??第一節(jié)冷凍干燥技術(shù)原理

干燥是保持物質(zhì)不致腐敗變質(zhì)的方法之一。干燥的方法有許多，如曬干、煮干、烘干、噴霧干燥和真空干燥等。但這些干燥方法都是在0℃以上或更高的溫度下進(jìn)行。干燥所得的產(chǎn)品，一般是體積縮小、質(zhì)地變硬，有些物質(zhì)發(fā)生了氧化，一些易揮發(fā)的成分大部分會損失掉，有些熱敏性的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、維生素會發(fā)生變性。微生物會失去生物活力，干燥后的物質(zhì)不易在水中溶解等。因此干燥后的產(chǎn)品與干燥前相比在性狀上有很大的差別。而冷凍干燥法不同于以上的干燥方法，產(chǎn)品的干燥基本上在0℃以下的溫度進(jìn)行，即在產(chǎn)品凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行，直到后期，為了進(jìn)一步降低干燥產(chǎn)品的殘余水份含量，才讓產(chǎn)品升至0℃以上的溫度，但一般不超過40℃。
冷凍干燥就是把含有大量水分物質(zhì)，預(yù)先進(jìn)行降溫凍結(jié)成固體，然后在真空的條件下使水蒸汽直接升華出來。而物質(zhì)本身剩留在凍結(jié)時的冰架子中，因此它干燥后體積不變，疏松多孔。在升華時凍結(jié)產(chǎn)品內(nèi)的冰或其它溶劑要吸收熱量。引起產(chǎn)品本身溫度的下降而減慢升華速度，為了增加升華速度，縮短干燥時間，必須要對產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)加熱。整個干燥是在較低的溫度下進(jìn)行的。
冷凍干燥有下列優(yōu)點(diǎn)：
⑴冷凍干燥在低溫下進(jìn)行，因此對于許多熱敏性的物質(zhì)特別適用。如蛋白質(zhì)、微生物之類不會發(fā)生變性或失去生物活力。因此在醫(yī)藥上得到廣泛地應(yīng)用。
⑵在低溫下干燥時，物質(zhì)中的一些揮發(fā)性成分損失很小，適合一些化學(xué)產(chǎn)品、藥品和食品干燥。
⑶在冷凍干燥過程中，微生物的生長和酶的作用無法進(jìn)行，因此能保持原來的性狀。
⑷由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結(jié)構(gòu)，不會發(fā)生濃縮現(xiàn)象。
⑸干燥后的物質(zhì)疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而完全，幾乎立即恢復(fù)原來的性狀。
⑹由于干燥在真空下進(jìn)行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質(zhì)得到了保護(hù)。
⑺干燥能排除95-99％以上的水分，使干燥后產(chǎn)品能長期保存而不致變質(zhì)。
因此，冷凍干燥目前在醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、科研和其他部門得到廣泛的應(yīng)用。
 

第二節(jié)凍干機(jī)的組成和凍干程序

產(chǎn)品的冷凍干燥需要在一定裝置中進(jìn)行，這個裝置叫做真空冷凍干燥機(jī)或冷凍干燥裝置，簡稱凍干機(jī)。
凍干機(jī)按系統(tǒng)分，由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、和控制系統(tǒng)四個主要部分組成。按結(jié)構(gòu)分，由凍干箱或稱干燥箱、冷凝器或稱水汽凝結(jié)器、制冷機(jī)、真空泵和閥門、電氣控制元件等組成。圖十三是凍干機(jī)組成示意圖。

　　凍干箱是一個能夠制冷到－55℃左右，能夠加熱到+80℃左右的高低溫箱，也是一個能抽成真空的密閉容器。它是凍干機(jī)的主要部分，需要凍干的產(chǎn)品就放在箱內(nèi)分層的金屬板層上，對產(chǎn)品進(jìn)行冷凍，并在真空下加溫，使產(chǎn)品內(nèi)的水分升華而干燥。
冷凝器同樣是一個真空密閉容器，在它的內(nèi)部有一個較大表面積的金屬吸附面，吸附面的溫度能降到－40℃～－70℃以下，并且能維持這個低溫范圍。冷凝器的功用是把凍干箱內(nèi)產(chǎn)品升華出來的水蒸氣凍結(jié)吸附在其金屬表面上。
凍干箱、冷凝器、真空管道、閥門、真空泵等構(gòu)成凍干機(jī)的真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)要求沒有漏氣現(xiàn)象，真空泵是真空系統(tǒng)建立真空的重要部件。真空系統(tǒng)對于產(chǎn)品的迅速升華干燥是必不可少的。
制冷系統(tǒng)由制冷機(jī)與凍干箱、冷凝器內(nèi)部的管道等組成。制冷機(jī)可以是互相獨(dú)立的二套或以上，也可以合用一套。制冷機(jī)的功用是對凍干箱和冷凝器進(jìn)行制冷，以產(chǎn)生和維持它們工作時所需要的低溫，它有直接制冷和間接制冷二種方式。
加熱系統(tǒng)對于不同的凍干機(jī)有不同的加熱方式。有的是利用直接電加熱法；有的則利用中間介質(zhì)來進(jìn)行加熱，由一臺泵(或加一臺備用泵)使中間介質(zhì)不斷循環(huán)。加熱系統(tǒng)的作用是對凍干箱內(nèi)的產(chǎn)品進(jìn)行加熱，以使產(chǎn)品內(nèi)的水分不斷升華，并達(dá)到規(guī)定的殘余含水量要求。
控制系統(tǒng)由各種控制開關(guān)，指示調(diào)節(jié)儀表及一些自動裝置等組成，它可以較為簡單，也可以很復(fù)雜。一般自動化程度較高的凍干機(jī)則控制系統(tǒng)較為復(fù)雜?？刂葡到y(tǒng)的功用是對凍干機(jī)進(jìn)行手動或自動控制，操縱機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以使凍干機(jī)生產(chǎn)出合乎要求的產(chǎn)品來。
冷凍干燥的程序：
⑴在凍干之前，把需要凍干的產(chǎn)品分裝在合適的容器內(nèi)，一般是玻璃模子瓶、玻璃管子瓶或安瓶，裝量要均勻，蒸發(fā)表面盡量大而厚度盡量薄一些；
⑵然后放入與凍干箱板層尺寸相適應(yīng)的金屬盤內(nèi)。對瓶裝一般采用脫底盤，有利于熱量的有效傳遞。
⑶裝箱之前，先將凍干箱進(jìn)行空箱降溫，然后將產(chǎn)品放入凍干箱內(nèi)進(jìn)行預(yù)凍；或者將產(chǎn)品放入凍干箱內(nèi)板層上同時進(jìn)行預(yù)凍；
⑷抽真空之前要根據(jù)冷凝器制冷機(jī)的降溫速度提前使冷凝器工作，抽真空時冷凝器至少應(yīng)達(dá)到－40℃的溫度；
⑸待真空度達(dá)到一定數(shù)值后（通常應(yīng)達(dá)到13Pa～26Pa內(nèi)的真空度），或者有的凍干工藝要求達(dá)到所要求的真空度后繼續(xù)抽真空1～2h以上；即可對箱內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)行加熱。一般加熱分兩步進(jìn)行，第一步加溫不使產(chǎn)品的溫度超過共熔點(diǎn)或稱共晶點(diǎn)的溫度；待產(chǎn)品內(nèi)水分基本干完后進(jìn)行第二步加溫，這時可迅速地使產(chǎn)品上升的規(guī)定的最高許可溫度。在最高許可溫度保持2h以上后，即可結(jié)束凍干。

整個升華干燥的時間約12～24h左右有的甚至更長，與產(chǎn)品在每瓶內(nèi)的裝量，總裝量，玻璃容器的形狀、規(guī)格，產(chǎn)品的種類，凍干曲線及機(jī)器的性能等等有關(guān)。
凍干結(jié)束后，要充入干燥無菌的空氣進(jìn)入干燥箱，然后盡快地進(jìn)行加塞封口，以防重新吸收空氣中的水分。
在凍干過程中，把產(chǎn)品和板層的溫度、冷凝器溫度和真空度對照時間劃成曲線，叫做凍干曲線。一般以溫度為縱坐標(biāo)，時間為橫坐標(biāo)。凍干不同的產(chǎn)品采用不同的凍干曲線。同一產(chǎn)品使用不同的凍干曲線時，產(chǎn)品的質(zhì)量也不相同，凍干曲線還與凍干機(jī)的性能有關(guān)。因此不同的產(chǎn)品，不同的凍干機(jī)應(yīng)用不同的凍干曲線。圖十四是凍干曲線示意圖（其中沒有冷凝器的溫度曲線和真空度曲線）。

第三節(jié)共溶點(diǎn)及其測量方法

需要凍干的產(chǎn)品，一般是預(yù)先配制成水的溶液或懸濁液，因此它的冰點(diǎn)與水就不相同了，水在0℃時結(jié)冰，而海水卻要在低于0℃的溫度才能結(jié)冰，因?yàn)楹Ｋ彩嵌喾N物質(zhì)的水溶液。實(shí)驗(yàn)指出:溶液的冰點(diǎn)將低于溶媒的冰點(diǎn)。
另外，溶液的結(jié)冰過程與純液體也不一樣，純液體如水在0℃時結(jié)冰，水的溫度并不下降，直到全部水結(jié)冰之后溫度才下降，這說明純液體有一個固定的結(jié)冰點(diǎn)。而溶液卻不一樣，它不是在某一固定溫度完全凝結(jié)成固體，而是在某一溫度時，晶體開始析出，隨著溫度的下降，晶體的數(shù)量不斷增加，直到最后，溶液才全部凝結(jié)。這樣，溶液并不是在某一固定溫度時凝結(jié)。而是在某一溫度范圍內(nèi)凝結(jié)。當(dāng)冷卻時開始析出晶體的溫度稱為溶液的冰點(diǎn)。而溶液全部凝結(jié)的溫度叫做溶液的凝固點(diǎn)。凝固點(diǎn)就是融化的開始點(diǎn)（即熔點(diǎn)），對于溶液來說也就是溶質(zhì)和溶媒共同熔化的點(diǎn)。所以又叫做共熔點(diǎn)或共晶點(diǎn)?？梢娙芤旱谋c(diǎn)與共熔點(diǎn)是不相同的。共熔點(diǎn)才是溶液真正全部凝成固體的溫度。
顯然共熔點(diǎn)的概念對于冷凍干燥是重要的。因?yàn)閮龈僧a(chǎn)品可能有鹽類、糖類、明膠、蛋白質(zhì)、血球、組織、病毒、細(xì)菌等等的物質(zhì)。因此它是一個復(fù)雜的液體，它的凍結(jié)過程肯定也是一個復(fù)雜的過程，與溶液相似，也有一個真正全部凝結(jié)成固體的溫度，即共熔點(diǎn)。由于冷凍干燥是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的。只有產(chǎn)品全部凍結(jié)后才能在真空下進(jìn)行升華干燥，否則有部分液體存在時，在真空下不僅會迅速蒸發(fā)，造成液體的濃縮使凍干產(chǎn)品的體積縮??；而且溶解在水中的氣體在真空下會迅速冒出來，造成象液體沸騰的樣子，使凍干產(chǎn)品鼓泡、甚至冒出瓶外。這是我們所不希望的。為此凍干產(chǎn)品在升華開始時必須要制冷到共熔點(diǎn)以下的溫度，使凍干產(chǎn)品真正全部凍結(jié)。
在凍結(jié)過程中，從外表的觀察來確定產(chǎn)品是否完全凍結(jié)成固體是不可能的；靠測量溫度也無法確定產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。而隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時電性能的變化是極為有用的，特別是在凍結(jié)時電阻率的測量能使我們知道凍結(jié)是在進(jìn)行還是已經(jīng)完成了，全部凍結(jié)后電阻率將非常大，因此溶液是離子導(dǎo)電。凍結(jié)時離子將固定不能運(yùn)動，因此電阻率明顯增大。而有少量液體存在時電阻率將顯著下降。因此測量產(chǎn)品的電阻率將能確定產(chǎn)品的共熔點(diǎn)。
正規(guī)的共熔點(diǎn)測量法是將一對白金電極浸入液體產(chǎn)品之中，并在產(chǎn)品中插一支溫度計(jì)，把它們冷卻到－40℃以下的低溫，然后將凍結(jié)產(chǎn)品慢慢升溫。用惠斯頓電橋來測量其電阻，當(dāng)發(fā)生電阻突然降低時，這時的溫度即為產(chǎn)品的共熔點(diǎn)。電橋要用交流電供電，因?yàn)橹绷麟姇l(fā)生電解作用，整個過程由儀表記錄（圖十六）。
也可用簡單的方法來測量，如圖十五所示。用二根適當(dāng)粗細(xì)而又互相絕緣的銅絲插入盛放產(chǎn)品的容器中，作為電極。在銅電極附近插入一支溫度計(jì)，插入深度與電極差不多，把它們一起放入凍干箱內(nèi)的觀察窗孔附近，并用適當(dāng)方法把它們固定好，然后與其他產(chǎn)品一起預(yù)凍，這時我們用萬用表不斷地測量在降溫過程中的電阻數(shù)值，根據(jù)電阻數(shù)值的變化來確定共熔點(diǎn)。

把電極引線通過一個開關(guān)與萬用表相連，可以不分正負(fù)極。如果凍干箱沒有電線引出接頭，則可以用二根細(xì)導(dǎo)線從箱門縫處引出，在電線附近涂些真空密封蠟，這樣不致于影響真空度。待溫度計(jì)降至0℃之后即開始測量并作記錄。把萬用表的轉(zhuǎn)換開關(guān)放在測量電阻的最高檔（×1K或×10K）。由于萬用表內(nèi)使用的是直流電，為了防止電解作用，在每次測量完之后要把開關(guān)立即關(guān)掉，把每一次測量的溫度和電阻數(shù)值一一記錄下來。開始時電阻值很小，以后逐步增高。到某一溫度時電阻突然增大，幾乎是無窮大，這時的溫度值便是共熔點(diǎn)數(shù)值。
用這種方法測量的共熔點(diǎn)有一定的誤差，因?yàn)殂~電極處多少有些電解作用。萬用表對于高阻值沒有電橋靈敏；另外，凍結(jié)過程與熔化過程電阻的變化情況并不完全相同，但所測之值仍有實(shí)用參考價值。
共熔點(diǎn)的數(shù)值從0℃到－50℃不等，與產(chǎn)品的品種、保護(hù)劑的種類和濃度有關(guān)。一些物質(zhì)的共熔點(diǎn)列表二十二供參考，因?qū)嶋H的凍干產(chǎn)品還有其它成份。所以與此不相同。
表二十二一些物質(zhì)的共熔點(diǎn)（℃）

第四節(jié)凍干產(chǎn)品的崩解溫度

對于凍干產(chǎn)品的共熔點(diǎn)大家已經(jīng)熟悉了，它就是產(chǎn)品的真正固化點(diǎn)。也就是產(chǎn)品在抽真空前必須冷卻到的那個溫度點(diǎn)，不然產(chǎn)品在抽空時將會起泡，在升華加熱的時候也不能使產(chǎn)品超過這個溫度，不然產(chǎn)品將熔化。因此，共熔點(diǎn)是在預(yù)凍階段和升華階段需要進(jìn)行控制的溫度值。
現(xiàn)在引入一個崩解溫度的概念，它是不同于共熔點(diǎn)的另外一個溫度。
一個正常升華的產(chǎn)品，當(dāng)升華進(jìn)行到一定的時候，就會出現(xiàn)上層的干燥層和下層的凍結(jié)層，這二層之間的交界面就是升華面，升華面是隨著升華的進(jìn)行而不斷下降的。
已經(jīng)干燥的產(chǎn)品應(yīng)該是疏松多孔，并保持在這一穩(wěn)定的狀態(tài)，以便下層凍結(jié)產(chǎn)品升華出來的水蒸汽能順利地通過，使全部產(chǎn)品都得到良好的干燥。
但某些已經(jīng)干燥的產(chǎn)品當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值時，會失去剛性，變得有粘性，發(fā)生類似塌方的崩解現(xiàn)象，使干燥產(chǎn)品失去疏松多孔的狀態(tài)，封閉了下層凍結(jié)產(chǎn)品水蒸汽的逸出通路，妨礙了升華的繼續(xù)進(jìn)行。
于是，升華速率變慢，從凍結(jié)產(chǎn)品吸收升華熱也隨之減少，由板層供給的熱量將有多余，這樣便引起凍結(jié)產(chǎn)品的溫度上升，當(dāng)溫度升高到共熔點(diǎn)以上的溫度時，產(chǎn)品就會發(fā)生熔化或發(fā)泡現(xiàn)象，致使凍干失敗。
發(fā)生崩解時的溫度叫做該產(chǎn)品的崩解溫度。對于這樣的產(chǎn)品要獲得良好的干燥，只有保持升華中的干燥產(chǎn)品的溫度在崩解點(diǎn)以下，直到凍結(jié)產(chǎn)品全部升華完畢為止，才能使產(chǎn)品溫度繼續(xù)上升。這時由于產(chǎn)品中已不存在凍結(jié)冰，干燥產(chǎn)品即使發(fā)生崩解也不會影響產(chǎn)品的干燥，因?yàn)楫a(chǎn)品已從升華階段轉(zhuǎn)入解吸干燥階段。
沒有發(fā)生崩解的干燥產(chǎn)品與發(fā)生崩解的干燥產(chǎn)品在外觀上用肉眼看不出有什么差別，只有在顯微鏡下才能看到結(jié)構(gòu)上的變化。當(dāng)在顯微鏡下觀察產(chǎn)品的冷凍干燥過程時，如果看到發(fā)生崩解現(xiàn)象，那么這時的溫度就是該產(chǎn)品的崩解溫度。
有些產(chǎn)品的崩解溫度高于共熔點(diǎn)溫度，那么升華時僅需控制產(chǎn)品溫度低于共熔點(diǎn)溫度就行了；但有些產(chǎn)品的崩解溫度低于共熔點(diǎn)溫度，那么按照一般的方法控制升華時就可能發(fā)生崩解現(xiàn)象，這樣的產(chǎn)品只有在較低的溫度下進(jìn)行升華，因此必須延長凍干時間。
產(chǎn)品的共熔點(diǎn)可以通過電阻法、差示熱分析法和低溫顯微鏡直接觀察法得知，但產(chǎn)品的崩解溫度只有在冷凍干燥顯微鏡下直接觀察才能得知。
產(chǎn)品的崩解溫度取決于產(chǎn)品本身的品種和保護(hù)劑的種類；混合物質(zhì)的崩解溫度取決于各組分的崩解溫度。因此在選擇產(chǎn)品的凍干保護(hù)劑時，應(yīng)選擇具有較高崩解溫度的材料，使升華干燥能在不很低的溫度下進(jìn)行，以節(jié)省凍干的能耗和時間，提高生產(chǎn)率。
甘氨酸、甘露醇、葡聚糖、木糖醇、聚已烯吡咯烷酮和蛋白質(zhì)混合物等保護(hù)劑能提高產(chǎn)品的崩解溫度。一些物質(zhì)的崩解溫度℃見表二十三
表二十三一些物質(zhì)的崩解溫度℃

第五節(jié)  凍干保護(hù)劑

在冷凍干燥的液體制品中，除了那些有活性、有生命或有治療效果的組分之外，統(tǒng)稱為凍干保護(hù)劑。它不同于佐劑，佐劑具有治療效果，而保護(hù)劑則無治療效果。

有些液體制品能單獨(dú)地進(jìn)行冷凍干燥，但也有些液體制品進(jìn)行冷凍干燥往往不易成功。為了使某些制品能成功地進(jìn)行冷凍干燥，改善凍干產(chǎn)品的溶解性和穩(wěn)定性，或使凍干產(chǎn)品有美觀的外形，需要在制品中加入一些附加物質(zhì)，它們就是保護(hù)劑，有時也稱保護(hù)劑為懸浮介質(zhì)、填充劑、賦形劑、緩沖劑、基礎(chǔ)物等。保護(hù)劑對于凍干制品必須是化學(xué)隋性的。

保護(hù)劑的作用：

⒈細(xì)菌和病毒需要在特定的培養(yǎng)介質(zhì)下生長繁殖，但有些培養(yǎng)介質(zhì)與細(xì)菌和病毒往往難以分離，它們一般能成功地冷凍干燥在這些培養(yǎng)介質(zhì)中。例如肉湯、脫脂、蛋白質(zhì)等。

⒉有些活性物質(zhì)濃度極小，干物質(zhì)含量極少。在冷凍干燥時已經(jīng)干燥的物質(zhì)會被升華的氣流帶走。為了改善濃度，增加干物質(zhì)含量，使凍干后的產(chǎn)品能形成較理想的團(tuán)塊。因此需要加入填充物質(zhì)，使固體物質(zhì)的濃度在4～25％之間。這些填充物或賦形劑是：蔗糖、乳糖脫脂、蛋白質(zhì)及水解物、聚乙烯吡咯烷酮、葡聚糖、山梨醇等。

⒊有些活性物質(zhì)特別脆弱，在冷凍干燥時由于物理或化學(xué)原因會受到危害，因此加入一些保護(hù)劑或防凍劑，以減少冷凍干燥中的損害。例如，加入二甲亞礬、甘油、右旋糖苷（葡聚糖）、糖類、聚乙烯吡咯烷酮等。

⒋加入某些物質(zhì)可以提高產(chǎn)品的崩解溫度，以得到良好的產(chǎn)品并容易凍干。它們是甘露醇、甘氨酸、右旋糖苷、木糖醇、聚乙烯吡咯烷酮等。

⒌為了改變凍干液體制劑的酸堿度，從而改變共熔點(diǎn)以利于凍干，它們是碳酸氫鈉、氫氧化鈉等。

⒍為了改變產(chǎn)品貯藏的穩(wěn)定性、提高貯藏溫度，增加貯藏時間，它們是：抗氧化劑類如維生素C、維生素E、氨基酸、硫代硫酸鈉、硫尿等。

保護(hù)劑的范圍相當(dāng)寬廣，品種繁多，但找不到十分理想的保護(hù)劑。對于不同的凍干制品也沒有一個保護(hù)劑的通用配方。每種產(chǎn)品的適宜保護(hù)劑需通過反復(fù)的試驗(yàn)才能確定。

保護(hù)劑的種類按化學(xué)成份可分為以下幾類：

第六節(jié)影響干燥過程的因素

冷凍干燥過程實(shí)際上是水的物態(tài)變化及其轉(zhuǎn)移過程。含有大量水分的生物制品首先凍結(jié)成固體，然后在真空狀態(tài)下由固態(tài)冰直接升華成水蒸汽，水蒸汽又在冷凝器內(nèi)凝華成冰霜，干燥結(jié)束后冰霜熔化排出。在凍干箱內(nèi)得到了需要的冷凍干燥產(chǎn)品，干燥過程如圖十七所示。

凍干過程有二個放熱過程和二個吸收過程：液體生物制品放出熱量凝固成固體生物制品為放熱過程；固體生物制品在真空下吸收熱量升華成水蒸汽為吸熱過程；水蒸汽在冷凝器中放出熱量凝華成冰霜為放熱過程；凍干結(jié)束后冰霜在冷凝器中吸收熱量熔化成水為吸熱過程。
整個凍干過程中進(jìn)行著熱量和質(zhì)量的傳遞現(xiàn)象。熱量的傳遞貫穿冷凍干燥的全過程中。預(yù)凍階段、干燥的第一階段和第二階段以及化霜階段均進(jìn)行著熱量的傳遞；質(zhì)量的傳遞僅在干燥階段進(jìn)行，凍干箱制品中產(chǎn)生的水蒸汽到冷凝器內(nèi)凝華成冰霜的過程，實(shí)際上也是質(zhì)量傳遞的過程，只有發(fā)生了質(zhì)量的傳遞,產(chǎn)品才能獲得干燥。在干燥階段，熱的傳遞是為了促進(jìn)質(zhì)的傳遞，改善熱的傳遞也能改善質(zhì)的傳遞。
如果在產(chǎn)品的升華過程中不提供熱量，那么產(chǎn)品由于升華吸收自身的熱量使其自身的溫度下降，升華速率也逐漸下降，直到產(chǎn)品溫度相等于冷凝器的表面溫度，干燥便停止進(jìn)行。這時從凍結(jié)產(chǎn)品到冷凝器表面的水蒸汽分子數(shù)與從冷凝器表面返回到凍結(jié)產(chǎn)品的水蒸汽分子數(shù)相等，凍干箱與冷凝器之間的水蒸汽壓力等于零，達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)。
如果一個外界熱量加到凍結(jié)產(chǎn)品上，這個動態(tài)平衡狀態(tài)就被破壞，凍結(jié)產(chǎn)品的溫度就高于冷凝器表面的溫度，凍干箱和冷凝器之間便產(chǎn)生了水蒸汽壓力差，形成了從凍干箱流向冷凝器的水蒸汽流。由于冷凝器制冷的表面凝華水蒸汽為冰霜，使冷凝器內(nèi)來自由凍干箱內(nèi)的水蒸汽不斷地被吸附掉，冷凝器內(nèi)便保持較低的蒸汽壓力；而凍干箱內(nèi)流走的水蒸汽又不斷被產(chǎn)品中升華的水蒸汽得到補(bǔ)充，維持凍干箱內(nèi)較高的水蒸汽壓力。這一過程的不斷進(jìn)行，使產(chǎn)品逐步得到了干燥。
升華首先從產(chǎn)品的表面開始，在干燥進(jìn)行了一段時間之后，在凍結(jié)產(chǎn)品上面形成了一層已干燥的產(chǎn)品，產(chǎn)生了干燥產(chǎn)品與凍結(jié)產(chǎn)品之間的交界面(也稱升華界面)。交界面隨著干燥的進(jìn)行不斷下降，直到升華完畢交界面消失。當(dāng)產(chǎn)生了交界面之后，水分子要穿越這層已干燥的產(chǎn)品才能進(jìn)入空間；水分子跑出交界面之后，進(jìn)入已經(jīng)干燥產(chǎn)品的某一間隙內(nèi)。以后可能還要穿過許多這樣的間隙后，才能從產(chǎn)品的縫隙進(jìn)入空間。也可以經(jīng)過一些轉(zhuǎn)折又回到凍結(jié)產(chǎn)品之中，干燥產(chǎn)品內(nèi)的間隙有時象迷宮一樣。
當(dāng)水分子跑出產(chǎn)品表面以后，它的運(yùn)動路徑還很曲折?？赡芘c玻璃瓶壁碰撞、可能與玻璃瓶上橡膠塞碰撞、可能與凍干箱的金屬板壁碰撞、也經(jīng)常發(fā)生水分子之間的相互碰撞，然后進(jìn)入冷凝器內(nèi)。當(dāng)水分子與冷凝器的制冷表面發(fā)生碰撞時，由于該表面的溫度很低，低溫表面吸收了水分子的能量，這樣水分子便失去了動能，使其沒有能量再離開冷凝器的制冷表面，于是水分子被“捕獲”了。大量水分子捕獲后在冷凝器表面形成一層冰霜，這樣冷凝器表面溫度就略有上升，但隨來自于凍干箱內(nèi)的水蒸汽負(fù)荷的逐漸減少，冷凝器冰霜表面溫度就慢慢下降，從而也慢慢降低了系統(tǒng)內(nèi)的水蒸汽壓力，使凍干箱內(nèi)的水蒸汽不斷地流向冷凝器。隨著時間的延長，凍干箱內(nèi)不斷對產(chǎn)品進(jìn)行加熱以及冷凝器的持久工作，產(chǎn)品逐漸得到了干燥。
干燥的速率與凍干箱和冷凝器之間的水蒸汽壓力差成正比，與水蒸汽流動的阻力成反比。水蒸汽的壓力差越大，流動的阻力越小，則干燥的速率越快。水蒸汽的壓力差取決與冷凝器的有效溫度和產(chǎn)品溫度的溫度差。因此要盡可能地降低冷凝器的有效溫度和最大限度地提高產(chǎn)品的溫度。
水蒸汽的流動阻力來自以下幾個方面：
⑴產(chǎn)品內(nèi)部的阻力：水分子通過已經(jīng)干燥的產(chǎn)品層的阻力。這個阻力的大小與干燥物質(zhì)層的結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品的種類、成份、濃度、保護(hù)劑等有關(guān)。
⑵容器的阻力：容器的阻力主來自瓶口之處。因?yàn)槠靠诘慕孛孑^小，瓶口處可能還有某些物品。例如：帶槽的橡皮塞、紗布等，瓶口截面大，則阻力小。
③機(jī)器本身的阻力：主要是凍干箱與冷凝器之間的管道阻力，管道粗、短、直則阻力小。另外阻力還與凍干箱的結(jié)構(gòu)和幾何形狀有關(guān)。
加快凍干產(chǎn)品的升華速率辦法如下：
①提高凍干箱內(nèi)產(chǎn)品的溫度：能增加凍干箱內(nèi)的水蒸汽壓力，加速水蒸汽流向冷凝器，加快質(zhì)的傳遞，增加干燥速率。但是提高產(chǎn)品的溫度是有一定限度的，不能使產(chǎn)品溫度超過共熔點(diǎn)的溫度。
②降低冷凝器的溫度：也就降低了冷凝器內(nèi)水蒸汽的壓力，也能加速水蒸汽從凍干箱流向冷凝器的速率。同樣能加快質(zhì)的傳遞，提高干燥速率。但是更多的降低冷凝器的溫度需增加投資和運(yùn)行費(fèi)用。
減少水蒸汽的流動阻力也能加快質(zhì)的傳遞，提高干燥速率。降低水蒸汽流動阻力辦法有：①減小產(chǎn)品的分裝厚度和增加凍結(jié)產(chǎn)品的升華面積；
②合理的設(shè)計(jì)瓶、塞、減少瓶口阻力；
③合理的設(shè)計(jì)凍干機(jī)，減少機(jī)器的管道阻力；
④選擇合適的濃度和保護(hù)劑，使干燥產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)疏松多孔，減少干燥層的阻力；
⑤試驗(yàn)最優(yōu)的預(yù)凍方法，造成有利于升華的冰晶結(jié)構(gòu)等。這些方法均能促進(jìn)質(zhì)的傳遞，提高干燥速率。????

第六節(jié)、凍干機(jī)常見故障分析

凍干機(jī)制冷系統(tǒng)采用壓縮式制冷技術(shù)，主要部件為活塞式壓縮機(jī)、水冷凝器、機(jī)械膨脹閥及蒸發(fā)器，其中，前箱蒸發(fā)器為板式換熱器，后箱蒸發(fā)器為盤管[2]。該型凍干機(jī)制冷系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象、原因分析和解決辦法如表1所示。

2、凍干機(jī)制冷系統(tǒng)故障實(shí)例分析

2.1  壓縮機(jī)高壓異常故障

在壓縮機(jī)正常工作時，系統(tǒng)內(nèi)會產(chǎn)生高、低壓力，并有一個正常的壓力范圍。高壓異常報警是指壓縮機(jī)高壓端壓力過大觸發(fā)高壓開關(guān)，高壓壓力繼電器產(chǎn)生保護(hù)動作，壓縮機(jī)停機(jī)并發(fā)出高壓異常報警信號。高壓異常報警發(fā)生時，設(shè)備無法啟動，無法進(jìn)行生產(chǎn)，若不及時檢查維修，會導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣溫度高，造成冷凍機(jī)油變質(zhì)碳化，壓縮機(jī)有損壞的風(fēng)險。凍干機(jī)制冷系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

高壓壓力異常時，可以從以下3個方面考慮進(jìn)行維修：

1)檢查從高壓端排出的制冷劑至水冷進(jìn)口管段是否遇到堵塞，若有閥門關(guān)閉或開度不足的情況，開啟閥門并將開度調(diào)到最大，重新啟動壓縮機(jī)看是否恢復(fù)正常。

2)檢查冷凍水溫度和壓力，制冷劑或冷凍油在水冷凝器中通過冷凍水降溫使其溫度下降到理想范圍，將高溫高壓的氣體轉(zhuǎn)變成為高溫高壓的液體。若冷凍水溫度高或水量不足，導(dǎo)致高溫高壓的氣體無法轉(zhuǎn)化也會觸發(fā)報警。

3)排除以上原因后，在停機(jī)狀態(tài)下觀察壓縮機(jī)高壓壓力表，若壓力比上次開機(jī)前停機(jī)壓力高，可以懷疑壓縮機(jī)低壓存在泄漏。壓縮機(jī)在工作過程中，低壓端若存在泄漏點(diǎn)會吸入空氣，空氣與制冷劑混合后吸氣壓力升高，排氣壓力也相應(yīng)上升，導(dǎo)致冷量不足，制冷效果變差。對制冷系統(tǒng)進(jìn)行收液操作，將制冷劑回收到水冷凝器內(nèi)。打開壓縮機(jī)高壓閥門，排除內(nèi)部殘余的制冷劑，將高純氮?dú)獬淙胫评湎到y(tǒng)，然后使用泡沫法在壓縮機(jī)低壓端進(jìn)行檢漏，常見泄漏點(diǎn)在螺紋連接的地方或是低壓濾芯法蘭盤密封面。密封泄漏點(diǎn)后，繼續(xù)充入高純氮?dú)庵?.5 MPa進(jìn)行24 h保壓測試，確保測試結(jié)果合格后，對制冷系統(tǒng)抽真空加入制冷劑。試機(jī)觀察設(shè)備是否恢復(fù)正常。

第七節(jié)：不同類型凍干機(jī)測量要求及差異分析

真空冷凍干燥是凍干疫苗等生物制品和藥品生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。凍干機(jī)作為其主體設(shè)備，性能是否滿足要求并穩(wěn)定可靠，關(guān)系著藥品的質(zhì)量和人們的生命健康。因此，需對溫度、真空度進(jìn)行精確控制。同時，不變性與速度進(jìn)一步增加了兩者的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性要求，生產(chǎn)廠家在凍干前需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保其工作狀態(tài)滿足工藝要求[1-2]。

凍干機(jī)是將物料中的水分在低溫、真空環(huán)境下直接升華成水蒸氣，從而實(shí)現(xiàn)干燥目的，能在最大程度上保留物料的活性、營養(yǎng)成分和原有形態(tài)，延長物料的保存期限，廣泛應(yīng)用于制藥、食品、生物等領(lǐng)域[3-5]。由于各類型的結(jié)構(gòu)及原理存在顯著差異，應(yīng)用場景、生產(chǎn)規(guī)模及測量要求等方面也存在不同。因此，需進(jìn)行深入研究測量要求及差異，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化凍干工藝，確保產(chǎn)品符合相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)該技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和持續(xù)發(fā)展。

Part.01、凍干機(jī)種類

凍干機(jī)主要由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、凍干腔和擱板等構(gòu)成，可分為實(shí)驗(yàn)室型、中試型和生產(chǎn)型。

1.1實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)

實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)因具有小巧的體積和靈活的操作性，而在科研實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮著不可或缺的作用，主要用于藥品研發(fā)時小劑量藥物樣品的凍干實(shí)驗(yàn)，以及對細(xì)胞、蛋白質(zhì)、核酸、酶等生物樣品進(jìn)行凍干保存或?qū)σ恍┬滦筒牧系奶幚硌芯縖6]。其通常采用鐘罩式設(shè)計(jì)，即將凍干腔和冷阱設(shè)置為上下結(jié)構(gòu)，并將用于放置物料的擱板位放置于整個儀器上方，使用透明有機(jī)玻璃罩罩住外部。其中，透明有機(jī)玻璃罩的設(shè)計(jì)便于實(shí)驗(yàn)人員觀察物料的凍干情況，并實(shí)時掌握凍干過程中的變化。但部分鐘罩式凍干機(jī)存在一定局限性，如凍干腔無預(yù)凍功能，需人工進(jìn)行干預(yù);使用過程中，物料預(yù)凍結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)人員需人工操作將物料架提上來進(jìn)行抽真空升華干燥，操作相對復(fù)雜。

1.2中試凍干機(jī)

中試凍干機(jī)滿足從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)化生產(chǎn)的中間階段需求。相較于實(shí)驗(yàn)室型，體積較大，在處理能力上具有顯著提升，能處理相對較大體積的樣品;但與生產(chǎn)型凍干機(jī)相比，規(guī)模相對較小，更側(cè)重于中試規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。其應(yīng)用場景主要集中于將實(shí)驗(yàn)室研發(fā)成果進(jìn)行放大驗(yàn)證和工藝優(yōu)化。如在制藥行業(yè)中，當(dāng)新藥研發(fā)進(jìn)入中試階段時，可用于模擬工業(yè)化生產(chǎn)條件，對凍干工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和驗(yàn)證，確定最佳的凍干參數(shù)(包括溫度、壓力、時間等),為大規(guī)模生產(chǎn)提供可靠的工藝依據(jù);在食品行業(yè)中，對于一些新型食品的凍干工藝開發(fā)，能幫助企業(yè)在大規(guī)模生產(chǎn)前評估產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)可行性[7]。

1.3生產(chǎn)型凍干機(jī)

生產(chǎn)型凍干機(jī)容積和擱板面積較大，能同時處理大量的物料，滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，是大規(guī)模生產(chǎn)凍干產(chǎn)品的核心設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。如抗生素、疫苗、生物制劑、中藥注射劑等藥品;凍干蔬菜、水果、肉類、海鮮、咖啡等凍干食品;酶、蛋白質(zhì)、多肽、細(xì)胞因子等生物制品。此外，在化妝品、保健品、農(nóng)業(yè)、電子等行業(yè)中也有一定的應(yīng)用，如化妝品生產(chǎn)中，用于凍干面膜、精華液等產(chǎn)品;農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中用于凍干種子、生物菌劑等[8]。

目前，該凍干機(jī)大部分已采用先進(jìn)的自動化控制系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)凍干過程的全程自動化控制，減少人工操作，而且能在較短的時間內(nèi)完成凍干過程，提高生產(chǎn)效率。此外，部分設(shè)備還具備良好的清洗和消毒功能，能快速進(jìn)行清潔和維護(hù)，為下一次生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。

Part.02測量要求差異分析

生產(chǎn)型與中試型的工作原理和控溫方式基本相似，主要采用擱板控溫式的凍干腔和冷阱為一體。其中，凍干腔中的擱板內(nèi)部為冷阱盤管，該設(shè)計(jì)不僅自動化程度較高，操作簡便，而且與鐘罩式相比，控溫精度更高，能實(shí)現(xiàn)物料的均勻加熱和冷卻，有效確保凍干產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。由于兩種方式主要差異為控溫原理不同，因此主要測量要求差異為溫度測量。

2.1測冷阱溫度

鐘罩式凍干機(jī)是由冷阱在下部控溫，通過空氣傳熱實(shí)現(xiàn)對擱板上物料的溫度控制。目前，冷阱溫度主要采用直接測量下方冷阱的方式。

以萬能表的溫度傳感器為例。首先，將其連接至凍干機(jī)的冷阱里面壁上;然后，打開濃縮機(jī)和真空泵預(yù)平衡系統(tǒng)1h, 再將旋鈕選到溫度檔，依次測定30min、60min、90min、120min冷阱溫度。每個校準(zhǔn)點(diǎn)重復(fù)測6次，并計(jì)算算術(shù)平均值，再按式(1)、式(2)分別計(jì)算示值誤差及相對實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并作為重復(fù)性的表征。

2.2測擱板溫度

擱板控溫凍干機(jī)是通過擱板直接進(jìn)行控溫。目前，主要根據(jù)JJF(蒙)074-2024校準(zhǔn)規(guī)范[9]對擱板溫度進(jìn)行測量。

(1)將溫度測量點(diǎn)(一般為5個)布置在除頂層擱板外各層表面的4個角和幾何中心，并與其充分接觸導(dǎo)熱。其中，4角測量點(diǎn)位應(yīng)靠近每層硅油的進(jìn)、出口位置，與邊緣的距離為各邊長的1/10;真空測量點(diǎn)應(yīng)除頂層擱板外，均勻分布于最接近上、中、下擱板的中部。

(2)凍干機(jī)穩(wěn)定后，在30min內(nèi)對各測量點(diǎn)進(jìn)行測量，并將每次測量的最高與最低溫度之差的最大值作為均勻度的校準(zhǔn)結(jié)果。均勻度的計(jì)算公式為：

ΔTu=max (Timax-Timin) (3)

式中：ΔTu——溫度均勻度，℃;Timax、Timin——第i次，各測量點(diǎn)的最高(上偏差)、最低(下偏差)溫度，℃。ΔTmax=Tmax-Ts(4)

ΔTmin=Tmin-Ts(5)

式中：Tmax、Tmin——各測量點(diǎn)規(guī)定時間內(nèi)的最高、最低溫度，℃;Ts——設(shè)定溫度，℃。

Part.03

存在的問題

根據(jù)3種類型凍干機(jī)的結(jié)構(gòu)原理分析可知，不同類型凍干機(jī)最大的差異在于冷阱位置不同會直接導(dǎo)致加熱或制冷方式及位置的差異?，F(xiàn)有的測量方法雖然在一定程度上能滿足其溫度測量的需求，但仍存在一些問題。其主要包括：

(1)目前，尚無通用于所有種類凍干機(jī)的測量方法。如現(xiàn)有的針對鐘罩式凍干機(jī)和擱板控溫凍干機(jī)的測量方法。

(2)現(xiàn)有的鐘罩式凍干機(jī)測量法在實(shí)際操作中，難以將萬用表的溫度傳感器連接至冷阱里面壁上，且連接方式無法進(jìn)行溯源，導(dǎo)致無法確定測量結(jié)果的準(zhǔn)確性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，對其進(jìn)行有效的質(zhì)量控制和評估。

(3)目前，未有相應(yīng)的國家校準(zhǔn)規(guī)范，如JB/T 20032-2012行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10]缺乏具體有效的校準(zhǔn)方法，對真空凍干機(jī)的技術(shù)要求較低，無法滿足當(dāng)前形式下生物醫(yī)藥領(lǐng)域的需求;《藥品GMP指南 無菌藥品》[11]中第8章節(jié)及附錄2、EU GMP Annex1 Manufacturing of Sterile Products[12]、Lyophilization of Parenteral (7/93) FDA檢查指南等藥品驗(yàn)證方法均為廠家自行驗(yàn)證方法，即不同實(shí)驗(yàn)室或企業(yè)可能采用不同的測量方法和標(biāo)準(zhǔn)，缺乏對設(shè)備性能的具體有效的校準(zhǔn)方法，使性能評估缺乏一致性和可比性。

因此，為了推動凍干機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，提高凍干產(chǎn)品質(zhì)量，迫切需完善科學(xué)統(tǒng)一的校準(zhǔn)方法，對真空凍干機(jī)設(shè)備進(jìn)行在線全過程校準(zhǔn)，以及對設(shè)備的各參數(shù)進(jìn)行全面有效的定期校準(zhǔn)，確保設(shè)備的性能可靠，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。此外，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和行業(yè)組織應(yīng)加強(qiáng)合作，共同制定統(tǒng)一的測量標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范，促進(jìn)凍干行業(yè)的健康發(fā)展。