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真空冷冻技术应用及常见问题,杰懋为您提供解决方法!
点击次数:317 发布时间:2020-01-15

真空冷冻干燥(简称“冻干”)是指将含水物质预先冻结成固态,然后在真空状态下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。冻干后的固体物质呈多孔结构,保持冻结时的体积,加水极易溶解复原。冻干过程是在低温真空条件下进行,因此对于许多热敏性、易氧化的物质特别适用。冻干能除去95%~99%的水分,使干燥后的产品能长期保存而不变质。

本文在阐述冻干技术原理、特点的基础上,分析评价冻干各个阶段的影响因素,对在冻干操作过程中冻干设备及冻干产品出现常见问题分析,提出解决方法。
1. 冻干技术的原理
冷冻干燥的机理就是将需干燥的物料先行冻结至其共晶点以下,使得物料中的水分变成固态的冰,然后在适当的真空环境下,通过加热使冰直接升华为水蒸气而除去,从而获得干燥的制品。
2. 冻干技术的特点
冷冻干燥与常规的晒干、烘干、煮干、喷雾干燥及真空干燥相比,有许多突出的优点:
A. 冷冻干燥在低温下进行,因此在对于许多热敏性的物质特别适用。如蛋白质、微生物之类,不会发生变性或失去生物活力。
B. 在冻干过程中,微生物的生长和酶的作用无法进行,因此能保持原来的性状。
C. 在低温下干燥时,物质中的一些挥发性成分和受热变性的营养成分损失很小,适合一些化学制品、药品和食品的干燥。
D. 由于在冻结的状态下进行干燥,因此制品的体积、形状几乎不变,保持了原来的结构,不会发生浓缩现象。干燥后的物质疏松多孔,呈海绵状,加水后溶解迅速而完全,几乎立即恢复原来的性状。
E. 在真空下进行干燥,物料处于高度缺氧状态下,容易氧化的物质得到了保护。
F. 干燥能排除95-99%以上的水分,使干燥后产品能长期保存而不变质。
但是,冻干技术有其缺点,如:过程工序复杂、时间较长、设备造价高、成本大、耗能量大。工艺要求高等。但是总体来讲,还是带来的利益大于其比弊端。
3. 冻干前处理工艺
对于不同的待冻干物料,前处理的方法是不同的。根据原料的特点采用相应的处理方法:如果蔬的挑选、清洗、去皮、切分、烫漂、冷却等处理,药物的培养、灭菌、分装、洗瓶、半加塞等,食品原料的挑选、清洗、切分、灭酶、分装等。
生物制品是有生命或有生物活性的物质,在冻干前,常常需要添加保护剂,以减少材料的低温损伤和脱水损伤。通常使用的保护剂包括蔗糖、海藻糖、甘露醇、山梨醇、氨基酸、氯化钠、氢氧化钠、脱脂乳等。为改善多孔层的稳定性,可在冻干前改善材料的热机械性质,如添加右旋糖酐、甘露醇等具有较高热稳定性的赋形剂。
4. 共晶点的测定
共晶点的测定有电阻测定法、热差分析测定法、冻干显微镜直接观察、数字公式计算测定。标准的共晶点测量法是将一对白金电极浸入液体产品之中,并在产品中插一温度计,把它们冷却到-40℃以下的低温,然后将冻结产品慢慢升温。用惠斯顿电桥来测量其电阻,当发生电阻突然降低时,这时的温度即为产品的共晶点。电桥要用交流电供电,因为直流电会发生电解作用,整个过程由仪表记录。
此外,还可以在预冻阶段通过视窗来观察制品性状的变化来获得共晶点。当制品开始结冰的时候,浸入制品中的电热偶所探测到的温度会突然回升,这是因为结冰过程的放热现象所造成的。这时候所记录的温度就大致接近于共晶点温度。在冷冻干燥的工艺中,共晶点是获得冻干的临界温度,冷冻干燥必须在大大低于共晶点的温度和压力下进行,为保证物料完全冻结,预冻温度要比物料共晶点低5-10℃。
5. 冷冻干燥的一般过程
需要冻干的物品需配制成一定浓度的液体,为了能保证干燥后有一定的形状,一般冻干产品应配制成含固体物质浓度在4%~25%之间的稀溶液,以浓度为10%~15%合适。这种溶液中的水,大部分是以分子的形式存在于溶液中的自由水;少部分是以分子吸附在固体物质晶格间隙中或以氢键方式结合在一些极性基团上的结合水。固定于生物体和细胞中的水,大部分是可以冻结和升华的自由水,还有一部分不能冻结、很难除去的结合水。冻干就是在低温、真空环境中除却物质中的自由水和一部分的吸附于固体晶格间隙中的结合水。因此,冷冻干燥过程一般分五步进行,即预冻结、升华干燥(或称di一阶段干燥)、解析干燥(或称第二阶段干燥)、终点判断、产品出柜。
1)制品的预冻结
这一阶段主要是起固定作用,以便干燥产品,它是极其关键的一步,因为如果处理不当,就会造成许多产品的成型问题或者质量问题,因此,要严格控制预冻的时间、温度及真空度,但是在实际生产中,预冻过程往往不考虑真空度的影响因素。预冻温度一般采用是在冻结点也叫共晶点温度以下5℃以内,也可以在共晶点温度以下10~15℃,在这一过程中的温度跳点就是合适的预冻温度。在温度达到冻干温度时,要进行一段时间的保温。预冻时间不固定,一般在2-3h可以完全冻结,这要根据产品装量、板层面积、传热介质的性质来确定。
2)制品的升华干燥
它是冻干的主要过程,主要是为了将物料中的冰升华,但是要保证冰不溶化,并且物料冻结点的饱和蒸汽压高于冰周围的水蒸气。这就要求快速地移走产生的水蒸气以及不断补充升华所需要的热量,温度和压强成为这个过程中的主要影响因素。首先是升华干燥时的温度,此温度应该设定在共晶点以下,共晶点附近升华速度zui快。在升华过程中,产品固形物中干燥层与冻结层交界面会随时间延长而慢慢下降。当干燥层与冻结层交界面消失(及冻结层消失)时,此时产品温度上升要比冻结层消失前明显加快,根据产品生产工艺再延长数小时,确保产品内部冻结层全部消失。
3)制品的解析干燥
物料中所有的冰晶升华干燥后会留下许多的空穴,但仍然会留有10%左右的未冻结水分,我们说的解析干燥就是把这部分水分降低,使其维持在2%左右,起到干燥物料的作用。应该根据产品性质及成品要求的含水量来确定这一阶段的zui高温度,但是可以适当地提高温度以降低含水量。在再干燥阶段需要适当提高掺气压力,使热量得到传导。为了加快干燥速度及缩短时间,可以当制品温度完全达到导热媒设定的温度时再恢复高真空。
4)冻干终点判断
在实际操作时,可根据下述现象来判断解析干燥结束的时间:
(1)制品温度与加热搁板温度基本趋于一致并保持一段时间。
(2)干燥箱内压力与冷阱的压力趋于一致并保持一段时间。
(3)干燥箱压力。冷阱温度基本上恢复到设备空载时的指标并保持一段时间。
(4)关闭干燥箱与冷凝器之间的阀门时,干燥箱真空度两分钟内上升不超过5Pa(0.05mbar)时,即可判定冻干结束。
(5)冻干曲线的设计参数
冻干曲线有广义和狭义之分,狭义的冻干曲线是指冻干箱板层温度与时间的关系曲线。而广义的冻干曲线是指在冻干过程中,产品温度、板层(搁板)温度、冷凝器(冷阱)温度、真空度和时间作出的关系曲线见图2。一般以温度、压力为纵坐标,时间为横坐标。只有对冷冻干燥过程的每一阶段的各参数进行全面的控制,才能得到优质的产品。冻干曲线不仅是手工操作冻干机的依据,也是自动控制冻干机操作的依据。
6. 冻干产品出现常见问题分析
良好的冻干产品应有良好的物理形态,如外形饱满、表面平整、不萎缩、色泽均匀、多孔性好、水分含量合格、加水后能迅速复溶、能长期存放。在冻干产品的生产过程中,经常会出现一些异常情况,如喷瓶、掉底、破瓶、产品干燥不彻底、含水量过高、含量不均匀或含量偏低、复溶后溶液浑浊等问题。现对这些常见的问题的产生原因及解决方法进行初步分析探讨。
1)产品有萎缩和鼓泡现象,产生原因升华阶段升温过快,或升华阶段尚未结束,提前进入解析阶段,温度过高导致局部熔化,由液体蒸发为气体,造成体积缩小,或者干燥产品溶入液体之中,造成体积缩小,严重的熔化会产生鼓泡现象。解决方法是降低升华阶段的温度,延长升华阶段的时间和提高冻干箱的真空度,控制产品温度低于共晶点或崩解点温度5℃以上。
2)产品有喷瓶现象,产生原因预冻过程温度偏高、时间太短、产品未完全冻结、预冻不彻底、或升华阶段温度过高、抽真空升华干燥时部分产品溶化被抽出瓶口,造成喷瓶现象。解决方法可降低预冻温度,延长预冻时间,使产品完全冻结后进行抽真空升华。
3)产品出箱后不久出现萎缩、空洞、碎块现象,产生原因产品干燥不彻底,还有残存冰晶,可通过延长升华干燥时间或提高解析干燥升华温度来解决。
4)产品出现颜色不均一、分层现象,一种情况是冻干块状物下部分细腻上部分毛躁、有结晶花纹,这是由于冷冻速率缓慢引起的,慢速预冻过程中底部先形成冰,溶质向上浓缩,可以加快预冻速度或采用反复冻结法来解决。另一种情况是溶液中某种物质浓度过高,溶液长时间放置后,由于温度或pH值的变化导致该物质析出沉淀,可通过降低浓度、调整处方以稳定溶液pH值或减少溶液放置时间来解决。
5)产品出现挂壁、挂脖现象,一种情况是灌装过程,物料溅至瓶壁,可以采取灌装结束后放置0.5h。另一种情况是抽真空升华过程,物料被抽至瓶壁,可以采取降低预冻温度,延长预冻时间,控制真空下降速率方法解决。
6)产品表面有硬壳,产生原因预冻时产品表面形成不透气的玻璃样结构,升华开始后产品升温,部分产品发生熔化收缩,产品的收缩使表层裂,因此下层的升华能正常进行,解决方法是预冻时做回热处理。
7)瓶破裂或掉底,西林瓶在冻干中有时会发生瓶破裂及掉底现象,一般有三个原因:
①西林瓶质量:应选择质量信誉好的厂家产品,一般来说,高硼硅的西林瓶不容易破;
②溶液装量过多:一般来说,装量多的容易破瓶(主要是掉底);
③预冻速度过快:质量差的西林瓶可能会由于预冻速度过快而导致破瓶,冻干预冻阶段要缓慢降温或在共晶点附近有一个保温时间,减小搁板和产品的温差,这样可以减少破瓶及掉底问题。
7. 结束语
近几年,真空冷冻干燥技术的发展非常迅速,国内尤为突出。但是,在制品冻干过程中,冻干工艺复杂,而且冻干法本身也存在干燥速率低、干燥时间长、干燥过程能耗高和干燥设备投资大等缺点。因此,只有充分了解国内外冻干工艺的研究现状,及时跟进国际国内先进技术的发展,与客观实践相结合,总结自己的经验,才能更经济地做出更高质量的冻干制品。
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