冷凍乾燥機

冷凍乾燥機

冷凍乾燥機系由製冷系統、真空系統、加熱系統、電器儀表控制系統所組成。冷凍乾燥機主要部件為乾燥箱、凝結器、冷凍機組、真空泵、加熱/冷卻裝置等。冷凍乾燥機(冷乾機)的工作原理與電冰櫃一樣,壓縮空氣經過冷凍的壓縮空氣管道後,壓縮空氣溫度下降至要求的溫度,達到乾燥的要求。冷凍乾燥機的製冷系統屬於壓縮式製冷,由製冷壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥等四個基本部件組成。為了提高第一階段的升華速度,可將擱板溫度一次升高至製品允許的最高溫度以上;待大量升華階段基本結束時,再將板溫降至允許的最高溫度,這後兩種方式雖然使大量的升華速度有一些提高,但其抗干擾的能力相應降低,真空度和製冷能力的突然降低或停電都可能會使製品融化。

冷凍乾燥

冷凍乾燥(以下簡稱凍乾)就是將含水物質,先凍結成固態,而後使其中的水分從固態升華成氣態,以除去水分而保存物質的方法。

在壓縮空氣乾燥過程中,其冷凍乾燥是通過降低壓縮空氣溫度,使壓縮空氣中的水份析出。冷凍乾燥機(冷乾機)的工作原理與電冰櫃一樣,壓縮空氣經過冷凍的壓縮空氣管道後,壓縮空氣溫度下降至要求的溫度,達到乾燥的要求。

起源

凍乾機起源於19世紀20年代的真空冷凍乾燥技術經歷了幾十年的起伏和徘徊後,在最後的20年中取得了長足進展。進入21世紀,真空凍乾技術憑藉其它乾燥方法無法比擬的優點,越來越受到人們的青睞,除了在醫藥、生物製品、食品、血液製品、活性物質領域得到廣泛套用外,其套用規模和領域還在不斷擴大中。為此,真空冷凍乾燥必將成為21世紀的重要套用技術。

優勢

乾燥的方法多種多樣,如曬乾、煮乾、烘乾、噴霧乾燥和真空乾燥等,但普通乾燥方法通常都在0℃以上或更高的溫度下進行。乾燥所得的產品一般都存在體積縮小、質地變硬的問題,易揮發的成分大部分會損失掉,一些熱敏性的物質發生變性、失活,有些物質甚至發生了氧化。因此,乾燥後的產品與乾燥前相比,在性狀上有很大的差別。 凍乾法則基本上在0℃以下進行,即在產品凍結的狀態下進行,只在後期降低產品的殘餘水份含量時,才讓產品升至0℃以上的溫度,但一般不超過40℃。在真空條件下,當水蒸汽直接升華出來後,藥物剩留在凍結時的冰架中,形成類似海綿狀疏鬆多孔架構,因此它乾燥後體積大小几乎不變。再次使用前,只要加入注射用水,又會立即溶解。凍乾機相對常規方法,凍乾法具有如下優點:

* 許多熱敏性的物質不會發生變性或失活。

* 在低溫下乾燥時,物質中的一些揮發性成分損失很小。

* 在凍乾過程中,微生物的生長和酶的作用無法進行,因此能保持原來的性狀。

* 由於在凍結的狀態下進行乾燥,因此體積幾乎不變,保持了原來的結構,不會發生濃縮現象。

* 由於物料中水分在預凍以後以冰晶的形態存在,原來溶於水中的無機鹽類溶解物質被均勻地分配在物料之中。升華時,溶於水中的溶解物質就析出,避免了一般乾燥方法中因物料內部水分向表面遷移所攜帶的無機鹽在表面析出而造成表面硬化的現象。

* 乾燥後的物質疏鬆多孔,呈海綿狀,加水後溶解迅速而完全,幾乎立即恢復原來的性狀。

* 由於乾燥在真空下進行,氧氣極少,因此一些易氧化的物質得到了保護。

* 乾燥能排除95%~99%以上的水分,使乾燥後產品能長期保存而不致變質。

* 因物料處於凍結狀態,溫度很低,所以供熱的熱源溫度要求不高,採用常溫或溫度不高的加熱器即可滿足要求。如果冷凍室和乾燥室分開時,乾燥室不需絕熱,不會有很多的熱損失,故熱能的利用很經濟。

正所謂沒有完美的技術,真空冷凍乾燥技術的主要缺點是成本高。由於它需要真空和低溫條件,所以真空冷凍乾燥機要配置一套真空系統和低溫系統,因而投資費用和運轉費用都比較高。

主要參數

1:乾燥室:乾燥室的尺寸(寬*深*高),擱板數目,擱板有效總面積、擱板尺寸、擱板溫度

2. 是否具備壓蓋功能:若具備是手動還自動的

3. 冷凝器:冷凝器的材料、冷凝器凝冰量、冷凝器最終溫度、冷凝室門材料、除霜器系統

4. 冷卻系統:採用的壓縮機

5. 乾燥能力:每天干燥樣品重量

6. 電源:

7. 監控方式:使用外置電腦還是機器自身液晶顯示,以及監控的參數設計

套用

真空冷凍乾燥技術在生物工程、醫藥工業、食品工業、材料科學和農副產品深加工等領域有著廣泛的套用。

藥品冷凍乾燥包括西藥和中藥兩部分。西藥冷凍乾燥在國內已經得到了一定的發展,很多較大型的製藥廠都有冷凍乾燥設備。在針劑方面,冷凍乾燥工藝採用的比較多,提高了藥品質量和貯存期限,給醫患雙方都帶來了利益。凍乾藥品的品種不多,產品價格高,乾燥工藝不先進。在中藥方面,局限在人參、鹿茸、山藥、冬蟲夏草等少量中藥材的凍乾,大量的中成藥還沒有採用凍乾工藝,與國外差距較大。日本幾年前就開展了“漢藥西制”,改變了中藥的熬制方法,解決了中藥不能製成針劑或片劑的傳統,也解決了中藥不治急病的難題,因此我國中藥凍乾工藝及產品的研究很有潛力可挖。

在生物技術產品領域,凍乾技術主要用於血清、血漿、疫苗、酶、抗生素、激素等藥品的生產;生物化學的檢查藥品、免疫學及細菌學的檢查藥品;血液、細菌、動脈、骨骼、皮膚、角膜、神經組織及各種器官長期保存等。

設備的現狀與發展

凍乾技術的套用和設備是分不開的,到目前為止,凍乾設備的形式主要分為間歇式和連續式兩大類,設備的規模從不到一平方米到幾十平方米都有。

間歇式凍乾設備

間歇式凍乾設備適合多品種小批量生產,特別是在食品領域適用於季節性強的食品生產。採用單機操作,如果一台設備發生故障,不會影響其它設備的正常運行。間歇式凍乾設備便於控制物料乾燥時不同階段的加熱溫度和真空度的要求。設備的加工製造和維修保養易於進行。但由於裝料、卸料、起動等操作占用時間較多,因此設備利用率低,生產效率也不高。

連續式凍乾設備

國內外開始探索和使用連續式真空冷凍乾燥設備。連續式設備的特點是適於品種單一而產量龐大、原料充足的產品生產,特別適合漿狀和顆粒狀製品的生產。連續式設備容易實現自動化控制,簡化了人工操作和管理,其主要缺點是成本高。

隨著GMP認證的結束,國產的優秀醫藥用凍乾設備全面進入了現代化階段,功能齊全、工作可靠、性能穩定,可實現線上清洗(CIP)或蒸汽消毒滅菌(SIP),各項技術指標都能滿足生物製品和藥品凍乾生產的需要。相比之下,國外凍乾設備的品種規格比國內多,配套設備齊全,節能型結構比較精緻,連續式凍乾設備生產量大。為保證凍乾產品的質量和節能,常採用凍乾設備與其它乾燥設備組合在一起的組合凍乾設備,例如噴霧凍乾設備。

在未來,如何在保證產品質量的前提下,提高冷凍乾燥效率,縮短乾燥時間,節約能源將是廣大凍乾行業工作者的目標。

加工工藝

凍乾加工工藝對於某些生物製品、藥品的製造起到關鍵性作用。如麻疹疫苗和卡介苗凍乾前在保冷情況下的有效期只有3個月,而卡介苗的安全試驗就需耗時2個月才能完成。凍乾工藝使卡介苗的活菌數經 4~5 年存放後仍保持在合格水平。凍乾工藝生物製藥中主要套用於生物、生化製品、中藥注射劑製品和熱不穩定的抗生素類製品的生產。

工作原理

壓縮空氣中水蒸氣的量是由壓縮空氣的溫度決定的:在保持壓縮空氣壓力基本不變的情況下,降低壓縮空氣的溫度可減少壓縮空氣中的水蒸氣含量,而多餘的水蒸氣會凝結成液體。冷凍乾燥機就是利用這一原理採用製冷技術乾燥壓縮空氣的。因此冷乾機具有製冷系統。 格力冷凍乾燥機原理正視圖

冷凍乾燥機的製冷系統屬於壓縮式製冷,由製冷壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥等四個基本部件組成。它們之間用管道次連線,形成一個密閉的系統,製冷劑在系統中不斷地循環流動,發生狀態變化並與壓縮空氣和冷卻介質進行熱量交換。

製冷壓縮機將蒸發器內的低壓(低溫)製冷劑吸入壓縮機汽缸內,製冷劑蒸汽經過壓縮,壓力、溫度同時升高;高壓高溫的製冷劑蒸汽被壓至冷凝器,在冷凝器內,溫度較高的製冷劑蒸汽與溫度比較低的冷卻水或空氣進行熱交換,製冷劑的熱量被水或空氣帶走而冷凝下來,製冷劑蒸汽變成了液體。這部分液體再被輸送至膨脹閥,經過膨脹閥節流成了低溫低壓的液體並進入蒸發器;在蒸發器內低溫、低壓的製冷劑液體吸收壓縮空氣的熱量而汽化(俗稱“蒸發”),而壓縮空氣得到冷卻後凝結出大量的液體水;蒸發器中的製冷劑蒸汽又被壓縮機吸走,這樣製冷劑便在系統中經過壓縮、冷凝、節流、蒸發這樣四個過程,從而完成了一個循環。

在冷凍乾燥機的製冷系統中,蒸發器是輸送冷量的設備,製冷劑在其中吸收壓縮空氣的熱量,實現脫水乾燥的目的。壓縮機是心臟,起著吸入、壓縮、輸送製冷劑蒸汽的作用。冷凝器是放出熱量的設備,將蒸發器中吸收的熱量連同壓縮機輸入功率轉化的熱量一起傳遞給冷卻介質(如水或空氣)帶走。膨脹閥/節流閥對製冷劑起節流降壓作用、同時控制和調節流入蒸發器中製冷劑液體的數量,並將系統分為高壓側和低壓側兩大部分。

製品的凍結

溶液速凍時(每分鐘降溫10~50℃),晶粒保持在顯微鏡下可見的大小;相反慢凍時(1℃/分),形成的結晶肉眼可見。粗晶在升華留下較大的空隙,可以提高凍乾的效率,細晶在升華後留下的間隙較小,使下層升華受阻,速成凍的成品粒子細膩,外觀均勻,比表面積大,多孔結構好,溶解速度快,便成品的引濕性相對也要強些。

藥品在凍乾機中預凍在兩種方式:一種是製品與乾燥箱同時降溫,另一種是待乾燥箱擱板降溫至-40℃左右,再將製品放入,前者相當於慢凍,後者則介於速凍與慢凍之間,因而常被採用,以兼顧凍乾效率與產品質量。此法的缺點是製品入箱時,空氣中的水蒸氣將迅速地凝結在擱板上,而在升華初期,若板升溫較快,由於大面積的升華將有可能超越凝結器的正常負荷。此現象在夏季尤為顯著。

製品的凍結處於靜止狀態。經驗證明,過冷現象容易發生至使製品溫度雖已達到共晶點。但溶質仍不結晶,為了克服過冷現象,製品凍結的溫度應低於共晶點以下一個範圍,並需保持一段時間,以待製品完全凍結。

二升華條件

冰在一定溫度下的飽和蒸汽壓大於環境的水蒸氣分壓時即可開始升華;比製品溫更低的凝結器對水水蒸氣的抽吸與捕獲作用,則是維護升所必需的條件。

氣體分子在兩次連續碰撞之間所走的距離稱為平均自由程,它與壓力成反比。在常壓下,其值很小,升華的水分子很容易與氣體碰撞又返回到蒸汽源表面,因而升華速度很漫。隨著壓力降低13.3Pa以下,平均自由程增大105倍,使升華速度顯著加快,飛離出來的水分子很少改變自己的方面,從而形成了定向的蒸汽流。

真空泵在凍乾機中起著抽除永久氣體的作用,以維護升華所必需的低壓強。1g水蒸氣在常壓下為1.25L而在13.3Pa時卻膨脹為10000升,普通的真空泵在單位時間內抽除如此大量的體積是不可能的。凝結器實際上形成了專門捕集水蒸氣的真空泵。

製品與凝結的溫度通常為-25℃與-50℃。冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分別為63.3Pa與1.1Pa,因而在升華面與冷凝面之間便產生了一個相當大的壓力差,如果此時系統內的不凝性氣體分壓可以忽略不計,它將促使製品升華出來的水蒸氣,以一定的流速定向地抵達凝結器表面結成冰霜。

凍的升華熱約為2822J/克,如果升華過程不供給熱量,那末製品只有降低內能來補償升華熱,直至其溫度與凝結器溫度平衡後,升華也就停止了。為了保持升華與冷凝來的溫度差,必須對製品提供足夠的熱量。

三升華過程

在升溫的第一階段(大量升華階段),製品溫度要低於其共晶點一個範圍。因此擱板溫要加以控制,若製品已經部分乾燥,但溫度卻超過了其共晶點,此時將發生製品融化現象,而此時融化的液體,對冰飽和,對溶質卻未飽和,因而乾燥的溶質將迅速溶解進去,最後濃縮成一薄僵塊,外觀極為不良,溶解速度很差,若製品的融化發生在大量升華後期,則由於融化的液體數量較少,因而被乾燥的孔性固體所吸收,造成凍乾後塊狀物有所缺損,加水溶解時仍能發現溶解速度較慢。

在大量升華過程,雖然擱板和製品溫度有很大懸殊,但由於板溫、凝結器溫度和真空溫度基本不變,因而升華吸熱比較穩定,製品溫度相對恆定。隨著製品自上而下層層乾燥,冰層升華的阻力逐漸增大。製品溫度相應也會小幅上升。直至用肉眼已不到冰晶的存在。此時90%以上的水分已除去。大量升華的過程至此已基本結束,為了確保整箱製品大量升華完畢,板溫仍需保持一個階段後再進行第二階段的升溫。剩餘百分之幾的水分稱殘餘水分,它與自由狀態的水在物理化學性質上有所不同,殘餘水分包括了化學結合之水與物理結合之水,諸如化合的結晶水結晶、蛋白質通過氫鍵結合的水以及固體表面或毛細管中吸附水等。由於殘餘水分受到某種引力的束縛,其飽和蒸汽壓則是不同程度的降低,因而乾燥速度明顯下降。雖然提高製品溫度促進殘餘水分的氣化,但若超過某極限溫度,生物活性也可能急劇下降。保證製品安全的最高幹燥溫度要由實驗來確定。通常我們在第二階段將板溫+30℃左右,並保持恆定。在這一階段初期,由於板溫升高,殘餘水分少又不易氣化,因此製品溫度上升較快。但隨著製品溫度與板溫逐漸靠攏,熱傳導變得更為緩慢,需要耐心等待相當長的一段時間,實踐經驗表明,殘餘水分乾燥的時間與大量升華的時間幾乎相等有時甚至還會超過。

四凍乾曲線

將擱板溫度與製品溫度隨時間的變化記錄下來,即可得到凍乾曲線。比較典型的凍乾曲線系將擱板升溫分為兩個階段,在大量升華時擱板溫度保持較低,根據實際情況,一般可控制在-10至+10之間。第二階段則根據製品性質將擱板溫度適當調高,此法適用於其熔點較低的製品。若對製品的性能尚不清楚,機器性能較差或其工作不夠穩定時,用此法也比較穩妥。

如果製品共晶點較高,系統的真空度也能保持良好,凝結器的製冷能力充裕,則也可採用一定的升溫速度,將擱板溫度升高至允許的最高溫度,直至凍乾結束,但也需保證製品在大量升華時的溫度不得超過共晶點。

若製品對熱不穩定,則第二階段板溫不宜過高。為了提高第一階段的升華速度,可將擱板溫度一次升高至製品允許的最高溫度以上;待大量升華階段基本結束時,再將板溫降至允許的最高溫度,這後兩種方式雖然使大量的升華速度有一些提高,但其抗干擾的能力相應降低,真空度和製冷能力的突然降低或停電都可能會使製品融化。合理而靈活地掌握第一種方式,是較常用的方式。

使用注意

開機

1 打開機箱左側的總電源開關,氣壓數顯為大氣壓110pk;

2 按住控制臺上的總開關鍵三秒鐘以上,溫度數顯為冷阱的實際溫度;

3 啟動制冷機,預冷30分鐘以上;

4 將樣品放入樣品架,蓋上有機玻璃罩,並啟動真空泵;

5 待氣壓數顯穩定後,記錄溫度和氣壓數值。

停機

1 紀錄停機前的溫度和氣壓數值;

2 按住控制臺的充氣閥,並立即關閉真空泵;

3 氣壓數顯為大氣壓時,打開有機玻璃罩,取出樣品;

4 關閉制冷機,按住總開關鍵三秒以上,最後關閉總電源開關;

5 等冷阱中的冰完全化成水後,打開機箱左側的出水閥放水,並用乾布清潔冷阱內壁,蓋上大張濾紙防塵。

注意問題

1 製備樣品應儘可能擴大其表面積,其中不得含有酸鹼物質和揮發性有機溶劑;

2 樣品必須完全凍結成冰,如有殘留液體會造成氣化噴射;

3 注意冷阱約為零下65度,可以做低溫冰櫃使用,但必須戴保溫手套操作防止凍傷;

4 啟動真空泵以前,檢查出水閥是否擰緊,充氣閥是否關閉,有機玻璃罩與橡膠圈的接觸面是否清潔無污物,良好密封;

5 一般情況下,該機不得連續使用超過48小時;

6 樣品在冷凍過程中,溫度逐漸降低,可以將樣品取出回暖一段時間後(仍處於冰凍狀態),繼續乾燥,以縮短乾燥時間。

特點

1、液晶顯示、中文界面,帶樣品乾燥曲線;

2、進口壓縮機,另設有換熱器後,增大了製冷量,提高了捕水能力;

3、冷阱開口大,無內盤管,帶樣品預凍功能;

4、預冷架,可作導流桶,加快乾燥速度;

5、冷阱和操作面為全不鏽鋼,耐腐蝕易光潔,透明鐘罩。

6、透明鐘罩式乾燥室,安全直觀;

7、 不鏽鋼樣品架,普通型樣品盤間距可調;

8、設計新穎,體積小操作方便,減少實驗室台面占用;

9、可選加有氮氣充氣閥。

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