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1、药厂车间设计与设备题目： 冷冻干燥设备综述学 院专 业学 号学生姓名指导教师二O年 月!冷冻干燥设备综述目录1.冻干技术原理 22.冻干设备分类 32.1.干燥搁板面积 42.2.冻结方式 42.3.干燥仓形状 43. 冷冻干燥机结构 44.冻干基本过程 44.1前处理 54.2预冻 54.3干燥 53.4后处理 65. 冻干技术发展历史 65.1食品的冻干 65.2标本、医药品的冻干 75.3当今情况 86. 冻干设备医药领域应用 86.1中药现代化 86.2西药制备 86.3生物制品的保存 97. 冻干设备主要厂商 97.1国内主要厂商及产品 97.2国外主要厂商及产品 118. 冻干发展
2、现状和趋势 118.1制冷系统的发展现状和趋势 128.2控制系统的发展现状和趋势 138.3整合的冻干生产线 138.4结论 139.参考文献 141. 冻干技术原理 真空冷冻干燥技术，也可称之为冷冻升华干燥，它是将经过一定处理的新鲜 物料或者湿物料的温度降低到物料共晶点温度以下，使物料内部的水分完全冻结 形成固态的冰，然后适当抽取干燥仓内的空气，使其达到一定的真空度，之后对 加热板进行加热达到适当的温度下，使冰直接升华为水蒸气，再利用真空系统的 捕水器或者制冷系统的水气凝结器将水蒸气冷凝，从而得到干制品物料的一种技 术。真空冷冻干燥技术其干燥过程是物料内部水分的物理状态变化并且逐渐移动的过
3、程，由于这种变化和移动是发生在低温低压条件下的，因此，真空冷冻干燥技术的基本原理就是低温低压下传热传质的机理。在低压下水的相变过程和常压下大体相似，但相变时的具体温度不同。例如 在103 Pa压力下，固态冰转化为液态水的温度略高于0C,而液态水转化为蒸汽 的温度为6.3C,可见降低压力后冰点变化不大，而沸点却大大降低了。可以想象, 当压力降低到某一值时，沸点即与冰点相重合，固态冰就可以不经液态而直接变 为气态，这时的压力称为三相点压力，相应的温度称为三相点温度。水的三种聚集态随温度和压强不同而变化，以压强为纵坐标，温度为横坐标表 示水的聚集态，称为水的相平衡图。由图可以看出，OS,OL, OK
4、三条曲线把相图分 成三个区域，即气相、液相、固相。OS曲线为气固两相平衡共存的状态，这时的 水蒸气压强为水的饱和蒸汽压，OL曲线为液固两相平衡共存的状态，OK曲线为气 液两相平衡共存的状态，K为水的临界点，K点温度为374C，压强为2.11X107Pa， 在此点液态水不存在。O点为三条曲线的交点，即三相点，三相点温度为0.01C, 三相点压力为610.5Pa,是水的三相平衡共存的状态。真空冷冻干燥是在三相点以 下进行的。2. 冻干设备分类冻干机按照不同用途可划分为实验用冻干机和生产用冻干机;冷冻干燥设备综述2.1.干燥搁板面积按照干燥搁板面积大小划分为小、中、大3种类型（冻干面积在1m以 下的
5、为小型；110 m为中型；1050 m为大型）；2.2 .冻结方式按冻结方式划分为冻干合一型和冻干分离型；按作业方式划分为间歇式、 半连续式和连续式；2.3.干燥仓形状按干燥仓形状划分为方形、圆型和隧道式；按自动化程度划分为手动型、 半自动型和全自动型。3. 冷冻干燥机结构图8-1真空冷冻干燥流程1冷冻干燥箱；2搁板温度计；3真空度传感器；4主真空阀；5度调节器;6真空冷凝器；7热风风机；8罗茨泵；9油回转真空泵；10主冷冻机；11控 制冷冻机；12导热液泵；13液压泵；14控制屏；15空气或氮气4. 冻干基本过程真空冷冻干燥流程图真空冷冻干燥过程一般可以分为四个主要的阶段：前处理、预冻、干燥
6、和后处理4.1 前处理对于不同的待干物料，前处理的方法是不同的。有的工序比较复杂，有的 工序则相对比较简单。但是通常为了获得安全卫生的产品，对冷冻干燥设备 进行消毒是必不可少的工序。常用的消毒方法有：（1）气体杀菌消毒法 该消毒法是利用气态的或汽化的化学物质来处理设 备或材料，常用消毒剂有：环氧乙烷、甲醛、环氧丙烷、澳代甲烷及B丙醇酸 内脂。（2）加热杀菌法 干加热：利用氧化方法杀死细菌，实际上大部分是焚化 了；直接蒸汽加热：采用专门的低压蒸汽消毒蒸锅，要求蒸汽温度保持在 120*左右，持续时间至少30分钟。为了防止蒸汽加热不到死角现象的出现, 在通入蒸汽前应将整个系统抽真空至lOOPa。用7
7、0%的酒精在箱内喷雾，经 过 24 小时后用消毒布擦干；负压蒸汽加热杀菌剂：将冻干箱和整个系统抽 真空至10Pa以下，通入7090的蒸汽加福尔马林溶剂，使容器保持在热 状态下 2 小时。（3）辐射杀菌法 紫外线辐射：采用低压汞放电灯作为辐射源，产生波长 为2.537X10-3m的紫外线进行辐射杀菌，这些紫外线对人体的皮肤、眼睛是 有损害的，使用时要特别注意防护；X射线：高压下产生的X射线具有很强 的渗透力，可用来消毒食品和药品，它对各种微生物都具有杀伤作用，但若 要杀死全部细菌则需要相当长的辐射时间；阴极射线：阴极射线具有快速杀 菌作用。4.2 预冻 预冻就是将物料中的自由水固化，从而确保干燥
8、后的产品与干燥前有相 同的形态，防止真空干燥时起泡、抽缩、浓缩和溶质移动等不可逆变化的发 生，减少因真空干燥后温度下降引起物质的可溶性降低和物质生命特性的变 化。预冻对冻干产品的质量起着至关重要的作用，因此必须满足以下两项基 本要求：适当的降温速率。降温速率过快，细胞外溶液开始结冰时，细胞内 部的水分来不及通过细胞膜渗透到细胞外面，从而使细胞内部溶液过冷，形 成胞内冰；降温速率过慢，使细胞过度脱水，严重皱缩，细胞在不太低的温 度下，在高浓度的溶液中经历的时间过长，从而导致细胞损伤，甚至死亡。 降温速率取决于冷源的温度、样品数量、容器体积和表面积、样品容器和冷 环境之间的传热等。人们经过多年的探
9、索，发现针对不同的细胞和不同的保 护剂，存在着各不相同的最佳冷。4.3 干燥 物料的干燥阶段一般分为两个阶段，升华干燥阶段和解析干燥阶段。（1）升华干燥阶段 升华干燥阶段也称第一阶段干燥，将冻结后的产品置 于密闭的真空容器中加热，使冰晶升华成水蒸汽逸出，从而使产品脱水干燥。 干燥是由外表面逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的空隙就变成尔后升华 水蒸汽的逸出通道。已干层和冻结部分的分界面称为升华界面。当全部冰晶 除去时，第一阶段的干燥就完成了，此时约除去全部水分的 90%左右。但在 干燥过程中，应该始终保持物料中的未干燥部分为冻结状态。若温度过高则 会引起冰晶融化，所以应使物料的冻结层温度低于其共
10、晶点温度。另外，也不能加热过快使已干层温度超过其崩解温度，所谓崩解温度就是 某些已干的产品当温度达到某一数值时会失去刚性发生类似崩溃的现象，失 去疏松多孔的性质而使干制品发粘、比重增加、颜色加深等。干制品发生崩冷冻干燥设备综述 解以后影响冻干层中出来的水蒸汽的通过，导致产部分融化。为了提高冻干 层的导热系数，干燥室内压力越高越好，但干燥室内压力过高又会使水蒸汽 很难从升华界面逸出，造成升华界面温度过高，冻结层融化和干燥层崩解。 综合考虑，一般将干燥室内压力控制在13150Pa之间。（2）解吸干燥阶段 解吸干燥阶段也称为第二阶段干燥。在第一阶段干燥 结束之后，在干燥物料的毛细管壁和极性基团上还吸
11、附有一部分水，这些水 是未被冻结的。当它们达到一定含量，就为微生物的生长繁殖和某些化学反 应提供了条件。实验证明，即使是分子层以下的低含水量，也可以成为某些 化合物的溶液，产生与水溶液相同的推移性和反应性。因此，为了改善产品 的贮存稳定性，延长其保存期，需要除去这些水分。3.4 后处理冻干后的产品不仅含水量低，而且疏松多孔，因而吸湿性强，再加上物 料表面积相对增大，易受氧化影响，为便于保存，后处理不容忽视。后处理 容为封装和储藏。产品不同，包装方法也不同。对于生物制品，冻干结束后 要向箱内充入无菌的干燥空气，然后在无菌室内将容器封口，或在冻干结束 后在冻干箱内真空加塞或包装。5. 冻干技术发展
12、历史真空冷冻干燥技术的用途是非常广泛，而且干燥后的产品品质较高，其发 展史可以从以下两个方面分别来进行阐述。5.1 食品的冻干很早以前人们就知道冻干能够长时间保存食物。古代北欧的海盗利用干寒 空气的自然条件来干燥和保存食物，就是其中一例。而真正的食品冻干技术 起源于20世纪30年代。1930年,Flosdorf进行了食品冻干的试验，他在1949 年的著作中展望了冻干在食品和其他疏松材料方面应用的前景。 1 94 1年，英 国的 Kidd 利用热泵原理冻干食品。食品冻干的系统研究始20世纪50年代。其中规模最大的是英国食品部在Aberdeen 试验工厂进行的研究。他们在综合了当时一些研究成果的基
13、础上, 于1961年公布了试验成果，证明用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年代后期，欧美国家相继建立了一批冻干食品厂，开始 了食品冻干的工业生产。到60年代初，美国农业部的“Bird”报告预测食品冻干将有很大发展， 在此推动下，许多制造商参与了食品冻干机的开发制造。但到 20 世纪 60 年 代后半期发现，实际与预测的差距很大。除冻干咖啡有较大增长外，各种固 态食品（蔬菜、肉类、海产品）的冻干未见多大发展，导致食品冻干设备几乎 没有什么改进。此后产生了第一代食品冻干机，它主要用加热隔板、托盘与 食品材料间的接触传热来提供升华热。直到20世纪60年代后期和70年代初期，
14、相继开发了非托盘连续冻干机。 后来又开发了与连续型冻干方法相似的批次式冻干机。这种将制品置于托盘 中在干燥室内输送的方式，避免了制品微粉的飞散，这就是沿用至今的第二 代食品冻干机。它的成功开发，缩短了食品冻干周期，降低了生产成本， 对食品冻干的发展是一个有力的推动。随着日本的民族饮食文化的发展，冻 干葱、蒜、豆酱、方便面汤料等的需要量很大，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。5.2标本、医药品的冻干1890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 干燥了多种器官和组织。他的工
15、作确立了生物标本系统的冻干程序，这是冻 干在制作生物标本中的最早应用。1909年，Shackell将冻干引入细菌学和 血清学领域。采用盐冰预冻，在真空状态下用硫酸作吸水剂，对补体、抗毒 素、狂犬病毒、免疫血清、肉和血液等进行冻干，其设备虽十分简陋，但却 是后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验，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的相互关系，冻干技术没有长足地进步, 仍然停留在实验研究阶段。直到19351936年间，Flosdorf和Greaves等分别研制了比较完善的冻 干仪器和设备，使冻干生物制品技术由实验室走向工业化大生产。当时，正 值第二次世界大战，需要制备大量干的人血浆和青霉素，因而，冻干生产得 到迅速发展。到20世纪70年代，冻干理论和设备的研究已逐步趋于完善。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自动程序生产。20世纪80年代初，各国医药行业纷纷贯彻GMP （医药制造管理和品质 管理规则），将“过程检验”引入冻干生产，各厂商竞争的焦点变为产品的安 全性、生产的可靠性、生产过程的重复再现性，从而推动医药冻干技术的进
