冷冻干燥技术与设备 /Leng dong gan zao ji shu yu she bei 9787560934075, 7560934072 [PDF]

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冷冻干燥技术 与设备 黄良H



季树广



LENGDONC GA JSZAO J / SHV YU SHEBEI



华中科技大学出版社



内 容 提 要



本 书 共 分 十 章 ，内 容 包 括 冷 冻 干 燥 的 物 理 学 、细 胞 学 基 础 r 冻 干过程中传热传质的数学分析方法， 冻 干 中 的 真 空 技 术、 制冷技 术 、测 量 技 术 和 加 工 工 艺 ，冻 干 机 的 设 计 、制 造 、性 能 验 证 和 操 作 维



修 等 。本 书 是 一 本 全 面 、系 统 介 绍 冷 冻 干 燥 基 础 理 论 和 实 际 技 术 的 专 著 。本 书 可 供 冷 冻 千 燥 机 理 的 研 究 人 员 ，冻 干 设 备 的 设 计 、制



造和操作人员阅读和参考。



前



冷冻干燥是一种优质的保存含水物质的干燥方法 a 现已广泛



应用在医荮 、食品 、生物组织 、标本制作 、超细微粉制取等领域，我 们编写这本专著的目的 ， 是想总结多年从事冻干机理研究 、设备设



以及我国的冻干 希望对我国冻干技术的发展 ， 计制造的心得体会 ， 技术步入佺界先进行列有所禆益 。



本书共分十章 ， 内容包栝冷冻干燥的物理学 、细胞学基础 ， 冻 干过程中传热传质的数学分析方法 ， 冻干中的真空技术 、制冷技



术 测量技术和加工工艺 ， 冻干设备的设计 、 制造 、性能验证及操作 1



维修等



&



本书是一本全面 、系统介绍冻干理论及实际技术的专著 。



可供冻干机理的研究人员 ， 冻干设备的设计 、制造人员和维修人员



学习参考 。 被干燥的物质不同 ， 其冻干工艺和设备也不相同 ， 但其基本理 本书以目前应用最普遍的医 论和加工过程还是差不多的 ，因此 ， 药 、生物制品冻干为主线 ， 同时也介绍食品和其 进行系统地阐述 ， 他物质冻干的特点 。



本书由华中科技大学赵鹤皋 、上海东富龙科技有限公司郑效 东 、上海浦东冷冻干燥设备有限公司黄良瑾 、北京速原真空技术有



限公司季树广共同撰写 ， 由赵鹤皋统稿 ， 特遨华中科技大学林秀诚 教授 、郑贤德教授 、 何国庚博士主审 。



在编审中曾得到多方支持和帮助 ， 在此特致谢忱 。 本书涉及的知识面很广 ， 由于编审人员水平有限 ， 缺点 、错误 在所难免 ，恳请各界读者批评指正 编著者



2004 .11 于武汉



目



_



录



绪论



第



章 冷 冻 干 燥 的 物 理 基 础 和 方 法 ………



第一节制品冻结的物理基础



-



⑴ ( 10 ) ( 10 )



第二节制品的干燥



( 17 )



第三节制品的冻结方法



( 22 )



第四节制品的干燥方法



( 27 )



第二章冷冻干燥中的传热传质



( 29 )



第一节概述



C 29 )



第二节稳态冻干模型



( 32 )



第三节升华速率影响因素分析



( 36 )



第四节非稳态冻干模型



( 39 )



第五节亚稳态冻干模型



( 42 )



第三章冷冻干燥的细胞学基础



( 44 )



第一节细胞冻结的损伤机理



( 45 )



第二节影响冻干细胞存活率的其他因素



U7) < 50>



第三节冻干保护剂 第四章冻干中的真空技术



C 56 )



第一节概述



( 56 )



第二节真空的获得真空泵



( 59 )



第三节真空阀



( 71 )



第四节真空系统



( 76 )



第五章冻干中的制冷技术



( 83 )



第一节制冷循环



( 83 )



　



第二节制冷机的工作温度对其性能的影响 制冷机的工况 第 三 节 制 冷 剂 、载 冷 剂 、 润滑油



( 92 )



第四节制冷压缩机



( 101 )



第五节制冷设备 第六节制冷自控元件



< 106 )



第七节冻干机的制冷系统 第六章冷冻干燥设备 第一节冻干箱 第二节冷阱 第三节压塞机构 第四节医药冻干机的控制系统和安全保护装置 第五节三重热交换捕集器及其制冷系统



( 115 ) ( 126 ) ( 132 )



C 135 ) ( 142 ) ( 146 )



( 150 )



( 152 )



第六节中间取样装置



< 155 )



第七节各配套设备的容董计算 第八节食品冻干机 第九节食品冻干机与医药冻干机



C 156 )



设计理念的差异 第 十 节 冷 阱 的 化 霜（冰）



第七章冷冻干燥工艺 第 一 节 生 物 制 品、 药品的冻干流程



*



( 90 )



( 166 ) ( 173 ) ( 179 ) ( 182 )



( 182 )



第二节清洗和消毒 第三节分装和密封



( 183 )



第四节冻干曲线的制定 第 五 节 冻 干 过 程 的 主 要 参 数 的 调 节 与 控 制……



( 196 )



099 )



第六节冻干产品的质量分析



( 205 )



第七节食品的冻干



( 208 )



第八节标本的冻干



< 216 )



第九节生物组织的冻干 2 •



( 190 )



( 219 )



　



… （ 223 )



第十节超细微粉的冻干 第八章冷冻干燥测量技术



C 226 )



第一节共熔点的测置 第二节温度测量 第三节真空度測置



… （ 226 )



…



第四节冻干产品的残余水分測量



… （247 )



(231)



… ( 2 4 0) … (2 5 4) … （254 >



第九章冻干机的技术性能和验证 第一节概述



第 二 节 冻 干 箱 的 降 温、 升温能力及搁板温度的



均匀性验证



( 256 )



第三节冷阱的捕水能力及其最低温度



第 四 节 真 空 系 统 的 密 封 性 能 与 抽 真 空 能 力… 第 五 节 清 洗、 灭菌的有效性验证



( 259 )



( 260 )



M



( 262 )



第六节冻干过程及其他项目的验钲



( 266 )



第十章冻干机的运转与维修



( 272 )



第一节冻干机的运转



( 272 )



第二节冻干机的运转管理



( 275 )



第三节冻干机的放障分析及处理



( 2S8 )



第四节冻干机的维护检査 附录 1 水和冰的饱和蒸气压



( 295 )



附录 2



( 298 )



( 297 )



国 产 冻 干 机 主 要 供 应 商 及 其 系 列 产 品 介 绍〃



主要参考文献



( 310 )



-



3



-



　



绪



论



一 、冷冻干燥的特点和应用 冷冻干燥（简称冻干）是将含水物质先冻结成固态 ， 然后使其



中的水从固态升华成气态 ， 以除去水分而保存物质的方法 1. 冻干的优点



9



冻干与通常的晒干 、烘干 、煮千 、 喷雾干燥及真空干燥相比有



如下突出的优点。 ① 冻干是在低溫下干燥的 ，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



基因工程类制品和血液制品等的干燥保存特 品 、生物化学类制品 、



.



别适用



② 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 9



③ 在低温干燥过程中， 微生物的生长和酶的作用几乎无法进



从而能最好地保持物质原来的性状。 行， ④ 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 ， 能迅速还原成原来的形状



.



⑤ 因一般是在真空下千燥 ， 故氧气极少 ， 使易氧化的物质得



到了保护。 ⑥ 能除去物质中 95 % 2. 冻干的应用



99 . 5 %的水分 ， 制品的保存期长 。



冻干是一种优质的干燥方法。但是它霈要比较昂贵的专用设



干燥过程中的能耗较大 ， 因此加工成本较髙， 备， 目前主要应用在



　



以下几个方面 ① 生物制品 、 诊断用品和疫苗 药品方面 ：如抗菌素 、抗毒素 、



的保存 a ② 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。 ③ 生物标本 、生物组织方面 ： 干燥保 如制作各种动植物标本，



心瓣膜等 角膜 、 骨骼 、主动脉 、 存用于动物异种或同种移植的皮肤 、



边缘组织 。 ④ 制作用于光学显微镜 、 电子扫描和透射显微镜的小组织



片。 ⑤ 食品的干燥方面 ： 蔬 如咖啡 、茶叶、肉鱼蛋类 、海藻 、水果 、



菜 、调料 、 豆腐、方便食品等



D



⑥ 髙级营养品及中萆药方面 ： 如蜂王浆 、蜂蜜 、花粉 、中草药



制剂等



.



⑦ 超 细 微 粉 的 制 备 方 面 ：如 制 取 A1203 ,ZTO



O7



,



,Ba TL9 O20 等超细微粉 a



^



^



TiO£ 、



⑧ 其他方面:如化工中的催化剂 ， 冻干后可提髙催化效率 5



20 倍;将植物叶子 、土壤冻干保存 ， 肥料 、气候对植 用以研究土壤、 物生长的影响及生长因子的作用； 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 。



二、 冷冻干燥的发展历史 1. 冻干标本 、 医药品方面



冻干能保存食物很早就力人们所知。古代北欧的海盗利用干 将冻 寒空气的自然条件来干燥和保存食物 ， 就是其中一例。但是 ， 干 作 为 科 学 技 术 还 是 近 百 年 来 的 事 1 8 9 0 年 Altmann 在 制 作 标 本时， 为了防止标本中的物质在有机溶剂中溶解造成不可逆损失 ， 改变过去用有机溶剂脱水的方法 ，而采用冷冻干燥法冻干了多种 器官和组织 。他的工作确立了生物标本系统的冻干程序， 这是冻 •2 ，



　



干在制作生物标本中的最早应用 。



1909 年 Shackell 将冻干引人细菌学和血清学领域。他采用 抗毒素 、狂犬病 对补体 、 在真空状态下用硫酸作吸水剂 ， 盐冰预冻， 其设备虽十分简陋 ，但却是后 免疫血清、肉和血液等进行冻干 ， 毒、 世先进冻干机的雏形 他在研究与开发生物制品 蛋白质的冷冻 9



1



干燥技术方面开创了一个新纪元。



1912 年 Carrel 首先提出用冻干技术为外科移植保存组织



.



此后， 许多学者为发展冷冻干燥技术进行了大量的研究和试



但由于未能很好地掌握低温同真空度以及有效地控制加热等 验， 仍然停留在实验研究阶 冻干技术没有长足的进步 ， 的相互关系，



—



Ftosdorf 和 Greaves 等分别研制了比 1936 年间 ， 较完善的冻干仪器和设备、 才使冻干生物制品技术由实验室走向 需要大量制备干的人 正值第二次世界大战 ， 工业化大生产当时 ， 美国冻干血 因而使冻干生产得到迅速发展 。例如， 血浆和青霉素， 段 。直到 1935



浆产量达每周 100 000 单位



Flosdorf 及其同事根据前人的经验， 总结了三种冻干方法 ： LyophUe 法 ， 即用硫酸 即用冷阱来捕集升华水蒸气 iCryochem 法 ， Desivac 法 ，即用抽气机抽 钙等便宜的吸水剂来捕集升华水蒸气； 是开发了立式旋冻机和离心真 除升华水蒸气。Greaves 的贡献， 而后干燥 ， 因升华界面 使制品在直立旋转状态下冻结 ， 空干燥法 ， 也提髙了干燥速率。因此， 保证了制品的质董 ， 面积大且不起泡，



Hosdorf 和 Greaves 是冻干技术由实验室转向工业化大生产的奠 基人 。 冻干理论和设备的研究已逐步趋于完善， 到 20 世纪 70 年代， 当时先进的冻干机已能满足正常医药冻干所需的各项功能和进行 各国医药行业纷纷贯彻 GMP 自动程序生产 加世纪 S0 年代初 ，



.



( 医药制造管理和品质管理规则）， 将“过程检验”引人冻干生产 ， 各



生产过程的重 生产的可靠性 、 厂商竞争的焦点变为产品的安全性 、 从而推动医药冻干技术的进一步发展， 复再现性， • 3



-



　



在我国 ， 1949 年以前只在实验室用小型冻干装置进行冻干试



大连生物所用简易冻干装置生产了破伤H抗毒素 、 验。1950 年 ， 气性坏疽抗毒素等 1951 年军事医学科学院王克勤等研制了小



^



第二次世界大战结束后， 型冻干机 * 生产了冻干动物和人的血浆， 联合国救济总署曾赠送两台美国 Stokes 公司生产的冻千机给中 安装在武汉和北京两个生物制品研究所 ， 参照该冻干机 ， 1951 国， 1953 年武汉生物所陈畴等设计 ， 上海合众机器厂等制造成功搁



此冻干机是我国自制较大型冻干设备的开 板面积 9 m3 的冻干机 ，



随后在各生物制品研究所和各兽药厂开始批量生产冻干医药 始， 品。



小型医 20 世纪 70 年代中期 ， 我国已制成自行设计的大 、中、



冻干技术不断改进 ， 药冻干机 。经过几十年的实践应用， 现已成为 在冻干机制 特别是 1叩8 年 GMP 发布以后， 使医药冻干生产在更高 造厂和使用厂掀起了贯彻 GMP 的热潮 ， 层次上迅速发展 2. 食品冻干方面 他在 1949 年的著 1930 年 FlosdoH 进行了食品冻干的试验 ，



一门成熟的技术了



6



^



作中展望了冻干在食品和其他疏松材料方面应用的前景 。 1941 年英国的 Kidd 利用热泵原理冻干食品 B



食品冻干的系统研究始于 20 世纪 50 年代，其中规模最大的 是英国食品部在 Afcerdeen 试验工厂进行的妍究他们在综合了



证明用 于 1961 年公布了试验成果， 当时一些研究成果的基础上 ， 冻干法加工食品是一种能获得优质食品的方法 ，在 20 世纪 50 年 欧美国家相继建立了一批冻干食品厂 ,开始了食品冻干的 代后期 ， 工业生产 。到 60 年代初 ， 美国农业部的“ Bird” 报告预测食品冻干 许多制造商参与了食品冻干机的开发 将有很大发展， 在此推动下 ， 但到 20 世纪 60 年代后半期发现 ， 制造， 实际与预测的差距很大 , 除冻干咖啡有较大增长外 ， 海产品）的 各种固态食品 C 蔬菜 、肉类 、 冻千未见多大发展 旅行 、郊游食品也只是少董生产 ， 致使许多食 • 4



-



^



　



m



品冻干设备积 ， 或不得不改装成咖啡生产设备， 限制了新设备的 食品冻干设备几乎没有什么改进 发展 ， ^加工各种固态食品的冻干 第一代食品冻干机的主要特征是 ， 即用加热搁板 、托 设备采用与医药冻干机相同的托盘/ 搁板方式 ， 盘与食品材料间的接触传热来提供升华热各厂商竞争的焦点在



于如何提高接触传热的效率 a 至于水蒸气的排除 开始时是用蒸 气喷射泵直接抽除 ， 后来随看制冷技术的完善， 改为冷阱捕集 。 但 固体材料要像实验时那样 是生产用装置与实验室条件是不同的 ， 均匀地装盘和均匀地接触传热是很困难的 。 为避免局部过热和使 需很长时 已干层内残留的斑斑点点的未升华完的制品达到干燥 ， 托盘操作的繁杂所带來的成本上升 ， 第 也是问题之一。总之 ， 间； 成本是髙的这也 代食品冻干机冻干食品的生产效率是低的 ， 是当时食品冻干发展缓慢的主要原因之一 人们提出了微波加热 针对托盘/ 搁板/接触传热方式的缺点 ， 冻结干燥 、 大气压（减压）对流冻结干燥 、真空喷雾冻结干燥等方 因而许多厂 式 。但由于除咖啡以外的冻干设备市场需求量太少， 而将注意力集中到 商敢弃了对托盘/ 搁板/ 接触加热方式的改良 ， 咖啡连续冻干装置的开发上 。 在 20 世纪 60 年代后期和 70 年代 在冻干机 破碎成无定型颗粒 ， 初期相继开发了将浓缩咖啡冻结后， 并在输送过程中干 内用振动筛 ， 或旋转筒 ， 输送制品 ， 或刮片（刀） 这些 燥制品的非托盘连续冻干机 。 只有丹麦的 Adas 公司认为， 且飞散的 输送制品方式会造成至少 1 % 以上的制品的飞散损失， 这是一种难以克服的缺点，他们仍然坚持用 制品残留在设备中 ， 一盘一盘地向干燥室 将托盘搁于吊笼( 或小车）上 ， 托盘装载制品， 用加热板从托盘上下两面辐射提 并在箱内向箱的出口移动 ， 输送 ， 后来 用双冷阱交替冷凝水蒸气和化霜的连续型冻干机 ， 供升华热， 又开发了与连续型冻干方法相似的批次式冻千机，这种将制品置 避免了制品微粉的飞散 因 于托盘中在干燥室内的输送的方式 ， 其产品几乎完全垄断了欧美市 此在竞争中 * Altas 取得了胜利 ， 》



—



D



a



-



5



•



　



扬。后来亚洲一些厂商生产的食品冻干机也均采用了这种方式。 这就是沿用至今的第二代食品冻干机。



缩短了食品冻干周期， 降低了 第二代食品冻干机的开发成功， 生产成本 ， 对食品冻干的发展是一个有力的推动



6



日本的 20 世 纪 7 0 年代初 ， 正当欧美食品冻干处于低潮之时，



民族饮食文化的发展， 蒜 、豆酱 、方便面 、汤料等的需要 使冻干葱、



量很大 ， 使得日本的食品冻干业迅速发展起来食品冻干设备的



制造业也跟着兴起 ， 其中共和真空株式会社便是当今世界上生产 食品冻干机和医药冻干机的主要厂商之一 a 其食品冻干机机型亦 以 Altas 公司的托盘吊笼(小车 )加热板辐射加热方式为基础 a 在我国 ， 1964 年原天津市通用机械工业 食品冻干起步较晚 ，



肉类食品的冻 公司利用法国的 RP 45 型冻干机进行了蔬菜 、水果 、 干试验， 并于 1965 年研制成功 GL45 型食品冻干机 a 1965



1967 年原辽宁省机械研究所研制成功日处理原料 500



kg 的冻千设备。 1965 1 %9 年原北京人民食品厂研制了日脱水 500 kg 的冻 干设备， 并对许多果蔬 、 肉食的冻干工艺进行了研究。 1965



1978 年上海梅林罐头食品厂建成了年产 300 t 冻干食



品的车间， 采用的设备基本上属于第一代食品冻干设备 ， 冻干食品



的生产成本髙， 加之当时还未实行对外开放政策 ， 国内消费水平又 低， 冻干食品缺乏销路 ， 最终导致车间停产 。 进人 20 世纪 80 年代以后 ，冻干食品的生产在我国有了较大 的发展 a 进口了丹麦 、 日本等国数十套食品冻干设备， 也自行设计 冻干食品除内销外 ，大部分用于出口 ， 制造了一批设备， 其产品也 多数为我国的土特产品 。 但在发展中也出现了盲目引进设备造成



设备闲置和引进国外已淘汰的落后设备的现象 ， 这是值得引以为 戒的。 3 冻干机理和技术的研究 1949 年 Flosdorf 出版了他的世界上第一本有关冻干技术及



.



' 6 •



　



1958 年先后在英国伦敦召开了第一届和第 理论的专著。1951 年 、



二届以冻干为主题的专题讨论会。后来国际制冷学会将冷冻干燥



列为国际制冷学会 C ,委员会的学术内容之一 际制冷大会上陆续发表了大批的研究论文



&



^



在尔后的各届国



这种研究主要集中在髙等院校和一些生物制品研究 在我国 ， 所。从 20 世纪 SO 年代初至今中国制冷学会第六专业委员会冷冻 干燥学组先后召开了七次全国冷冻干燥学术交流会 ，会上交流了



—



百多篇论文。



三、 研究的课题 1. 冻干机理和方法研究



C 1) 传热传质数学模型的研究 冻干自成为一门科学进行研究以来 ， 人们一直将冻千过程的



传热传质作为揭示冻干过程的物理本质开展了许多研究 ， 建立了



为数众多的物理数学模型



9



但由于冻干过程的复杂性 、 多样性 ， 这



些模型或与实践存在一定的差距 ，或应用中有较大局限性 ,或计算 因而目前冻干生产的控制仍以理论指导下的实验为基 过于复杂 ，



础



^



企图找到既有髙度概括性 ， 现在 ， 又 许多学者仍在继续努力 ，



能准确描述和使用方便的冻干数学模型 ， 用于指导生产实际 。 (2) 冻结 、 干燥过程中物理化学变化研究



其温度 、 降温速度、 制品冻结 、干燥时， 升温速度以及真空度等



对制品的结构形态 、水蒸气的传输速率和制品质世等的影响， 一直 研究新的制 是冻干研究的主要内容。随着冻干应用领域的扩大 ，



_



冻结、干燥时的物性参数 、制定优化的冻干工艺仍然是冻干技术 研究的重要课题。



C 3 ) 低温和干燥对细胞的损伤机理及冻干保护剂的保护机理 的研究



以 对于活的或具有活性的物质的冻干 ， 提髙其存活率和活性 ， 及储存中的稳定性的研究备受关注 ，而这又是建立在细胞学的基



7 *



　



研究保护剂对 因此研究低温和干燥对细胞的损伤机理 ， 础之上的 ， 细胞的保护机理是其主要内容 。目前， 虽然已提出了不少的假设，



但看法并未统一 。 在实践中目前已能冻干保存细胞级的活物质 , 但比细胞级更复杂的生物组织（或部分组织 > 、 器官乃至生物个体 冻千细胞学的基础研究的深入 ， 的存活保存尚未实现 。 因此 ， 不仅 亦对存活生物组织甚至 可以促进现行活物质冻干存活率的提髙 ， 生物个体冻干保存的研究有所推动。目前关于海藻糖对具有神



内脏的髙等动物干燥的保护功能 ，对抑制不饱和脂肪酸的氧化 经， 等方面的研究已取得了重要进展



D



2. 冻 干 设 备 和 技 术 研 究 C1) 医药冻干机 医药冻干机发展到 20 世纪 70 年代 ， 人们似乎认为冻干设备 因此在这期间技术上没有多犬进步 。 20 世纪 80 年代 已经完善 ， 人们按 GMP 要求的观点重新审视当时生产的冻干机 ， 发现还 初， 有许多方面存在缺陷 因此这以后贯彻 GMP 成为推动医药冻干 在位蒸气灭菌 设备改造的动力 。 至今已出现了在位清洗（CIP )， ( S1P),无人化装卸制品 ， 表面压力 、升温速 能淮确控制制品温度 、 出现了从制品原料进人到成品取出全过 率和冷阱温度的冻干机； 能重复再规冻干 程密闭系统的冻干机。将可能的污染减到最小， 过程是这一时期医药冻干机发展的特点。据对一些著名的医药冻 1980 1990 年 ， 干机生产商的不完全统计 ， 所生产的带 S1P 的冻 a



15 % ,而到 1993 2000 年就达到 70 % 以上 ， 由此 可见其发展概貌 。然而至今在制造商和用户间还没有形成统一的 符合 GMP 要求的医药冻干机“性能标准”，都是按各自的理解来 决定取舍， 因此亦出现了分歧意见 。一些学者担心要完全沏底地 贯沏“生产过程的再现 势必会使冻干设备的造价进一步提髙 ， 甚 如何准确地贯彻 GMP 的要 至达到用户不能接受的地步 a 因此 ， 求， 仍然是目前医药冻干机研究的课题之一 干机只有 10 %



'



^



*



8 •



　



( 2 ) 食品冻千



仍然是降低冻干成本 。 迓品冻干研究的核心， ① 在缩短冻干周期方面 ， 日本共和真空株式会社开发了无隔



可使除冰与干燥同步进行 。 离千燥过程中冷阱除冰技术， ② 在创立全新理念的冻干设备方面 ， 日本共和真空株式会社 正在研制 TL 型液体食品密闭管式冻干机。 ③ 在将冻干与其他干燥相结合 ， 以降低干燥成本方面 ， 丹麦 的 K P.PrniUen 与 Allas 公司共同研究冷冻干燥与通风干燥相结



.



据说其冻干成本费用可降低 25 % 左右 合的干燥法 ， ④ 在采用新的冻干方法方面 ， 法国的 E.Wolff 发表了关于吸 6



在大气压下冻结干燥的研究报告。 湿剂与冻结颗粒的混合 ，



CFC、HCFC 类制冷工质被禁用， 其替代工质和 适合于替代工质使用的润滑油及所带来的新的问题的研究已取得 了重要成果 ， 已筛选出一批替代工质和润滑油.有人还提出了采 ( 3) 随着一些



用能与氨相溶的润滑油和封闭或半封闭式压缩机的新的氨制冷系 统， 以解决氨从轴封处泄漏的方案 。 3. 扩大应用领域的研究



利用冻干法制备超细微粉的研究是近来扩大冻千应用领域研 究中的一个亮点 。由于超细微粉表面电子结构和晶体结构发生变 化， 产生了宏观物质所不具有的表面效应 、小尺寸效应 、 量子效应 和宏观量子隧道效应等。使之具有一系列比常规物质优越的电 、 力学和化学宏观效应 ， 磁 、光 、 因此成为当前科技界重点研究领域 之一 。 利用冻干法制备超细微粉与其他方法相比 ， 具有粉末尺寸 彤状规则 、分布均勻 、 小、 团聚少等特点， 是一种极具前景的方法 ， 现今已有许多用冻干法制备超细微粉的报道。 此外 ， 目的旨在提髙催化效应的冻干催化剂研究和目的旨在 提髙使用效果的食用粉体 〈如各种维生素粉 、各种蛋白酶粉 、双歧 杆菌粉等） 的冻干研究亦在迅速发展之中。 •



9



-



　



第一章冷冻干燥的物理基础和方法



冷冻干燥的基本过程如下 。 灭菌 、分装 、 半 ① 制品的制备(前处理 >:如药物的培养 、 洗瓶 、 灭酶 、 加塞等 ， 分装等 食品原料的挑选 、清洗 、 切分 、 9



② 制品的冻结( 预冻） ： 将制品冻结成固态。 ③ 第一阶段干燥(升华干燥）： 将制品中的冰晶以升华方式除



去



p



④ 第二阶段干燥( 解吸干燥）： 将残留于制品的水分在较髙温



度下蒸发一部分， 使残余水分达到预定要求 ⑤ 密封包装 ： 已干制品一般应在真空或充惰性气体条件下密 D



以利于储存， 封包装 ， 升华干燥 、解吸干燥中的一些基本概念和 本章主要介绍冻结、 压力的限制， 温度 、 以及实现冻结和干燥的基本方法 a



第一节制品冻结的物理基础 水的状态平衡图 一、 物质有固 、液 气三态。物质的状态与其温度和压力有关图 V



_



W 示出了水 （H 20 )的状态平衡图。图中 OL 、OK 、OS 三条曲线 水和水蒸气 、 分别表东冰和水 、 冰和水蒸气两相共存时其压力和温



分别称为熔化线 、沸腾线和升华线。此三条曲线将 度之间的关系 ， 水 图面分成固相区 、液相医和气相区。箭头分别表承冰融化成水 ， 蒸发成水蒸气和冰升华成水蒸气的过程 曲线 OiC 的顶端点 其温度为 374 1C ,称为临界点。当水蒸气的温度高于其临界温度 • 10



.



　



水蒸气也不能变成水。三曲线的交 无论怎样加大压力 ， 374 1C 时， 其温度为 0.01 液 、气三相共存的状态 ， 称为三相点 ， 点 O 为固， 若将冰面的压 I， 不存在液相， 压力为 610.5 pa „ 在三相点以下， 则冰就会不经液相直接变 力保持在 610.5 Pa 以下， 且给冰加热， 这一过程称为升华 。 成气相， P / P3



2 . 21 X 107 冰



水



1- 01 X 105



.



610 5



I 气



0.01



图 卜1



100



374



77 C



水的状态平衡囝



二、 溶液及其冻结过程共晶点共熔点 1. 溶 液 一种或几种物质以分子或离子状态均匀地分布于另一种物质



所得到的均勻的 、稳定的液体叫做溶液。构成溶液的组分有溶 中，



习惯上将占较大的比例的组分称为溶剂 ， 溶剂之分 ， 占较小比 质、



例的组分称为溶质。由水与其他物质组成的溶液称为水溶液 ，一 而不论其在溶液中比例的多少。 般将水溶液中的水称为溶剂 ， 外， 除了基本参数(如压力 、温度） 为了说明一种溶液 ， 还箱指



出它的成分( 浓度:u 表示溶液成分的方法很多 ， 常用的有质量摩 尔浓度和质量浓度 a (1 >



摩尔分数



溶液中某一溶质 s 的 摩 尔 分 数 为



—« / S



( 7J 水



+ 2n s)



—



t t s /r t



-



( W)



*



11



　



7ZS 、 式中，



打5



及《 & 分别为该种溶质的 、水的 、各种溶质的



和溶液的摩尔数。 ( 2 ) 质量摩尔浓度



ms=



n 色1



式 中 为 水 的 质 量（ kg );/NS 是 溶 质 S 的 质 量 摩 尔 浓 度 ( mol / kg)，即 1 kg 水（溶剂）中所含某种溶质 S 的 摩 尔 数 ，



和



之间的关系是



xs ~



n s /( 穴 水



+



=



w s /( M



+



( 1 -2 }



为水的摩尔质量 ,其值为 18.015 X 10 - 3 kg/mol ,



式中 ，



-



( 3 ) 质量分数 6



3)



(1 W总



式 中，



分 别 是 指 溶 质 S 的质量和溶质溶剂总的质量( kg ) 2. 稀溶液的一些依数性质



fl



对于水和不挥发性非电解质组成的二元溶液 ， 存在下列关



系。 ① 稀溶液中水的蒸气压等于该温度下纯水的蒸气压



即 乘以溶液中水的摩尔分数 X + ，



-



(1 4 )



或



^



(1 - 5 ) P % P ^ = P % ( 1 一文木 ）= 户 文 5 式中 ， 为溶质的摩尔分数。这个关系称为拉乌尔定律( Raonh ’ s Law )。 ② 在相同的外压下 ， 若水和溶质不生成固溶 当温度降低时， 体， 则稀溶液中水的冰点 Tf 要低于纯水 而且生成的固态是纯冰 ， ~



^



的冰点丁



-



其冰点的降低值正比于溶液的质量摩尔浓度 ， 即



ATf — Tf — T t ~ k i m B RM {T ! }2 / L ^



式 中 为 凝 固 点 降 低 常 数 为 冰 在 • 12



(1 - 6 )



-



(1 7 )



r ?温 度 下 的 摩 尔 熔



　



化热 ；当



77 = 273.15 K



K / ( mol • kg



_1



,



L = 6.003 时，



可得是 f = l .86 kJ /moi，



)a



3. 溶液的冻结过程， 共晶点和共熔点 图 1 - 2 所示为氯化钠水溶液的温度 质量分数图



&



图上的任



意一点均表示溶液的某一状态， 点 A 表示温度为 例如，



， 质量 CE 为饱和溶解度线 ， 分数为 6 的氣化钠水溶液 。 线 S£、 该线上 该线上部区域的点 的点所表示的溶液的溶解度均处于饱和状态， 所表示的溶液的溶解度为未饱和状态 ， 其下部的点为过饱和状态 。



fTr ,



fi



-



图1 2



-



—



f



氯化钠水溶液的温度 质量分数图



若使状态为 A( 温 度 ，质 量 分 数 O 的溶液冷却 ， 开始时质 量分数匕不变 T 温度下降 ， 过程沿 AH 进行 冷却到 H 以后 ， 如溶 ( 或晶核） 液中有“种冰” ， 则溶液中的一部分水会结晶析出 ， 剩下的 溶 液 的 浓 度 将 上 升， 过 程 将 沿 析 冰 线 进 行 f直 到 点 溶 液 质



.



量分数达到其共晶浓度， 温度降到共晶温度以下， 溶液才全部冻 结。 点称为溶液的共晶点 同理 ， 若使状态为 A '的溶液冷却， 到 迖 后 先 析 出 盐， 然 后 沿 析 盐 线 CE , 边析出盐一边溫度下 降， 直到共晶点五才全部冻结。其过程线为 A'— ii' 当溶液冷却到平衡状态 H 时 ， 溶液中无“晶核”存在 ，则溶液 并不会结晶 ， 直到溶液受外界干扰（如植人“种 温度将继续下降， 晶 振动等）或冷却到某一所谓核化温度 IV,， 在溶液中产生晶



^



'



—



—



*



13



*



　



核， 这时其超熔组分才会结晶 ， 并迅速生长， 使溶 同时放出结晶热，



液温度升到平衡状态其浓度也随超熔组分的析出而变化， 其过 G— D— 程线为 A 或 A ' /T — G' lT 图 1 3 示出 上述过程在温度 时间曲线上的表示，



：



—



—



— —



，



-



S度 / C 20 0



室温



溶液冷却 冰晶形成 冰和共熔溶液冷却



- 20



过冷液



#



一 40



-



图1 3



共熔溶液冻结



^



冰和冻结的共熔



溶液的冷却 时间



典型的冷冻曲线



完全冻结的溶液或制品， 开始出现冰 当温度升髙至某一点时， 该温度称为共熔点温度或简称共熔点 a 晶熔化 ， 般来说 ， 制品的



—



共晶点和共熔点并不相等 。对升华来说 ， 其温度必须低于共熔点。



三、 冻干制品溶液的共墙点 、共晶点



—



冻干药品的溶液是由主要功能组分(如细菌等药用 般来说，



抗氧化剂 、 填充剂等 )和蒸馏水混合 成分）、 多种添加组分( 抗冻剂 、



具有一 而成的胶体悬浮液 。 它与一般能互溶的溶液不完全相同 ， 需要确定一个较高的 系列的低共熔点温度 。 对于冻干加工来说， 而 产品中存在已熔化的液体； 当在该温度以上时 ， 安全操作温度 ， 这个温度即为冻干产品的共熔 产品将全部冻结， 在该温度以下时，



制品 点温度 。 一 些 产 品 的 共 熔 点 温 度 列 于 表 中。与 此 相 仿，



其中温度最低的 亦有一系列的共晶温度 ， 溶液在降温冻结过程中 ， 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 1 - 2 中，



• 14



表一些饱和溶液的共熔点溫度



溶液名称



摩尔溶解度 ( 3 0 t 时〕



：



观察共熔温度 /V



L 953



-4.29



吩妥胺磷酸盐



0. 12



0 75



甘露醇



L0



乳糖



0. S



氣化钠



6.21



氯化钾



4 .9 7



溴化钾



5,93



一 2 * 24 5.4 一 21 6 1L 1



—



*



-



—



甘油水



二甲亚砜水



-



物质名称 纯水 0.



85 % 氣化钠溶液 10 % 蔗糖溶液



10 % 葡萄糖溶液



—



3 97



— 0.88



—-



34.0



12.66



13.26



4 G.5



一 73



些物质的共鼉点溫度



共晶点 0 - 22



—



—-



--



甲基芬尼定磷酸盐



表1 2



计算温度 /V



26 27



物质名称 2 明胶 10 % 葡萄 糖溶液 10 % 蔗糖 2 % 明 胶，



^



共 晶 点/ C



T



溶液 马血淸



一般生物制品



脱脂牛奶



- 26



菠菜



人参



- 15



甘油水



—



32



-1 9



—



35 30



一S



- 46.5



四 、冻结速率与冰晶大小和形状的关系 迂与 溶液结晶的晶粒数置和大小除与溶液本身性质有关外， 而这二者又都随冷却速率和 晶核生成速率和晶体生长速率有关， 冷却速率越快 、 温度的不同而变化， 过冷温度越低 ， 一般来说 ， 所



形成的晶核数量越多， 晶体来不及生长就被冻结 ， 此时所形成的晶



晶粒就越细； 晶粒就越大 。 图 反之 ， 粒数量越多 ， 晶粒数量越少， 在接近 0 *C 1 4 示出了水的结晶速率与温度的关系由图可知 ， 时， 但生长速率却迅速增加 a 因此如果让溶液 晶核生成速率很小 ，



-



-



15



*



则会得到粗而大的结晶 在接近于 0 冻结 ， 则将得到量多粒小的晶体 。 下结晶 ， 晶体的形状也与冻结温度有 速率 关 在 0 X 附近开始冻结时 ，冰晶



^



若使之在较低温度



：



6



生成晶核速率



晶抹生长速卓



呈六角对称形 ， 在六个主轴方向生 所 苌， 同时还会延伸出若干副轴，



有冰晶连接起来 ，在溶液中彤成一 个网络结构 随着过冷度的增加， 冰晶将逐渐丧失容易辨认的六角 对称彤 ， 可能形成 加之成核数多， 一种不规则的树枝状 ， 它们是有任 意数目轴的柱状体（辅柱 ）， 而不像



.



- 5"



溫度 / C



图 水 的 结 晶 速 率



六方晶型那样只有六条 ，最髙冷却速率时获得渐消球晶， 它是一种 初始的或不完全的球状结晶， 通过重结晶可以完成其再结晶过程。 肌肉浆液 、 玻璃体液等 )结冰形成的结 生物体液（如血液血浆 、 晶单元 ，往往与单一成分的水溶液形成冰晶类型相似 。 结晶类型 主要取决于冷却速率和液体浓度 ， 血浆 、肌肉浆液等在正常 例如 ， 浓度下结冰时， 在 0 TC 以下较高温度和慢冷却速率下形成六方结 晶单元 ， 快速冷却至低温时形成不规则树枝状晶体。 慢速冻结会形成量少而粗大的冰晶 ， 从冰晶的大小来看 ， 快速 冻结会形成量多而细小的冰晶。粗大而连续的冰晶在升华时可形 利于提髙干燥速率 a 而细小或不连续 成畅通的水蒸气逸出通道， 的冰晶则反之 ， 其干燥速率小。



五、 玻璃化冻结和脱玻 JC 状态的溶液快速急冷 ， 如图 1 - 5 所示 ， 在未开始析冰的情



况下温度降至 G 点以下 ， 由于溶液的粘度很大 ， 水分子来不及聚 集结晶 ， 就在原地被固化 ， 此种冻结称为玻璃化冻结。G 点的温度 7\称为玻璃化温度 ， 各种浓度下的组成的连线称为玻璃化溫 度线(图中点画线 h *



16



*



玻璃化冻结不彤成结晶 ， 亦无体积膨胀。组成物料的 升华 分子被固化在原来位置 ， 时水分子很难逸出。对于冻 干来说是很不利的。 因而箱



消除这种结晶。 稀溶液的玻璃化冻结是 如图 1 5 中 I 、U 、 不稳定的 ， DI 区，在急冷条件下获得的 玻璃体中， 不可避免地形成大 急冷时来不及 量的细小晶核， 生长 ， 一旦加热复温或在 7\附 近长期保温退火， 这些晶核可 能长大， 发生反玻璃化转变。 图中 Td 就是反玻璃化转变温



-



^



1



0



- a ,_— ，



图1 5



二元水溶液补充相图 了 —析冰 度 ； T 玻滴化转变温度 > 丁1 一成核溫度 Td 反玻璃化温度 》



度。图中的双点画线称为反玻璃化温度线。 纯水的玻璃化温度为一 135 由图 1 5 还可看出 ，



-



这只有



在冷却速率达 108 TVs 的数量级超急冷和小体积样品中才能实 了, 特别是含糖量髙 现 但随着溶液质量分数的增加， 逐步上升， 对 或者物料的表层由于冷却速率快 ， 的溶液 ， 很容易形成玻璃化 ， 这些制品冻干时往往需要使之在共熔点以下升温再结晶 ， 消除其 玻璃化结晶 ， 这一过程称之为脱玻。当然亦可调整溶液质董分数 或再冻结） ， 或采取一些措施(如将液体泡沫化， 使之不产生玻璃化， 使制品易于干燥， b



第二节制品的干燥



一 、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 • 17



*



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



冰晶升华后残留下的空隙变成尔后升华水 逐步向内推移的 ， 开始， 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， 升华界面约以1 mm/h 的 升华干燥就完成了， 速率向内推进 。当全部冰晶除去时 ， 此时可除 去全部水分的 90 % 左右 1. 制品中的温度分布



制品中冰的升华是在升华界面处进行的 t 升华吋所需的热量 从掴板传来的热 由加热设备( 通过搁板）提供 ， 如图 l ( a > 所示 ，



^



量由下列途径传至产品的升华界面 s 50 C



^



，\ ，



50 C



25



-



25



-



-



20



25



10 (b)



50



^



图 产 品 的 温 度 分 布



① 固体的传导。由玻璃瓶底与搁板接触部位传到玻璃瓶底 ，



穿过瓶底和制品的冻结部分到达升华界面 s ② 辐射 ， 上搁板的下表面葙下搁板的上表面向玻璃瓶及产



品干燥层上表面辐射， 再通过玻璃瓶壁及冻结层或已干燥层的导



热到达升华界面。 ③ 对流。通过搁板表面与玻璃瓶外表面间残存气体的对流



换热， • 18 *



由于传热中必须有传热温差 ， 且各段传热温差与其相应热阻 所以产品中形成了图 l - 6( b)所示的温度分布 ，例如 ，搁 成正比，



：



板表面温度为 50 X ， 到升华界面的温度约为一 25 0 ,冰层最髙温 *



t， 干燥层上表面温度可能为 25 I 。 崩解温度 2. 升华时的溫度限制 、



度约为一 20



产品升华时受下列几种温度限制 ， ① 产品冻结部分的温度应低于产品共熔点温度和崩解温度 。 ② 产品干燥部分的温度必须低于其干燥层表面容许的最高



温度（不烧焦或变性） 。 其中含有一部 液态制品冻结时形成的浓缩溶质“骨架”结构 ， 分固化了但未结晶冻结的水 ， 当升华界面温度上升到某临界值时， 冻结体的刚度会降低而塌陷 ， 形成阻止升华水蒸气逸出的阻挡层 ， 升华速率减慢 ， 降 此时如不迅速减少加热， 升华面所箱热量减少 ， 这个临界 产品就会发生供热过剩而熔化报废 ， 低升华界面的温度 ，



温度称为崩解温度。所以掌握产品的崩解温度是很重要的。一些



保护剂的崩解温度列于表 1 - 3 和表卜4 中 。



-



表1 3



—



些保护剂的崩解溫度



保护剂



崩解温度 /1



葡聚糖 ：分子量 10 ‘



- 10



—



分子量 11 X 104 分子量 2 X l O e 右旋葡萄糖 蔗糖 麦芽糖



卵清蛋白 聚乙烯乙二辞



聚乙烯吡咯烷覼 棉籽糖



-—



9



48 - 41.5 - 32



果糖



乳糖



1 0, 5



—



— 30



31



一 35



- 10 一 13



—



23



26



-19



续表 保护剂



崩解溫度 /



氣化钾



-



11 - 45



糖醇



柠槺睃钠 / 柠檬酸



— 408 — — 27



a:



明胶 肌醇



—



9 - 44 - 40 - 50



甲基纤维索



右旋果糖 葡萄糖 味精



-



表1 4



r



果 汁 和 A 嘩檯取液的期解通度



溶质平均 相对分子质量



观察到的崩解



橘子汁



固形物含董 /( % ) 23



277



葡萄汁



16



261



柠檬汁



9



194



李子汁



20



180



苹果汁



194



菠萝汁



22 10



咖啡提取液



25



24 33.5 -36.5 35 - 41.5 - 41 . 5 20



品



产



温度 / C



—



-



—



ISO



—



崩解温度主要由溶液的成分所决定。过低的崩解温度会延长 干燥时间， 而且可能是设备能力所不能达到的。这可通过选擇合适 的添加剂来提高崩解温度 在固体食品冻干时， 为了避免干燥层表 面因温度过髙而产生变性或干燥层表面烧坏 ， 其温度应限制在某一 安全值以下。一些食品的干燥层表面最高允许温度列于表1 5中。 * 15 一些制品冻结M 溫度及干燥层表面的允许最高溫度 D



-



食品物料



干燥室压力



/ Pa



鸡肉丁



126,7



草莓片



60 * 0



• 20



*



干燥层最高 温度 / V



60 70



冻结层( 升华界面 > 温度 / C



——



20 15



续表



食品物料



石棺汁 鮭鱼块



牛肉（速冻 )



牛肉（侵冻 )



干嫌室压力



/ Pa



-1 3 . 3 - 13.3



6 7



66,7 66,7



干燥层最高 温度/ X



冻结层 （升华界面 ) 温度 / X



43



- 37 - 29 - 14 - 17



：



7& 60 60



：



注:本表所列S 度系指热董经干嫌层传人至升华界面的供热方式



.



二、 解吸干燥 解吸干燥也称第二阶段干燥 。在第一阶段干燥后 ， 在千燥物 质的毛细管壁和极性基团上还吸附有一部分水分 ， 这些水分是未



.当它们达到一定含董时，就为微生物的生长繁殖和某 狴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



被冻结的



产生与水溶液相同的移动性 也可能成为某些化合物的溶液 ， 水量 ， 和反应性。因此为了改善产品的储存稳定性 ， 需要 延长其保存期 ，



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 以下 ， （或崩解温度）



才不致使冰晶熔化。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



不烧毁产 段产品的温度应足够地髙 ， 只要不超过允许的最髙温度， 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，



*



21 •



第三节制品的冻结方法 制品冻结的冷源有如下几种。 ① 干冰(COs 固体 )和乙醚混合 ， 最低可达一 72



② 液氮，最低可达一 196 ③ 压缩式制冷机， 一般单级压缩机可达一 30



V(- iO X： 时



：-



^



制冷机的冷量很小），双级压缩机可达一 40 一 60 ( 90 V )。 两个单级压缩机组成的复叠式循环可 迖一 60 一 80 X ， 一个单级 压缩机与一个双级压缩机组成的复叠循环可达一 100 X 。这是最



：



经济而又方便的冷源 f 几乎所有生产用冻千机均采用此种冷源。 ④ 柚真空冻结利用抽真空时 ， 制品中的水分吸 制品本身 的热量而蒸发 ， 同时降低制品本身的温度而冻结。 目前制品的冻结方法有如下几种，



&



一 、冻干机内搁板冻结 冻干液态原料的生产用医药冻干机多采用干燥箱内搁板冻 结， 而冻干固态食品的冻干机多采用冻干机外冻结( 冷库和冻结器 冻结） 这是因为液体和液体冻结后的固体的导热性能好 ， 接触传



热利于提高冻干速率。而固态食品切分后装盘为松散堆砌物， 固 体之间有间暸 ， 干 接触传热效果很差 ， 冻结时需用吹风强制冷却， 燥时喬用辐射加热 ， 才能较均匀地将热量传到松散物内部 a 所以 ， 生产用医药冻干机的干燥箱多做成搁板式 ， 搁板内通冷(热 )媒 ， 既 可制冷冻结 ， 又可加热升华 。而冻干固态食品的食品冻结一般不 用搁板冻结 ，而采用下面将要介绍的冷库冻结 采用搁板冻结时 ， &



制品用盘装或瓶装置于搁扳上 ， 搁板温度为一 40 一 50 1， 冻结 时间一般为 1 L 5 h。为了均匀冻牢 ， 在低温下还需保温一段时 间。



*



22 •



二 、冷库冻结 食品冻干的物品量大 ， 而冷库或冻结器的造价比冻干机低廉



得多。为了充分利用冻干设备的生产能力 ， 食品冻干中多采用专 门的冷库或冻结器冻结



. 库内设吊笼(或推车 )输送轨道。物品经



前处理后装入托盘， 托盘装人吊笼( 或推车） 由输送轨道送入冷库 ， 冷库库温为一30 一 40 TC ， 用吹尻冷却。冻结时间视食品尺寸而



冻结完后 ， 不同 ， 干燥箱虽未 由输送轨道送人冻干机的干燥箱中 ， 设专门的制冷设备， 但由于转运和装箱时间短 ， 人箱后又用大容量 真空泵抽空蒸发制冷 制品不会在转移中熔化 。 》



三、 抽空冻结 1. 静止抽空冻结



静止抽空冻结主要用于冻结固体制品 ， 与一般箱内预冻装置 所不同的是搁板内没有制冷管道， 很相似 ， 而是将含水的固体物质 置于搁板上 ， 将箱内抽成真空 。由于固体物质有一定的形状 ， 水分 抽空时水分蒸发 ， 均匀地分布在这些物质中 ， 随着压力的降低而蒸 发量加大 ， 由于外界没有提供蒸发所箝的热置 ， 故蒸发时吸收物质 这种冻结是在三相点附近进行的 ， 本身的热量而使之冻结， 其压力



为 6 .3 X 101 Pa， 温度为 0 V 。 当用油封机械真空泵来抽真空时， 不能将水气直接抽入真空泵 ， 否则会导致水蒸气污染油而使泵的



效率降低 ， 因此必须将水气凝结在冷阱中， 若用蒸气喷射泵来抽真 空时 ， 则可将水气直接排至大气中 。 2. 旋转抽空冻结 这种抽空冻结主要用于液体的冻结 ， 将装有液体的安瓿置于 带有角度的离心机的真空箱内， 先启动离心机 ， 达到额定转速后 ， 此时安瓿内制品中的水分 ， 启动真空泵 ， 因减压吸收其周围分子的 未蒸发的部分因失热而冻结 离心的主要作用是不 热量而蒸发 ，



^



-



使安瓿内的液体产生沸腾而起泡a 这种冻结方法可以除去 23 •



12.5 % 20 % 的水分 t 冻结后溶液的浓度会升高 3. 啧雾冻结 喷雾冻结也是真空冻结方法之一 * 液体从喷嘴中呈雾状喷到 一表面上， 由于水气的蒸发使之冻结。该表面 当容器内是真空时 ， 与喷嘴的距离为几厘米。 可以是一个旋转的圆盘或一条传送带 ， 喷嘴与圆盘的轴心平行。从喷嘴喷出的液体不会马上冻结 ，喷到 盘子表面的液珠从盘子表面移开之后才发生蒸发冻结。



这种冻结装置也可以用圆筒或鼓形物来代替圆盘 ， 喷嘴与圆 筒形的轴线相垂直 ， 喷嘴置于圆筒形内部将液体喷在内壁上而产



.



生冻结



四、 旋转冻结器冻结 当制品的装量比较大时采用旋转冻结， 使制品冻结在瓶壁 上， 如人的血浆的冻结 旋转冻结可分卧式旋冻和立式旋冻两 种



^



0



① 卧式旋冻器的冻结



ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ



方法是将瓶放置在旋转冻 结器上 ， 并置于冷溶液中 ， 容器放成水平或倾斜 7% 如 图 1 - 7 ( a ) 所 示 ，瓶 子 以



1 r/min的速率旋转， 但冻后



有分层瑰象，为了防止瓶 子冻裂 ， 可将瓶子先放在 1



Cb )



(a )



-



图1 7



旋转冻结器



的冷浴中数小时， 然后再放入冷浴中



旋冻。 ② 立 式 旋 冻 器 如 图 1 - Kb )所示 ， 立式转轴带动制品瓶以



900 r/miri的转速旋转 ， 制品因旋转时的离心力而紧贴于瓶壁内表 面， 瓶子浸于冷浴中放出热量而使制品冻结。 立式旋冻由于有离心力 ， 制品冻结厚度比卧式的薄 、紧密、 无 分层现象。



五 、流化床冻结器冻结



—



流化床冻结器是众多食品冻结器中的一种， 其工作原理是用 股向上吹的高压气流吹人颗粒食品 ， 其风速大到足以使颗粒食



品不断地运动 ，如图 14 所示 ， 图承为盘式流化床冻结器 2



运行时的风速取决于



3



即 弗劳德数 F r，



Fr =



^



3
一扩散泵 I



10



10s 10 进气压强 / Fa



几种泵的抽气特性



油 封 机 械 真 空 泵；



—



罗茨泵7 1



油增压泵



罗茨泵的结构如图 4 - S 所示 。罗茨泵主要由转子 、泵体和转 动齿轮组成 a 动力由齿轮传到转



. 转子有



子， 并控制其相对运动



多叶形几种。在 双叶形 、 三叶形 、 泵体中， 一对转子髙速反向旋转 ，



—— —



使泵体与转子之间的容积从与吸 气口相通



气口相通



与吸气口隔开



与排



容积逐渐减小完成压



缩 排 气 这 样 周 期 地 进 行， 达到



双叶形结构



-



图4S ]一齿轮 f



（b )三叶形结构



罗茨泵结构示意图



2



— — 袖t 3



转子【 4



—



泵体



抽除气体的目的 。 罗茨泵工作时， 转子与转子之间有一定的间 由于转子与泵腔 、 也不会有油蒸气 隙( 0.1 0.15 mm )， 故不需油润滑 ， 互相不接触 ， *



64



■



污染真空系统也因为有间隙， 它允许转子髙速转动 （可达 3 000



r/mki )， 从而可以制造出体积较小而抽速大的泵 a 罗茨泵不像旋 片泵那样对气体进行 M 缩 ， 因而不需要排气阀， 可以抽除可凝性气 体。罗茨泵在很宽的压力范围（1.33 X 102



1.33 Pa >内具有很大



的抽速 ， 因此它对挥发性的放气及少量漏气不敏感， 也不怕真空系



统突然损坏漏气。但是罗茨泵的最大排气压力一般在 4 X 103 Pa 需要配前级真空泵串联使用 罗茨 以下 ，所以不能直接排人大气，



.



泵和配作前级泵的油封机械泵组成泵组 ， 可以获得高抽速和大排 气量 。 冻干机中常采用此种设计方案 。



4 . 蒸气流泵



蒸气流泵是一种用蒸气流体作为抽气介质来获得真空的装 置 。 它包括蒸气喷射泵 、蒸气增压泵和蒸气扩散泵等。其抽气机



理都是基于髙速运动的蒸气流与被抽气体混合进行能量交换而实



现抽气的 。 在蒸气流泵内 ， 蒸气由喷嘴喷射出来后的流动状态 ，可以是湍 流的 ， 也可以是粘滞流( 层流）的 ， 它取决于蒸气流的压力和流过喷 嘴的蒸气流量 。 依靠蒸气流表面大量的旋涡与被 如果喷射出的流体为湍流 ， 柚气体相互掺和而卷带气体( 还有微弱的粘滞力携带气体和扩散 携带气体的作用）， 使被抽气体分子在射流的方向上获得了由蒸气



分子给予的冲量 ， 根据这种机理设计的泵称为蒸气流喷射泵 。单



级蒸气流喷射泵的工作压力在 lX 10 + Pa 以上 ，随着级数的不同 ， 其工作压力范围为 如果由喷嘴喷射出来的工作流体为粘滞流 ， 依靠工作流体的



边界层和被抽气体层之间的粘性摩擦而携带气体（还有一定的扩 ， 散携带气体作用） 则根据此原理制成的泵称为蒸气流增压泵 。 这 类泵的工作压力范围为 10 10 ~ 2 Pae 当被抽气体的压强很低时， 由喷嘴喷射出的工作流体的密度 ， 进一步降低( 速度较大） 被抽气体分子扩散进人蒸气中而被抽走 ， * 65



-



*



-



-



由此而设计的泵称为扩散泵， 其工作范围由 10 2 10^6 Pae 图 4 7 所示为油扩散泵的结构示意图。泵油在真空中加热至 沸腾（约 200 1)时 + 将会产生 大量的油蒸气 ， 油蒸气经各级 喷嘴喷出， 彤成一髙速定向密



-



集的稳定蒸气流 。由于扩散 泵进气口上方被抽气体的分



压强髙于蒸气流中该气体的 这样， 分压强 ， 在分子流状态



下， 被抽气体分子将源源不断 与具有较 地扩散到蒸气流中，



髙能量的超音速的蒸气流分 驱 子相碰撞并进行能量交換 ， 使被抽气体分子沿蒸气流方 经过逐级压缩排 向高速运动， 再由前级泵 至前级泵的人口 ，



—



-



图47



油扩散泵的结构示意图



—



1 加热器 12



—



5



啧嘴



泵体 13 —导 jft 管一冷却水;



—



—进 气 口 P



撙气口



排至大气， 5. 无油机械真空泵 真空泵腔的油蒸 冻干机和其他被抽容积采用油封机械泵时 ， 电子、 生 从而污染制品。而以半导体 、 气就有可能反流至冻干箱 ，



-



其制造工艺迫切要求无油污染的洁 物制药工业为代表的领域中， 因而近年来一些国家相继研制出工作真空在 105 0.1 Pa 净真空 ， 以满足干式工艺的要求 。 范围内的无油机械真空泵或称干式泵， 前面所述罗茨泵就是一种无油真空泵。无油机械真空泵有非接触 凸轮式 、摇摆活塞 型的罗茨式 、 爪式 、蝶杆式和接触型的叶片式、 摇摆活 式、 涡旋式等。医药冻干机中使用较多的是爪式 、罗茨式 、 塞式



&



CD 爪式真空泵



-



-



如图 4 8 和图 4 9 所示， 这种泵采用了形状复杂的爪形转子 ， • 66 *



吸气口和排气口 两个爪形转子与泵体之间形成果腔的抽气容积， 吸气 分别固定在两侧端盖的侧面上 两转子按图示方向旋转时， 泵腔容积由小变大而吸气 I 当转子关闭吸气口时吸 口与泵腔接通 ， 随后泵腔容由大变小而压缩气体； 当泵腔容积与排气口 气结束 ， 转 排气结束， 杲腔排气， 到泵腔与排气口隔断时为止， 接通时 ， 压缩 、排气过程 a 子继续旋转又重复上述吸气 、



.



:i



携带容积



定子



人口接通



M 人口关闭



出口关闭



-



图4 8



爪式泵的工作过程



这种泵目前有两种结构形式 ： 一种是三级爪式转子加一级罗



茨式转子构成的多级泵 ， 另一种是四级爪式转子串联构成的多级 栗， 如图 4 - 9 所示。 罗茨泵和爪式泵的压缩比如图 4 10 所示 由于爪式泵沿轴 向逆流少， 故压缩比在高压区较髙。 这种泵的吸气 a 排气 □ 设置在泵腔的端壁上 ， 多级连接很方 便， 气道流畅， 泵内腔压力变化平缓 ， 有利于防止可凝性气体的凝



-



D



1



• 67 •



爪形转子



气体吸人



0>〕



-



图49



多级爪式泵的 抽气过程示意 图



60



50 40



苎



探



30



m 20 10



10



—



图 4 10



，



*



68



*



1



。



10



10l



10z



10 出口压力 /Pa



^



10



10s



罗茨泵和爪式 泵的压缩比与 出口压力的关 系



为了防止可凝性气体在泵内凝结 ， 结， 需要向泵腔内通净化气体。 现在的爪式泵极限压力为 1



10 Pa ,抽速为 100



ISO



mVhe



爪式泵的特点如下 a ① 泵胶内无润滑油 ， 因而无返油现象发生 。 ② 抽气元件为非接触式 ， 转速可达 3 000 r /min



0



③ 与被抽气体接触的表面防腐蚀耐磨损。 ④ 在泵腔内气流垂直运动 ， 少量的颗粒物和液体等在重力作



用下易于排除 。 ⑤ 泵的主体带有齿轮 、 附件有入口处 电机及气体净化设备 ， 电气监控及报警装置。 防返流的阀门 ， 出口处有截流阀 、 ⑥ 齿轮和泵轴的下轴承用油润滑， 上端盖内的轴承用脂润滑 。 ⑦ 第二、 三、 四级均有净化气体人口， 用三个流量计和三个电 滋阀分别调节其各自流量 ， 经济性好 按需要的量洪惰性气体 ， ⑧ 停泵时 ， 人口处的防返流阀自动切断泵与被抽容积 ， 出口 处的截止阀自动封闭泵的出口 ， 在泵内通以净化气体 ， 杜绝了向真 空泵的返流 。 (2) 摇摆活塞式无油机械真空泵 这种泵的结构和工作原理如图 4 -11 和图 4 -12 所汞 图 4 -11 斜轴 1 用轴承 15 ,16 支撑于下泵座 9 上 ， 中， 其上端轴线 n/ 与 D



^ ：



当电机带动轴 1 旋转时 ， '成 傾 转 斜 角 其 交 点 O 为摆动中心， 以 rQr'为轴线 ， 轴:y： /产生以 O 为中心， 锥顶角为 2a 的旋转运 18 及波纹管 6 的作用， 动 。由于轴承 17 、 摆动活塞 5 仅产生圆周



方向的上下摆动， 无旋转运动



.隔板 19 将摆动活塞 5 分隔成吸气



腔和排气腔(见 A 向 剖 视 当 5 在 4 和 9 之 间 作 摆 动 时， 形成切 线 AA'和 BB '， 并随着斜轴 1 旋转 ， 此两切线不断将气体由吸气口 用于防止气体返流人泵内 ， 赶向排气口 n 排气阀 11 是单向阀， 运 动件产生的不平衡力由平衡块 2 、13 来平衡 金属波纹管 6 主要 作用是将柚气腔与轴承润滑腔隔离 ， 并防止活塞 5 转动 5 的内 12 密封 ,0 形密封圈 7 用于防止大气漏入泵 外球面由活塞环 10、 腔 ，上盖 4 、 泵体 8 内开有冷却水槽 ， 下泵座 9 、 加强泵的冷却 &



^



.



69 •



y



IS



20



A



17



10



16



15 14



5 19



样



4向



i



- — —



图 kll WY 6 型无油机械真空泵结构示意囝 1 一斜林； 2 上平衡块 3 小帽 4一上羞 I 5 樓动活塞 j



—



— —



—^



，



—



——



6 波纹管 I 7 密封圈 》 8 系体 t 9一下系座 【 10 活塞环 t



—



11



-



排气树 * 12



16、 17 、18 —轴承 19 15 、



70 •



— —



活塞环 t 13



^



下平街块 1 14



电机 j



20— 冷却水槽 隔板；



吸气



抽气腔



y



2



-



图 4 12



无油机械真空某工作原理图



— 狡纹管 ？ 3—斜轴；4一机械洵滑腔



】一摇摆活塞 ； 2



摇摆活塞式无油机械真空泵的特点如下 。 干燥 、 ① 无油 、 清洁。 ② 允许工作压力范围为 1 X 10



S



_ 4 X 10



2



Pafi 作为前级泵



压缩比可达 12; 作为增压泵 使用时 ， 其排出压力可达 1 X 10 S Pa ，



压缩比可达 100, 使用时 ， 极限真空压力可达 4 X 10 - 2 Pa ， ③ 摇摆活塞与上下泵盖间不接触， 活塞内外球面采用能自润



并由活塞胀圈自动补偿磨损量 ， 波纹管进行了特 滑的活塞环密封 ， 殊处理 》寿命长



.



④ 系的主要材料是 1018Ni 9 Ti ， 活塞环采用四氟充填 ， 耐腐



蚀性好， 适用于多种气体



.



第 三 节 真 空 阀



_



真空阀是用来改变气流方向或控制流量大小的部件。根据阀 （或预真空阀） 的工作压力范围可分为低真空阀 、高真空阀和超髙



隔膜式真空阀）只适合于安 真空阀。抵真空阀(如低真空电磁阀 、



71 •



价格便宜 这类阀性能较差， 装在低真空端， 但容易制造 ，



0



髙真空



这类阀采用金属或氟橡 阀（如髙真空蝶阀）适合安装在髙真空端， 价格较髙 材料要求严格 ， 制造工艺较复杂， 胶密封 ，



D



根据用途， 真空阀可分为截止阀 ， 隔膜阀 、 节流阀 、 换 放气阀 ， 向阀等



&



裉据操作方式 ， 真空阀还可分为手动阀 、 电动阀 、 电磁阀 、



气动阀等。 密封可靠 ， 密封部件耐磨性 真空阙必须有尽可能大的流导 ， 容易清洗安装等 好， 寿命长 ， 能反复使用，



^



低真空电磁阀 一、



图 4 -13 所示的为低真空电磁阀的结构图。一般安装在机械



泵进气口处 ， 与机械泵接同一电源 ，或安装在需要控制气流方向



当机械泵启动时， 或通断的管路中 。 对于前者 ， 电磁阀同时通电 ， 使之 线圈 4 产生磁场， 吸引衔铁 6 压缩弹簧 7 ,打开下部的接口 ， 接通抽气管路。当机械泵停止工作时， 电磁阀 与左边的接口相通 ， 电源也同时切断 ， 阎头靠弹黉力和自重顶住阀座而封闭， 切断抽气 防止泵的回油 。 冻干机的 同时由放气孔嘴 1 向机械泵放气， 管路， 油封机械泵进气口常使用电磁带放气阀 &



二 、隔膜真空阀 图 4-14 所示的为隔膜真空阀的结构图 。 它主要由阀体 、隔



膜、 阀杆和手轮组成。



在阀体两头有连接 法兰供与系统连接用阀体内部有精加工的阀座 ， 作为切断管路 阀体通常为铝合金铸件经机械加工而成



__



时的密封面 。



阀的隔膜由橡胶或金属薄片制成



&



. 其中心固定在阀芯上，边



缘固定在阀体和阀盖之间。利用阀杆上下移动 ， 带动阀芯和隔膜 使阀开关 A 上下运动， 用橡胶隔膜制成的隔膜阀， 由于橡胶的放气率和渗气率都较



72



^



10



D



2



a



3



:



i 5



\



6



7 8 9



—



一DflX 6 6



d



A



-―



图 4 13 电磁阀结构图



―；7



1一放气孔鳙 i 2 6



衔铁



盖> 3



—



放气孔阀头 > 4 一线 fflf S—阀头部件;



■



S



—



密封



9



—



阀体



.若用氟橡胶或金属隔膜 ，则可用于



大， 所以只能用于低真空范围



较高的真空系统中



^



压缩弹餐



.冻干机的干燥室 、冷阱的放气阀、放水阀、进



常采用真空隔膜阀。为了降低造价 ， 水阀等口径较小的阀门 ， 在这 些地方也允许采用球阀， 但后者的密封性能不及前者



&



*



73



*



s：



Cq



Q 丄



/



-



图 4 14



高真空隔膜阀 S—阀杆；4 阀芯；S —阀盖 0—隔膜 J 阀体 1一手轮 ， 2—阀杆螵母；



—



—



三、 蝶阀 图 4^15 所示的为手动髙真空蝶阀， 用来接通或截止真空系统



的气流。在冻干机中常装在干燥箱与冷阱之间的通道上和冷阱与



真空泵之间的管路上 。 根据操作动力不同 ， 蝶阀分为手动蝶阀（用手柄操纵开闭）、 气 动蝶阎（用压缩空气操纵开闭）和液动蝶阀（用液压操纵开闭）等



.



后两者常用于自动控制的冻干机中。 蝶阀的优点是结构简单 、 且真 体积小、 制造方便 、 密封性能好 ，



-



空橡胶密封暴露在真空中的表面积小， 打开后通导能力大， 因而有



利于获得髙抽速和高真空



其缺点是阀片上的密封圈尺寸要求太



+



严格 * 如尺寸大了则太紧 ， 了又漏气， 而且易磨损。有一种蝶阀， *



74 •



-



图 4 15



手动喋阀结构图 5~手柄 1 阀体 2 0 形密封圈 i 3 蝶门；4 一阀杆 |



—



^



—



—



打开时先使蝶门密封圈与阀体脱开 ， 关闭 而后再旋转打开通道； 这样可以减少密封圈 再使蝶门与阀体压紧 ， 时应先旋转关闭通道，



.



的磨损 以便润滑和密封（在医药冻 蝶阀使用时， 可涂一些高真空脂， 干机中一般不涂真空脂 ， 也能防止停用过久 以免造成药品污染）， 而不易打开 在拆洗时要注意保护阀片上的密封槽面和橡胶密封 以防漏气 圈， 不要划伤 ，



.



.



冻干机的箱 v 阱通道中也有采用蘑菇阀的



蘑菇阀常由冻干 此时应注意防止液 机制造商自行设计制造 ， 采用液压作阀的动力 ，



_



压活塞杆上的油膜挥发至箱 、阱中 ， 因而常需在活塞杆 污染药品 ， 上加防油罩



四 、针阀



针 阀 也 称 微 调 真 空 阀， 其 结 构 如 图 所 示。在 冻 干 机 中



75



*



安装在干燥箱或其他部位上 ， 作



为微量放气进人真空系统以实现 调压升华或循环压力升华 。 为了



6



5



实现干燥箱压力的自动控制 ， 往



4



往将微调阀与电磁阀组合使用 ( 参见图 7-12 K 用微调阀调节充



3



气流量 ， 用电磁阀控制充气时间。



2



电磁阀的动作则由干燥箱上的真



空计通过控制器控制 。 真空阀类型的选择主要由其 使用场合和使用条件而定 ， 其型 号 、大小一般由管道直径决定



-



图 4 16



—— —



针阀



1 出气口 ； 2—阀孔 < 3— 进气 Ph



.



4



针



阅 体 4 6 —轴；7 — 手柄



第四节真空系统 真空系统是由真空泵、 真空阀 、真空计及其他元件如冷阱等按 一定要求组合而成的具有所需抽气功能的密闭系统。图 4 -17 示 一种是用 P:05 吸温剂 出了冻干中所采用的两种典型的真空系统 ， 吸附从干燥箱中升华（或蒸发）出来的水蒸气， 用油扩散泵抽除漏 干嫌室



P30 j DP



CT



-



1 JMP



O RP



-



图 4 17



—



RP



冻干机的两种真空系统示意图



MP



*



76 •



—



油封旋转泵 I DP



—



油扩散泵 |



—



机械增压泵 1 CT



冷阱



人系统的或干燥过程中产生的不凝性气体;另一种是用冷阱捕捉



罗茨泵（机械增压泵）作主泵 ， 水蒸气 ， 用油封旋转泵作前级泵 ， 抽 除漏人的或干燥过程中产生的不凝性气体。这两种真空系统都能 保证千燥室处在冻干所需的真空状态。



一 、真 空 系 统 设 计 中 的 主 要 参 数 ( 1 ) 管道的流导



C



ii



如图 4 18 所示 ， 设被抽容器中 ，



的压力为〆Pa ),泵的抽气口处的压 力为九（Pa)， 抽气管中气体的流量为



容器 」 Q



.



12



Q( Pa m 3 /s>， 则



|3



Q



P



r?



p



-



( 4 - 9)



— Pi



图 4 18



泵的有效抽速



式 中 称 为 该 抽 气 管 的 流 导（ m Vs),表示管道对气体的导通能 其大小取决于管道的几何尺寸 、气体的种类和流动状态， 力，



。



(2>



真空室抽气口处泵的有效抽速 :的意义同 如图 4-18 所示 ， 九 、 （1),被抽空的容器的油气口



^



处的抽速为泵的抽速为 即 截面处的质量流量相等 ，



- - -



根据流董恒定原理 ， 在 1 1 、2 2、 33



^



p s t = c ( p — p l )= p i s 由第一个等式得



由第二个等式得



=



m



1 S



——



P



c p一 pi



c p



进而得



i



Pi



—p +-



(



^



\



1+



-



(4



-



1 0)



J 为泵的抽速( m 3 /s) 式中 ， ;c 为泵人口到真空室抽气口之间管道 的流导( mVs) (3) 真空室的极限真空 A P



• 77 •



P } = 户。 +



Qo



(4



- 11)



式 中 为 真 空 室 所 能 达 到 的 极 限 真 空（Fah L 为真空泵的极限 真空（Pa );CL 为空载时， 长期抽气后真空室的气体负荷（包括漏



气、 材料表面出气等 K Fa



效抽速 ( m 3 /s ) a (4 ) 真空室的工作压力户



P =



Qv



Ql



Qv 为容器内部的放气量（ Pa 式中 ，



,



_



m Vs ) f h 为真空室抽气口处泵的有



■



十 么 + 户。



( 4 - 12 )



m 3 /s )； 为容器的漏气量



( Pa • mVs)；Q 为生产过程中真空室的气体负荷（ Pa • mVs ) a



-



泵的抽速损失不应大于 40 % 一般髙真空管道， 空管道 ， 其损失允许为 5 % 10 % ,



低真 60 % ，



二 、真空系统的材料 化学稳 加工容易 ， 刚度足够， 真空系统的材料除了要求强度 、 放气率低 、 还要求气密性好 、 价廉易得等以外， 定性和热稳定性好 ， h



渗透率低和在工作温度下饱和蒸气压低



放气率是指气体从置于真空系统中的材料上自然而然地释放 出来的速率。常用材料的放气率如表 4 1 所示 。



-



表 tl



材料



不锈钢



银 • 78



-



抽气时间



抽气后的



/h



^放气率/ 10 Pa/s>



未抛光， 稍微生锈



8



2 X 10-



抛光



8



2 X 10 -



机械抛光



5



9.3 X 10 -



研磨



5



2, 4 X 1 0



机械抛光



5



9, 3 X 1 0 一 8



处理方法



低碳钢



常用材料的放气率



(



^



续表 材料



处理方法



铝



抽气时间



袖气后的



/h



放气率 /(10 Pa/ s) 7 X 10



抛光



5



酒相脱脂



24



硅橡胶



5



気橡胶



5



"



2.4 X 10 4.9 X 10



—



'



渗透率是指真空系统外的气体通过材料进人真空系统内的速 率, 材料的蒸气压是指将某种一定温度的材料置于绝对真空中 ，



该材料的分子蒸发达到饱和状态所具有的压力。各种金属 、 化合



物的蒸气压可从真空设计手册等有关资料中査取。材料的放气率 大 、渗透率高和蒸气压髙都会在抽空时增加抽气负荷， 影响系统的 真空性能 。



三、 真空系统的弹性材料 真空系统连接法兰的密封垫囷 ， 可活动部分的密封圈需用弹



性材料 ， 有时也用一些弹性管子进行可弯曲的弹性连接



^



这些材



料的主要特点是真空气密性好 ， 弹性好 ， 能耐一定的温度 ， 饱和蒸 丁腈橡 放气率和渗透率小， 常用的有氣丁橡晈 、 异丁橡胶、 气压低， 胶 、硅橡胶 、 聚四氟乙烯 、尼龙等。



_



天然橡胶有较髙的弹性 、 机械强度和耐磨性 ， 良好的晒水性 、



.一般用于 1 X 104 Pa 的真空系统,



但其放气董较大 耐酸碱性 ， 使用温度为



30



80



丁腈橡胶的渗透率小， 耐油， 适于做高真空系统的垫圈， 工作 I



温度为一 20



80 TC ,



—



氟橡胶具有良好的真空性能 ， 其放气率及渗透率都很小， 能耐 较高温度， 除气温度可达 250 I， 工作温度可达 200 1C ,用于 10 X



10



10 X 10



-



Pa 的超髙真空系统。聚四氟乙烯（塑料王）有良 *



79



好的耐热和绝缘性能 ， 可用于超髙真空系 工作温度可达 300 I，



统。



一些弹性材料的性能如表 4 -2 所示 a



-



表4 2



特性 拉断强度 / MPa 伸长率 /( % ) 脆性温度 / V



—



天然橡胶 17



—-



350



：



最高工作温度/ X



些弹性材料的性能



1 000



50



so



—



氟橡胶 7 12



丁腈橡胶



10



20



一 —。 130 400



600



4



225



300



一 34 200



33



四、 密封材料 密封材料是用来堵塞真空系统两部分连接处的微小缝隙和漏 孔的， 常用的有真空油脂 、真空泥 ， 真空腊 、真空漆等 a 对这些树料 的基本要求是蒸气压低 、 热稳定性好 ， 工作温度较髙时不发软或因 温度变化时不变脆或裂开 流动而失去密封性 ，



^



五 、真空系统的漏孔 、漏率和最大容许漏率 要使真空系统绝对不漏气是不可能的 ， 也是不必要的 一个 真空系统一面抽气 ， 一面不断漏气 ， 只要二者达到平衡时的压力能 满足所要求的真空度 ， 就可以认为是不漏的 。 所以真空系统漏气 而不漏气是相对的。 是绝对的 ， 一 般漏孔由原材料缺陷、焊接表面不清洁 、工艺不规范 、结构 安装不仔细等原因引起。 设计不合理、 所谓漏孔的漏率， 是指在环境温度 23 V 士 3 X 的条件下， 处 于髙压强或髙密度端的干燥气体(露点为一25 在单位时间内 通过漏孔流向低压强或低密度端的气体量 。 最大容许漏率就是真空系统正常工作情况下所容许的最大漏 率 。一个真空系统 ， 只要漏孔的漏率足够小 ,使得平衡压力低于真 空系统的工作压强 ， 这些漏孔就是允许的 ， 表 4 3 列出了各种真空 1



：



*



80



*



-



装置的最大容许漏率。



— 些真空装置的最大容许》 率



表 13



容许漏率 / ( Pa



置



装



.mVs)



减压蒸馏 、 真空脱气 、真空浓缩 真空输送 减压干燥 、



10



'



真空干燥 真空蒸傕 、 高真空蒸馏 、 髙真空干燥 、冷冻干煉



10 - z



分子蒸馏



10 一 4



回旋加速器



10 -



电子管



10 - 12



10 - 3



抽气时间计算 六、 首先要确定在大气压状态 在设计真空装置或选择真空泵时， 一直抽到工作 力为止所需的时间 □ 下从真空装置内粗抽气， 设 V 表示真空容器的体积( m 3 )4 表示容器瞬时压力（Pa ) M



m



5 为容器出口处的有效 为泵的抽速( mVs) 为管道流导( mVs)， 抽出的 在 df 时间内户变为夕 + d夕， 抽速（m 3 /s h 由于栗的抽气，



^



气体量为 Q=



容器中剩余气体量为 (声



故



有



fV



ps ^ dt



— Q，对应于这个气体量的压强则为



PV - Q = 户 V



=



得



—



d />



C 4 13)



ps



Q



【



y



-



+



( 4 14 )



dt



5c



( 4 15) V P 积分式 且当起始条件（= 0 时 ， 设 h = 常数 ， / =夕 I ， 为简化计算 ， C 4-15 )得



或



-



( 4 16 )



t = *



81



•



因丄 st



-



-



丄， 故代人式( 4 16 )得计箅抽气时间 t 的公式 =丄 s+ C



(



-



( s) = 2.3V(丄 + 丄 Mgh p



s



( 4 17)



c



- ^^



可得 则 i趋于零 ， 若 值很大 ，



^



c



t



2.3



— lg P



( s)



(



-



4 18 )



因上述计算是偎定常数而得出的， 事实上在不同压力时 ， 是不相等的 为了提髙计算的精度， 应将整个降压过程分成若 干小区分别计算所箱时间 ， 而后求和得总的时间



^



.



.



在冻干机中 ， 常用机械泵从大气压状态下开始抽气。在低真



空区域内， 机械泵的抽速随真空度升髙而下降。其抽气时间可用 下式计算 ： t



忽略则



^ f



gpP 一 Pp



^



2 3K t



\



^ '



. 々g $



= 2 3K



^



-



( 4 19 )



Cs )



公



-



( 4 20 )



Cs )



s 为泵的名义抽速； f 为抽气时间； V 为真空系统容积；P 为 式中，



经 f 时间抽气后的压力 ； h 为真空设备的极限压力 ；欠为设备开



为修正系数 ， 与设备抽气终止时的压力户有 关 * 修正系数如表 4 -4 所示， 始抽气时压力 ；



-



«44



p/ Pa



• 82



•



-



1 X 1Q 5



1 X 10 ' 1



修正系数



1 X 10 "



1 X 103



1 X 10



1 X 103



1 X 102



10



1.25



1.5



2



10 1 4



第五章冻干中的制冷技术



第一节制冷循环 在冻干过程中 ， 制品的冻结 、升华水蒸气的凝华都儺要制冷 , 因此制冷系统是冻干机的主要组成部分。



一 、制 冷 相 变 制 冷 就是用人工的方法使某一空间或物体获得或维持 所谓制冷，



低于其周围环境的温度。



按照制冷原理的不同， 制冷的方法有相变制冷 、气体膨胀制冷 、 涡流管制冷等。现今工业冻干中采用的都是相变制冷 热电制冷 、 所谓相变制冷 ， 就是利用物质由液态变为气态（液氮 、 液氣 、 液 态制冷剂等的气化制冷）， 或固态变为液态 （冰的溶化制冷 >， 或固 态变为气态（032 固体升华制冷）的相变过程中吸收外界或自身的



.



热量使其降温或维持低温 。



二、 制冷剂压缩式制冷 相变制冷中发生相变产生制冷效应的物质称为制冷工质或制 冷剂 。由液态变为气态的制冷剂的饱和庄力随其温度的变化而变 化 。例如氨 （NH 3 )在一 30 1C 时的饱和压力为 0.119 MPa ,而在 40 "C 时的饱和扭力为 1.554 MPau 如果将 30 C 的氨液装在容 器中 ， 当容器中的压力低于 0.119 MPa 时， 氨液就会吸收高于 30 TC 的容器壁的热量而蒸发制冷如果将氨气置于容器中， 当 容器内的压力髙于 1.554 MPa 时， 氨气就会向低于 40 X 的器壁



_



—



： •



83



-



( 或介质） 放出热量而冷凝成液体



制成如图 5-1 所示的制冷装置



. 根据制冷剂的这种特性 ，可以



^



如图 5-1 所示 ， 在蒸发器 I



放热



水



中的盘管内的制冷剂蒸气 ， 被压 缩机



n 抽吸 ，其压力降到低于蒸



制冷 M 流向



冷凝器 I



发器 I 中所对应的饱和压力 ， 制



冷剂液体就会吸收蒸发器 I 中



HS



的热董而蒸发



5



蒸发出来的蒸



^ 气被压缩机 II 抽吸并压缩到髙



于冷凝器 in 介质（空气或水等）



温度所对应的制冷剂的饱和压



力， 此时制冷剂蒸气就会向冷凝



1



节流阀



压辇机 I



)



蒸 发 器 I



fr p 7J 热



吸



图5 1



蒸气压缩式制冷系统



器中的介质放出热董而冷凝成 液体 ， 该液体经节流降压至蒸发器又可以蒸发制冷。制冷剂从某 一状态（由压力 、 温度 、 比容等状态参数确定）出发 ， 例如图 5 1 中 1 点所表示的状态 ， 经过一系列过程 （压缩过程 、冷凝过程 、节流过



-



程、 蒸发过程 )又回到原来状态的这些过程的集合 ， 称为制冷剂的



-



一个热力循环 a 也就是一种制冷循环。图 5 1 所示的循环是单级 压缩制冷循环。



实现压缩式制冷循环的机器称为压缩式制冷机。根据制冷机 中所采用的压缩机种类不同 ， 缩式制冷机有活塞式 、螺杆式、 透 平式 、滚动活塞式 、 涡旋式等 冻干机中应用最多的为活塞式和螺



m



杆式



D



.



三 、直 接 膨 胀 制 冷 循 环 间 接 制 冷 循 环



剂直接膨胀蒸发去冷却被冷却的物体 ， 此种制冷循环称为直接膨 I



图 5 】所示的被冷却对象是蒸发器中的介质或物体 ， 即制冷



-



胀制冷循环。如冻干机的冷阱中的制冷循环即是。图 5 2 所示的



-



蒸发器是一个换热器， 其一侧为制冷剂 ， 另一侧为硅油等所谓的载 *



84



（或载冷剂热交换 溶液泵将被冷却物 载冷剂通过管道、 冷 C 热）剂 ， 载 被冷却物的热量传给载冷剂 ， 器 )与蒸发器连接成载冷剂循环 ，



又流回继 在蒸发器中将热置传给制冷剂后， 冷剂用泵泵人蒸发器 ， 这种循环称为间接制冷循环 。冻干机中 续吸收被冷却物的热量，



，



冻干箱降温冻结所用的循环一般都采用间接制冷循环 a 凝器 / 放热



I



节 流 阀



制冷剂循环 压缩机



3 蒸发器 栽冷剂循环



j载冷剂热交换器 I 栽冷剂粟



/



被冷却物



吸热



-



图5 2 间接制冷循环



少了一套载冷剂循环 直接制冷循环的优点是设备比较简单 ， 所需的制冷循环设备也可小一些 a 制冷剂与被冷却物间 的设备 ，



只有一次传热温差 ， 因此其运行费用较低。其缺点是被冷却物的 对于在运行过程中所需冷量变化很大且又不能停 温度不够均匀， 当采用一定流速的回气流将润滑油 ， 机的场合（如冻干机的冷阱〉 带回压缩机的回油方式时 ， 其冷量调节很困难。间接制冷则相反 ，



被冷却对象的温度易于均匀 ，调节冷量方便。但多了一次传热温 所需制冷机容量也增大了。还多了 使所需的蒸发温度降低了， 差， 冻干机 运行功耗也有所增加。尽管如此， 一套载冷剂循环的设备， 的冻干箱降温仍釆用间接制冷



.



四、 冻干机中常用压缩式的制冷循环 两级压缩 冻干机中常用的压缩式制冷循环有单级压缩循环 、 循环和复叠式循环， * 85 *



1. 单级压缩循环 顾名思义单级压缩 图 5-1、 图 5- 2 所示的均为单级压缩循环 ，



循环的压缩过程由一级压缩完成 ， 一般其最低蒸发温度为一30 其最低蒸发温度可达一 45 t ， 采用低温型压缩机和适当的制冷剂 ， 但此时机器的冷量很小， 只能用于不经 经常长期运行是不经济的 ，



.



常运行 、且所需冷童很小的试验用冻干机中 这里介绍几个单级压缩循环的性能参数， 为了叙述方便起见 ， ① 单位制冷量 1 kg 制冷剂经一次循环所制得的冷量称为



.



单位制冷量 ， 记作



若压缩过程为等熵压缩 ， 则压缩机每输送 1 kg制冷剂蒸气所作的功称为单位理论功， 记作呎（ 。kj/kg), ② 单位理论功



^



③ 单位冷凝热。1 kg 制冷剂蒸气在冷凝过程中所放出的热



记作 gk( kJ/kg) 量称为单位冷凝热 ，



0



制冷剂在一次循环过程中所获得的能量 根据能量守恒定律 ，



这样才能由某一状态开始经各过程变化后 应等于其排出的能童， 又回到原来的状态， 即 g t — qz -\- W F



5-5 所示的为复叠式制冷循环的系统图



&



6



7



节流阀



S 9



* 89 *



—



6 为髙温级循环 ， 1一2



10



-



蒸发过程 10



所进行的



—3—4一5—21 为低温级循环 3 4



6 和低温级的冷凝过程



--



a



高温级的



是在冷凝蒸发器中



6



复叠式制冷循环的髙温级和低温级可以分别采用单级压缩或 两级压缩制冷循环 ， 根据循环方式的不同可以获得不同的蒸发温 可达一 60 度 * 由两个单级压缩循环组成的复叠式制冷循环， 一 SO



_



TC 的蒸发温度， 用一个单级压缩系统和一个两级压缩系统所



组成的复叠式制冷循环（可以是高温级为单级 ,低溫级为两级 ， 或



者相反）可以达到一 80



110 *0 的蒸发温度



冷阱中排放溶剂



装置所用的制冷机 ， 或者共熔点温度很低的制品冻干时， 其冷阱所



往往需采用复叠式制冷循环 。 用的制冷机 ，



第二节制冷机的工作温度对其性能的影响 制冷机的工况



一 、制冷压缩机的输气系数 A 制 冷 压 缩 机 的 计 箅 容 积 为 若 压 缩 机 吸 人 n 处的制冷剂的



比容为在实际运转中由于下面将要叙述的原因使其实际吸人 的 蒸 气 置（比



容



为



比



少， 即其实际的吸入 K 有 V，



置与理讼值相比要打一个折扣I



V



( 5 - 3)



称久为压缩机的输气系数或容积效率 引起实际吸人蒸气量减少的因素如下。 ① 吸气通道及阀片有阻力损失 ， 使吸到气缸中的蒸气比容4 比 ％ 大 > 因而吸入蒸气的实际重量比理论重量要小



D



② 为了不使活塞在排气末尾顶撞气缸盖 ， 制造压缩机时就留



-



有余隙容积 G 也即活塞排气完毕 ， 气缸中仍有其容积的的“高 *



90



这部分“髙压”蒸气要膨胀 在下一次吸气时， 压”蒸气留在气缸内 ， 到低于吸气压力才能开始吸气 ， 因而占据了一部分气缸容积， 使实



际吸气容积比计算容积小，



吸人蒸气在吸人过程中被加热 此外活塞与气缸之间的泄漏 ， 膨胀等都会减少其实际吸气量， A 是一个与许多因素有关的系数 ， 由上述可知 ， 其中影响最大 的是压缩过程的压缩比和余隙容积 r 的大小。余隙容积 c 和压缩 比越大 4 越小（图 5 6 中实线表示夂



-



又



0, 8



0. 4



0. 2



2



-



图S S



6



8



12



10



H



输气系数 A 、 余隙容积 e 和压缩比 的关系



设在某一蒸发温度 ％下循环的单位制冷量为 缩机的计算容积为



gD( kj/



ks)的压



输气系数 Vh( mVs),吸气比容为 h( mVkg)，



则在蒸发温度为 为 A，



时该压缩机的制冷量为



“



Vq



0



=



VhA



-



( 5 4)



CkW )



^



二、 蒸发温度冷凝温度



的影响



16



对循环的制冷量



-



A 越小肩由式(5 4 )可知在 l/ h ① 若 tk 不变山越低， w 越大 ，



也就是同一台制冷机在不同蒸发温度 将越小， 不变的情况下 ,Q。



f。 的下降会使其制冷量下降 * 蒸发温度越 时的制冷量是不同的 ，



这种下降越迅速，冻干机冷阱的制冷机就是如此 低，



^



-



这是制冷 *



91



系统设计和使用中一个很重要的概念



.



③ 若 L 不变山上升 ， 则压缩比增大， 制冷机的功耗增加， 且 A 有所减小， 其制冷量也会有所减小 因压比增大 ，



三 、制冷机的工况 正如上面所述 ，制冷压缩机的制冷量和功率消耗是随



、 而



^



“



变化的 ， 不仅如此 ， 还与吸气温度 6 和冷凝以后到节流前的过冷度 这样 从有关，



山山和以： 一 Q 四个温度就决定了制冷循环 称之为制冷机的工况 。 的工作情况 ， 由于在不同工况下制冷压缩机的制冷量和功耗是不相同的 ，



“



所以在设计制冷系统和选用制冷压缩机时 ， 必须指明是在什么工



况下 ， 才能进行设计和选用。 被冷却对象所需要的制冷量是多少，



第三节制冷剂、 载冷剂、 润滑油



一 、制冷剂 1. 对制冷剂的要求 ( 1 ) 热力性质方面



① 临界温度不要太低 ， 以便常温的水和空气能使之液化 ， 且



液化时压力不能太髙 ， 一般在 30 *C 时对应的饱和压力不超过 1 . 2 1.6 MPa ， 否则对机器的强度要求会更髙， 功耗也增大 。 ② 在所使用的蒸发温度下 ， 最 所对应的饱和蒸气压不要太低 ，



好接近或路髙于大气压 ， 不得 极限情况下 ， 以免空气向系统中渗漏， 低于 0. 01 MPa， 制冷机不能运行。 否则吸气时吸气阀片打不开， ③ 对于制冷量大的机器 ， 制冷剂的单位容积制冷量要大 ，



以减小机器尺寸和制冷剂循环量 ④ 气化潜热要大 ， 以减少制冷剂的循环量 。 ⑤ 导热系数要大 ， 以提髙设备的传热效杲
， 范围内 否则会腐蚀



系统和产生冰堵 ② 不含不凝性气体， 以保证冷凝器的正常工作 a < 4 ) 在环境保护方面 &



① 臭氧消耗潜能 ODP 要小



D



② 温室效应指标 GWP 要小



^



2. 制 冷 剂 的 种 类 等，



.



—



④ 氟 利 昂。这 是 饱 和 碳 氢 化 合 物 的 卤 族 元 素（



cn 氯 ）,



CF 2 Ch( 二 氟 二 氯 甲 烷 ， R1 2 )， CHF 2 C〖( 二 氟 一 氯 甲 烷 ,R 22)等。 F( 氟）



( 溴） ）的 衍 生 物 ，如



氟氣碳化合物用 CFC 表示 ， 氟氣碳氢化合物用 HCFC 表示 ， 氟碳氢化合物用 HFC 表 示 其 中 CFC HCFC 中 含 有 Cl( 氣）元



.



素， 所 可与臭氧（03 )中的氧元素化合 ， 消耗地球臭氧层中的臭氧 ，



. .



以 已 被 或 将 被 禁 止 使 用 。 过 去 冻 干 机 中 采 用 的 RS 0 2 R1 2 R1 3 ■



93



*



也只能在目前 等制冷剂 ， 现己被禁用 fR22 属 HCFC， 均为 CFC， Ki 34a、R 23 、R32 等属 HFC，其 将来亦会被禁用； 过渡期内使用，



ODP 值很小 ， 现已在冻干机中逐步广泛使用。 ⑤ 共沸制冷剂 。由两种或两种以上互溶的单纯制冷剂 ，在常 温下按一定的比例相互混合而成 ，它和单纯制冷剂一样在恒定的 压力下 ， 具有恒定的蒸发温度 ，且气相和液相的组分也相同 。如 R 507 是由 R 125 与尺1433 按 50 : 50 比例混合而成。 （或两种以上 ）单纯制冷剂混合而 ⑥ 非共沸制冷剂 。由两神 成， 在一定压力下其蒸发温度有一滑动区。 如 R 404 A 由 R125 、 R 143a ,R 134 a 按 44 : 52 : 4 的 氐 例 混 合 而 成 ， R 407 C 由 R32 ,



R 125 、 R134a 按 23 1 25 : 52 的比例混合而成。 ⑵ 按沸点分类 ① 髙温制冷剂 。其蒸发溫度 ② 中温制冷剂。 0 = 0



.



60



t 时用。 t 时埒 ， R 507 、 如 R 134a 、R22、



R 404 A R717 等， 冻干中一般使用这类制冷剂 ， ③ 低温制冷剂。 155



>140



(闪点 )



( 闪点 )



< - 60 ( 倾点）



2



5 (25



一 65 ( 倾点 )



V)



( 25



0 . 148



1 000



778



930



- 945



889



—



燃烧性



有



有



毒性



有



无



无



无



徽



无



、无



腐蚀性



： )



X



L 956



0 . 17



^/mO



^



201 二甲基硅油



Bayol35



301



① 三元混合液指 40 %的水 、40 %的乙二醉和 0 % 的乙醉的混合物 , 注：



② lcSt ^ lO -*



mVs ^ l mm 2 / s



.



三 、润滑油 制冷装置中润滑油对压缩机各运动部件起润滑和冷却作用，



.



从而保证制冷装置的安全可靠运行 1. 对润滑油的要求 ① 即使油与制冷剂产生互溶 ， 仍应能保持原有的粘度。 ② 有较低的凝固点 ,应比制冷剂的蒸发温度低若干度。 ③ 不应含有水分与蟥质， 闪点要髙 ，在较高的冷凝温度下仍 •



98 •



具有润滑压缩机运动部件的粘度， 且挥发性小。 ④ 化学稳定性好金属及其填料无腐蚀作用 ⑤ 绝缘电阻要大 。



.



*



一些制冷压缩机用润滑油的质量标准如表 5 4 所示 。 表 54



—



牌 号



矿物油 （中) 项 月



粘度



NLS



4 t>



N 32



N 46



13. 5 19,S 28 - 8 41. 4 16 , 5



( cSt )



mz 24.2



： 倾点 / X：



35.2



密度（ 20



X )I



—



—



扛
以上的内压 ， 同时 还需纯蒸气发生器 ， 且有残留 冻干装置成本较高 由于化学灭菌法的性能尚欠稳定 ， • 1S8 •



.



因此现在采用在位蒸气灭菌的冻干机已 可能污染制品 ， 物在箱内，



成主流， 1. SIP 系统



-



SIP 系统如图 7 S 所示， 它是在冻干机原有设备的基础上加 压力控制器和温度控制器等 。 图中蒸气系统是给 一些管道 、阀门 、 7V14 为疏水阀， 防止 空气过滤器和冻干箱输送灭菌蒸气的 ； 冷阱 、 箱体上的压力传感器控制箱内压力必须小于 排水时将蒸气放出；



大气压才能打开门锁;行程开关控制门锁到位才能打开进蒸气阀 i 第二设定 内压力超过第一 、 在箱（冷阱） 冷阱上有几个压力传感器 ， 若压力达到第三设定值则打开安 值时关闭蒸气阀发出报瞥信号， 全阀放气泄压并报蝥;箱底和箱内 、冷阱内均有温度测点以测童最 水环泵 7 M1 用来在灭菌前和升温中抽 冷点和其他测温点的溫度 ； 灭菌后抽空冷却和干燥箱体及冷阱 ； 冷却水系统在灭菌结束 真空 ， 旁通 后给冷阱 、冻干箱壁面降温;放空气系统用于灭菌后充空气； 以免损坏 阀 TV15 用于保护空气过滤器两端压差不超过允许值 ， 过滤器 A



Pa P>7 PSL 1 0 P a /> l X ^



P 7V15 m PSH



?V 12



PSH



PSH



5V2



真空東系铳



: rEO 7 V 10



^^



嫌空气



1



-



图76



SIP 系统



_



z



>排 气 冷却水 !



1S9 •



2. 蒸 气 灭 苗 步 骤



关闭真空泵与冷阱 CD 关闭冻干箱 、冷阱与外界相通的餺门 ， 给冻干箱 、冷阱抽空并锁 间的阀门 5 V2 ,打开 7V10 ,启动水环泵，



紧冻干箱门 ② 打开进蒸气阀 ， 此时应注意空 向灭菌设备放人热湿蒸气， 或者在开始灭菌阶段 ， 气过滤器两端的压差不能超过允许值， 热湿 冷阱， 蒸气H经旁通管进人冻干箱 、 不经空气过滤器 ，待箱内压力 升髙到 0.1 MPa(表压 )后， 以保护过滤器不受损坏， 再经过滤器 ， 箱内压力不要幵得过快过髙。由于湿蒸气遇到温度较低的搁板 、 容器壁等表面时会放出热量凝结成水 ， 可打开疏水阀系统排水 a ③ 待压力升到预定值， 关闭进蒸气阀和排水阀给冻干箱 、 冷 如此反复三次 阱抽真空 ， 抽空到预定值又放人热湿蒸气加热 ， （如 30 ④ 在设定的温度 或按规定的 （如 121 X )和时间 值进行保湿或保压 。 ⑤ 用水环泵柚空降温 ， 或用 用冷却水系统使箱壁 、筒壁降温 ， 制冷系统降温。 3



：




5



—



真空管道



劳动强度也大大减小， 还保 由于操作髙度合适且在同一高度装卸 ， 证了冻干箱的洁净度和防止了搁板结蕗 ， 使装卸过程“无人 为了避免人手操作可能对制品构成的污染 ， 化 有的厂商还开发出自动装卸制品装置 这类装置有两种方



'



^



半加塞生产线的末端延长到冻干箱的 一种方式是将制品灌装 、 式， 半加塞完了的制品瓶一个个连续地进人搁 将小门打开 ， 小门前 ， 卸制 板， 然后送入搁板里面。在小门对面的箱壁上安装一推出器 ， 品时 ,用推出器将药瓶一齐推出 另一种方式是用手推台车或机 械台车将整块搁板的制品托盘 ，在小门开启后一次推人箱内。卸 亦用推出器将制品推出 制品时， 这两种装卸方式都具有从小门装卸制品的优点 。当然连续式 搁板结露严重一 需将小门长期打开 ， 一个个药瓶装人制品的方式 ， 设备生产成本髙 ， 每次使用的时 些。自动装卸制品机构的缺点是 ， 如果多台冻干机共用一 间又短 ， 单台冻干机使用时经济上不合算 ， 套装置 ， 经济上还是合算的。 • 194 •



. .



有的开在主门上 ， 小门的结构也不尽相同 ， 这时 ，小门与主门



在带 SIP 系统的冻干机中 ，这种密封还应能承受内 之间需要密封 ， 小门则开在内门上 ， 压和外压 ，有的在主门内另装一扇单层内门 ， 内门关闭 ， 箱内外空间被内门隔 只开小门 ， 装卸制品时 ，主门打开 ， 防止灰尘污染箱内和已预冷的搁板结露 。制品装人完毕 ， 再将 开， 小门和主门关上。主门与箱体间设有能承受内压和外压的密封 ，



小门与内门之间无需密封。



四 、制品的密封 已干燥产品是一种疏松的多孔物质， 有很大的内表面积 ，如果 就会吸收空气中的水分而潮解 ， 增加产品的残水 暴露于空气之中， 空气中的氧 、二氧化碳与产品接触， 含量 。 其次 ， 一些活性基团就



会很快产生不可逆的氣化作用。再者， 空气中如含有杂菌， 还会染 制品干燥后 ，最好在冻干箱内密封后取出 ， 现在所 污产品 。因此 ，



生产的冻干机基本上都有此功能 a 有的用气襄压塞 ， 有的用双螺 比较多的是用液压压塞 杆压塞 ， 产品冻干完 或者冻干机没有箱内压塞功能时 ， 若用安瓿分装 ， 需放人无菌干燥空气 产品 后， （或纯度为 99.99 % 的氮气）至箱内 ，



蜡封（或压铝盖 ）或者熔封 出箱后再加塞 、压塞、抽空 、检验真空 、 ( 熔封则不加塞和抽空 ） 这一过程箱在无菌室中操作 ， 且尽量缩短 ，



或者将其移人一干燥柜中 ， 也可分批出箱密封， 分批密封 时间，



.



安瓿熔封最好使用双焰或交叉火焰。火焰长度仅需 10 mm 用煤气或中性煤气的热量就已足够。若将丁烷与空气混合 左右 ， 均不箱加氧气。火焰应围绕安瓿的拉长处 除硬质玻璃外 ， 作燃料， 否则易引起破裂 安瓿熔封后应放在支 不能在火焰上静置 ， 运动 ， 应将安瓿作 架上冷却， 不然容易出现裂纹。若用单头火焰熔封， 正 、反两方向旋转 ， 避免玻璃破裂或产生应力 。用热焰加热过的地 要 冷焰退火几秒钟， 在密封冷却后顶部用教丁橡胶甲苯溶液 方， 凃覆 * 以免产生裂缝。 • 195



.



m



-



第四节冻干曲线的制定 冻干加工中最重要的过程参数是制品的温度和干燥箱内的压



压力随时间变化 力 冻千曲线就是表示冻干过程中产品的温度、 而变化的关系曲线 。对于某一具体的冻干机， 由于制品的温度与 搁板( 或传热介质〉 的温度有一定的依从关系 ， 且放置在不同位置 的制品的温度会因受热情况不同而有差异 ， 所以实践中冻干曲线 往往用搁板温度(或传热介质温度） 与时间的关系曲线来表示 ，为 了监測冻干过程 ， 配有自动记录仪（或计算机）的冻干机一般均自 动记录下搁板温度 、 冻干箱压力等几个参数 制品温度 、 冷阱温度 、 和时间的关系曲线 这些曲线均可称为冻干曲线 a 其中最重要的 是搁板温度曲线和冻干箱压力曲线 这里所说的冻干曲线的制 就是指这两条曲线的拟订 。 定， 6



.



^



一 、原 始 数 据 要定出合适的冻干曲线 ， 首先必须知道所冻干制品的共熔点 温度 、崩解温度 、 产品允许的最高温度 、最佳预冻速率和要求的残 余水分含量 这些参数可査阅有关资料获取 ,若无资料可査 ， 则需 实验求得 。 6



二、 冻 干 ft 线 制 定 过 程 冻干曲线的形状与制品的性能、 分装容器的神 装量的多少、 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 验制定出最佳的冻干曲线 崩 冻干曲线制定的过程是 ， 根据所获取的制品的共熔点温度 、 根据所用冻干机的性 解温度 、 最佳预冻速率和残水含置等参数， 能， 初步拟订出搁板温度曲线和冻干箱的压力曲线 ， 兩此曲线在实 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 * 196 * 9



6



品干层温度 、 冷阱温度等参数， 冻干箱压力 、 随时修改冻干曲线中



不合理部分 由检測和观察确定升华阶段结束和解吸千燥结束的 冻干结束后 ， 对产品质量和含水童进行检 L 根据所得冻干 时间，



^



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 ， 同样检测出上述冻干过程参数和修改 在生产用冻干机上试运行 ， 直到获得成熟的冻干曲线（图 7^10) 曲线的不合理部分 ，



.



.



预冻结



咸速干燥



升华干燦



4叶 20



aM



^



解哦干燦



rd 时间 Vh



53 20



rA



a



图 7 10



冻千曲线 共 熔 点 度； 共 晶 点 温 度；



:rd— 千制品允许的最髙温度;粗实线表示制品在各阶段时的a 度



三 、需确定的参数



a ) 预冻温度 搁板预冻温度应低于制品共晶点 5



取更低一些的預冻温度。 (2 ) 预冻时间



-



：



10 X ， 冻结速率快的可



：



-



通常冻干机搁板由室温降到一 40 X 约需时间 1.5 2.5 h, 使制 在制品降到了预冻最低温度后 ， 再在此温度下保温 1 2 h，



才能转人升华， 品彻底冻牢 ，



• 197 •



C 3 ) 冷阱降温时间和冷阱温度 一般来说在预冻结束前 30



50



冷阱空载 冷阱开始降温 ，



降温的时间可从冻干机的性能表査得 ， 当冷阱降到一 40 后 ,可启动真空泵抽真空 。在冻千箱压力降到 10



一 50 1C



20 Pa 以下时 ，



可打开电加热器给搁板供热。 ( 4 ) 搁板温度



在开始升华时 ， 搁板温度可迅速上升到超过允许的最髙温 度， 只要制品冻层温度不大于其共熔点温度或崩解温度 ， 冻干箱



压力不超过允许值即可 ，因为此时制品仍处于低温下， 在升华 以保证制品不超过其最髙允许 干燥后期搁板温度应有所下降 ， 温度 。 ( 5) 升华千燥结束时间



在预估时可粗略地以平均每小时干燥 1



在实际 厚度计 ，



操作时 ， 可根据下述现象来判断升华干燥结束的时间。 ① 干层和冻层的交界面到达瓶底并消失 。 ② 制品温度上升到接近搁板的温度 ③ 冻干箱的压力下降到与冷阱的压力相接近 ， 且二者之间的



压差维持不变 。 ④ 当在多歧管冻干机上干燥时， 容器表面上的冰或水珠消失



-



后， 其温度会达到环境温度。上述现象发生后 ， 至少再延长干燥



0.5 1



h 以期彻底消除制品中的残留冰晶及制品干燥的不均衡性 ，



就可以转人解吸干燥阶段



D



解吸干燥阶段时， 搁板温度可以大于零度 ， 只要制品不超过其



最髙允许温度即可



.此时应使干燥箱压力随冷阱温度的下降而下



降 。 冷阱温度可调时， 可将其调节到较低的压力值 。



解吸干燥所需的时间， 应裉据试验确定， 估算时可按升华时间 的 35 %



50 %计算 。



⑤ 用升压法确定冻干终点。所谓“升压法”， 是在干燥过程中



• 198



*



关断箱阱阀， 使水蒸气在箱内集存， 箱内压力上升并记录上升的最 终扭力 。此压力应为冰晶升华面温度所对应的水蒸气饱和压力



.



( 真空系统泄漏童很小， 可以忽略） 从这一系列的记录中可以发



证明产品中冰晶 现压力的升髙速度逐渐变谩 ， 直到快速上升停止， 已全部消失。压力的缓慢上升是靠解吸产品中的吸附水而来 a 可



以提高制品温度进人第二阶段干燥



在第二阶段干燥期间 ， 压力上升， 所需关闭 关闭箱阱阀时 ， 的时间较长



. 根据压力上升的最后值，从制品的解吸等温线上



可以找出其近似的含水量 功能



现代冻干机的控制程序均具有此项



B



1



干燥箱内压力随时间而变化的记 用气甩法测量干燥终点时， 录曲线示意图如图 7-11 所示



第二阶段干懍



TOIXZ



roTXS d 第



' 'n 1 1



阶段 干燥



冻



lIJI



温度



压力



麵



压力升高》 霣



© Ml



气压法澜量干燥终点的记录曲线



第五节冻干过程的主要参数的调节与控制 一 、冻结速率的调节 但干燥时干层传质租 产品外观形态好， 冻结速率快 ,冰晶小， 升华慢 力大 ，



6



细胞膜机械损伤 对于活细胞制品的冻结速率过快， ‘



199



*



但干燥时传质阻力小， 产品外观粗糙 ， 冰晶大 ， 大 。冻结速率慢 ， 升



溶质损伤大 w 因此对于每 华快。对于活细胞制品， 冻结速度过慢 ，



可能存在一最佳冻结速率 种制品，



.用此速率冻结，细胞存活率



又可得到较髙的冻千速率 高， 或者既保证了产品质量 ，



^



设计时搁板有一固有 一般冻干机没有调节冻结速率的装置，



的降温(或冻结 )速率如果用这一速率冻结制品， 当此冻结速率 可以先将搁板预冷 ， 小于制品要求的冻结速率时， 而后将制品装箱 冻结， 其冻结速率越 从而可以提高冻结速率预冷的温度越低 ， 快。若固有的冻结速率大于制品所要求的冻结速率 * 则可用停开 部分压缩机 ， 或将整个降温过程分成几段 ， 以控制压缩机的开停比 来控制降温速率。这些都可以通过微机控制程序来实现 。



二 、干燥过程主要参数的控制 影响冻干干燥过程的主要因素是升华界面的温度( 或供热量 )



和水蒸气逸出制品的能力 。前者主要由搁板的温度和干燥箱的压 力（真空度）所决定 ， 后者主要由升华界面的温度所对应的水蒸气 饱和压力和箱内空间的水蒸气分压差来决定 因此 ， 要使干燥过 程具有“再现性” 应对搁板的温度 、干燥箱的压力和其水蒸气分压 ，



这三个参数进行“过程控制”， 才能使批与批间的制品具有相同的 冻干条件和产品质量 。 1. 搁板温度的控制



生物医药冻干机均用电加热， 可以 利用控制电加热器的通断 ，



—



方便地控制加热量和温度 般采用两种方式 。 (1 ) 阶梯式升温 即将升温阶段分成若干区段 ， 在每区段开始时接通加热器升 溫， 当搁板( 介质)温度达到该段设定值上限时， 切断加热器 ， 保温 到该段时间结束 ， 再转人下区段的升温。此种方式中每区段搁板 的升温速率不进行控制 ， 但因制品升温滞后于搁板的升温 ， 因此制 品的升温速率与预定的接近 D



-



200 •



( 2)



m踪式升温



制定出搁板升温速率曲线 ， 根据制品要求的升温速率， 将实测 的搁板升温速率与对应时刻要求的升溫速率曲线相比较 ， 确定加 热器的通断时间比例 ， 并不断修正这个比例使实际升温曲线跟综 这种方式能较淮确的进行过程控制 要求的升温曲线 ，



.



2 . 箱内压力（真空度 的调节和控制 | 对箱内压力进行控制的目的 ：一方面是使粃与批间的制品有 实现冻干过程的再现;另一方面是为了改善受传 相同的冻干条件， 提髙升华速率。 热限制制品(或传热限制的升华阶段 )的传热条件 ， 提髙压力可提髙干层的导热和瓶壁的对流換热。 因为在真空时 ， 目前采用的方法有充气法 、 调节真空泵能力法 、 节流调压法和冷阱 溫度控制法 。



a ) 充气法 这是目前多数生物、 医药冻



F 干燦过滤器



干机所采用的方法 ， 它是基于提 高干燥速率而提出来的 ， 其方法 如图 7^12 所示 。当电磁阀 B 开



真 空 干 燥



来自无菌室的空气经干燥过 启， 调压阀 C、 截止 电磁阀 B 、 滤器 F 、 阀 A 进人冻干箱和冷阱 a 使冷阱



箱



-



的凝结表面稷盖一层不凝性空气困 7 12 膜 * 其凝结阻力增大， 致使冷阱的 压力提髙， 冻干箱的压力也随着



调压冻干装置( 充气法〕



—



—电f l i A



C一调压阀 f F 干燥过滤器



上升 。 当压力上升到上限时， 压力控制器控制电磁阀 B 关闭 ， 无



菌室空气停止进人， 冷阱内的不凝性空气不断地被真空泵抽走 ， 其 冻干箱的压力也随之下降。调压阀 C 可以调 凝结陧力逐步减小， 节空气的流量 。 压力控制器控制箱内压力的髙低至于电磁阀 截止阀 D 是冻干结束后自动向冻干箱充空气用的。



这种方法提髙了干燥箱的全压， 改善了传热条件 ， 对于受传热 * 201 *



限制的制品可以提髙升华速率 ， 但是充气法存在下面的问题



D



① 热传导真空计的标度与气体成分有关， 空气进人箱内后，



特别是解吸干燥阶段与升华阶段箱内气体 其气体成分不断变化 ，



引 起 较 大 的 渊 量 误 差（图 中 仏 和 成 分 差 别 较 大， 6o



i : :



二



o 2o o 2o 4o 4



-



■



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K



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P



乂 1



--



3



2



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11 宄出



/



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o



6o



时间



-



图 7 13 户0



_充气法控制中全压真空计与热传导真空计的差异 ；Pi— — — 隔膜式全压计压力



G



搞板滬度 f



热传导型真空计压力 ；



制品滬度 f G



冷阱温度



② 此种方法是利用降低冷阱的冷凝效率来提髙箱内压力的，



冷阱效率的降低无疑 在开始升华阶段有大董的水蒸气需要捕捉 ， 阻碍了升华速率的进一步提髙， 因此实际使用中多用于升华后期



和解吸干燥初期 。 ③ 此种方法在冷阱入口处气流速度大 ， 冷凝面上聚集的空



气膜不断被冲走， 因而水蒸气容易在此处被捕捉凝结 ；而在气



流后段空气比例越来越多 ， 凝结阻力越来越大 ， 因而结冰较少 。 甚至可能造成冷阱人口处的气道 这种凝结表面结冰的不均匀 ， 阻塞 （图 7 -14 ), 有人认为此种控制方法不能控制水 从“冻干过程再现”来看 ， 蒸气分压， 此法虽然只 仔细分析起来 ， 因而不能实现“过程再现 控制了箱内全压， 没有控制其水蒸气分压 ， 箱内主 但在升华阶段 ， 要是水蒸气 ， 其全压与水蒸气分压十分接近 ， 而且有一固定的比例 也就 关 系（图 7^1 3 中 的 升 华 阶 段 的 化 和 因 此 控 制 了 全 压，



'



• 202 •



(a )



不凝性气体多时



-



图 7 14



( b) 不凝性气体少时



不凝性气体对冷阱结冰分布的影响



控制了水蒸气分压。况且对受传热限制的冻干过程来说， 只要水



蒸气分压小于其允许的最大值就不会影响水蒸气从升华面逸出的 速度 ， 对于由试验确定的冻干曲线， 这一条件是可以保证的 ，因 它是可以实现“过程再现”的。 此， ( 2 ) 调节真空泵能力法 它也是基于提髙干燥速率而釆用的 ， 其办法是降低泵的抽气 能力或关闭真空泵， 使漏人的和从制品中挥发出的不凝性气体逐 步聚集在冷拼中， 以降低其冷凝效率， 从而提髙冷阱的压力和干燥 箱的压力。这种方法提高了箱内全压 ， 改善了传热条件和升华界 因而对提髙升华速率是有效的 ， 面的允许温度 ， 且停开真空泵还可 以降低运行费用，但此法与充气法一样 ， 采用热传导真空计会出 现较大测量误差， 仅控制全压在一范围内， 会造成全压和分压控制 的不确定性；冷阱结冰也不均匀 ， 其进口处也可能造成阻塞 (3 ) 节流调压法



^



它是按干燥箱实测的压力 ， 使之产生 调节控制箱阱阀的开度， 节流 ， 用升华的水蒸气在箱内的集存量来控制箱内压力的。在升



华阶段箱内全压和水蒸气分压基本相等， 因此 ， 这种方法既控制了 全压也控制了水蒸气分压。加上搁板温度的控制 ， 可实现批与批 间冻干条件的再现 ， 冷阱的结冰也较均匀。 此法存在的主要问题如下 。 * 203 *



① 由于箱内水蒸气分压不能过髙， 因此其全氐也不能进一步



提髙 * 这对受传热限制阶段(如升华前期 ）增强传热不利 ② 在解吸干燥阶段 ， 解吸出的水蒸气量很少 * 节流操作困难 所以此 以利于水蒸气的解吸 ， 加之此时又希望箱内水蒸气分压小， 法只适合升华阶段的调压 (4 ) 冷阱温度调压法



I



从而控制干燥箱的 即用调控冷阱的温度来控制冷阱的压力 ， 压力 。这种方法不是直接控制干燥箱的压力 ， 而是用冷阱的温度



间接控制箱内压力。在稳定升华时 ， 箱内压力与冷阱压力和冷阱 温度之间均存在某种确定的依从关系， 因而其控制是可行的。例 如解吸干燥阶段 》新产生的水蒸气置较少， 冰层亦没有显著变化，



升华的水蒸气流量在不断变化 ， 冰层厚度亦在不断 但在升华阶段， 使其对 变化 ， 这将引起冷阱温度与冷阱S力之间依从关系的变化，



箱内压力控制带来不确定性 各种方法均有各自的优点和缺点， 从上述分析可知 ， 如何实现



'



还有待进一步探索 n 有人提出节流调压 C 升华阶段） + 冷阱温度调压(解吸阶段）相结合；或充气调压（升华阶段）+ 冷 这都是一些取其 阱温度调压(解吸阶段 > 相结合的方案 ， 笔者认为 ，



“过程再现



长， 避其短的较好的选择。



-



3 冷阱溫度的调节控制 冷阱制冷系统是按冻干过程中冷负荷最大时所霈制冷貴进行 匹配的， 但在解吸干燥阶段其冷负荷仅为最大负荷时的 i /5 1/10 , 压缩比增大， 制冷剂的 甚至更低。这时制冷机的蒸发温度将下降 ， 电机冷却条件变坏甚至有可能被烧 质量流量减少， 排气温度上升， 阻止蒸发温 需要增大冷负荷， 毁 。 为了改善制冷机的运行条件 ，



.



度的继续下降 另外从实现“过程控制”来看 亦需控制冷阱温 使批与批间的制品有相同的冻干条 度不超过某一允许的范围 ， 件 。这就是要调节控制冷阱温度的原因，目前采用的方法有如 下两种。 • 204



*



》



(1 ) 旁通制冷机髙压排气法



从制冷系统的油分离器出口 ， 旁通一股髙压高温制冷剂蒸气 经电磁阀 、 微调阀至冷阱盘管的进口 ， 去消耗一部分冷量， 这样冷 阱盘管 、压缩机的制冷剂流置均增大了， 其蒸发温度亦提高了。用



冷阱的温度或制冷系统的回气压力控制旁通电磁阀的开闭， 微调 阀则调节旁通的流量 ， 使冷阱温度稳定在一允许的范围内 （详见第 五章第七节）B ( 2) 三重热交换捕集器调节



日本共和真空株式会社的专利技术三重热交换捕集器的溶液 循环系统 ， 可以从搁板的加热系统中分流一股热溶液到捕集器 ， 以 抵消冷拼制冷机多余的制冷量 ， 从而控制冷阱的温度稳定在设定 （详见第六聿第八节h 值。



第六节冻干产品的 质置分析 不同的产品有不同的质量指标 ， 如产品的含水率 ， 储存的稳定 性、 还原性 ， 活菌的存活率或药品的效价 ， 食品中的营养成分 、 芳香



成分的保存率等



. 这些指标中许多需要用专门的仪器设备并按有



关标准规定的方法进行检验。在冻干现场 ， 则主要根据产品的外 形进行分析判断 而所有冻干制品冻干前均衢要知道其共熔点 ,



.



冻干以后需测定其残余水分含童 a 本章仅就产品的外形和含水率 超标来探讨其产生的原因。至于制品共熔点和残水含量的測量方



法将在第八章介绍。



一 、外形 冻干产品正常的外形是颜色均勻 ， 孔隙致密 ， 保持冻干前的体 积 、形状基本不变， 形成海绵状团块结构 如果出现有硬壳 、萎缩 、 塌陷 、 空洞 、 灰散和破碎等现象 ， 均属不正常外形， 均为不合格产 品。下面分几种情况加以分析。



.



• 205 *



产品出箱前着上去质量很好 ， 或出现 但出箱后不久就萎缩了， 空洞 、 碎块 。其原因是产品干燥不彻底， 还有残存冰晶， 出箱后 ，



产品的温度 、 压力均处于共熔点以上 ，冰融化成水 ， 水被其周围的 已干物质吸收 ， 从而产生空洞 、 萎缩现象，



产品干燥不彻底 ， 可能是由下述一些原因产生的



.



① 干燥时间太短或温度太低， 或二者兼而有之 w



则应延长干燥时 连续几批干燥不彻底， 若温度计 、 真空表正常，



间， 在可能的情况下提髙升华温度。若以前产品质量正常 T 则可能 冻结速率误差、 因分装误差 、 也应适当延长干燥 真空度误差所造成 ，



时间。还可能是温度计不准 ， 实际升华温度低于设定升华温度 a ② 冻结速率太快 ， 使升华速率减慢 。 晶粒太细 ，



由于气候变冷 ， 或装量减少， 均会使冻 或空箱降温时间延长 ，



结速率加快 ， 因而需延长干燥时间 ， 阻碍水蒸气的逸出 ， 晶粒变细 ，



或降低冻结速率。 ③ 冻结不彻底 ， 降 使冻结产品与容器壁间形成间隙或气阻 ，



低传热效果。



’



由于冻结不沏底 ， 在抽空升华时产生蒸发冻结 ， 使产品的体积 变小， 在产品与容器壁间形成间隙， 热不能传给产品



.随着升华的



进行 ， 冻结块周围的冰首先升华 ，形成一层绝热的干燥层包围冻结 块， 使热董更难传给冻结物 ， 因此所需干燥时间延长 ④ 部分产品干燥不彻底



D



9



这可能是搁板间温差太大 ，托盘或搁板挠曲太厉害 ， 盛产品的



瓶子底面不平或不均匀， 或产品分装不匀所造成



b



对于质量较差



的冻干机 ，只有延长冻干时间 ， 以使绝大多数产品的含水量符合要



求。



产品出箱时制品就是间隙很大的骨架结构 ， 甚至是绒毛状物 质， 出箱后绒毛状物质又很快消散



0



其主要原因是产品配方中所



含固体物质太少， 冻结时， 自由水结成纯冰所占体积增大 ， 升华后 ，20 $



*



可能使有用成分在升华时随水蒸气一起飞散 形成的孔隙也大 ，



.



一遇空气就会吸收 所彫成的绒毛状物质， 本来是产品的固体组分， 解决的办法是在配方中增加填充剂 。 水蒸气熔化而消失，



产品出箱时， 空洞等缺陷。其主要原因 有泡坑 、干缩 、塌陷 、 产品尚未完全冻结 f 或第一阶段 或时间太短 ， 是， 冻结温度过髙，



使部分产品熔化所致 千燥时温度过高 ， 压力过髙 ，



. 在未冻牢时抽



外部压力迅速降低而引起鼓泡 ；熔化了的产品产生蒸发 空升华， 也会 一部分未干产品因加热过猛而熔化 ， 浓缩， 就会呈萎缩形状；



造成已干部分熔成空洞或塌 使已干部分的固体物质溶解于其中 ， 升华时不能超过产品的共 定要使产品冻牢 ， 操作时 陷 因此 ，



—



.



》



熔点温度或崩解温度 a 产品在深度方向上颜色和孔隙度不均匀



&



溶液中不能溶解的成分发 可能是由于分装后搁置时间太长 ， 生沉淀



9



二、 含水率 会因活菌中的结合水被抽 对于生物制品来说， 含水率太低 ， 细胞质浓缩而干萎死亡 ；对于脂肪或脂溶性食 使细胞膜破裂 ， 出，



品， 则会增加储存期的氧化变质



^



则为细菌提供了生 含水率太髙，



大大降低储存的稳定性 长繁殖的条件而发生腐败 ，



.



D



—



般产品的



残余水分的质置分数为 1 % 4 % 或第二阶段干 主要是干燥时间太长 ， 造成残余水分含量过低 ， 主要因下列原因造成 燥温度过高 。产品含水量过髙 ， 1



① 第二阶段干燥时间太短 》干燥温度太低。



-



② 干燥层和瓶塞的流动租力太大 * 水蒸气不易逸出 ③ 装量过厚 p



—般装董厚度在 10



18



.



mm 以内，



④ 产品出箱后 、 密封前搁置时间太长， 使空 或环境湿度太髙 ，



气中的水汽又返回到干燥产品中



.



• 207 •



、



⑤ 储存期间， 从瓶塞或包装的不密封处漏人水蒸气。



第七节食品的冻干 用冻千法保存食品有许多优点 ， 干燥前后形状尺寸基本不 如， 香、 变 ；能最大限度地保存原食品的色 、 味和营养成分；残余水分



含量低， 在储藏中几乎不引起水溶性成分的变化 ， 对于含脂肪和脂 储藏性能好； 比用罐头 、 冷冻等方法储藏食品 溶性物质少的食品 ， 经常性费用（运输费 、储存费 、 时， 销售费等） 低 。 但是食品冻干也



有其缺点 ， 加工费昂贵 i 对于那些经冻结或干燥不可避免地会 如， 产生物理变化的食品（新鲜蔬菜 、 豆腐等）复水还原后 鲜果 、牛奶 、 的物性与干燥前相比有很显著的改变 > 干燥后的多孔物质， 其内 表面积可达原来表面积的 100 150 倍 ， 因此易潮解和氧化 ，特别 是脂溶性物质须防止氧化 。 冻干食品的种类很多 ， 荼叶 、 肉类 、 海产品 、 如咖啡 、 发酵豆酱 、



蔬菜 、 蘑菇 、 水果 、海藻 、 草药 、 豆腐 、咖喔食品、 髙浓度 奶酪 、汤面 、 蜂蜜 、 蜂王浆 、天然色素 、 人参 、 其中产量最多的为速溶咖 香料等，



啡 、方便面调料 、 速溶汤等 。



一 、食品冻干的工艺流程 不同的机器 、 丁 、片 、 原料和成品种类（生或熟 ， 条或粉末状），



有与之相适应的不同工艺流程 ， 蔬 、肉类为固态原料 ， 如果 、 杲汁 、 其工艺流程就不一样。即使 蜂蜜 、豆酱为糊状 ， 咖啡为液态原料 ， 相同的果蔬肉食， 生肉， 其成品可以是生菜 、 也可以是即食熟菜 、 熟 肉， 其工艺流程也不相同。现分几类叙述



O ) 固态果蔬



^



工艺流程如下。 固态果蔬冻干成有一定形状的生鲜果蔬， 原料



检査挑选一洗净一整形( 切分 )一漂烫一冻结一冻干一 计量分装一真空包装 • 208



*



(2) 固态肉食



固态肉食冻干成有一定形状的即食肉品 ， 工艺流程如下 。 脂肪一切分一滚揉加调 原料一解冻一洗净一去骨 、筋 、肥肉 、 （切分 )一计董装盘一预冻一 料一装模一蒸煮一冷却一取模一整形 冻干一计量分装一真空包装 (3) 液态、 糊状食品



》



.



液态 、 糊状食品冻干成顆粒状或粉末状食品， 工艺流程如下



原料一检査挑选一洗净一榨汁一浓缩一分装一冻结一低温粉



碎一筛选一装盘一冻干一弁量分装一真空包装 冻干以后 预冻前的工序习惯上称为前处理， 上述工艺流程中 ， 6



的工序称为后处理。



二、 前处理 (1 ) 挑选



应选择品种优良 、 成熟度适宜 、鲜嫩 、大小长短粗细均匀的原



应轻拿轻放 ， 料， 以免损伤原料， ( 2) 洗净 果蔬表面都沾有泥土 、 灰沙及昆虫 、细菌， 应仔细清洗， 可用专 用的清洗机械清洗。 ( 3) 整形( 切分） 对有核果实应去核， 草莓、葡萄则应去 皮不宜食用者应去皮 ， 梗， 对于以整个果蔬根块进行冻干时有皮层或膜层阻碍升华水蒸气 还需将皮或膜层刺破或打小孔 ， 逸出的， 以利于升华水蒸气的逸出。



,



片 、条的尺寸均勻 ， 应注意切出的丁 、 应按与食品纤 在切分时， 维方向垂直( 或大于 45 切分 ， 以利于升华水蒸气的逸出， 一些切 还应再次清洗， 以镝保产品的优质。 分后有汁液流出的食品 ， 筋腱 、 肉类食品的脂肪 、 骨头应剔除 ， 因脂肪的冻结点低 ， 不易 干燥 当制品表面温度升髙到某一值时 ， 脂肪组织会熔化 ,堵塞干 燥层中的空隙通道 ， 阻碍水蒸气逸出 。骨头、 筋腱与瘦肉的冻干条 件不一样 ， 因而也餺剔除。



.



‘



209 •



常温肉类食品在生鲜时是软质固体 ， 不易将其切割成厚度均 匀的片 、条 、丁形状 。为此应在半冻结状态下用切片机切片。 只将肉食切分成小块 ， 加料( 包 一般在生鲜时， 冻干肉类食品， 在蒸煮锅内煮熟 ， 冷却后从模 括加淀粉 )滚揉后装人肉模中压紧 ， 中取出 ， 肉品就变成了肉模的形状。而后在切片机上切成所需之 片、 厚度均勻 ， 丁 、条形状 其形状规则 ， 便于加工和食用。 3



品名



浓缩程度 /( % )



适合冻干的浓缩程廑



品名



浓缩程度八 ％)



品名



浓缩程度 /( % )



葡萄汁



45



50



苹果汁



40



50



咖啡



30



柠槺汁



40



45



西红柿



25



35



全乳



40



蜜柑汁



50



55



绿茶



味索



30



菠萝汁



50



60



红茶



—



30 30



35



— —



35 50



53



三、 预冻 食品的预冻方式要看冻千机有无预冻功能而定 ，若采用有预 *



211



*



冻功能的冻干机 ， 预冻可在冻干机内进行。一般生产型固态食品



冻干机是无预冻功能的 ， 在低温冷库 （或冻结隧道 > 中用吹风强制 冷却冻结。这是因为一方面冷库的造价不到冻干机的十分之一 ， 这样冻干机只进行制品的干燥可以充分地发挥冻干机的生产能 力； 另一方面现代固态食品冻干机中的制品是悬挂于两辐射加热 扳之间的 ， 若在干燥箱内预冻， 就箱在箱内增加制冷系统和冷风 机， 这是不合算的。预冻冷库一般库温为一3040



： 盘装制



T



c



品用吊笼( 或推车）悬吊于吊轨（或支承于地轨）上， 用冷风机强制



冷却冷库的吊轨可直通干燥箱内， 这样做是必须的， 否则就不能 在很短时间内装完整批制品 ， 装料时间长了就会造成被冻结的制 品溶化。 也有采用冻结器预冻的， 冻结器有搁架式 、 吹风式、 浸渍式 ， 也 有液氮 、固体二氧化碳冻结。其设备有流化床冻结器 、鼓状冻结 器 、带式冻结器和搁架式冻结器等如何选用喬视生产规模 ， 制品 性状等而定 。还有采用抽真空自身冻结的 ， 如叶状植物（凉拌菜、 糊状食品 细香葱 、欧芹等）， ， （豆酱等） 防腐处理后， 切片、 在清洗 、 送进干燥箱抽真空 ， 靠自身水分蒸发而降温 。干燥箱压力为 6.3 XlO £ Pa， 食品温度为 0 TC 左右 这种方法虽然有在真空中急剧 9



蒸发而产生收缩及表面硬化等不足 ， 但因成本低廉仍有采用 a 在干燥箱外冻结的食品 ， 进人干燥箱后， 立即抽真空到 100



130 Pa， 共需 15 min 左右。在装箱过程中， 食品的温度会上升 10



：



15 X ， 为防止触解 ， 食品预冻的温度应比食品的冻结点低 ， 一般 为一 25 t 或以下



预冻的速率影响到产品的物理结构及显微组织质量 。常见的 液态及糊状制品均需在冻结之前进行处理或在低温下使之变硬， 特别对于那些需要一定结晶成长时间的制品更是如此 s 在预先选 择的温度 〈如一 1 一 10 t )中保留一段时间 ， 则晶体将会生长 。 近年来 ， 有人采用所谓 "细粒化”的冻干法。这主要是小粒尺 寸( 0.5 3 mm 粒径 )具有经济冻千的最佳条件 ， 还可以避免已干



-



• 212



*



：



.



燥产品的破碎。为此 液态或糊状制品在冻结后， 应在低温下磨碎 运送至干燥室干燥。 并经筛选 ， 或捣碎， 分级储装 ，



四 、冻干 食品冻干与生物制品冻干一样也分第一阶段干燥和第二阶段 干燥不同的是生物制品 、 升华从产品表面开始逐 药品多用瓶装 ，



热量主要从瓶底通过冻结层到达升华界面 ；而食品 步深人内部，



冻干中多数是散装 ， 升华是从小片 、颗粒的四周往内部推进， 热也



是从四周通过已干层传导到升华界面 因此其主要控制参数为冻 结部分和已干部分的容许温度。 1. 冻结部分的容许温度 冻结部分的容许温度应控制在制品的共熔点以下， 此温度可 差热分析法确定，某些食品冻结部分容许温度如表7- 4 用电阻法 、 6



所示



.



-



表74



某些食品冻结鄞分的容许暹度



：



完全固化温度 / X



品种



西红柿



——



40



梨



—



33



葱



- Z0



苹果



胡萝卜



-



容许溫度



34



20



-



—-



— —— ^一一 —K



20



25



15



22



18



25



10



一 15



)



一 15



2, 干燥部分的容许溫度



决定已干燥部分容许愠度的主要因素是组分的热变性 ， 食品 的顔色 、风味 、 芳香成分等变化的程度。植物性食品已干燥部分的 容许温度多为 40 70 I， 蔬菜类已干燥部分的容许温度约为 60 1C ， 果品类已干燥部分的容许温度为 45 55 X 食品的浓度对干燥速率有很大的影响 食品浓度髙 ， 干燥 水分的总量少 ， 巳干燥部分固体传热系数增大 ， 但水蒸气逸出减 • 213 •



-



-



^



： .



慢



. 浓度由低到高之间有一个干燥速率最大的最佳值 需由试 t



验确定 。 如西红柿汁在质童分数为 22 % ， 厚度为 8



12 mm 时 ，



干燥速率最大 。 表 7 5 列出某些食品冻干时的工艺过程参数.



-



-



表75



食品冷冻干燥器操作示例



类



种



小虾油炸面鱼鲑鱼烤蛋豆饪葱胡萝卜山芋



装人形式



切片切片切片 自身( 蒸发 )冷冻 預冷冻 10 20 10 10 20 13 10 10 载热剂循环 ， 搁板辐射加热 840 C 宽）X 4 800( 长）



虾肉烹调烹调



冷冻方式 装人率/( kg / mO



加热方式 搁板尺寸 / mm



小火烹调烹调



13



有效拥板数



热源温度 / X



：



110



40



加工物的温度 / C



60



50



操作真空度 / Pa 干燥时间 / h



133. 3



15



10



20



—



108 . 8 15



13



13



15



20



五 、包装与储存 1. 冻干食品储存中品质的变化



冻干食品由于其多孔构造 ， 其表面积为原料表面积的 100 倍 以上 ,储存中很容易受到水 ， 氧的侵蚀 ， 使之褪色、 发生化学变化 ， 褐变 、 异臭 ， 包装袋 甚至不能食用，其原因与冻干食品中水的含量 、 内氧的多少 、 食品中不饱和脂肪酸的存在 、储存时的髙温 、紫外线 、 电离辐射 、 过氧化物的污染 ， 含有易氧化的铜 、铁离子等因素有关



当物料吸附的水分 根据 Brunauer-Emmet-Teller 吸附理论， 呈单分子层时的水分含量最为理想， 许多食品中这个水的质量分



数为1.5 % 2 % 左右 。 含水过多时 ， 粉粒 产品在储存中常有收缩， 状食品则会互相粘连结块 ， 其溶解性下降 。 多于单分子层的含水 量， 可溶解食品中的水溶性成分如水溶性花青素 叶绿素 、 某些芳



. 214



-



1



香组分和维生索等。储存中会分解产生褪色或造成损失 冻干产品的褐变有酶促褐变和非酶褐变 ， 酶促褐变是因为食 多酚氧化酶 a 在残存水分较多时 ， 品中存在过氧化酶 、 酶的活性作 用促使其褐变 、褪色和产生异臭 。非酶褐变有的是因为产品中的 还原糖与游离氨基酸等 ， 通过羰氨反应形成褐色素而产生 。 褐变



^



温度越髙， 的速度取决于储存温度和残余水分含量 ， 残水含量越 褐变速度越怏。 髙， 含水量低于单分子层时 ， 海绵状多孔结构表面上的水膜产生 局部破裂。使食品中的脂肪和类胡萝卜素等脂溶性成分与氧直接 接触而氧化 ， 产生褪色变质和异臭 。 当然如果储存袋内无氧且密 氧化反应也不可能进行 封很好 ， 此外 ， 光的照射也会加速食品中色素的分解褪色。



.



2. 控制冻干食品品质改变的措施 ① 由上所述 ， 冻干食品中的残水含量以其内部表面为单分子



层相应含量为宜， 许多食品其相应残水的质童分数为 L 5 %



.在包装过程中应尽量防止制品吸水返潮，还可以在包装袋内 硅胶等干燥剂 ， 用可透性袋封人石灰、 防止制品吸湿。 活性炭 、 ② 尽量减少物料与氧接触的机会. 干燥前， 在物料外涂某些



2%



多聚物（如浸渍淀粉 、乳酪蛋白（MC)、果胶 、甘油等）可以减少其 氧化面积；包装容器有良好的密封性 ；包装时抽除容器中的氧 使容器顶瞭中的氧的质量分数在 1 % 以下 a 用氮气置换 ， 气， ③ 采用低温( 20 T 以下 )储存 ④ 采用有色或不透明的包装容器 ， 使产品避光， ⑤ 利用抗氧化剂 。加工中应注意保存如生育酚 、 抗坏血酸、



氨基酸等天然抗氧化剂。干燥时或干燥后可添加适量的没食子酸 丙酯 、 二丁基羟基对甲酚( BHT)、丁基羟基茴香醚( BHA )、 异抗坏



血酸及其钠盐等抗氧化剂和与氧化剂有协同效果的有机酸（柠棣 植酸 、 琥珀酸）、无机酸（璘酸 、重合磷酸盐类）、 酸、 多价醉( 清凉茶 磷脂质等 a 酵 、肌糖） 、 •



215



*



3 . 对包装室的要求 由上述可知， 包装时要尽置减少水 、氧 、 微生物对食品的侵蚀 ， 降低湿度、 光照对食品的影响。一般包装间的温度为 20 25 C， 相 对湿度为 10 % 20 % ， 不超过 40 % ， 尘埃颗粒在 400 个/cm 3 以下 e 4. 包装材料 按照避光， 无毒， 不产生化学反应 ， 密封性能良好的要求 ， 冻干



-



食品的包装容器和材料有金厲罐 、 塑料复合袋( 梅拉 萨冉树 玻璃瓶 、 即 MSP)、铝箔复合膜(即 AFC)等 脂 聚乙烯，



.



—



金属罐密封性 ， 避光性等均优 ， 但较昂贵 ,适用于贵重的或长期 储存制品的储存， 但重且透光， 玻璃瓶密封性也优， 除速溶咖啡等还



在使用外， 现在很少被采用。 易热封 ， 塑料复合袋价廉 ， 但单层塑料薄膜有髙的透气性和 髙的透光率 ， 所以不宜单独使用， 复合使用时密封性亦不如铝箔



.



复合膜



从价格 、 重量 、 避光相密封性等综合性能来看 ， 较理想的包装



材料还是铝箔复合袋和某些铝箔复合叠层。下列复合叠层可用于 冻干食品的包装:铝箔 + 聚乙烯； 玻璃纸 + 聚乙烯 + 铝箔 + 聚乙 烯 ；纸+ 聚乙烯十铝箔 + 纸 + 聚乙烯；玻璃纸 + 聚乙烯十铝箔十 纸



+ 聚乙烯 .



第八节标本的冻干 为了制作动植物的干燥展品 、 模型 ， 对 以保存其活时的形态，



动植物或其某部分进行的冻干称为标本冻干



《



一 、标本冻干的特点 标本冻干时， 动物的羽毛、毛皮 、鱗甲等会阻碍水蒸气的逸出，



动植物的纤维组织通常也不垂直于其外表面 ,所以其传热性能和水 蒸气逸出条件都很差 ， 因而干燥速率很低 ， 所需热量少。在冻干中 • 216 .



必须采取措施防止供热过多而熔化冰晶。其次， 标本冻干均是整体 加之干燥速率低 ，所以干燥周期长。 冻干 ， 标本的各部分厚度不一，



二 、冻干设备 图 7-15 所示的为标本冻干机的示意图。在圆筒形的冻千室 外装隔热板， 用来减少室温通过箱壁传给标本的热量。冻千室内



装有螺旋形冷却盘管 ， 垂直部分的平均温度为一 30 t 左右 ， 对筒 温 壁传来的热可以起到隔热作用。 下部的盘管 5 为平面媒旋形 ， 起冷阱作用。在 度为一 45 X ，



：



盘管内有一内外均涂黑的金属 辐射屏罩 ， 使罩内温度分葙均



10



匀。屏蔽單底部有一小孔 ，升



11



华的水蒸气可以从此通过到平 面螺旋盘管上凝结。罩的上部



3



2



-



防 泄漏 a 盖上加一层绝热盖 ，



干燥的制品， 可以用它作为补



一65



12



防止水蒸气在其 为锥形开口 ， 上凝结。冻干室顶部为用有机 玻璃或钢化玻璃制造的密封 盖， 它可以承受大气压力且不 止预冻时热量侵人。在需要供 靠室温供 除去绝热盖 ， 热时 ， 热 。在盖的上方约 500 mm 处 对易于 有 一 个 6 0 W 的灯泡，



Iff



7



图 7 15



标本冻干器示意图 3—储液器 & 1一压缩机 ； 2 — 冷凝器；



—



5— 冷却盘下面部分(冷阱 >; 膨胀阀 ；



7



S—绝热盖； 3—透剪盖 ； 真空计 ；



4



— —



6



冷却盘上固部分( 标本屏竅热沁



10— 被冻千标本 ；11一热屏蔽罩 t



12 — 外壳 F 13 — 加热灯泡 （60 W )



充热源 。机器的下方为压缩式制冷机 ，可以采用低温用单级压缩 也可用两级压缩式制冷机 a 式制冷机 ，



三、 冻干工艺 标本冻干之前瓣整形成所希望的形态 ， 并用皮下针在不显眼 • 217 •



以利于水蒸气的逸出 ， 而后将其放在低温冰箱或 的地方扎些深孔 ， 冻千箱的盘管中冻结



. 冻结以后应称重 ，再放入冻干室抽真空，



在冻干过程中要不断称重 ， 一直到重童恒定不再减少为止 ， 此时表



示水分已升华完毕 a



冻干结束后， 标本的羽毛仍保留其色彩和外形 ， 但动物的软组 织， 植物的花 、 叶在表面失水后会失去含水时的色泽 ， 可用人工方 法修整以恢复色泽。动物标本的眼睛在冻干后与活时相比差别很 且很显眼 ， 大， 可用人造眼腈代替， 以恢复动物的活的形态



^



已冻干的溶液 ， 必须与氧气和水汽隔开保 特别是含有腊肪的， 存; 但已冻干的标本不需如此 ， 可以直接展出 ， 其肉质也不会氧



it .这种现象还未找到令人信服的解释。



-



表 7 6 中的动物标本是在隔热板内部空间尺寸为直径 300.



mm、长 456 r a m , 内部平均温度为一15 t 的条件下进行干燥的



-



表7 6



标本数



知更鸟



59



10



燕八哥



59



200



啄木鸟



未成年 5 只 成年 5 只



50 20



雏鸟



59 69 64



成 年 15 只



50



成年 4 只



100



旅鼠 殿鼠



成年 7 只 未成年 7 只



200 20 200 25 100 200



1S 30 14 10 14 18 24 10 35



5条



-



/d 14



5条



218



/( % ) 58



未成年 2 只



*



所需时间



云雀



成年 10 只 成年 S 只



鱼



平均除水



实例



20 50 100



成年 20 只



哺乳动物



些动物标本冻干比较表



重量 / g I



成年 15 只 鸟类



—



5条



.



老鼠



镓鱼



64 68 64 70 70 72



10



石斑鱼



70



16



金盘



70



20



m 老鼠



m



第九节生物组织的冻干 生物组织冻干的目的在于保持组织的良好结构， 以便镜检和用 其研究的方向之一是保持组织的活性， 以备异体移植。 于外科手术 ，



一 、用于镜检的组织片的冻干 为了脱水而采用酒精或 过去在用于镜检的组织片的制作中 ， 在脱水中 其他有机溶剂 t 这样， 组织中一些能被溶剂溶解的物质， 还会使试料（即被冻干的制品 ， 会损失掉。同时， 下同）产生收缩变 可采用冻干法。 彤。为了克服这些缺点 ， 用于镜检的组织片冻干的特点是要防止冰晶的生长， 这是因为 也会使镜检发 放大倍率很大， 即使很小的冰晶， 像电子显微镜那祥 ， 生困难因此要求冻结时冷却速率快 ， 升华时保持试料的温度低。 制作组织标本的冻千装置与通常的冻干装置不同， 必须能进行 一些特殊的操作。例如 ,必须有阻止干燥室内试料温度上升的冷却 因而应备有预先排了气的包埋剂 必须能在真空中包埋试料， 装置，



.



及装包埋剂的容器 为了提高低温干燥效率， 应设法采用液氮作冷 阱的冷源等。图 7-1S 所沄的为电子显微镜榇本制作用冻干装置， 10



11 6



3



8



9



阌 716



1



— — _—



：



%



纏



4



__



电子显微镜标本制作用冻干装置



，——



，—



冷阱 ；2 他扩散泵 4 3 电电真空计 4 油旋转泵 ；5 — 热电偶; 6 干燥室 ?一包埋剂 8 釐斯勒管 标本 ；10~脱气旋塞 ； 11 电电真空计； 12 — 泄漏阀 1 13 — 泄漏阀 2 V—阀



^



,



^



219 •



镜检组织的冻干按下述步骤进行 。 (1) 冻结



采用双刃刀片切成 软的动物组织应先用明胶包在组织周围 ， 厚度在 1 mm 以下的薄片 * 将其放在金属片上快速投人用液氮冷



t 左右的冷风中 ， 瞬间就会冻结， 这时试料的冷却速率约



到一 150 为 10 *



^



/ inLn



0



(2) 干燥



在预先冷却到一 50 1C 以下的试料台上 ， 迅速 移动冻结试料 ， 抽真空排气开始干燥。干燥过程中 ， 试料的温度希望低于再结晶 在 10 或抑制冰晶生长的温度。但从冰的蒸气压来看 ，



空中， 冰无法升华 ， 即使在一 80 温度在一 90 I 以下 ，



^



Pa 的真



t 左右 ， 也被



因此生物组织冻干时一般将制品冷却到 认为是极限升华温度 ， 一 70 TC 左右。至于试料温度和干燥速率的关系 ， 用斯梯芬森图表



示。从该图可知， 随升华温度的降低干燥时间急剧增加，



由于干燥的水分是微量的， 因此决定干燥终点是困难的。 一



-



般是按经验或者推定来决定干燥的终点。表 7 7 列出了一些材料



的干燥时间参考值 。



-



表77



干燥时间表



组织厚度 / mm



维持溫度 /1



脾



肾



肝



1.0



— 10 — 10



55 min



1h



45 min



1h 3 h 30 min



1h 3 h 30 min



4.0



一 10 一 10



2h 3 h 30 mia



hO



20



1h



1 hlO mLn



45 min



20



2 h 30 min



3h



1 h 30 min



20



4 h



- 20



5 h



2, 0 3* 0



2.0 3* 0



4, 0



* 220



-



— —



—



4



h



5 h 30 min



4 h



5h



组织厚度 Anm



L0 2.0 3* 0



4* 0



hO 2.0



3.0 4.0 1.0 2.0 3.0 4.0



续表



：



维持温度 / X - 30



—



30



- 30 - 30 - 40 一 40



— 40



—- 5040



- 50 50 - 50



—



1, 0



fiO



2, 0 3.0



一 60 - 60



4, 0



—



脾



肾



肝



2 h 20 min 3h 3 h 45 min



1 h 20 min 3h



1 h 20 min 3h 3 h 45 min



2h 3 h 45 mitt 4 h 30 min 6 h 30 min 3 h 4 h 15 min 6 h 15 min



3h 3 h 45 min 4 h 30 min 6 K 30 min



4 h 45 tnin 6 h 15 min



6



5 h 30 min



5 h 30



5 h 30 min



60



8h 12 h L2 h



4h



3



3



4 6



K



mtn



h 12 h 8



12 h



4



2h h 45 min h 30 min h 30 min 3 h h 45 min h 15 min



8h 12 h 12 h



(3) 包埋



显微镜的标本可不用石蜡包埋 ， 而用于电子显撖镜的标本喬 而后在其中放入干燥 用树脂包埋 。 预先将树脂熔化并排除气体，



完了的试料。如果包埋剂和试料没有很好地排气 ， 在真空中就有 起泡的危险。 ( 4 ) 切片 包埋完毕 ， 再按一定形式切片 、 最后进行 从真空中取出 ， 染色 ， 镜检 。



二 、外科组织的冻干 关于活组织生命的保存目前还是一个正在研究的课题，像内 即使是冷冻 賍这样一些具有髙度机能的组织 ， 保存是极其困难的 ， 现在也未完全解决，但是像精子 、红血球 、 保存 ， 皮层 、骨骼等高等



• 221



*



采用冷冻保存已经能保存其活性 ， 哺乳动物的细胞和组织 ， 是目前 所以 用于人体外科移植手术的主要保存手段 由于组织冻死了， 不会有免疫反应 ， 并 这个组织能为受体的新组织形成一个“架子”， 逐渐为新组织所取代 ， 以完成连接任务，用冻干法保存活人体组 织， 目前还只限于角膜 、 骨骼 、主动脉 、 皮层 、 心瓣膜等边缘组织 。 但由于同种组织随患者自体组织 这时即使活细胞的活力下降， 的再生便可完成连接任务 ， 比其他方法处理的或人造的组织容 易完成连接任务 。所以为了给外科移植建立一个动物和人体组 研究用冻干法保存活组织是一个 织的储存仓库 ， 以便临床应用 ， 方向 。 1. 皮肤的冻干



.



将异体或异种皮取成中厚片 ， 在无菌条件下 ， 先放人低温保护



液中 15 min， 以防止在冷冻过程中损伤皮肤组织细胞并降低其抗 取出后晾干 ， 原性 ， 再用尼龙纱网卷好后放入事先预制和消毒好的 Pa 以上为 玻璃管中 * 封底 ，再进行冻干 ， 直到真空度迖 1 X 10” 按常规取出 ， 贴上标签 ， 在常温下保存备用。 止， 将上述保存之冻干皮用于处理有感染渗出的创面 ， 可较好地 防止或减少渗出的功效 ,经几次处理后， 创造了一个较好的可供自 体植皮的创面 。用于切疵或肉芽刮除创面时， 与自体呈皮条状( 或 并见 点状）相间移植 ， 结杲椬皮后 4 7 天 ， 冻干皮能较好地贴附， 颜色转红润 f 但多数在 14 21 天后， 逐渐干涸坏死脱落 ， 自体皮 潜行长人 ， 并自两侧伸展连接 ，而自体皮间仅留下缝隙瘢痕而愈 合 一般认力， 冻干皮主要起覆盖创面作用， 只起生物敷料作用， 并无活细胞 ， 是一种无活力的组织 2. 骨骼的冻干 在严格无菌条件下 ， 取下骨组织， 从健康的意外死亡者身上 ， 反复用消毒的生理盐水冲洗后， 彻底刮去骨膜等软组织和骨髄， 将 松质骨切成 10 15 的方块。将皮质骨用电锯按所衢长度大 小锯成骨片 ， 骨片厚度不超过 15 mm ， 以便冻干和辐射消毒 。 皮 质骨块还可制成骨板 、骨钉 、小棒或小碎片 ， 也可研成 100 300 • 222 •



-



.



-



然后尽快低温 加塞密封， Mm 的粉末微粒。将骨块放人广口瓶中 ， 冻干时 ， 骨块温 真空度在 1 Pa 以内， 速冻（低于一 30 1C )和冻干， 直到其含水的质量分数小于 5 % ,再通人消毒 度不得髙于 35



用特制广口瓶或双层塑料包裹 ， 抽真空后密封保存 。 为了保 空气， 应将冻干好的骨料在低温下进行髙压阴 证无菌和消除免疫反应， 极射线辐射消毒 ， 也可以用紫外线照射 30 min



.



骨块在临床应用前 ， 均需做细菌培养 ， 使用前 ， 还应浸泡于生 理盐水和血浆中 ， 以待移植用。



第十节超细微粉的冻干 冻干是一种能直接从溶液中提取超细 、 超微粉的方法， 现已广 泛应用于各个重要的科学技术领域。该法具有如下一系列突出的 优点 。 ① 能在溶液状态下获得组分的均匀混合物， 适合于极微董组 有效地合成复杂的功能陶瓷材料并精确控制其最终组 分的添加， 成, 5 XI 0 6 m 范围内， ② 制得的超细粒子一般在 10 在煅烧 内含气体极易逸出 ， 冻结干燥物时 ， 容易获得烧结的陶瓷超细粉 由此制得的大规模集成电路用基片的平整度好。用来制催化 末， 剂， 其表面积和反应活性均较一般的方法髙 a ③ 操作简单 ， 特别有利于高纯陶瓷材料的制备 因此是一种



_



^



A



极具前景的制备超微细粉材料的方法 已有用冻干法制取 AISO3 、 Zr02 、TiOhBa 2 CU 307 6 、 3&( 11307 8 等超微细粉末 1 1 02 、 1： 电 、磁性能的特殊精细陶瓷 的报道， 主要用于生产具有特殊光 、 用冻干法制备超细撖粉的实例是很多的 ， 如碳酸铅是固体推 使用比表面积大 、 分散性好的碳酸铅粉体可大 进剂燃烧的催化剂 ， 大改善推进剂的燃烧性能 有人采用沉淀转化法 ， 即将氯化钠加 到醋酸铅溶液中， 生成氯化铅沉淀 ， 再加人碳酸钠溶液， 转化为碳 得到分散性优良的碳酸铅超细粉， 然后冻干 ， 酸铅沉淀， 6



^^



。



：



&



-



223



•



.



在矿床中常与锡伴生 全世界铟每 铟在自然界是稀有金属 ， 年的产量为 150 U 我国铟年冶炼 50 t， 居世界首位 但对其深加 进行高新技木产品的开发尚处于起步阶段 。其资源增值的重 工、 要途径之一是生产 ITO ITO 膜主要用于计算机雷达的屏蔽保 6



.



护、 防雷达飞机以及液晶显示器的透明导电极上 ，有报道釆用髙 氯酸盐沉淀氢氧化铟 、冻干制粉工艺 ， 可制得粒径在 1 以下的 单分散微粉 a



明胶一羟磷石复合物被认为是用于骨缺损修补的理想生物医 通常由冻干法制得含有大量微孔的粉 用材料 ， 在其烧结成型前 ， 末， 这些微孔可为骨组织生长提供合适的理化微环境 ， 引导骨组织 提高与生物的相容性。 生长 ， 所得粉末 冻干在脂质体毫微粒制备方面具有无比的优越性 ， 具有很好的流动性 、 被用于 分散性 、 稳定性和较髙的药物包裹率 ， 药物载体靶向给药用药物缓释等领域 ， 相当部分工作已进人临床 阶段 。 利用真空冻干法制备 UOz 粉末， 制备过程中放射性废物排出 量少 ， 在生成氧化物时不易形成粉尘 ， 工艺简单 可制造 成型性好 ， 》



含放射性物质的核燃料 。 将 Al £( SO ,)3 或 Na C03 等盐 用冻干法可制备隔热轻陶瓷 ， 用冻干法除去固 溶液喷人液氮中产生具有良好微孔结构的固体 ， 下烧 体中水分 ， 将所得细微粉制成一定形状 ， 在 1 475 1 600 广泛用于冶金和航天工业作为耐髙温隔 结， 即珂得多孔轻质陶瓷 ， 热材料 中国科技大学报道了冻干超微粉制备陶瓷超导材料的工艺。 按 Ba Y CuC S 义组成的化学计量把经过重结晶处理过的 Ba(N03 )hY(N03 > 3 、 Cu(Na >:配成总金属离子浓度为 0.6 mol 的



-



.



^



^^ -



,



水溶液 ， 然后用图 7 17 所示的喷雾装置把水溶液直接喷人液氮中，



-.



抽真空， 待冷冻物料与液氮分离后转人图 7 1S 所示的冻干容器中， 升华出来的水蒸气捕集在液氮冷阱中 • 224



-



钢瓶瓿



接真空装置 喷雾器



— \j t/ :



一



待干燥溶液



一液迪 -



'



-



图 7 17



-_



一二 ； I 杜瓦瓶 ：



喷雾冷冻装置示意图



磨口



液氰冷阱



一冷冻物



^ -



圉 7 18



干操 容器



液氮 冷浴



升华干燥装置示意图



冷浴的温度应尽量高 ， 但必须保证在干燥过程中冷冻物料不 完全干燥后 ， 熔化 ， 所得蓬松多孔的硝酸盐混合物经加热分解 ， 抽 去氮氧化物 ， 剰下的物料经压片后在 850 瓷超导材料 。



-



1 000 C 范围烧结成陶



■



225 *



第八章冷冻干燥测量技术



制品冻干前需要測量制品的共熔点， 以便拟订冻干曲线和监 控冻干过程的需要。制品冻干过程中随时都要渊量 、 控制 、 记录制



品（或搁板）、冷阱的温度和干燥箱的真空度 ， 以便控制冻干的实际



使其跟踪设定的冻干过程 过程 ，



9



需測量其残余 制品冻干结束后 ，



冻干中 水分含置 ， 以评定产品是否合格。下面讨论制品的共熔点 ， 真空度和产品的残余水分的測量 。至于生物制品的活性 、 的温度、 效价， 复水率等的测置 ， 在此不予论及。 食品的营养成分，



第一节共焙点的测置 几种物质组成的混合溶液 ， 开始时某些组分结 在冻结过程中， 使剩下的溶液浓度发生变化 ， 晶析出， 当达到某一溫度或温度区域



其液态和所形成的固态中的组分完全相同 ， 这时的溶液称为共 时，



这时的温度或温度医间称为该溶液的共晶点或共晶区 ， 晶溶液 ， 也 称为完全固化温度了 ， 它是制品在冷却过程中从液态全部变为 固态的最髙温度



D



固 当达到某一温度 7V 时， 固态混合溶液在升温熔化过程中 ， 或称开始熔化温 此温度称为溶液的共熔点 ， 体中开始出现液态 ， 度 。它是产品升温过程中从固态开始出现液态的最低溫度 。 产 品 的 预 冻 温 度 必 须 低 于 其 共 晶 点 才 可 能 全 部 冻 结。干 燥 时 的 温 度 必 须 低 于 共 熔 点 才 不 会 熔 化 因 此， 共晶点和共 熔点的測量是十分重要的 。 9



目前测定共培点的方法有如下几种 ① 电阻测定法 *



226 •




带有对数放大信号的电阻测定仪:能把上述两种参数信 号记录的记录仪;具有交/直换流器 、 数字输入 、作图功能的计算机 处理系统。测量时将温度探头和测置产品电阻的电极插人样品瓶 中， 冷浴使样品缓後降温或升温 ， 记录仪自动记录电阻随温度的变 * 227 *



降温过程中找出电阻由小突然变大的温度 化而变化的关系曲线， 即为共晶点升溫过程中电阻由大变小的温度即为共熔点。 对数电阻 放大器



cm



数字 输人



电表



rrmo



交 /直 换流器



机



品



程序控制 数据处埋机



终端 显示器 低温浴槽



a仪



作



< a) 用计箅机处理敢据



3 样品支架



E1



o



电粗



控制支架记录仪



溫度 指示仪



1 样品支架



低媪浴槽 ( 也可在小型冻千机上作实验）



o> )手动操作



-



图82



-



澜定样品的电阻( 对数值) 温度的实验仪器示意纽



计算机将采集到的数据， 自动存储于 当用计算机处理系统时， 通过程序指令， 数据库中， 可把对数关系的电阻 温度参数画成曲 线图 。 事实上 ， 由曲线的一次导数可以更清楚地看出电阻变化的 情况 ， 并可找出共晶点和共熔点。 因此共熔点测定仪的电 由于直流电通入溶液会使溶液电解 ， 源电极必须用频率不低于 1 (K) o Hz 的正弦交流电压保护电极 * 228 •



-



&



_



被測溶液的温度变化应缓慢 ， 测量时 ， 以使採头 、 电极和溶液各部 分间的温度均勻一致。电阻测量范围可为 10



測董范围为一 75



10 X 106 n;温度



30



华中科技大学采用单片机 、 看门狗电路及开关电源成功地研



主要性能是 ， 可靠性很好 ， 制出温度 /电阻测童仪 其稳定性 、 温度 测 量 范 围 为 一 5 0 + 50 X ，精度为 0.1 1C ,电 阻 测 童 范 围 为 1 100 X 10 $ fl， 电源为 220 V 交流电 精度为 1 % ， 9



：



显示方式:温度和电阻为数字显示 。可接微型打印机 ， 对采集



的数据进行实时打印。 2. 用 0 2 分 析 法



_



定



通过瀏量产品电阻的变化来测量其共熔点只适用于那些在共



.



熔点附近电阻值发生突变的产品 对于那些电阻变化发生在很宽 的产品是不合适的，Jening 提出的 D 的温度范围内（即无突变） 2 分析法可以克服这个袂点。 值的定义如下 ：



D



为产品的电阻系数 式 中 为 冰 晶 的 电 阻 系 数; 物品的电阻系数在数值上等于单位长度的物品的电阻 。它由 而与物品的尺寸形状 与物品的温度有关 ， 物品本身的性质所决定， 无关 单位为 fl/cm。 《



而从固态变 物品从液态变为固态时 * 其电阻系数将由小变大 ， 由大变小。 为液态时， 是在搁板上同时放置有测置电 D 2 分析法测定产品的共晶点， 扱的制品和纯水的样品瓶7并记录下制品和纯水的电阻系数随其 开 始 值 将 缓 慢 增 加， 温 度 的 变 化 而 变 化 的 值。在 降 温 过 程 中 ， 因而 由于水结成冰 4 a：迅速增大 ， 达到水的冰点后，



02 值也迅速 直到最大值为止。温度继续下降 ， 达到制品也冻结时 ， 增大 ，



^



-



此 制品完全冻结时， 会等于或接近于 1， 迅速增大而使 1> 2 下降，



• 229



_



即为制品的共晶点。升温过程与之相反 ， 时的温度 ， 02 由 1 开始 增大的温度即为制品的共熔点。



样品的总电阻可视为制品的有间隙的“



^



胆



r型电阻材料的电



兄和冰的“ i”型电阻材料的电阻冗艮的并联 其值为



：



R



》



(8 -1)



R,



因此 ， 且因间腺材料的电阻系数大于冰的电阻系数 ， 只要测量电极



间存在任何未冻结的液体，将会显著地降低使 D 2 值远离



U 因此 ， 即使制品在冻结过程中 ， 电阻值没有出现突变的情况下， 也能正确地测定和丁



^



二 、差热分析法



差热分析测董共晶点是利用溶液冻结前是“过冷”的 ， 冻结时



放出潜热而其自身温度略有升高这一物理现象来测量的 如图 8 3 所示 ， 放人 两个相同容器中分别盛被測溶液和纯水 ，



-



含金属块的两个相同尺寸的榴 仪表



内， 在被測溶液和纯水中分别



插人两个极性相反的相同热电 偁， 并按图示与检流计（如微安 表）串联成回路 a 溶液的温度



由装在金属块或容器中独立温 度计測置。缓慢地加热或冷却



相反方向



安装的 热电偶



溶液



1



7



独立湛度计



钝水



恒速加热和冷却装置



金属块时 ， 容器内的被测溶液



-



图83



差热分析测童共晶点



和纯水也随着升温或降温。在 降温过程开始时， 由于纯水和被测溶液的温度同步下降， 两热电偁 的测点间没有温差 ， 因而检流计的指针指零。当降温到水的冰点 以后 ， 纯水和被测溶液中的一部分自由水先“过冷”， 而后冻结且温



度略有上升 此时 ， 因两热电偶测点处的温度同步升降， 也不存在 溫差 ， 因而检流计的指针仍然指零 但当温度降到被渕溶液的共 • 230 • 》



6



其温度会略有上 被测溶液冻结放出潜热 ， 晶点以下“过冷”以后， 在两热电偶的测点 而纯冰则因早已冻结 ， 温度不会升 a 这样 ， 升， 此种偏转直到溶液完全 检流计的指针会产生偏转 ， 处产生了温差 ， 冻结才会停止 。此时溶液的温度就是其共晶点温度。 与此相仿可以测得溶液的共熔点，不过共 如果加热金属块 ，



.



熔点温度比共晶点温度略高一些 在冷冻干燥过程中， 将测量共熔点的电路与给制品供热的控



制电路结合起来 ,可以控制制品在共熔点以下的最髙温度下升华 ， 搁板和加热介质等均是有热惯 以提髙干燥速率。但是必须注意， 制品温度还会继续上升一些之后才下 在切断加热热源以后 ， 性的 ，



降。实践中应防止因搁板等的热惯性而造成制品熔化报废 a 也可用下述方法来粗 此外， 在没有共熔点测定装置的情况下，



略地判定共熔点温度



^



① 将冻结的溶液倒置 ， 使其在能控制缓慢均匀升温的冷浴中



冰开始出现熔化点时的溫度即 仔细观察其温度和冰的状态 ， 加热 ， 为共熔点温度 检査干燥后的制品 ： 是否有气泡 ， ② 用不同的温度干燥制品， 其体积比原来液体体积有无明显缩小 ，是否有一层一层干燥现象。 应降低温度再冻 则制品温度过髙， 如有上述现象中的一种出现 ， 干， 直到上述现象均不出现为止， 所得之温度即为共熔点温度。



.



第二节温度测重 热偶温度计和电阻温 冻干中所使用的测温计基本上有两种，



度计



一 、热偶温度计 1. 测通用理



两种不同的金赝由于其自由电子密度不同 * 在接触时就会产 • 231 •



生电子扩散和形成电动势， 这种现象称为珀尔帖敕应



.珀尔帖电



如果两端存 势与两金厲接触处的温度有关。一根勻质金属导体 ，



則因两端自由电子相互扩散的速率不同 ， 也会产生电动 在温差 ， 势， 这一现象称为汤姆逊效应 * 其电动势称为汤姆逊电势或温差电



如图 & 4 所示 ， B 两端 导体 A 、



焊接形成闭合回路当两端点溫度 7> 7\时， 闭合回路中就会产生一



金厲丝 A



T



这就是贝塞克效应 ， 环行电流 ， 闭合



回路中的总的热电势称为贝塞克电 势， 它是由上述珀尔帖电势和汤姆



金瀉丝 B T r0



^



-



图84



热电偶原理图



逊电势所组成。实际测温用的热电偶 ， 就是基于 M 塞克效应制成 的。若两接触点之一的温度( 如 T & )为已知 ， 则贝塞克电势将为另 一端点（温度为了的被测温点）的单值函数， 只要测董出回路中的



.



贝塞克电势 ， 就可推知该点的温度



2, 常用热电偁及其类型 热电偶的类型有铂铑 铂热电偶 、镍铬 -镍硅热电偶 、 镍铬-考铜 热电偶和铜 康铜热电偶等。在常温和低温范围内用得最多的是



铜 康铜热电偶 。 - 铜 康铜热电偶是由铜与康铜（质量分数为 60 %的铜和质量 分数为 40 % 的镍的合金 作电极组成的。当测量 0 1C 以 上 温 度 ）



：



时， 康铜为负极 。当测量 0 X 以下温度时 ， 铜为正极 ， 由于热端( 测



点 )温度低于冷端( 参考标准温度端)温度 ， 故正负极应调换 铜 康铜热电偶的优点是灵敏度高 ，在低温测量中精度较髙 a 测量温 度范围为一 200 300 X , 缺点是复现性差 ， 使用时每对热电偁均 喬分别标度 。 这种热电偶的分度号为 CK ,正极为红色 ， 负极为银 白色。在 200 一 40 X； 范围内的允许误差为士 2 % ，在 40 400 V 范围内为±0.75 % 。 3. 热电偶的使用及冷端（ 参考标准溫度缃）的湛度补俄 由热电偶的测 ft 原理可知 ， 只有当冷端温度保持恒定时， 热电 • 232 •



_



：



^



_



势才是被测温度的单值函数， 在实际应用时 ， 往往是热端 、冷端离 得裉也 冷端又暴露于空气中， 易受周围环境温度波动的影响， 因而 T



冷端温度难以保持恒定,因此常采用下述几种方法进行补偿处理。 (1 > 冰 浴 法 将冷端置于冰点的恒



使冷端恒为 0 C ， 溫槽中 ， 如




当连接导线较长， 由于导线电阻的变



会给測量带来误差时 ， 工业上常采用三线制连接法 ， 如 化量较大，



-



图 8 12 所示 ， 这样可将两根导线的电阻分别接人两个相邻的



当环境温度变化时， 所引起的电阻变化相互补偿,减少对 它主要影 电桥平衡的影响。至于接电源的第三根导线的电阻变化， 此时可以通过可变电阻J? v 进行调节。 响 A 、C 两端点间的电压， 桥臂中



^



但它没有由于中间接头的 销电阻不能像热电偶那样做得很小， 影响所产生的测童误差。在使用測温元件时应注意如下几点。 测量小 ① 应尽量使温度计与被测量点直接紧密接触 例如 ， 可用铜片将铂电距绑缚在管子外表面 ， 制冷管道内部的温度时 ， 在 測点前后各 100 mm 左右的管段上包上保温层， 使管子和温度计 测头的温度尽量相等 ， 对于比较粗的管段 ， 可迎着来流方向倾斜 盲管内灌不冻油， 45% 在管内插一盲管， 温度计的电阻部分全部插 被插人的测管段内不得有集油 、集液 并在管外加保温层， 人油中 ，



^



的可能， ② 在测量制品温度时 ， 应注意插入制品瓶中的铂电阻足够的



还应注意要插在瓶子的中心， 电阻元件能全部浸没在制品中 ， 细， 以免电阻元件部位的制品先干燥而不能反映制品的真实温度 当只測量一个样品的温度时， 样品应选在搁板组的中心附近; 样品应均匀分布在搁板的各具代表意义 当測量多个样品的温度时，



当測量已半加塞的制品瓶的温度时， 为了不影响瓶子的 的位置上 ； 压塞， 而后用橡皮塞或用环氧树 可在瓶肩开一个洞将温度计插人，



一方面应注意压塞时搁 脂密封。在将引线与箱体上的线座连接时， 另一方面引线不能影响其他瓶子的压塞。 板要移动一个距离， ③ 在测量空载搁板温度时 ， 可在与搁板接触良好的金属块上



钻孔 ， 将温度计装入孔内， 将温度计压在 或在金属块下面挖一孔 ， 孔中



.测置有栽搁板的温度时，可在搁板端部迎着溶液流动的方 • 239 •



管口用 安装一个比温度计长的盲管、 使温度计能全部装人其中 ， 向，



k 搁板温度一致



使盲管内的温度与该 胶塞塞住 ，



^



此 ④ 测量冷阱温度时， 其测点应在冷凝盘管长度的 2 /3 处 ，



将肓 处的温度接近最低点 。 可用一盲管从冷阱上部插至测量点 ， 将温度 管与冷凝管用金属薄片捆绑在一起 ， 在盲管中允满不冻油， 计插至肓管底 ， 用引线连出。



或产生误差 a 例如 ， 还需指出 ， 测置 温度测量很容易“失真”，



而在盘管全长上各点的温度 冷阱盘管的温度只是测点处的温度， 是不一样的



a



比冰表面 所测出的温度比管内制冷剂的温度要髙，



这个温差也增大。又如电阻温 而且随着冰层的增厚， 的温度要低， 温度计产生的热量会传给制品 ， 使其温度上升 ， 度计插人制品中， 而所捌得的正是此上升以后的值，而且在插人处形成了一个水蒸 从而造成制品温度“失 气逸出通道 ， 这一部分制品会提前干燥 ， 而在使用测量数据时 因此我们测量时应尽量减少测量误差 ，



'



真



应谨慎对待。



三、 温度控制仪 将热电阻和带有上 、下限触头的温度指示仪组成温度控制仪 ， 利用指示仪指针上触头与指示仪中调定的上 、 下限触头的接触和 就可实现对制冷压缩机 断开 ， 通过控制线路中的接触器或断电器 ， 停， 的开 、 断， 从而实现温度的自动控制。 或对电加热器的通 、



第三节真空度测霣 真空测量是指对真空度的测置 ， 而真空的髙低通常是用气体 的压力来表示的。在真空中遇到的气体压力都很低 ， 要直接测量 它的压力效应是极不容易的。因此 ， 澜置真空度的办法往往是先 然后測量这个过程中与气体压强 在气体中引起一定的物理现象 ，



-



有关的物理量 t 再设法确定出真实压力来 。例如压缩式真空计就 • 240



测出此增髙后的压力 ， 再设法计 是先将气体 H缩 ， 使其压力增髙 ， 箅出原来的压力， 都是在某一压力范围内 任何具体的物理现象与压力的关系， 关系就变得微弱了 因此任何方法都有 才最显著 ,起出这个范围，



-



^



一定的测量范围，表 8 1 列出了一些真空计的測量范围， 表S1



—



些真空计的测置范围



真空计



测S范围 / Pa



U 形管真空计( 水银 )



10 s 10 10 * 1 10 s 10



U 形管真空计( 油 ) 弹性元件真空计



—



压缩式真空计



103



热传导真空计



100



矿1



高压力热阴极电离真空计



102



10 -



10 一 3



10 】 10 一 3



电容式薄膜真空计



热传导真空 在冻干机中最常用的真空计有弹性元件真空计 、 计和电容式真空计 s



一 、弹性元件真空计 弹性元件真空计是一种利用弹性元件(金属弹簧或薄膜）在气 体压力差作用下产生的弹性变形的原理来



直接或间接地测定压力的真空计。它可分 膜盒 薄膜式 、 为直接测量型（ 如弹簧管式 、 式真空计等 ）和间接测量型（ 如电容真空 计 、热偶真空计 > 等。电容真空计精度髙 ，



.



可作标谁真空计用 图 8-13 所示的为薄膜真空计 其溷 用于低真 压范围为 1 X 102 1 X 105 Pa， 空测量 。在冻干中一般用于系统抽真空 》



-



图 8 13



薄膜真空计



或在蒸气灭菌中用来 和作为增压泵启动信号的检测控制元件 ，



• 241 •



控制蒸气压力



D



二 、电容式薄膜真空计 1. 结构及工作原理



根据弹性薄膜在压差作用下产生应变而引起电容变化的原理 制成的真空计称为电容式薄膜真空计 ， 它由电容薄膜规管和测量 測量线路可分为有 线路两部分组成。根据测量电容的方法不同 ， 零位法具有较髙的澜量精度。 偏位法和零位法两神， 其中， 零位法电容式薄膜真空计的结构如图 8-14 所示 。它由电容



低频振荡器 、 测量电桥电路 、直流补偿电源 、 式薄膜规管 、 低频放大 器、 相敏检波器和指示仪表等组成，



L



rO



A



2



]



11



C4



5



坌



n -



图 S 14



零位法薄膜真空计的结构原理图 1一薄膜真空规管 ；2 直流补偿电潭 ；3 低 故大雜;



—



—



—



7 阀门 4 一相敏检波器 * &一输出表 6— 低頻抿荡器 ；



^



电容式薄膜规管中间装着一张金属弹性膜片 ，其一侧有一固 当膜片两侧的压差为零时， 定电极 ， 固定电极与膜片形成一个静态 • 242 •



电容 电容 Cu 它与电容心串联后作为测量电桥的一臂，



02 、03 和



c ,、cs 的串联电容作为其他三条桥臂。



其内的气体压力分 金属弹性膜片将薄膜规管隔离成两个室 ， 别为被測压力欠和参考压力 P ipb 及阴极发射电子流



• 245



*



八成正比。故有



-



C 8 6) 式中 ， 为正离子流； 多为气体压力 ；L 为阴极发射电流 ；A 为规 管常数 ， 由真空校准获得 。 因此 ， 在规管固定和已知阴极发射电流



离子流



可用正 L的条件下 ，



h 表征气体压力



髙于此压 普通型热阴极电离真空计的测量上限为 0.1 Pa ，



力 ，离子流与气体压力之间的关系就严重偏离线性， 为此开发出一



种扩展测量上限的髙压力热囷极电离真空计 高压力热玥极电离真空计的工作原理与普通型的相同其规



^



管的主要改进是采用了抗氧化阴极和控制了二次电子流。因此 ，



其测量上限可达 102 Pa ,国产的高压力热阴极电离真空规管有两 种型号 ， 即 DL 5 型和 DL 8 型 2. 型电离真空规 DL-8 型电离真空规采用的电极结构如图 8 18 所示 ， 采用两 块不锈钢平行电极 C 作为离子收集 2 rfa d v



-



-



6



^



极， 其间距 4 = 5 mm， 在中心平面处



置有四根相互间距为1= 1.32



-



F 为外涂氧化钇的铱阴 的丝状电极 ， A 为阳极 ， A 极， 两侧为辅助电极 S， 和 S 极均为々0.5 mm 钼杆 。利用电



-



图 8 18



-



DL S 型电离真空规



极 C 和 S 上的适当负电位可改变电 极 F A 间的电位分布 ， 实现对电子有聚焦作用和增大靠近阳极 A 附近区域的电场强度前者迫使电子沿轴线作最短的直线运



—



动， 后者使电子只有在靠近阳极的极小区域由强电场迅速获得较 大的能量 ， 从而控制了二次电子流 ， 并在压力较髙、 电子自由程短



的情况下也能有足眵的电离几率，



髙压力热阴极电离真空计性能稳定 ， 其测量范围一般为102 10 * Pa ， 特别适合于中真空范围的真空度测量 。 • 246 *



-



.



髙压力热阴极电离真空计的主要特点如下



① 测量结果是气体和蒸气的全压力 ， 并与气体种类 、成分和



性质有关



^



② 测量结果实质上是气体密度的指示 ， 因此它为相对真空



计



.



③ 抗氧化阴极延长了规管使用寿命，



④ 测量结果与温度有关 ， 应注意其影咱。



在生产用医药冻干机中 ， 一般在冻干箱顶部（或侧上部）冷阱



. 冻干箱上的真空计是冻干



顶部和真空泵入口等几处安装真空计



过程的主控真空计 ， 安装时应避免沉集灰尘和液体 。最好采用能



：



保持 100 T 以上恒温的电容式真空计 ， 以免因其灭菌不彻底而成 为一污染源冷阱上的真空计一方面用于检査渗漏， 另一方面与 冻干箱真空计一起 ， 在箱阱阀关闭时分别指示箱 、 阱的压力和判断 制品的干燥程度



好性



9



真空泵组上的真空计则用来检査真空泵组的完



D



第四节冻干产品的残余水分测置 从生物学的观点来看 ， 冻干的目的是尽量长期稳定地保持生 物的活性 ， 而活性的保持必须有适量的残存水分含量 ， 但残存水分



若超过某一界限 ， 在保存时活性又会降低因此， 冻干产品存在一 个最适宜的残存水分含量范围，为了确定这个含童范围 ，检验产



品是否达到某一合适的含水量， 就必须对产品中的残余水分进行 測量



.



冻干产品中的水分包括那些与物质的本质无关的 、机械地附 着于物质上的水分， 附着水， 如自由水 、 和那些与物质的本质有直 接关系而吸附于物质分子的水分 ， 如吸附水 、 结晶水 、平衡水等。 这二者之和才是冻干产品的总含水量。由于冻干产品一般是多种 物质组合而成的复杂成分， 水分的划分也就不明确了。同一产品由 *



247 •



因此， 于測董方法不同， 其结果差别也很大 ， 比较产品的含水量只能



用同一测量方法和渕量条件下所得的结果才行。 . 测量物质中微量水分的方法很多 a 例如， 干燥重量法 、气压 法、 红外吸光光度法 、 核磁共振法 、 卡氏滴定法 、 超声波法 、 置换法 、



中子散乱法、 7 射线法等 。 在冻干产早测董中使用的主要是干燥 重董法、 气压法和卡氏滴定法 。虽然像核磁共振法等的测童精度



在冻干生产中尚未被采用。 但由于设备昂贵， 很高 ，



一 、干燥重量法 干燥重量法也称 Abde rha1den 法 ， 是某些国家和部门规定的 生物制品标准測童方法 ， 将被測产品放在真空容器中 ， 其原理是 ，



在规定温度下和规定时间内加温升华 ， 用 P 205 作干燥剂吸收升华 从干燥过程中重童的减少来计算产品的含水量 的水蒸气，



■量工具有去湿天平箱 、天平和 Abderhalden 装置（图^ 8 19 )。 『



玻璃内筒 玻璃苘



A C100V 温度计



软木塞 去真



镍锫丝 装有试料的称量瓶



-



图 8 1&



Abderhalderi 装置



— — — —



按下列顺序操作:在去湿天平箱内称量瓶重在同一箱内将盛 有被测产品的容器开封 ， 在同 且将产品放人称量瓶内称量得 箱内将装有试料的称董瓶放入 Abderhalden 装置内的玻璃筒内



—_ —



-



从去湿箱中取出玻璃筒组装成图 8 19 所示装置 连接真空泵 使内部减压到 10 Pa 左右， 以 60 1C 温度进行 3 h 的真空干燥 从 ，由 装置上取下玻璃筒放进去湿天平箱 称得干燥后的重量 上



述



2 4 8



-



可



得



干燥前试料重



—



干燥后试料重 去水分董



-



G Gi 一 Go AG G



- Gr



水的质量分数为 以湿量作基准时 ，



fiVo ) '



~



-



AG G



(8 5)



以干量作基准时 ， 水的质量分数为



^



(%)



上述用 60



—



的时间 ， 是表承冷汫空载降温快慢 的一个性能指标。现代医药冻干机一般取从 20 t 下降到一 40 T 的时间为 30 miru 这个指标是编制冻干加工工艺时， 确定启动冷 阱制冷机和真空泵的时间的依据 冷阱空载降温速率验证:冷阱在无负荷和大气压下， 启动冷阱 制冷机 ， 记录冷阱从起始温度（20 C )到达目标温度（ 一 40 TC )的



：



^



时间 L ( 2) 冷阱结冰容量



冷阱维持在允许的最髙工作温度 （一 50 D时 ,平均单位时间 所能捕集的冰量即为冷阱的结冰容量。它是表示冷阱制冷机能力 大小和结冰面积大小的一个性能指标。也是表示冻干机能达到的 最大升华速率的指标 冷阱结冰容量验证 ：用敞口托盘装制品（或蒸馏水）称重， 冻 结， 冷阱降温抽空升华， 逐步提髙升华温度( 也即提高升华速率 )使



-



冷阱维持在协议中冷阱允许的最髙工作温度下捕集水气待其凝 结表面结冰到一定厚度（如 10 15 mm)时， 打开干 关闭制冷机， 取出托盘再次称重 ， 燥箱 ， 将原重减去第二次重量并除以捕集水气 的时间， 即为冷阱的结冰容量



.



二、 冷阱的最大捕冰容量 在冻干机产品性能表中一般都标出了该机冷阱的最大捕冰容 *



259 •



量。这个容量是在保证冷阱冰表面间有维持IE 常工作所需的气流



通道面积前提下所能达到的最大结冰厚度时， 冷阱的结冰总量。 它告诉用户冻干机的最大装量以此为限不能超过 ， 否则冷阱内流



冻干机不能正常工作。 动阻力过大 ，



由于这个指标一般是按凝结表面积结冰厚度计算出来的 ， 而 （如结冰温度）和结 且只给出最大结冰总量 ， 而没有规定结冰条件 这个捕冰总量总是可以达 冰时间 a 这样只要时间延长得足够长 ，



到的 ， 因此 ， 此一指标无需进行验证。



三、 冷阱的最低温度 冻干机性能表中一般都标出该机的冷阱最低溫度 ， 医药冻干 这一指标包含两个含 机冷阱的最低温度一般为一 70 一 75 义， 仪器 、仪表 、 其一是与冷阱有关的元器件 、 密封件 、制冷机的润



其二是该冻干机冻干低共熔点 滑油等应能在此低温下正常工作；



.



制品时的适应性 因为冷阱的最低溫度是冷阱制冷机的有效冷负 荷为零时的冷阱温度， 此时冷阱无捕冰能力 ， 若捕冰温度髙于该最 则冷阱有一定捕冰能力。只要升华界面温度 低温度（如一 65 X )， 冻干过程就可进行w 因此 髙于捕冰温度某一数值(如 8 10 则该冻干机的冷阱有能力冻 如果冷阱最低温度为一 70 一 75 X ， 干共熔点为一 55 T 以上的制品。



：



：



：



冷阱的最低温度验证:在冷阱空载降温速率试验完成后 制冷 》



机继续运转 ， 測 当冷阱温度不再下降时， 同时开启真空泵抽真空， 量冷阱温度即为冷阱的最低温度



&



_



第四节真空系统的密封性能与抽真空能力 真空系统密封性能用其允许泄漏率来表示 ， 即在单位时间内从 冻干机的真空系统外部进入真空系统的漏气量， 单位为 Pa • m 3 / s。 医药冻干机的允许泄漏率可取为 1 X 10 3 Pa mVl *



260



-



*



真空系统的抽气能力用真空泵的抽气速率来表示 ， 即真空系 统从大气压状态抽到某一真空状态（ 如 10 Pa )所需的时间 ， 该时 间越短 ， 表示真空泵的抽气能力越大 。 医药冻干机的抽气时间可 取为 30 m〖n 左右此时间越长， 所配真空泵越小 ； 反之越大 但 是若所配真空泵越小， 则从开始抽真空升华进人到正常升华状态 所需的时间越长， 降低了冻干机的生产效率 ， 甚至还可能因抽气速 率过小 ， 冷阱中残存的不凝性气体过多 ， 降低了冷阱的凝结效率 ， 使干燥箱的压力升髙 反之若所配真空泵过大， 有可能将未凝结 的水蒸气过多地抽人真空泵 ， 污染真空泵油 ， 降低真空泵的抽气性 能。 真空系统的极限真空是在系统内不产生气体， 且忽略真空系 统内壁的放气量的情况下， 当漏人真空系统的漏气量与真空泵抽 出的气体量相等时系统的真空度。它是真空系统密封性能与真空 泵抽气能力的综合性能 ， 其值一般比泵的工作真空度髙 1 2 个数 量级 ， 所以对于医药冻干机， 一般可取为 0.5 1 Pa。 Cl ) 真空系统抽气速率验证 真空系统( 包括干燥箱 、冷阱等）干燥 、 无负荷时 ， 在环境温度 和大气压力下， 启动冷阱制冷机制冷 ， 使其温度降至一 40 C 以下 , 启动真空泵 ， 当真空系统的真空度达到预定值（如 10 Pa 或由订货 协议确定）时 ，记录所需的抽气时间， 将其与协议要求的时间相比 较。 (2) 真空系统漏率验证 将无负荷 、 干燥的冻干箱连续抽真空 6 h 以上 ， 清洁 、 使系统 内壁表面的放气量十分微小 此时真空系统中无工艺过程放气 , 材料表面放气又可忽略 ， 气源只有漏孔漏人的气体。将系统抽真 空到一个预先选定的真空度（如 1 Pa ),关闭真空泵和相应阀门 , 将真空系统与泵隔离开来 ， 冷阱制冷机仍然制冷以维持其低温。 由于真空系统的漏气， 系统内压力会逐渐上升 一段时间 （如 1 h) 后 *分 别 记 录 开 始 记 时 和 结 束 记 时 两 个 时 刻 系 统 的 压 力 差 ， 261 • &



.



^



^



.设真空系统的净内容积(包括冻干箱、冷阱 、接管的内部



A < Pa )



^



-



则系统的总泄漏率为 空隙容积)为 lAm 1 )， ( Pa * m 3 / s ) V / At AL = 式中 ， 为开始记时和结束记时之间的时间间隔 （sh



-



(9 2)



以判断该机泄漏率是 将 AL 与协议允许的最大漏率相比较 ，



.



否合格 (3) 极限真空度验证



冷阱清 冻千箱处于无抽气负荷、干燥 、淸洁且在环境温度下， 干燥且制冷到某一低温（如一 40 1)， 启动真空泵抽真空 6 h 洁、 以上 ,直到系统的真空压力不再下降为止 ， 记录此时系统的真空度



即为所求 。



第五节清洗、 灭菌的有效性验证



一 、冻干机在线清洗及其确认 冻干机的清洗有手工清洗和机械在线清洗， 现代医药冻干机 多采用机械在线清洗 ( CIPh 1. 清 洗 方 式 根据机器的不同状况 ， 清洗程序各不相同， 在洁净环境下 ， 利



用冻干箱使用的间隙时间进行的日常清洗有下列一些方式 ① 清洗水由水泵吸人经管道阀门， 喷嘴冲洗冻干箱 、冷阱等



的内部表面 ， 将污染物和杂质带走 ， 污水从底部排出。一般来说，



清洗水不得循环使用， 因为这样有造成全面污染的危险。但是有 的生产厂家为了节约清洗水 ， 将整个淸洗过程分成粗洗和稍洗两 个阶段 在清洗水系统中多设一个粗洗水槽 ， 用此水槽作 粗洗时， 储存容器进行循环清洗。精洗时， 将清洗水系统与此水槽断开 ， 清 洗水只作一次性使用。 ② 用一定浓度的碳酸氢钠或氢氧化钠水溶液 ， 经喷淋循环淸 • 262 •



.



旦箔彻底清洗干净 ， 不得留有清洗 洗 ,然后用一次性蒸馏水冲洗 ， 剂的残留物 。 ③ 更换冻干品种时 ， 若冻干箱内的残留物靠冲洗较难干净，



然后用蒸馏水机械冲洗 则需先用清冼剂手工擦洗 ，



I



用抽空或吹人无菌干燥空气(气体 )进行干燥。 清洗完后， 2. 清洗效果的确认 目前 ， 一般冻干机供应商的产品性能表中均无确切的清洗效 果检测指标 ， 仅提供现扬清洗程序动作和目测的喷淋效果 ，如果用



则应在订货协议中写明检验方法和清洗效杲指标 。 户有明确要求 ， (1 ) 目测清洗效果 阱内零部件的结构是否符合洁净清洗要求和现场 主要从箱 、 观察清洗程序是否到位以及喷淋效果来检査 ，例如： ① 所霈清洗的表面应光洁干净 ， 不应采用有媒纹或沟槽表面



的都件 ， 箱体转角不应为直角而应为圆角 。 ② 箱、 阱内零件不得有能积存清洗残水的封闭式凹槽 ， 不得



使其中的残水能全部放出 a 应在凹槽中钻泄水孔 ， 已时 ， ③ 箱、 阱向外的水平方向接管 ， 应水平或略带倾斜安装 ，使进



人管内的清洗水能自动流光 a ④ 排水管管径应足够大 ，尽量减少清洗后残水滞留于箱 、阱



底部。 ⑤ 喷嘴布置合理 ， 不得有清洗不到的死角表面。



⑥ 启动清洗程序检査是否按照预先商定的清洗程序运行， 査



看喷淋状况 ， 检査是否有喷淋不到的表面以及喷淋密度与力度是 否足够



.



(2) 供货协议规定清冼效果



例如 ： 有的供货协议规定一狴清洗效果验收指标 ， ① 洗 涤 剂 的 带 菌 置 检 査



.洗 涤 剂 原 液 中 内 毒 素



菌落数15 min)连续灭菌 3 次。用试验所得的数据进行统计分 保溫阶段至冷却开始时， 最冷点 析 。找出冻干箱内最冷点的位璧， 温度和腔室平均温度间的差值不应大于士 2.5 1C 。 ③ 生物指示剂挑战试验，一般可用 5 个以上的耐热板， 每 1 cm 2 板上培养 10 $ 个耐热杆菌孢子作生物指示剂 ， 放置于箱 、 阱 内的搁板上或壁面上可能的最冷点处。经 i 21 C 保 温 3 0 mill 灭 1



&



菌， 而后按中国药典“无菌检査法”作无菌检査 。若呈阴性 ,则确认



灭菌完全;若呈阳性 ， 则择査找灭菌不完全的原因。调整灭菌程 序， 延长灭菌时间， 重新验证。 ④ 验证在灭菌的全过程中， 阱内是维持正压的 ， 因为不允 箱、 排 许外界非无菌空气进人灭菌腔室危及其无菌 在箱 、阱排水时， 水管向外界的阀门是打开的 * 应防止有外界空气流入。 ⑤ 验证灭菌腔室的附件 、仪表 、密封材料对髙温髙压灭菌的 适应性，医药冻干机箱 、阱及箱内金属件 * 一般采用不镑钢制造 。 • 264 •



^



不锈钢的腐蚀大多数情况下是由于在热湿环境下氣离子对不锈钢 材料的晶间腐蚀 ， 特别是含氣化物溶液 ， 在髙温商压热湿环境中 , 不锈钢表面钝化膜将被腐蚀 a OOCirl 7Nil 4 M02( 美国牌号 316 L) 不锈钢具有较强的抗晶间腐蚀能力， 而 0Crl 8Ni9( 3O 4 )则较差。 有关零部件材质的性能 ， 是用査验供应商提供的关于这些材料的 材质检验报告来验证的。 阱的门 、 箱、 窗密封 ， 压塞系统、 连接阀门等的密封对髙温蒸气



的耐受能力是由査验密封材料的材质性能和现场检漏来验证的 a ⑥ 保护装置的可靠性 。湿热蒸气灭菌是一种压力容器操作， 必须设计和装备一系列安全保护装置 ， 验收时应査验其动作的可 靠性。 a. 箱门未锁定， 灭菌蒸气进气阀门应打不开。 b. 箱内压力超过环境压力 ， 箱门的锁定装置应打不开。 c. 箱内压力超过第一设定值 （如 0.11 MPa ),进蒸气阀门应 关闭 ， 并发出声光报螫。 d. 箱内压力超过第二设定值（如 0.13 MPa)， 进蒸气阀门应 再次关闭， 光报謦 并有声、 e. 箱内压力达到第三设定值（如 0.18 MPa ),机械式安全阀



.



门打开放气



&



2. 环氧乙烷混合气体灭苗 常温下气体灭菌的常用介质有环氧乙烷 、环氧丙烷 、 甲醛 、双 氧水蒸气等 ， 目前采用较多的是环氧乙烷与质量分数为 80 % 90 % 的二氧化碳或氟利昂 12 的混合气体 a



O ) 运转程序试验 试验的目的是考察冻干机配置的环氧乙烷灭菌系统自控程序 的可靠性。运转程序为先将箱 、阱腔室抽到极限真空 ， 将质量分数 为 10 % 的环氡乙烷 + 质童分数为 90 K 氮气或二氧化碳气体引人 ， 使压力达 2 Xl 04 Pa， 再送人水蒸气加湿到接近 8 X 104 Pa ,维持 4 8 h， 抽出气体使压力降至 7 X 103 Pa ， 放入无菌室空气至 9.70 X • 265



-



lO < Pa ， 再抽到极限真空 抽出的气谇必须排到室外。熏蒸完后 使腔室和无菌室内空气中环氧乙烷 通无菌空气约 4 h， 打开箱门， 6



的质量分数在 0.000 1 % 以下



^



观察并记录每一步骤和仪器仪表



然后对灭菌系统的自控程序的可靠性 此试验需进行三次 ， 的运行，



做出评价 (2> 灭菌程序的生物指示剂挑战试验



^



^



阱内灭菌较困难的部位放置盛有两片（每片 1( 个枯草 在箱 、



芽孢杆菌 )菌膜的培养皿和溫湿度计 ， 灭菌完 关闭箱门进行灭菌， 后取出培养皿并密封之。将其中一片菌膜作无菌检査以判别灭菌



若为阳性则灭菌尚不完全。此时用 效杲 。 若为阴性则灭菌完全， 另一片菌膜作微生物计数试验 以检査菌膜片中残存的细菌数目 。 》



则可视为合格 ， 反之为不合格， 若残留量少于 1 乂 10 个 ，



第六节冻干过程及其他项目的验证



一 、压塞系统验证 1. 压塞机械力验证



验证的目的是:压塞系统的机器 、元器件能否胜任压塞任务; 溢流阀等的调节是否适当 。 设一块搁板的单面面积为 FAm 2 )， 液压活塞的截面积为



F 2( cm 2 )， 则作用于单位搁板面积 进人液压缸的油压为夕( MPa)， 上的活塞推力 h 为 户1 =



FzP



lO ' F j



( MPa )



应由瓶口与瓶间的摩擦力决定， 一般取 / =0.07 取其髙值 0.1( MPa > ， 得 103 F



P



• 266 •



—



^



( MPa)



(9 - 3 )



现 0+ lMPa，



( 9 - 4)



调定液压系统的溢流阀使系统内压力不大于



^



2



( MPa ) ,



考虑系统阻力损失和调节余量系数 1 3 ,则 +



〆 = 1.3 X



10 ^ F 1



( MPa)



(9



-



5)



液压系统的油泵 、油缸 、 阀等的标称压力必须大于



2. 油压系统的密封性 现代大、 中型医药冻干机油压系统的油缸一般放在冻干箱的



因而在整个冻干过程中， 顶部 ， 搁板和制品是由活塞杆将其悬吊在 箱内的 如果活塞与油缸之间或活塞杆与油缸之间的密封处发生 泄漏 ， 或油路中的压力控制单向阀泄漏， 搁板就会下坠， 从而缩小 搁板间的间距 ， 甚至会将瓶塞压人瓶中 。因此要对油压系统的密 封性进行验 验证要求由用户与供应商协商拟订 ， 搁板空载（或加载 例如， 若干重 )悬吊 24 h ,活塞杆的下坠不得大于 5 由于油压系统使用一段时间后 ， 会因磨损而增大泄漏量 ， 因此 有的冻干机在活塞杆上加装了止坠装置 ， 这时亦应查验止坠装置



^



动作的可靠性 a



3. 液压活塞杆防污罩的完整性 活塞杆防污是为防止活塞杆上的油膜在箱内抽真空时挥发出 来污染箱腔和制品 ， 因此开始冻干前应检査罩的完整性。其方法 是用真空泵对防污罩内部空间抽真空达 20 Pa 以下 ， 关闭真空泵 及阀门 ， 使翠内空间孤立封闭 ， 观察并測置该空间真空压力上升的 情况 ， 若其泄漏率小于 0.5 X 10 Pa m 3 / s( 或由订货协议确 则应视防污罩密封完整， 定），



-



二、 充气气体过滤器完整性验证 冻干过程中用导人空气来控制冻干箱的真空度； 冻干结束后 需导人空气把真空系统的压力恢复到环境压力，导人的空气一般



-



使用经干燥 、 灭菌 、 过滤的压缩空气或无菌室的空气 因此空气在



^



267 •



导人冻干箱之前的除菌过滤器的质量优劣十分重要 器的完整性需作验证。



&



对除菌过滤



：



将待验证的过滤器 如图 9 -1 所示 ， （经 121 T ,30 mm 蒸气灭



0.2 f i m m 菌)和经蒸气灭菌的三角瓶 8 0 0



托盘总有效千燥面积



ZDG 10



2DG 10



2DG10



2DG10



XI



X2



2



XI 1



X2 I



20



20



40



10



13 133



干燠仓工作真空度 / Pa



—



：



冷阱I 作溫度/1C 冷阱形式



s度 / t：



加热方式 冷阱 ft 大捕冰能力 / *



^



12



干燥仓数量 / 个



( kg/( 仓



150



ZDGiO 冻干机的主要技术参数



型号



加热板工作



内置式



电加热 、辐射式



< 4/(仓 * 批 > ) 抽真空时间/ min 从大气压到 i Ton：



-



一 45



30



室温



加热方式 冷阱最大捕水能力 /



附表 2 10



^



Z D G4 0



干燥仓数置 /个



托盘总有效干 # 面积 / m



.



批 ))



从大气压到 1 Torr 抽真空时间 / min



3 0~ — 4S



a式



内



室温



150



蒸气加热 、 电加热 、 辐射式



辖射式 电加热 、



>300



>4 0 0 )



从大气压到 1 Torr 抽真空时间 / min



^



5



>30



>60



>100



五、 兰州科近真空冻干技术有限公司 兰州科近真空冻干技术有限公司是由中国科学院近代物理研 1994 年成功地研制 究所兰州科近技术公司改制的髙新技术企业 ， 市建设 陕西 、广东等 10 多个省 、 在山东 、 出 JDG 系列食品冻干机， 共生产各种型号的冻千机 100 多台 食品冻干生产线 40 多条 ， ( 套）， 装料面积超过 15 000



几年来 ， 对 JDG 冻干机迸行了大量 兰州科近技术力童雄厚 ， 取得了一系列成杲 。 据《 农产品加工 》2004 年第 6 期报道 ， 改进 ，



-



使其捕水效率达到 3.13 kg/ Cm2 h)； 由于釆用了特殊设计的冷阱， 平均脱水 1 kg 的 使其能耗大大降低， 由于优化了配套设备的配置 ，



.上述性能指榇均优于国外同类产品，节能



能耗仅为 0.55 kw h



运用了模 效果显著 。兰州科近开发的 JDGP 智能专家监控软件， 真空调节精 糊数学和数字滤波技术 ,其温度控制精度可达 0.5



度可达 1 Pa。



2001 年 2 月国家科技部将 JDG 系列冻干机列人“2001 年国 • 307 *



:



;2001 年 12 月国家科技部等五部委授予 ( DG 型冻干 家火炬计划”



2002 年 12 月 机“ 国家重点新产品证书 ”；



JDG 冻 干 机 通 过



ISO 9001 : 2000 质量管理体系认证。



-



- - -



JDG 系列冻干机的主要技术性能如附表 2 12,2 13,2 14 ,



2 15所示，



JDG 侧置系列冻干机的基本性能



附表 2， 12 型



号



JDC - 60



JDG - 30



^2 . 4 X 3 9 3



仓体尺寸 /



捕水 ft /( kg/批 )



^2 4 X 7.95



4 X 5 . 92



.



30



60



450



900



装科面积



IDG -90



：



加热板温度 / T



室温



工作真空度 / Pa



13



,



90



1 350



120 130



-



Hf 表 2 13 JDG 后置系角冻干机的基本性能 JDG - 15 H



型号



^1 8



仓体尺寸 /



.



m£



装料面积 /



捕水量 /( 4/批 )



X 5.17



/2 . 4 X 1 1 . 9 7



15



100



225



1 500 室温



工作真空度 / Pa



13



-



JDG -36 F



仓体尺寸 / m



处 4 X 3.8



捕水量 /( kg/批)



加热板溫度 / t：



-



工作真空度 / Pa



308



X 17 75 X 22 2 7 ^2.4150 ^2 4200 .



.



.



3 000



120



130



JDG - 7 ZF



JDG -100 F



JDG -200F



/2 , 4 X 7, 304



/2.4 X 13, 1



72



100



200



1 OSO



1 500



3 000



.



540



JDG -200 H



JDG 外置式冻干机的基本性能



型号



装料面积 / m3



JDG - 150 H



2 250



加热板湓度 /1



附表 2 14



*



JDG - 100 H



73



室温 13



]20



130



-



W 表 2 15 JDG 实嗆冻干机的基本性ffi 型



号



JDG -0 . 2



整机尺寸 Anm



1 252 X 802 X 1 327



装料面积 An2



0* 2



装料握八8



2



捕水獗 / kg



>2



加热板温度/ X；



室温



130



工作真空度 / Pa



13 13(3



监控方式



微机



•



309



-



主要参考文献 1. 赵鹤皋 ， 林秀诚 . 冷冻干燥技术



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