冻干机基础学习知识原理及说明

一、真空冷冻干燥原理

真空冷冻干燥（简称冻干）是将含水物质先冻结成固态，然后使 其中的水份从固态升华成气态，从而除去水份而保存物质的方法。

1 .冻干的优点：

冻干与通常的晒干、煮干、喷雾干燥及真空干燥相比有如下 突出的优点。

a.冻干是在低温下干燥的，不会使蛋白质产生变性，但可使微生 物等失去生物活力。这对于那些热稳定性能差的生物活性制品、生物 化学类制品、基因工程类制品和血液制品等的干燥保存特别适用。

b.由于是低温干燥，使物质中的挥发性成分和受热变性的营养成 分和芳香成分损失很小，因此是化学制品、药品和食品的优质干燥方 法。

c..在低温干燥过程中，微生物的生长和酶的作用几乎无法进行， 从而能最好地保持物质原来的性状。

d.干燥后体积、形状基本不变，物质呈海绵状，无干缩，复水时 与水的接触面大，能迅速还成原来的形状。

e.因一般是在真空下干燥，故氧气极少，使易氧化的物质得到了 保护。

£能除去物质中95%~99.5%的水分，制品的保存期长。

2 .冻干的应用

冻干是一种优质的干燥方法。但是它需要比较昂贵的专用设 备，干燥过程中的能耗较大，因此加工成本较高，目前主要应用在以

下几个方面。 a.生物制品、药品方面：如抗菌素、抗毒素、诊断用品和疫苗的 保存。

b微生物和藻类方面：如各种细菌、酵母、酵素、原生动物、微 细藻类等的长期保存。

c.生物标本、生物组织方面：如制作各种动植物标本，干燥保存 用于动物异种或同种移植的皮肤、骨骼、主动脉、心瓣膜等边缘组织。

d.制作用于光学显微镜、电子扫描和透射显微镜的小组织片。

e.食品的干燥方面：如咖啡、茶叶、肉鱼蛋类、海藻、水果、蔬 菜、调料、豆腐、方便食品等。

f.高级营养品及中草药方面：如蜂王浆、蜂蜜、花粉、中草药制 剂等。

g.超细微粉的制备方面:如制取Al2O3、ZrO2、TiO2、Ba2Cu3O7〜 8、Ba2Ti9O20等超细微粉。

匕其他方面：如化工中的催化剂，冻干后可提高催化效率5〜20 倍；将植物叶子、土壤冻干保存，用以研究土壤、肥料、气候对植物 生长的影响及因子的作用；潮湿的木制文物、淹坏的书籍稿件等用冻 干法干燥，能最大限度地保持原状等。

3 .冷冻干燥的基本过程如下：

a.制品的制备（前处理）：如药物的培养、灭菌、分装、洗瓶、 半加塞等，食品原料的挑选、清洗、切分、灭酶、分装等。

b.制品的冻结（预冻）：将制品冻结成固态。

c.第一阶段干燥（升华干燥）：将制品中的冰晶以升华方式除去。

d.第二阶段干燥（解吸干燥）：将残留于制品的水分在较高温度 下蒸发一部分，使残余水分达到预定要求。

e.密封包装：已干制品一般应在真空或充惰性气体条件下密封包 装，以利于储存。

4 .制品冷冻的物理基础

物质有固、液、气三态。物质的状态与其温度和压力有关。（图1） 示出了水（H2。）的状态平衡。图中OL、OK、OS三条曲线分别表 示冰和水、水和水蒸气、冰和水蒸气两相共存时其压力和温度之间的 关系，分别称为熔化线、沸腾线和升华线。此三条曲线将图面分成固 相区、液相区和气相区。箭头分别表示冰融化成水，水蒸发成水蒸气 和冰升华成水蒸气的过程。曲线OK的在顶端点K，其温度为374℃，

称为临界点。当水蒸气的温度高于其临界温度374℃时，无论怎样加 大压力，水蒸气也不能变成水。三曲线的交点O为固、液、气三相 共存的状态，称为三相点，其温度为0.01℃，压力为610.5Pa以下， 且给冰加热，则冰就会不经液相直接变成气相，这一过程称为升华。

5 .冻干制品溶液的共熔点和共晶点

一般来说，冻干药品的溶液是主要功能组分（如细菌等药用成

分）、多种添加组分（抗冻剂、抗氧化剂、填充剂等）和蒸馏水混合 而成的胶体悬浮液。它与一般能互溶的溶液不完全相同，具有一系列 的低共熔点温度。对于冻干加工来说，需要确定一个较高的操作温度， 当在该温度以上时，产品中存在已溶化的液体；而在该温度以下时， 产品将全部冻结，这个温度即为冻干产品的共熔点温度。一些产品的 共熔点温度列于（表1中）。与此相仿，制品溶液在降温冻结过程中， 亦有一系列的共晶温度其中温度最低的共晶点温度称为该溶液的共 晶点温度。一些物质的共晶点温度列于（表2）中。

溶液名称 摩尔溶解度 观察共溶温度 计算温度

甲基芬尼磷酸盐 1.95 -4.29 -3.97

吩妥胺磷酸盐 0.12 -0.75 -0.88

甘露醇 1.0 -2.24

乳糖 0.6 -5.4

氯化钠 6.21 -21.6 -24.00

氯化钾 4.97 -11.1 -12.66

溴化钾 5.93 -12.9 -13.26

甘油水 -46.5

二甲业砜水 -73

俵1）一些饱和溶液的共熔点温度

升华干燥

升华干燥是将冻结后的产品置于密闭的真空容器中加热，其冰晶 就会升华成水蒸气逸出而使产品脱水干燥。干燥是从外表面开始，逐 步向内推移的，冰晶升华后残留下的。

物质名称 共晶点/℃ 物质名称 共晶点/℃

纯水 0 2%明胶10%葡萄糖溶

液 -32

0.85%氯化钠溶液 -22 2%明胶10%蔗糖溶液 -19

10%蔗糖溶液 -26 马血清 -35

10%葡萄糖溶液 -27 一般生物制品 -30

脱脂牛奶 -26 菠菜 -6

人参 -25 甘油水 -46.5

（表2）一些物质的共晶点温度

空隙变成尔后升华水蒸气的逸出通道。已干燥层和冻结部分的分 界面（实际上是一薄层）称为升华界面。在生物制品干燥中，升华界 面约为1mm/h的速率向内推进。当全部冰晶除去时，升华干燥就完 成了，此时可除去全部水分的90%左右。

解吸干燥

解吸干燥也称第二阶段干燥。在第一阶段干燥后，在干燥物质的 毛细管壁和极性基因上还吸附有一部分水分，这些水分是未被冻结 的。当它们达到一定含量时，就为微生物的生长繁殖和某些化学反应 提供了条件。实验证明，即使是单分子层吸附的低含水量，也可能成 为某些化合物的溶液，产生与水溶液相同的移动性和反应性。因此为 了改善产品的储存稳定性，延长其保存期，需要除去这些水分中的大 部分，只留下单分子层的水分。这就是解吸干燥的目的。

第一阶段干燥是将水以冰晶形式除去的，因此冻干层的温度和升 华界面的压力都必须控制在产品共熔点（或崩解温度）以下，才不致 使冰晶溶化。但对于吸附水，其吸附能量高，如果不给它们提供足够 的能量，它们就不可能从吸附中解吸出来。因此，这一阶段产品的温 度应足够地高，只要不超过允许的最高温度，不烧毁产品和不造成产 品过热而变性就可。同时，为了使解吸出来的水蒸气有足够的推动力 逸出产品，必须使产品内外形成较大的蒸气压差，因此此阶段中箱内 必须高真空。

第二阶段干燥后，产品内残余水分的含量视产品种类和要求而 定。一般在0.5%~4%之间。

6 .冻干曲线制定过程：

冻干曲线的形状与制品的性能、装量的多少、分装容器的种类、 冻干机的性能等诸多因素有关。即使同一制品，生产厂家不同，其冻 干曲线亦不完全一样。因此应根据各自的具体条件，用试验定出最佳 的冻干曲线。

冻干曲线制定的过程是，根据所获取的制品的共熔点温度、崩解温度、 最佳预冻速率和残水含量等参数，根据所用冻干机的性能，初步拟订 出搁板温度曲线和冻干箱的压力曲线，用此曲线在实验冻干机上试 验。根据测量并记录的搁板温度、制品冻层温度、制品干层温度、冻 干箱压力、冷阱温度等参数，随时修改冻干曲线中不合理部分。由检 测和观察确定升华阶段结束和解吸干燥结束的时间，冻干结束后，对 产品质量和含水量进行检测。根据所得冻干过程参数的数据，重新拟 订冻干曲线并进行试验，直到得到较为满意的曲线为止。结合生产用 冻干机的性能，将上述曲线加以修改，曲线的不合理部分，直到获得 成熟的冻干曲线（图-3）。 二冻干机系统

1 .控制系统

控制系统有可编程程序控制器（西门子-PLCX触摸屏、外围继 电器、传感器等组成。

2 .制冷系统

制冷系统由制冷压缩机及辅助设施构成，为干燥箱和冷阱提供冷 源。（制冷系统中，除装有显示的高、低压压力表外还装有压力控制 器。当高压压力过高时高压继电器动作，压缩机停止工作）

3 .循环系统

冷冻干燥和加热是依靠温差引起物质传递的一种工艺技术。搁板 的制冷和加热都是通过导热油的传热来进行，为了使导热油不断 地在整个系统中循环，我们在管道中加了一个屏蔽式循环泵。 4 .真空系统

真空系统由干燥箱、冷阱、真空阀门、真空泵、真空管道、真空测 量规管等部分组成。真空泵组组成强大的抽吸能力，一方面促使干 燥箱的水分在真空状态下升华，另一方面该系统在冷阱和干燥箱之 间形成一个真空度压力差，使干燥箱水分升华后被冷阱捕获。

5 .液压系统

主要用在干燥结束时将瓶塞压入瓶口。

三、冻干机的操作

1 .开机前的准备

交接设备运行记录及设备清洗记录，并仔细检查有无异常情 况，如有须及时处理好方能开车；

现场巡检

检查冻干箱内测温探头是否安放准确。

检查制冷机的润滑油，应清澈不粘稠符合要求，油位是否

＞检查真空泵的真空油，应清澈不粘稠符合要求，油位是否 ＞检查冷却水压力20.15Mpa、流量是否满足要求，水温W 28℃,是否符口要求； 检查制冷系统中的所有阀门是否处于开启位置； 检查真空系统中的阀门位置是否符合正常工作要求，凡是 通往大气的阀门均应关闭；

＞检查冷阱内化霜水是否已排放干净。

A检，通鹦质循门应关紧的其余阀门是常开合检查电源电 压是否正常控制柜上各开关是否处于复位位置；

＞检查各压力控制器设定值：

❖温度控制器设定值：50。℃ （可根据制品的要求确定）。

安装完或检修完的检修项目

＞检查各接线和熔断器是否松动，设备接地是否正确;

＞检查真空泵的电机转向是否符合正常工作要求。

2.进入系统：转动钥匙钮，给系统供电，触摸屏会自动进入如 下画面

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日期：yy/mrn/dd

时间：HH:MM

I 进入系统

用手触摸''进入系统”，系统将会自动进入模拟运行窗

开启某一部分只需在触摸屏上轻按一下该部分即可，若要关闭则再按 一下。例如，工艺过程中，要先打开压缩机、循环泵及干箱阀对制品 预冷，用手按触摸屏上的〃屏锁”、“压缩机”、〃循环泵”及〃干箱阀”， 就打开了压缩机、循环泵及干箱阀对制品预冷，预冷结束，再按“干 箱阀”，关闭干箱阀。打开“捕水器制冷阀”，使捕水器降温。温度降 到-40℃左右，打开“真空泵”抽真空，当压力降至10Pa左右开始 加热，给产品供热升华。

加热方法共有二种：“纯手动定点设定控温”、或“程序曲线控温”。

“程序曲线控温”加热方法见“程序运行”。

〃模拟运行图”可直观地显示出机器目前正在运行的情况，各部分 的运行状态以动画形式展现