冷冻真空干燥技术应用

《冷冻真空干燥技术应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《冷冻真空干燥技术应用（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 第六章冷冻真空干燥技术 第一节冷冻真空干燥原理 优点及设备 冷冻真空干燥是一种常用的物质干燥方法 冷冻真空干燥又称冷冻干燥或冻干 通常将含有大量水分的生物活性物质先行降温预冻成固体 再在真空和适度加温条件下使固体分子直接升华成水汽抽出 最后使生物活性物质形成疏松多孔 体积不变的干燥物的过程 称为冷冻真空干燥 一 冷冻真空干燥原理 1 水的平衡相图 生产中采用真空冷冻技术对固体湿物料的干燥 通常是除去物料中的水分 因此 要了解真空冷冻原理 首先须了解水的有关物性 冰 s 水 l 水蒸气 g 熔化 气化 凝固 液化 升华 凝华 若我们继续对气 液平衡体系进行增加压强 或升温 实验 则会得到水的超

2、临界区 其中 C点就是临界点 当水的气 液平衡曲线 OC线 达到临界点 C点 后 平衡体系的性质变得均一 气 液相界面消失 体系不在分为气体和液体 2 真空冷冻干燥原理 二 冷冻真空干燥优点 1 因物料的干燥是在真空条件下进行 系统中高度缺氧 能较好地抑制微生物的生长 使易氧化的物料受到较好的保护 2 由于物料的干燥是在冷冻下进行操作 物料中的水分由冰直接升华为水蒸气被移出 使得物料中的一些挥发性成分或营养成分损失很小 比较适合一些生化制品或食品的干燥 3 真空冷冻干燥是在较低温度 低于水的冰点 下进行操作 对于许多热敏性物质的干燥特别适用 例如 对蛋白质 微生物等物质 采用真空冷冻干燥不会发

3、生变性或失去生物活性 因此在医药上得到广泛应用 4 物料在真空冷冻操作下干燥 可排出物料中95 99 左右的水分 使得到的干燥产品不易收缩 不易变质 能较好地保留物料的构造 营养纤维和固状物 使其加水后能迅速水化 恢复原来的性状 因此 采用真空冷冻干燥方法生产的食品更接近新鲜食品的风味 冻干蔬菜 冻干香蕉 三 冷冻真空干燥应用 生物制品方面疫苗 诊断制剂 血清制品等的冻干医药工业方面抗生素 维生素 酶制剂 血液制品等的冻干食品和化学工业方面速溶咖啡 果汁 催化剂等的冻干 四 冷冻真空干燥过程 真空冷冻干燥流程可知 该过程可粗略地分为预冻 升华 解析三个主要步骤 其中升华和解析是在真空条件下进行

4、的 预冻 预冻是指在冷冻干燥前 先将制品溶液分装入适宜的容器 然后在低温 40 以下 下冻结 使物料固定 为升华干燥做准备 或者说 预冻是真空冷冻干燥操作的准备阶段 在实际操作中 预冻阶段的最低温度 预冻速率和预冻时间是重要的工艺条件 预冻最低温度 溶液的预冻与水或纯液体的冻结不一样 它不是在某一固定温度下完全凝结成固体 而是在某一温度下 晶体开始析出 随着温度的下降 晶体的数量不断增加 直至全部凝结 这就是说 溶液的冻结是在某一温度范围内 凝程 当溶液在冷却时 开始析出晶体的温度常称为溶液的冰点 当溶液全部凝结时 此温度称为溶液的凝固点 或熔点 对于溶液而言 此凝固点就是溶质和溶剂的共熔点

5、在真空冷冻干燥操作中 物料预冻的最低温度应根据其共熔点来确定 一般物料预冻的最低温度应低于其共熔点的温度 预冻最优速率 在溶液预冻过程中 预冻速率的快慢往往会影响着生物活性以及形成晶体的大小 进而影响后续升华干燥速率及干燥产品的性状 因此 进行真空冷冻干燥操作前 须根据具体的干燥产品测定出预冻的最优速率 控制预冻操作 预冻时间 预冻时间与预冻速率是相关的 可根据冻干物料种类及冷冻设备情况确定 例如 对细胞悬浮液进行冷冻 若预冻时间缓慢 悬浮液大量的冰生成 会使细胞挤在冰空隙中 空隙中 因冰的形成使溶液浓缩 迫使细胞内水渗透出 造成细胞内细胞质的浓缩 不易结冰 同时 冰的形成还将迫使细胞变小 变

6、形 若进行快速预冻 则可形成胞内冰 一般来说 冷冻速度越快 温度越低 胞内冰的形成越多 恰当的预冻时间除了须考虑冻干物料的种类外 还须保证在抽真空前物料已冻实 不至于因抽真空使物料冒出容器 在共熔点温度将冻结物质中的水分除去的过程称为升华 升华阶段称为第一阶段干燥 主要除去冻结物料中大部分 约90 非结晶水 升华干燥阶段的时间长短 主要与下列因素有关 升华干燥 物料种类 不同种类的冻结物料 所需的升华干燥时间不同 一般而言 共熔点温度较高的物料易于干燥 所需的升华干燥时间较短 反之 共熔点温度较低的物料难以干燥 所需的升华干燥时间较长 物料装填厚度 物料的装填厚度直接影响着升华干燥速率 物料装

7、填越厚 所需的升华干燥时间越长 反之 物料装填越薄 所需的升华干燥时间越短 注意 若升华时提供的热量如果过多 会导致冰熔化 改变相变化路线 使干燥产品性状受到严重影响 解析干燥 升华干燥阶段只除去了冻结物料中约90 的非结晶水 还含有约10 的残余非结晶水 这部分水是未被冻结的 是靠范德华力吸附在物料毛细管壁上或靠氢键粘附在物料的极性基团上 为了使干燥产品的含水量达到标准 还需对物料进一步干燥 除去此部分水 此时的干燥常称为解析干燥 或第二阶段干燥 解析干燥阶段一般是通过升高干燥操作温度来实现 在此阶段 可以使制品的温度迅速上升到该制品的最高容许温度 并在该温度下一直维持到冻干结束 但应注意

8、解析干燥的温度不能超过物料的最高允许温度 为了确保干燥产品的安全 可通过实验来确定解析温度 例如 细菌产品的最高干燥温度一般为30 血清 抗生素等产品的最高干燥温度一般为40 五 真空冷冻干燥器 真空冷冻干燥器常称为冻干机 其种类繁多 由系统功能来看 冻干机主要由制冷系统 真空系统 加热系统和控制系统等四个部分组成 从设备结构来看 冻干机主要由干燥室 冷凝器 冷阱 真空泵 阀门 电气控制元件等部件组成 1 ZG系列真空冷冻干燥机 该设备主要由干燥箱 冷凝器 捕水器 加热系统 真空系统 制冷系统和电气控制系统等六大部分组成 该设备在食品工业主要用于果蔬 肉禽 水产 调味品 方便食品及名优特产等干

9、燥 在医药工业方面主要用于血浆 疫苗 酶 抗生素 激素等中西药品的脱水与保存 4 NLG型真空冷冻干燥机 该设备的板层温度控制系统是一个双泵系统 冷凝器的冰负荷容量大 可满足工业化生产的大负荷需要 自动控制系统调整功能强 在很多不正常的情况或误操作下 仍可顺利地按照冻干曲线完成冻干工艺过程或保护产品 也可以方便地进行手动控制 该设备可用于食品 医药 生物化工等产品的脱水干燥 5 ZDGS系列真空冷冻干燥设备 ZDGS系列真空冷冻干燥设备是由一台或多台冻干机及相应的制冷系统 真空系统 加热系统 电气控制系统 除霜系统 物料运输系统 气动系统组成 该干燥设备动化程度高 能耗低 操作简单 维修方便

10、物料托盘清洗方便 主要用于各种农副产品的深加工和生化制品的生产 第二节保护剂 保护剂 指保护细胞 微生物 寄生虫等活力和酶 激素 免疫反应物等活性的一类物质 又称稳定剂 冻干保护剂是指在冻干过程中及其后使制品的活性物质免受破坏的一类物质 保护剂用途 不同用途加不同保护剂 主要针对活的微生物或细胞 菌种或毒种保存 常用甘油作保护剂 细胞株保存 常用二甲基亚砜 DMSO 疫苗冷冻真空干燥制备时 加脱脂乳 或二甲基亚砜 和蔗糖等 不同国家有不同配方 干扰素类生物活性物质的保存 加葡聚糖 保护剂的分类 分类 根据其作用机理 渗透剂 如二甲基亚砜 DMSO 甘油和蔗糖等 非渗透剂 如聚乙烯吡咯啶酮 PV

11、P 和蛋白质等 根据其分子量大小 高分子物质 低分子物质 按其化学性质 复合物 糖类 盐类 醇类 酸类和聚合物 复合物脱脂乳 明胶 蛋白质 蛋白胨 糊精 血清 甲基纤维素等糖类蔗糖 乳糖 麦芽糖 葡萄糖 果糖等盐类乳酸钙 谷氨酸钠 氯化钠 氯化钾 醋酸铵 硫代硫酸钠等醇类山梨醇 甘油 甘露醇 肌醇 木糖醇等酸类柠檬酸 酒石酸 氨基酸等聚合物葡聚糖 聚乙二醇 聚乙烯吡咯烷酮 PVP 等 一些常用的冷冻干燥保护剂 分类保护剂 1 营养液 可修复因冻干而受损的细胞 使冻干制品含有一定量水分 可促进高分子物质形成骨架 使冻干制品呈多孔的海绵状 增加溶解度 包括糖类 如葡萄糖 乳糖 蔗糖 棉子糖等 和氨

12、基酸类 如谷氨酸 天门冬氨酸 精氨酸等 冻干保护剂组成 2 赋形剂 防止低分子物质的碳化和氧化 保护活性物质不受加热影响 使冻干制品形成多孔性 疏松的海绵状物 增加溶解度 如白蛋白 血清 明胶 脱脂乳 淀粉等 3 抗氧化剂 抑制冻干制品中的酶作用 增加生物活性物质在冻干后贮存期间的稳定性 如维生素C 维生素E和硫代硫酸钠等 保护剂的功能 保护微生物和活性物质在冻干过程中因理化因素的影响或损伤 维持较高的存活率和活性 例如 菌苗的活菌数 疫苗的病毒滴度 酶的活性等 使微生物 活性物质处于半静止或静止状态 以延长生命 活性期 活性物质在冻干过程中保持原有的构架 使制品形成海绵状结构 抗氧化剂能抑制

13、氧化作用 从而维持微生物 活性物质稳定以及静止状态 防止活性物质失去结构水及阻止结构水形成结晶而导致生物活性物质的损伤 降低细胞内外的渗透压差 防止细胞内结构水结晶 以保持细胞的活力 保护或提供细胞复苏所需的营养物质 有利于生活力的复苏和迅速修复自身 冻干保护剂作用机制 1 保护剂种类 利用不同保护剂冻干的同一种微生物的保存期的存活率不同 如 分别用7 5 葡萄糖肉汤和7 5 乳糖肉汤作保护剂冻干的沙门氏菌 在室温保存7个月后的细菌存活率分别为35 与21 因此要根据微生物种类或者用途来添加不同种类保护剂 影响保护剂效能的因素 因此保护剂浓度要严格按照配方执行 2 保护剂浓度 以大肠杆菌加不同

14、浓度葡萄糖作保护剂进行冻干 并测定冻干品的细菌存活率 证明5 10 葡萄糖存活率最高 3 保护剂配制方法例如含糖保护剂灭菌温度不宜过高 否则由于糖的炭化而影响冻干制品的物理性状和保存效果 所以均以114 30min灭菌或间歇灭菌 又如血清保护剂就不能用热灭菌法 必须以滤过法除菌 4 保护剂pH保护剂的pH应与微生物生存时的pH相同或相近 过高或过低都能招致微生物的死亡 例如明胶蔗糖保护剂的pH以6 8 7 0为最佳 否则会造成微生物大量死亡 又如含葡萄糖 乳糖保护剂经高压灭茵后能或多或少改变保护剂的pH值 从而影响保护效果 为此最好采取滤过除菌 因此 每种新的冻干制品在批量生产前应进行系统的最

15、佳保护剂选择试验 包括 保护剂冻干前后的活菌数 病毒滴度和效价测定的比较试验 不同保存条件和不同保存期的比较试验 即使在冻干制品投产以后 仍须根据条件的改变不断作选择试验 以改进冻干制品的质量 1 细菌保护剂 需氧或兼氧厌氧菌 蔗糖脱脂乳或10 蔗糖 1 5 明胶 厌氧性细菌 含0 1 谷氨酸钠的10 乳糖或10 脱脂乳或7 5 葡糖血清 注 脱脂乳 20 脱脂奶粉溶于水配制而成 常用的冻干保护剂 稳定剂 2 病毒的保护剂 5 蔗糖脱脂乳 马立克814活细胞疫苗 保存液氮 稳定剂为10 二甲基亚砜和50 犊牛血清的199液 注意 微生物保护剂缓冲液的组成比例 不同厂家有不同的配方 兽医生物制品

16、常用的保护剂 1 5 蔗糖 乳糖 脱脂乳成分 蔗糖 乳糖 5g脱脂乳加至100mL制法 充分溶解 100 蒸汽间歇灭菌5次 每次30min或110 116 高压灭菌30 40min 无菌检验阴性 4 保存备用 用途 羊痘鸡胚化弱毒冻干苗 鸡新城疫I系 IIII系冻干苗 鸡痘鹌鹑化弱毒冻干苗 鸭瘟鸡胚化弱毒冻干苗等 2 明胶蔗糖保护剂明胶2 3 g m1 蔗糖5 g m1 硫脲1 2 g m1 先分别配成12 18 明胶 30 蔗糖和6 12 硫脲原液 再按比例稀释 116 高压灭菌30 40min 无菌检验后4 保存备用 用于猪肺疫和猪丹毒弱毒冻干苗 3 40 蔗糖明胶成分 蔗糖40g 明胶12g 蒸馏水加至100mL制法混合溶解 调pH6 8 7 0 116 高压灭菌20min 无菌检验阴性 4 保存供配苗用 用途猪肺疫EO630弱毒冻干菌 4 聚乙烯毗咯烷酮乳糖成分 聚乙烯毗咯烷酮30 50g 乳糖10g 蒸馏水加至100mL制法混合溶解 120 高压灭菌20min 无菌检验阴性 4 保存供配苗用 用途水貂犬瘟热细胞冻干苗 Thanksforyourattention