以上的溫度時(shí)，產(chǎn)品就會(huì )發(fā)生熔化或發(fā)泡現象，致使凍干失敗。
發(fā)生崩解時(shí)的溫度叫做該產(chǎn)品的崩解溫度。對于這樣的產(chǎn)品要獲得良好的干燥，只有保持升華中的干燥產(chǎn)品的溫度在崩解點(diǎn)以下，直到凍結產(chǎn)品全部升華完畢為止，才能使產(chǎn)品溫度繼續上升。這時(shí)由于產(chǎn)品中已不存在凍結冰，干燥產(chǎn)品即使發(fā)生崩解也不會(huì )影響產(chǎn)品的干燥，因為產(chǎn)品已從升華階段轉入解吸干燥階段。
沒(méi)有發(fā)生崩解的干燥產(chǎn)品與發(fā)生崩解的干燥產(chǎn)品在外觀(guān)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(guān)察產(chǎn)品的冷凍干燥過(guò)程時(shí)，如果看到發(fā)生崩解現象，那么這時(shí)的溫度就是該產(chǎn)品的崩解溫度。
有些產(chǎn)品的崩解溫度高于共熔點(diǎn)溫度，那么升華時(shí)僅需控制產(chǎn)品溫度低于共熔點(diǎn)溫度就行了；但有些產(chǎn)品的崩解溫度低于共熔點(diǎn)溫度，那么按照一般的方法控制升華時(shí)就可能發(fā)生崩解現象，這樣的產(chǎn)品只有在較低的溫度下進(jìn)行升華，因此必須延長(cháng)凍干時(shí)間。
產(chǎn)品的共熔點(diǎn)可以通過(guò)電阻法、差示熱分析法和低溫顯微鏡直接觀(guān)察法得知，但產(chǎn)品的崩解溫度只有在冷凍干燥顯微鏡下直接觀(guān)察才能得知。
產(chǎn)品的崩解溫度取決于產(chǎn)品本身的品種和保護劑的種類(lèi)；混合物質(zhì)的崩解溫度取決于各組分的崩解溫度。因此在選擇產(chǎn)品的凍干保護劑時(shí)，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(jìn)行，以節省凍干的能耗和時(shí)間，提高生產(chǎn)率。
甘氨酸、甘露醇、葡聚糖、木糖醇、聚已烯吡咯烷酮和蛋白質(zhì)混合物等保護劑能提高產(chǎn)品的崩解溫度。一些物質(zhì)的崩解溫度℃見(jiàn)表二十三
表二十三一些物質(zhì)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(chēng)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(wú)治療效果。

有些液體制品能單獨地進(jìn)行冷凍干燥，但也有些液體制品進(jìn)行冷凍干燥往往不易成功。為了使某些制品能成功地進(jìn)行冷凍干燥，改善凍干產(chǎn)品的溶解性和穩定性，或使凍干產(chǎn)品有美觀(guān)的外形，需要在制品中加入一些附加物質(zhì)，它們就是保護劑，有時(shí)也稱(chēng)保護劑為懸浮介質(zhì)、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(xué)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(zhì)下生長(cháng)繁殖，但有些培養介質(zhì)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(zhì)中。例如肉湯、脫脂、蛋白質(zhì)等。

⒉有些活性物質(zhì)濃度極小，干物質(zhì)含量極少。在冷凍干燥時(shí)已經(jīng)干燥的物質(zhì)會(huì )被升華的氣流帶走。為了改善濃度，增加干物質(zhì)含量，使凍干后的產(chǎn)品能形成較理想的團塊。因此需要加入填充物質(zhì)，使固體物質(zhì)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(zhì)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(zhì)特別脆弱，在冷凍干燥時(shí)由于物理或化學(xué)原因會(huì )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(lèi)、聚乙烯吡咯烷酮等。

⒋加入某些物質(zhì)可以提高產(chǎn)品的崩解溫度，以得到良好的產(chǎn)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(diǎn)以利于凍干，它們是碳酸氫鈉、氫氧化鈉等。

⒍為了改變產(chǎn)品貯藏的穩定性、提高貯藏溫度，增加貯藏時(shí)間，它們是：抗氧化劑類(lèi)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(méi)有一個(gè)保護劑的通用配方。每種產(chǎn)品的適宜保護劑需通過(guò)反復的試驗才能確定。

保護劑的種類(lèi)按化學(xué)成份可分為以下幾類(lèi)：

第六節影響干燥過(guò)程的因素

冷凍干燥過(guò)程實(shí)際上是水的物態(tài)變化及其轉移過(guò)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(tài)下由固態(tài)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(chǎn)品，干燥過(guò)程如圖十七所示。

凍干過(guò)程有二個(gè)放熱過(guò)程和二個(gè)吸收過(guò)程：液體生物制品放出熱量凝固成固體生物制品為放熱過(guò)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(guò)程；水蒸汽在冷凝器中放出熱量凝華成冰霜為放熱過(guò)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(guò)程。
整個(gè)凍干過(guò)程中進(jìn)行著(zhù)熱量和質(zhì)量的傳遞現象。熱量的傳遞貫穿冷凍干燥的全過(guò)程中。預凍階段、干燥的第一階段和第二階段以及化霜階段均進(jìn)行著(zhù)熱量的傳遞；質(zhì)量的傳遞僅在干燥階段進(jìn)行，凍干箱制品中產(chǎn)生的水蒸汽到冷凝器內凝華成冰霜的過(guò)程，實(shí)際上也是質(zhì)量傳遞的過(guò)程，只有發(fā)生了質(zhì)量的傳遞,產(chǎn)品才能獲得干燥。在干燥階段，熱的傳遞是為了促進(jìn)質(zhì)的傳遞，改善熱的傳遞也能改善質(zhì)的傳遞。
如果在產(chǎn)品的升華過(guò)程中不提供熱量，那么產(chǎn)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(chǎn)品溫度相等于冷凝器的表面溫度，干燥便停止進(jìn)行。這時(shí)從凍結產(chǎn)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(chǎn)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(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。
如果一個(gè)外界熱量加到凍結產(chǎn)品上，這個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)就被破壞，凍結產(chǎn)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(chǎn)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(lái)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(chǎn)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(guò)程的不斷進(jìn)行，使產(chǎn)品逐步得到了干燥。
升華首先從產(chǎn)品的表面開(kāi)始，在干燥進(jìn)行了一段時(shí)間之后，在凍結產(chǎn)品上面形成了一層已干燥的產(chǎn)品，產(chǎn)生了干燥產(chǎn)品與凍結產(chǎn)品之間的交界面(也稱(chēng)升華界面)。交界面隨著(zhù)干燥的進(jìn)行不斷下降，直到升華完畢交界面消失。當產(chǎn)生了交界面之后，水分子要穿越這層已干燥的產(chǎn)品才能進(jìn)入空間；水分子跑出交界面之后，進(jìn)入已經(jīng)干燥產(chǎn)品的某一間隙內。以后可能還要穿過(guò)許多這樣的間隙后，才能從產(chǎn)品的縫隙進(jìn)入空間。也可以經(jīng)過(guò)一些轉折又回到凍結產(chǎn)品之中，干燥產(chǎn)品內的間隙有時(shí)象迷宮一樣。
當水分子跑出產(chǎn)品表面以后，它的運動(dòng)路徑還很曲折?？赡芘c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(jīng)常發(fā)生水分子之間的相互碰撞，然后進(jìn)入冷凝器內。當水分子與冷凝器的制冷表面發(fā)生碰撞時(shí)，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(dòng)能，使其沒(méi)有能量再離開(kāi)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(lái)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(zhù)時(shí)間的延長(cháng)，凍干箱內不斷對產(chǎn)品進(jìn)行加熱以及冷凝器的持久工作，產(chǎn)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(dòng)的阻力成反比。水蒸汽的壓力差越大，流動(dòng)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(chǎn)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最大限度地提高產(chǎn)品的溫度。
水蒸汽的流動(dòng)阻力來(lái)自以下幾個(gè)方面：
⑴產(chǎn)品內部的阻力：水分子通過(guò)已經(jīng)干燥的產(chǎn)品層的阻力。這個(gè)阻力的大小與干燥物質(zhì)層的結構與產(chǎn)品的種類(lèi)、成份、濃度、保護劑等有關(guān)。
⑵容器的阻力：容器的阻力主來(lái)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(guān)。
加快凍干產(chǎn)品的升華速率辦法如下：
①提高凍干箱內產(chǎn)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(zhì)的傳遞，增加干燥速率。但是提高產(chǎn)品的溫度是有一定限度的，不能使產(chǎn)品溫度超過(guò)共熔點(diǎn)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(zhì)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(dòng)阻力也能加快質(zhì)的傳遞，提高干燥速率。降低水蒸汽流動(dòng)阻力辦法有：①減小產(chǎn)品的分裝厚度和增加凍結產(chǎn)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(chǎn)品的結構疏松多孔，減少干燥層的阻力；
⑤試驗最優(yōu)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(jìn)質(zhì)的傳遞，提高干燥速率。????

第六節、凍干機常見(jiàn)故障分析

凍干機制冷系統采用壓縮式制冷技術(shù)，主要部件為活塞式壓縮機、水冷凝器、機械膨脹閥及蒸發(fā)器，其中，前箱蒸發(fā)器為板式換熱器，后箱蒸發(fā)器為盤(pán)管[2]。該型凍干機制冷系統常見(jiàn)故障現象、原因分析和解決辦法如表1所示。

2、凍干機制冷系統故障實(shí)例分析

2.1  壓縮機高壓異常故障

在壓縮機正常工作時(shí)，系統內會(huì )產(chǎn)生高、低壓力，并有一個(gè)正常的壓力范圍。高壓異常報警是指壓縮機高壓端壓力過(guò)大觸發(fā)高壓開(kāi)關(guān)，高壓壓力繼電器產(chǎn)生保護動(dòng)作，壓縮機停機并發(fā)出高壓異常報警信號。高壓異常報警發(fā)生時(shí)，設備無(wú)法啟動(dòng)，無(wú)法進(jìn)行生產(chǎn)，若不及時(shí)檢查維修，會(huì )導致壓縮機排氣溫度高，造成冷凍機油變質(zhì)碳化，壓縮機有損壞的風(fēng)險。凍干機制冷系統原理圖如圖2所示。

高壓壓力異常時(shí)，可以從以下3個(gè)方面考慮進(jìn)行維修：

1)檢查從高壓端排出的制冷劑至水冷進(jìn)口管段是否遇到堵塞，若有閥門(mén)關(guān)閉或開(kāi)度不足的情況，開(kāi)啟閥門(mén)并將開(kāi)度調到最大，重新啟動(dòng)壓縮機看是否恢復正常。

2)檢查冷凍水溫度和壓力，制冷劑或冷凍油在水冷凝器中通過(guò)冷凍水降溫使其溫度下降到理想范圍，將高溫高壓的氣體轉變成為高溫高壓的液體。若冷凍水溫度高或水量不足，導致高溫高壓的氣體無(wú)法轉化也會(huì )觸發(fā)報警。

3)排除以上原因后，在停機狀態(tài)下觀(guān)察壓縮機高壓壓力表，若壓力比上次開(kāi)機前停機壓力高，可以懷疑壓縮機低壓存在泄漏。壓縮機在工作過(guò)程中，低壓端若存在泄漏點(diǎn)會(huì )吸入空氣，空氣與制冷劑混合后吸氣壓力升高，排氣壓力也相應上升，導致冷量不足，制冷效果變差。對制冷系統進(jìn)行收液操作，將制冷劑回收到水冷凝器內。打開(kāi)壓縮機高壓閥門(mén)，排除內部殘余的制冷劑，將高純氮氣充入制冷系統，然后使用泡沫法在壓縮機低壓端進(jìn)行檢漏，常見(jiàn)泄漏點(diǎn)在螺紋連接的地方或是低壓濾芯法蘭盤(pán)密封面。密封泄漏點(diǎn)后，繼續充入高純氮氣至1.5 MPa進(jìn)行24 h保壓測試，確保測試結果合格后，對制冷系統抽真空加入制冷劑。試機觀(guān)察設備是否恢復正常。

第七節：不同類(lèi)型凍干機測量要求及差異分析

真空冷凍干燥是凍干疫苗等生物制品和藥品生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節。凍干機作為其主體設備，性能是否滿(mǎn)足要求并穩定可靠，關(guān)系著(zhù)藥品的質(zhì)量和人們的生命健康。因此，需對溫度、真空度進(jìn)行精確控制。同時(shí)，不變性與速度進(jìn)一步增加了兩者的準確性和穩定性要求，生產(chǎn)廠(chǎng)家在凍干前需進(jìn)行實(shí)驗驗證，確保其工作狀態(tài)滿(mǎn)足工藝要求[1-2]。

凍干機是將物料中的水分在低溫、真空環(huán)境下直接升華成水蒸氣，從而實(shí)現干燥目的，能在最大程度上保留物料的活性、營(yíng)養成分和原有形態(tài)，延長(cháng)物料的保存期限，廣泛應用于制藥、食品、生物等領(lǐng)域[3-5]。由于各類(lèi)型的結構及原理存在顯著(zhù)差異，應用場(chǎng)景、生產(chǎn)規模及測量要求等方面也存在不同。因此，需進(jìn)行深入研究測量要求及差異，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化凍干工藝，確保產(chǎn)品符合相關(guān)質(zhì)量標準，促進(jìn)該技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應用和持續發(fā)展。

Part.01、凍干機種類(lèi)

凍干機主要由制冷系統、真空系統、加熱系統、控制系統、凍干腔和擱板等構成，可分為實(shí)驗室型、中試型和生產(chǎn)型。

1.1實(shí)驗室凍干機

實(shí)驗室凍干機因具有小巧的體積和靈活的操作性，而在科研實(shí)驗中發(fā)揮著(zhù)不可或缺的作用，主要用于藥品研發(fā)時(shí)小劑量藥物樣品的凍干實(shí)驗，以及對細胞、蛋白質(zhì)、核酸、酶等生物樣品進(jìn)行凍干保存或對一些新型材料的處理研究[6]。其通常采用鐘罩式設計，即將凍干腔和冷阱設置為上下結構，并將用于放置物料的擱板位放置于整個(gè)儀器上方，使用透明有機玻璃罩罩住外部。其中，透明有機玻璃罩的設計便于實(shí)驗人員觀(guān)察物料的凍干情況，并實(shí)時(shí)掌握凍干過(guò)程中的變化。但部分鐘罩式凍干機存在一定局限性，如凍干腔無(wú)預凍功能，需人工進(jìn)行干預;使用過(guò)程中，物料預凍結束后，實(shí)驗人員需人工操作將物料架提上來(lái)進(jìn)行抽真空升華干燥，操作相對復雜。

1.2中試凍干機

中試凍干機滿(mǎn)足從實(shí)驗室研究到工業(yè)化生產(chǎn)的中間階段需求。相較于實(shí)驗室型，體積較大，在處理能力上具有顯著(zhù)提升，能處理相對較大體積的樣品;但與生產(chǎn)型凍干機相比，規模相對較小，更側重于中試規模的實(shí)驗。其應用場(chǎng)景主要集中于將實(shí)驗室研發(fā)成果進(jìn)行放大驗證和工藝優(yōu)化。如在制藥行業(yè)中，當新藥研發(fā)進(jìn)入中試階段時(shí)，可用于模擬工業(yè)化生產(chǎn)條件，對凍干工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和驗證，確定最佳的凍干參數(包括溫度、壓力、時(shí)間等),為大規模生產(chǎn)提供可靠的工藝依據;在食品行業(yè)中，對于一些新型食品的凍干工藝開(kāi)發(fā)，能幫助企業(yè)在大規模生產(chǎn)前評估產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)可行性[7]。

1.3生產(chǎn)型凍干機

生產(chǎn)型凍干機容積和擱板面積較大，能同時(shí)處理大量的物料，滿(mǎn)足大規模生產(chǎn)的需求，是大規模生產(chǎn)凍干產(chǎn)品的核心設備，被廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域的大規模商業(yè)化生產(chǎn)。如抗生素、疫苗、生物制劑、中藥注射劑等藥品;凍干蔬菜、水果、肉類(lèi)、海鮮、咖啡等凍干食品;酶、蛋白質(zhì)、多肽、細胞因子等生物制品。此外，在化妝品、保健品、農業(yè)、電子等行業(yè)中也有一定的應用，如化妝品生產(chǎn)中，用于凍干面膜、精華液等產(chǎn)品;農業(yè)領(lǐng)域中用于凍干種子、生物菌劑等[8]。

目前，該凍干機大部分已采用先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統，不僅能實(shí)現凍干過(guò)程的全程自動(dòng)化控制，減少人工操作，而且能在較短的時(shí)間內完成凍干過(guò)程，提高生產(chǎn)效率。此外，部分設備還具備良好的清洗和消毒功能，能快速進(jìn)行清潔和維護，為下一次生產(chǎn)做好準備。

Part.02測量要求差異分析

生產(chǎn)型與中試型的工作原理和控溫方式基本相似，主要采用擱板控溫式的凍干腔和冷阱為一體。其中，凍干腔中的擱板內部為冷阱盤(pán)管，該設計不僅自動(dòng)化程度較高，操作簡(jiǎn)便，而且與鐘罩式相比，控溫精度更高，能實(shí)現物料的均勻加熱和冷卻，有效確保凍干產(chǎn)品質(zhì)量的穩定性和一致性。由于兩種方式主要差異為控溫原理不同，因此主要測量要求差異為溫度測量。

2.1測冷阱溫度

鐘罩式凍干機是由冷阱在下部控溫，通過(guò)空氣傳熱實(shí)現對擱板上物料的溫度控制。目前，冷阱溫度主要采用直接測量下方冷阱的方式。

以萬(wàn)能表的溫度傳感器為例。首先，將其連接至凍干機的冷阱里面壁上;然后，打開(kāi)濃縮機和真空泵預平衡系統1h, 再將旋鈕選到溫度檔，依次測定30min、60min、90min、120min冷阱溫度。每個(gè)校準點(diǎn)重復測6次，并計算算術(shù)平均值，再按式(1)、式(2)分別計算示值誤差及相對實(shí)驗標準，并作為重復性的表征。

2.2測擱板溫度

擱板控溫凍干機是通過(guò)擱板直接進(jìn)行控溫。目前，主要根據JJF(蒙)074-2024校準規范[9]對擱板溫度進(jìn)行測量。

(1)將溫度測量點(diǎn)(一般為5個(gè))布置在除頂層擱板外各層表面的4個(gè)角和幾何中心，并與其充分接觸導熱。其中，4角測量點(diǎn)位應靠近每層硅油的進(jìn)、出口位置，與邊緣的距離為各邊長(cháng)的1/10;真空測量點(diǎn)應除頂層擱板外，均勻分布于最接近上、中、下擱板的中部。

(2)凍干機穩定后，在30min內對各測量點(diǎn)進(jìn)行測量，并將每次測量的最高與最低溫度之差的最大值作為均勻度的校準結果。均勻度的計算公式為：

ΔTu=max (Timax-Timin) (3)

式中：ΔTu——溫度均勻度，℃;Timax、Timin——第i次，各測量點(diǎn)的最高(上偏差)、最低(下偏差)溫度，℃。ΔTmax=Tmax-Ts(4)

ΔTmin=Tmin-Ts(5)

式中：Tmax、Tmin——各測量點(diǎn)規定時(shí)間內的最高、最低溫度，℃;Ts——設定溫度，℃。

Part.03

存在的問(wèn)題

根據3種類(lèi)型凍干機的結構原理分析可知，不同類(lèi)型凍干機最大的差異在于冷阱位置不同會(huì )直接導致加熱或制冷方式及位置的差異?，F有的測量方法雖然在一定程度上能滿(mǎn)足其溫度測量的需求，但仍存在一些問(wèn)題。其主要包括：

(1)目前，尚無(wú)通用于所有種類(lèi)凍干機的測量方法。如現有的針對鐘罩式凍干機和擱板控溫凍干機的測量方法。

(2)現有的鐘罩式凍干機測量法在實(shí)際操作中，難以將萬(wàn)用表的溫度傳感器連接至冷阱里面壁上，且連接方式無(wú)法進(jìn)行溯源，導致無(wú)法確定測量結果的準確性是否符合標準要求，對其進(jìn)行有效的質(zhì)量控制和評估。

(3)目前，未有相應的國家校準規范，如JB/T 20032-2012行業(yè)標準[10]缺乏具體有效的校準方法，對真空凍干機的技術(shù)要求較低，無(wú)法滿(mǎn)足當前形式下生物醫藥領(lǐng)域的需求;《藥品GMP指南 無(wú)菌藥品》[11]中第8章節及附錄2、EU GMP Annex1 Manufacturing of Sterile Products[12]、Lyophilization of Parenteral (7/93) FDA檢查指南等藥品驗證方法均為廠(chǎng)家自行驗證方法，即不同實(shí)驗室或企業(yè)可能采用不同的測量方法和標準，缺乏對設備性能的具體有效的校準方法，使性能評估缺乏一致性和可比性。

因此，為了推動(dòng)凍干機技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，提高凍干產(chǎn)品質(zhì)量，迫切需完善科學(xué)統一的校準方法，對真空凍干機設備進(jìn)行在線(xiàn)全過(guò)程校準，以及對設備的各參數進(jìn)行全面有效的定期校準，確保設備的性能可靠，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩定性和一致性。此外，相關(guān)科研機構和行業(yè)組織應加強合作，共同制定統一的測量標準和校準規范，促進(jìn)凍干行業(yè)的健康發(fā)展。