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)的成分大部分會損失掉，有些熱敏性的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、維生素會發(fā)生變性。微生物會失去生物活力，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(jié)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40℃。

 

        冷凍干燥就是把含有大量水分物質(zhì)，預(yù)先進(jìn)行降溫凍結(jié)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(zhì)本身剩留在凍結(jié)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(jié)產(chǎn)品內(nèi)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，縮短干燥時間，必須要對產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)加熱。整個干燥是在較低的溫度下進(jìn)行的。

 

        冷凍干燥有下列優(yōu)點：

        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)、微生物之類不會發(fā)生變性或失去生物活力。因此在醫(yī)藥上得到廣泛地應(yīng)用。

        ⑵在低溫下干燥時，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在冷凍干燥過程中，微生物的生長和酶的作用無法進(jìn)行，因此能保持原來的性狀。

        ⑷由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結(jié)構(gòu)，不會發(fā)生濃縮現(xiàn)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，幾乎立即恢復(fù)原來的性狀。

        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(hù)。

        ⑺干燥能排除95-99％以上的水分，使干燥后產(chǎn)品能長期保存而不致變質(zhì)。

        因此，冷凍干燥目前在醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、科研和其他部門得到廣泛的應(yīng)用。

第二節(jié) 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，這個裝置叫做真空冷凍干燥機或冷凍干燥裝置，簡稱凍干機。

        按系統(tǒng)分，由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、和控制系統(tǒng)四個主要部分組成。按結(jié)構(gòu)分，由凍干箱或稱干燥箱、冷凝器或稱水汽凝結(jié)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。  

        把電極引線通過一個開關(guān)與萬用表相連，可以不分正負(fù)極。如果凍干箱沒有電線引出接頭，則可以用二根細(xì)導(dǎo)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(zhuǎn)換開關(guān)放在測量電阻的（×1K或×10K）。由于萬用表內(nèi)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(guān)立即關(guān)掉，把每一次測量的溫度和電阻數(shù)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(shù)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(jié)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(shù)值從0℃到－50℃不等，與產(chǎn)品的品種、保護(hù)劑的種類和濃度有關(guān)。一些物質(zhì)的共熔點列表二十二供參考，因?qū)嶋H的凍干產(chǎn)品還有其它成份。所以與此不相同。

 

物質(zhì)名稱	共熔點溫度
純水	0℃
0.85％氯化鈉溶液	－22℃
10％蔗糖溶液	－26℃
40％蔗糖溶液	－33℃
10％葡萄糖溶液	－27℃
2％明膠、10％葡萄糖溶液	－32℃
2％明膠、10％蔗糖溶液	－19℃
10％蔗糖溶液、10％葡萄糖溶液、0.85％氯化鈉溶液	－36℃
脫脂牛奶	－26℃
馬血清	－35℃
人參	－15℃
菠菜	－6℃
30℃,溶解度1.95mol/L的芬尼定磷酸鹽	－4.29℃
30℃,溶解度0.12mol/L的吩妥胺磷酸鹽	－0.75℃
30℃,溶解度1mol/L的甘露醇	－2.24℃
30℃,溶解度0.6mol/L的乳糖	－5.4℃
30℃,溶解度4.97mol/L的氯化鉀	－11.1℃
30℃,溶解度5.93mol/L的溴化鉀	－12.9℃
二甲亞礬水	－73℃
甘油水(丙三醇)	－46.5℃
草莓	－15℃
冬蟲夏草	－15℃
山藥	－20℃

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

        現(xiàn)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(chǎn)品，當(dāng)升華進(jìn)行到一定的時候，就會出現(xiàn)上層的干燥層和下層的凍結(jié)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(jìn)行而不斷下降的。

        已經(jīng)干燥的產(chǎn)品應(yīng)該是疏松多孔，并保持在這一穩(wěn)定的狀態(tài)，以便下層凍結(jié)產(chǎn)品升華出來的水蒸汽能順利地通過，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(dāng)溫度升高到某一數(shù)值時，會失去剛性，變得有粘性，發(fā)生類似塌方的崩解現(xiàn)象，使干燥產(chǎn)品失去疏松多孔的狀態(tài)，封閉了下層凍結(jié)產(chǎn)品水蒸汽的逸出通路，妨礙了升華的繼續(xù)進(jìn)行。

        于是，升華速率變慢，從凍結(jié)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(jié)產(chǎn)品的溫度上升，當(dāng)溫度升高到共熔點以上的溫度時，產(chǎn)品就會發(fā)生熔化或發(fā)泡現(xiàn)象，致使凍干失敗。

        發(fā)生崩解時的溫度叫做該產(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)品的溫度在崩解點以下，直到凍結(jié)產(chǎn)品全部升華完畢為止，才能使產(chǎn)品溫度繼續(xù)上升。這時由于產(chǎn)品中已不存在凍結(jié)冰，干燥產(chǎn)品即使發(fā)生崩解也不會影響產(chǎn)品的干燥，因為產(chǎn)品已從升華階段轉(zhuǎn)入解吸干燥階段。

        沒有發(fā)生崩解的干燥產(chǎn)品與發(fā)生崩解的干燥產(chǎn)品在外觀上用肉眼看不出有什么差別，只有在顯微鏡下才能看到結(jié)構(gòu)上的變化。當(dāng)在顯微鏡下觀察產(chǎn)品的冷凍干燥過程時，如果看到發(fā)生崩解現(xiàn)象，那么這時的溫度就是該產(chǎn)品的崩解溫度。

        有些產(chǎn)品的崩解溫度高于共熔點溫度，那么升華時僅需控制產(chǎn)品溫度低于共熔點溫度就行了；但有些產(chǎn)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(fā)生崩解現(xiàn)象，這樣的產(chǎn)品只有在較低的溫度下進(jìn)行升華，因此必須延長凍干時間。

        產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品的崩解溫度取決于產(chǎn)品本身的品種和保護(hù)劑的種類；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(hù)劑時，應(yīng)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(jié)省凍干的能耗和時間，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(hù)劑能提高產(chǎn)品的崩解溫度。一些物質(zhì)的崩解溫度℃。見表二十三

表二十二　一些物質(zhì)的共熔點（℃）
 

物質(zhì)名稱	濃度%	溫度℃	物質(zhì)名稱	濃度%	溫度℃
葡聚糖（右旋糖苷）		-9	乳糖		-32
蔗糖		-32	麥芽糖		-32
聚蔗糖		-19.5	甲基纖維素		-9
果糖	10	-48	味精		-50
右旋果糖		-44	卵清蛋白		-10
葡萄		-40	聚已二醇		-13
右旋葡萄糖		-41.5	聚已烯吡咯烷酮(PVP)		-23
明膠		-8	糖醇		-45
肌醇		-27	柿子醇		-26
司庫樂	5~50	-25	氯化鈉		-11
葡萄糖	10	-40	GABA	10	-20
乳糖	10	-19	NaCl	10	-22
馬尼妥	10	-4	KCl	10	-11
山梨糖醇	10	-42	乙酸	10	-27
橘西樂	10	-44	枸椽酸	10	約＜50
多縮葡萄糖低m.wt.	10	-3	硫胺素硝酸鹽	10	-5
PEG600	10	-10	吡哆醇	10	-4
古力辛	10	-3	抗壞血酸	5	-37
α－氨基丙酸	10	-3	抗壞血酸	10	-37
β－A	10	-13	納·阿斯考派脫	10	-33
精氨酸	10	-35	煙酰胺	10	-4
EACA	10	-15	鈣·潘妥顛	10	-19
變壓器用AMCHA	5	-4	乙酸胺	10	-25
			鈉·巴比妥	10	-4