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真空冷凍干燥機(jī)詳細(xì)介紹
真空冷凍干燥機(jī)詳細(xì)介紹
冷凍干燥機(jī)是由制冷系統(tǒng),、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng),、電器儀表控制系統(tǒng)所組成的機(jī)器,。冷凍干燥機(jī)主要部件分為干燥箱、凝結(jié)器,、冷凍機(jī)組,、真空泵、加熱/冷卻裝置等。
冷凍干燥
冷凍干燥（以下簡稱凍干）就是將含水物質(zhì),，先凍結(jié)成固態(tài),，而后使其中的水分從固態(tài)升華成氣態(tài)，以除去水分而保存物質(zhì)的方法,。
在壓縮空氣干燥過程中,，其冷凍干燥是通過降低壓縮空氣溫度，使壓縮空氣中的水份析出,。冷凍干燥機(jī)（冷干機(jī)）的工作原理與電冰箱一樣,，壓縮空氣經(jīng)過冷凍的壓縮空氣管道后，壓縮空氣溫度下降至要求的溫度,，達(dá)到干燥的要求,。
起源
凍干機(jī)起源于19世紀(jì)20年代的真空冷凍干燥技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的起伏和徘徊后，在zui后的20年中取得了長足進(jìn)展,。進(jìn)入21世紀(jì),，真空凍干技術(shù)憑借其它干燥方法*的優(yōu)點，越來越受到人們的青睞,，除了在醫(yī)藥,、生物制品、食品,、血液制品,、活性物質(zhì)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用外，其應(yīng)用規(guī)模和領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)大中,。為此,，真空冷凍干燥必將成為21世紀(jì)的重要應(yīng)用技術(shù)。
優(yōu)勢
干燥的方法多種多樣,，如曬干,、煮干,、烘干,、噴霧干燥和真空干燥等,但普通干燥方法通常都在0℃以上或更高的溫度下進(jìn)行。干燥所得的產(chǎn)品一般都存在體積縮小,、質(zhì)地變硬的問題,，易揮發(fā)的成分大部分會損失掉，一些熱敏性的物質(zhì)發(fā)生變性,、失活,，有些物質(zhì)甚至發(fā)生了氧化。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。凍干法則基本上在0℃以下進(jìn)行，即在產(chǎn)品凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行,，只在后期降低產(chǎn)品的殘余水份含量時,，才讓產(chǎn)品升至0℃以上的溫度，但一般不超過40℃,。在真空條件下,，當(dāng)水蒸汽直接升華出來后，藥物剩留在凍結(jié)時的冰架中,，形成類似海綿狀疏松多孔架構(gòu),，因此它干燥后體積大小幾乎不變。再次使用前,，只要加入注射用水,，又會立即溶解。凍干機(jī)相對常規(guī)方法,，凍干法具有如下優(yōu)點：
* 許多熱敏性的物質(zhì)不會發(fā)生變性或失活,。
* 在低溫下干燥時，物質(zhì)中的一些揮發(fā)性成分損失很小,。
* 在凍干過程中,，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,。
* 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,。
* 由于物料中水分在預(yù)凍以后以冰晶的形態(tài)存在，原來溶于水中的無機(jī)鹽類溶解物質(zhì)被均勻地分配在物料之中,。升華時,，溶于水中的溶解物質(zhì)就析出，避免了一般干燥方法中因物料內(nèi)部水分向表面遷移所攜帶的無機(jī)鹽在表面析出而造成表面硬化的現(xiàn)象,。
* 干燥后的物質(zhì)疏松多孔,，呈海綿狀，加水后溶解迅速而*,，幾乎立即恢復(fù)原來的性狀,。
* 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),。
* 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),。
* 因物料處于凍結(jié)狀態(tài),，溫度很低,，所以供熱的熱源溫度要求不高，采用常溫或溫度不高的加熱器即可滿足要求,。如果冷凍室和干燥室分開時,，干燥室不需絕熱，不會有很多的熱損失,，故熱能的利用很經(jīng)濟(jì),。
正所謂沒有的技術(shù)，真空冷凍干燥技術(shù)的主要缺點是成本高,。由于它需要真空和低溫條件,，所以真空冷凍干燥機(jī)要配置一套真空系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)，因而投資費用和運轉(zhuǎn)費用都比較高,。
主要參數(shù)
1：干燥室：干燥室的尺寸（寬*深*高）,，擱板數(shù)目，擱板有效總面積,、擱板尺寸,、擱板溫度
2. 是否具備壓蓋功能：若具備是手動還自動的
3. 冷凝器：冷凝器的材料、冷凝器凝冰量,、冷凝器zui終溫度,、冷凝室門材料、除霜器系統(tǒng)
4. 冷卻系統(tǒng)：采用的壓縮機(jī)
5. 干燥能力：每天干燥樣品重量
6. 電源：
7. 監(jiān)控方式：使用外置電腦還是機(jī)器自身液晶顯示,，以及監(jiān)控的參數(shù)設(shè)計
應(yīng)用
真空冷凍干燥技術(shù)在生物工程,、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè),、材料科學(xué)和農(nóng)副產(chǎn)品深加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。
藥品冷凍干燥包括西藥和中藥兩部分。西藥冷凍干燥在國內(nèi)已經(jīng)得到了一定的發(fā)展,，很多較大型的制藥廠都有冷凍干燥設(shè)備,。在針劑方面，冷凍干燥工藝采用的比較多,，提高了藥品質(zhì)量和貯存期限,，給醫(yī)患雙方都帶來了利益。凍干藥品的品種不多,，產(chǎn)品價格高,，干燥工藝不先進(jìn)。在中藥方面,，局限在人參、鹿茸,、山藥,、冬蟲夏草等少量中藥材的凍干,，大量的中成藥還沒有采用凍干工藝，與國外差距較大,。日本幾年前就開展了“漢藥西制”,，改變了中藥的熬制方法，解決了中藥不能制成針劑或片劑的傳統(tǒng),，也解決了中藥不治急病的難題,，因此我國中藥凍干工藝及產(chǎn)品的研究很有潛力可挖。
在生物技術(shù)產(chǎn)品領(lǐng)域,，凍干技術(shù)主要用于血清,、血漿、疫苗,、酶,、抗生素、激素等藥品的生產(chǎn),；生物化學(xué)的檢查藥品,、免疫學(xué)及細(xì)菌學(xué)的檢查藥品；血液,、細(xì)菌,、動脈、骨骼,、皮膚,、角膜、神經(jīng)組織及各種器官長期保存等,。
設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展
凍干技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)備是分不開的,，到目前為止，凍干設(shè)備的形式主要分為間歇式和連續(xù)式兩大類,，設(shè)備的規(guī)模從不到一平方米到幾十平方米都有,。
間歇式凍干設(shè)備
間歇式凍干設(shè)備適合多品種小批量生產(chǎn)，特別是在食品領(lǐng)域適用于季節(jié)性強(qiáng)的食品生產(chǎn),。采用單機(jī)操作,，如果一臺設(shè)備發(fā)生故障，不會影響其它設(shè)備的正常運行,。間歇式凍干設(shè)備便于控制物料干燥時不同階段的加熱溫度和真空度的要求,。設(shè)備的加工制造和維修保養(yǎng)易于進(jìn)行。但由于裝料,、卸料,、起動等操作占用時間較多，因此設(shè)備利用率低,，生產(chǎn)效率也不高,。
連續(xù)式凍干設(shè)備
國內(nèi)外開始探索和使用連續(xù)式真空冷凍干燥設(shè)備,。連續(xù)式設(shè)備的特點是適于品種單一而產(chǎn)量龐大、原料充足的產(chǎn)品生產(chǎn),，特別適合漿狀和顆粒狀制品的生產(chǎn),。連續(xù)式設(shè)備容易實現(xiàn)自動化控制，簡化了人工操作和管理,，其主要缺點是成本高,。
隨著GMP認(rèn)證的結(jié)束，國產(chǎn)的醫(yī)藥用凍干設(shè)備全面進(jìn)入了現(xiàn)代化階段,，功能齊全,、工作可靠、性能穩(wěn)定,，可實現(xiàn)在線清洗（CIP）或蒸汽消毒滅菌（SIP）,，各項技術(shù)指標(biāo)都能滿足生物制品和藥品凍干生產(chǎn)的需要。相比之下,，國外凍干設(shè)備的品種規(guī)格比國內(nèi)多,，配套設(shè)備齊全，節(jié)能型結(jié)構(gòu)比較精致,，連續(xù)式凍干設(shè)備生產(chǎn)量大,。為保證凍干產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)能，常采用凍干設(shè)備與其它干燥設(shè)備組合在一起的組合凍干設(shè)備,，例如噴霧凍干設(shè)備,。
在未來，如何在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,，提高冷凍干燥效率,，縮短干燥時間，節(jié)約能源將是廣大凍干行業(yè)工作者的目標(biāo),。
加工工藝
凍干加工工藝對于某些生物制品,、藥品的制造起到關(guān)鍵性作用。如麻疹疫苗和卡介苗凍干前在保冷情況下的有效期只有3個月,，而卡介苗的安全試驗就需耗時2個月才能完成,。凍干工藝使卡介苗的活菌數(shù)經(jīng)4~5 年存放后仍保持在合格水平。凍干工藝生物制藥中主要應(yīng)用于生物,、生化制品,、中藥注射劑制品和熱不穩(wěn)定的抗生素類制品的生產(chǎn)。
工作原理
壓縮空氣中水蒸氣的量是由壓縮空氣的溫度決定的：在保持壓縮空氣壓力基本不變的情況下,，降低壓縮空氣的溫度可減少壓縮空氣中的水蒸氣含量,，而多余的水蒸氣會凝結(jié)成液體。冷凍干燥機(jī)就是利用這一原理采用制冷技術(shù)干燥壓縮空氣的,。因此冷干機(jī)具有制冷系統(tǒng),。格力冷凍干燥機(jī)原理正視圖
冷凍干燥機(jī)的制冷系統(tǒng)屬于壓縮式制冷,，由制冷壓縮機(jī),、冷凝器,、蒸發(fā)器、膨脹閥等四個基本部件組成,。它們之間用管道次連接,，形成一個密閉的系統(tǒng)，制冷劑在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動,，發(fā)生狀態(tài)變化并與壓縮空氣和冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱量交換,。
制冷壓縮機(jī)將蒸發(fā)器內(nèi)的低壓（低溫）制冷劑吸入壓縮機(jī)汽缸內(nèi)，制冷劑蒸汽經(jīng)過壓縮,，壓力,、溫度同時升高；高壓高溫的制冷劑蒸汽被壓至冷凝器,，在冷凝器內(nèi),，溫度較高的制冷劑蒸汽與溫度比較低的冷卻水或空氣進(jìn)行熱交換，制冷劑的熱量被水或空氣帶走而冷凝下來,，制冷劑蒸汽變成了液體,。這部分液體再被輸送至膨脹閥，經(jīng)過膨脹閥節(jié)流成了低溫低壓的液體并進(jìn)入蒸發(fā)器,；在蒸發(fā)器內(nèi)低溫,、低壓的制冷劑液體吸收壓縮空氣的熱量而汽化（俗稱“蒸發(fā)”），而壓縮空氣得到冷卻后凝結(jié)出大量的液體水,；蒸發(fā)器中的制冷劑蒸汽又被壓縮機(jī)吸走,，這樣制冷劑便在系統(tǒng)中經(jīng)過壓縮、冷凝,、節(jié)流,、蒸發(fā)這樣四個過程，從而完成了一個循環(huán),。
在冷凍干燥機(jī)的制冷系統(tǒng)中,，蒸發(fā)器是輸送冷量的設(shè)備,制冷劑在其中吸收壓縮空氣的熱量，實現(xiàn)脫水干燥的目的,。壓縮機(jī)是心臟,，起著吸入、壓縮,、輸送制冷劑蒸汽的作用,。冷凝器是放出熱量的設(shè)備，將蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機(jī)輸入功率轉(zhuǎn)化的熱量一起傳遞給冷卻介質(zhì)（如水或空氣）帶走,。膨脹閥/節(jié)流閥對制冷劑起節(jié)流降壓作用,、同時控制和調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器中制冷劑液體的數(shù)量,，并將系統(tǒng)分為高壓側(cè)和低壓側(cè)兩大部分。
制品的凍結(jié)
溶液速凍時（每分鐘降溫10~50℃）,，晶粒保持在顯微鏡下可見的大?。幌喾绰齼鰰r（1℃/分）,，形成的結(jié)晶肉眼可見,。粗晶在升華留下較大的空隙，可以提高凍干的效率,，細(xì)晶在升華后留下的間隙較小,，使下層升華受阻，速成凍的成品粒子細(xì)膩,，外觀均勻,，比表面積大，多孔結(jié)構(gòu)好,，溶解速度快,，便成品的引濕性相對也要強(qiáng)些。
藥品在凍干機(jī)中預(yù)凍在兩種方式：一種是制品與干燥箱同時降溫,，另一種是待干燥箱擱板降溫至-40℃左右,，再將制品放入，前者相當(dāng)于慢凍,，后者則介于速凍與慢凍之間,，因而常被采用，以兼顧凍干效率與產(chǎn)品質(zhì)量,。此法的缺點是制品入箱時,，空氣中的水蒸氣將迅速地凝結(jié)在擱板上，而在升華初期,，若板升溫較快,，由于大面積的升華將有可能超越凝結(jié)器的正常負(fù)荷。此現(xiàn)象在夏季尤為顯著,。
制品的凍結(jié)處于靜止?fàn)顟B(tài),。經(jīng)驗證明，過冷現(xiàn)象容易發(fā)生至使制品溫度雖已達(dá)到共晶點,。但溶質(zhì)仍不結(jié)晶,，為了克服過冷現(xiàn)象，制品凍結(jié)的溫度應(yīng)低于共晶點以下一個范圍,，并需保持一段時間,，以待制品*凍結(jié)。
二升華條件
冰在一定溫度下的飽和蒸汽壓大于環(huán)境的水蒸氣分壓時即可開始升華；比制品溫更低的凝結(jié)器對水水蒸氣的抽吸與捕獲作用,，則是維護(hù)升所必需的條件,。
氣體分子在兩次連續(xù)碰撞之間所走的距離稱為平均自由程，它與壓力成反比,。在常壓下,，其值很小，升華的水分子很容易與氣體碰撞又返回到蒸汽源表面,，因而升華速度很漫,。隨著壓力降低13.3Pa以下,，平均自由程增大105倍,，使升華速度顯著加快，飛離出來的水分子很少改變自己的方面,，從而形成了定向的蒸汽流,。
真空泵在凍干機(jī)中起著抽除*氣體的作用，以維護(hù)升華所必需的低壓強(qiáng),。1g水蒸氣在常壓下為1.25L而在13.3Pa時卻膨脹為10000升,，普通的真空泵在單位時間內(nèi)抽除如此大量的體積是不可能的。凝結(jié)器實際上形成了專門捕集水蒸氣的真空泵,。
制品與凝結(jié)的溫度通常為-25℃與-50℃,。冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分別為63.3Pa與1.1Pa,因而在升華面與冷凝面之間便產(chǎn)生了一個相當(dāng)大的壓力差,如果此時系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體分壓可以忽略不計,它將促使制品升華出來的水蒸氣,以一定的流速定向地抵達(dá)凝結(jié)器表面結(jié)成冰霜。
冰的升華熱約為2822J/克,，如果升華過程不供給熱量,，那末制品只有降低內(nèi)能來補(bǔ)償升華熱，直至其溫度與凝結(jié)器溫度平衡后,，升華也就停止了,。為了保持升華與冷凝來的溫度差，必須對制品提供足夠的熱量,。
三升華過程
在升溫的*階段（大量升華階段）,，制品溫度要低于其共晶點一個范圍。因此擱板溫要加以控制,，若制品已經(jīng)部分干燥,，但溫度卻超過了其共晶點，此時將發(fā)生制品融化現(xiàn)象,，而此時融化的液體,，對冰飽和，對溶質(zhì)卻未飽和,，因而干燥的溶質(zhì)將迅速溶解進(jìn)去,，zui后濃縮成一薄僵塊，外觀極為不良，溶解速度很差,，若制品的融化發(fā)生在大量升華后期,，則由于融化的液體數(shù)量較少，因而被干燥的孔性固體所吸收,，造成凍干后塊狀物有所缺損,，加水溶解時仍能發(fā)現(xiàn)溶解速度較慢。
在大量升華過程,，雖然擱板和制品溫度有很大懸殊,，但由于板溫、凝結(jié)器溫度和真空溫度基本不變,，因而升華吸熱比較穩(wěn)定,，制品溫度相對恒定。隨著制品自上而下層層干燥,，冰層升華的阻力逐漸增大,。制品溫度相應(yīng)也會小幅上升。直至用肉眼已不到冰晶的存在,。此時90%以上的水分已除去,。大量升華的過程至此已基本結(jié)束，為了確保整箱制品大量升華完畢,，板溫仍需保持一個階段后再進(jìn)行第二階段的升溫,。剩余百分之幾的水分稱殘余水分，它與自由狀態(tài)的水在物理化學(xué)性質(zhì)上有所不同,，殘余水分包括了化學(xué)結(jié)合之水與物理結(jié)合之水,，諸如化合的結(jié)晶水結(jié)晶、蛋白質(zhì)通過氫鍵結(jié)合的水以及固體表面或毛細(xì)管中吸附水等,。由于殘余水分受到某種引力的束縛,，其飽和蒸汽壓則是不同程度的降低，因而干燥速度明顯下降,。雖然提高制品溫度促進(jìn)殘余水分的氣化,，但若超過某極限溫度，生物活性也可能急劇下降,。保證制品安全的zui高干燥溫度要由實驗來確定,。通常我們在第二階段將板溫+30℃左右，并保持恒定,。在這一階段初期,，由于板溫升高，殘余水分少又不易氣化,，因此制品溫度上升較快,。但隨著制品溫度與板溫逐漸靠攏，熱傳導(dǎo)變得更為緩慢，需要耐心等待相當(dāng)長的一段時間,，實踐經(jīng)驗表明,，殘余水分干燥的時間與大量升華的時間幾乎相等有時甚至還會超過。
四凍干曲線
將擱板溫度與制品溫度隨時間的變化記錄下來,，即可得到凍干曲線,。比較典型的凍干曲線系將擱板升溫分為兩個階段，在大量升華時擱板溫度保持較低,，根據(jù)實際情況,，一般可控制在-10至+10之間。第二階段則根據(jù)制品性質(zhì)將擱板溫度適當(dāng)調(diào)高,，此法適用于其熔點較低的制品,。若對制品的性能尚不清楚，機(jī)器性能較差或其工作不夠穩(wěn)定時,，用此法也比較穩(wěn)妥,。
如果制品共晶點較高，系統(tǒng)的真空度也能保持良好,，凝結(jié)器的制冷能力充裕，則也可采用一定的升溫速度,，將擱板溫度升高至允許的zui高溫度,，直至凍干結(jié)束，但也需保證制品在大量升華時的溫度不得超過共晶點,。
若制品對熱不穩(wěn)定,，則第二階段板溫不宜過高。為了提高*階段的升華速度,，可將擱板溫度一次升高至制品允許的zui高溫度以上,；待大量升華階段基本結(jié)束時，再將板溫降至允許的zui高溫度,，這后兩種方式雖然使大量的升華速度有一些提高,，但其抗干擾的能力相應(yīng)降低，真空度和制冷能力的突然降低或停電都可能會使制品融化,。合理而靈活地掌握*種方式,，是較常用的方式。
使用注意
開機(jī)
1打開機(jī)箱左側(cè)的總電源開關(guān),，氣壓數(shù)顯為大氣壓110pk,；
2按住控制面板上的總開關(guān)鍵三秒鐘以上，溫度數(shù)顯為冷阱的實際溫度,；
3啟動制冷機(jī),，預(yù)冷30分鐘以上；
4將樣品放入樣品架，蓋上有機(jī)玻璃罩,，并啟動真空泵,；
5待氣壓數(shù)顯穩(wěn)定后，記錄溫度和氣壓數(shù)值,。
停機(jī)
1紀(jì)錄停機(jī)前的溫度和氣壓數(shù)值,；
2按住控制面板的充氣閥，并立即關(guān)閉真空泵,；
3氣壓數(shù)顯為大氣壓時,，打開有機(jī)玻璃罩，取出樣品,；
4關(guān)閉制冷機(jī),，按住總開關(guān)鍵三秒以上，zui后關(guān)閉總電源開關(guān),；
5等冷阱中的冰*化成水后,，打開機(jī)箱左側(cè)的出水閥放水，并用干布清潔冷阱內(nèi)壁,，蓋上大張濾紙防塵,。
注意問題
1 制備樣品應(yīng)盡可能擴(kuò)大其表面積，其中不得含有酸堿物質(zhì)和揮發(fā)性有機(jī)溶劑,；
2 樣品必須*凍結(jié)成冰,，如有殘留液體會造成氣化噴射；
3 注意冷阱約為零下65度,，可以做低溫冰箱使用,，但必須戴保溫手套操作防止凍傷；
4 啟動真空泵以前,，檢查出水閥是否擰緊,，充氣閥是否關(guān)閉，有機(jī)玻璃罩與橡膠圈的接觸面是否清潔無污物,，良好密封,；
5 一般情況下，該機(jī)不得連續(xù)使用超過48小時,；
6 樣品在冷凍過程中,，溫度逐漸降低，可以將樣品取出回暖一段時間后（仍處于冰凍狀態(tài)）,，繼續(xù)干燥,，以縮短干燥時間。
特點
1,、液晶顯示,、中文界面,，帶樣品干燥曲線；
2,、進(jìn)口壓縮機(jī),，另設(shè)有換熱器后，增大了制冷量,，提高了捕水能力,；
3、冷阱開口大,，無內(nèi)盤管,，帶樣品預(yù)凍功能；
4,、預(yù)冷架,，可作導(dǎo)流桶，加快干燥速度,；
5,、冷阱和操作面為全不銹鋼，耐腐蝕易光潔,，透明鐘罩,。
6、透明鐘罩式干燥室,，安全直觀,；
7、不銹鋼樣品架,，普通型樣品盤間距可調(diào)；
8,、設(shè)計新穎,，體積小操作方便，減少實驗室臺面占用,；
9,、可選加有氮氣充氣閥。