一、真空冷冻干燥原理
真空冷冻干燥(简称冻干)是将含水物质先冻结成固态,然后使其中的水份从固态升华成气态,从而除去水份而保存物质的方法。
1.冻干的优点:
冻干与通常的晒干、煮干、喷雾干燥及真空干燥相比有如下突出的优点。
a.冻干是在低温下干燥的,不会使蛋白质产生变性,但可使微生物等失去生物活力。这对于那些热稳定性能差的生物活性制品、生物化学类制品、基因工程类制品和血液制品等的干燥保存特别适用。
b.由于是低温干燥,使物质中的挥发性成分和受热变性的营养成分和芳香成分损失很小,因此是化学制品、药品和食品的优质干燥方法。
c..在低温干燥过程中,微生物的生长和酶的作用几乎无法进行,从而能**地保持物质原来的性状。
d.干燥后体积、形状基本不变,物质呈海绵状,无干缩,复水时与水的接触面大,能迅速还成原来的形状。
e.因一般是在真空下干燥,故氧气极少,使易氧化的物质得到了保护。
f.能除去物质中95%~99.5%的水分,制品的保存期长。
2.冻干的应用
冻干是一种优质的干燥方法。但是它需要比较昂贵的专用设备,干燥过程中的能耗较大,因此加工成本较高,目前主要应用在以下几个方面。
a.生物制品、药品方面:如抗菌素、抗毒素、诊断用品和疫苗的保存。
b.微生物和藻类方面:如各种细菌、酵母、酵素、原生动物、微细藻类等的长期保存。
c.生物标本、生物组织方面:如制作各种动植物标本,干燥保存用于动物异种或同种移植的皮肤、骨骼、主动脉、心瓣膜等边缘组织。
d.制作用于光学显微镜、电子扫描和透射显微镜的小组织片。
e.食品的干燥方面:如咖啡、茶叶、肉鱼蛋类、海藻、水果、蔬菜、调料、豆腐、方便食品等。
f.**营养品及中草药方面:如蜂王浆、蜂蜜、花粉、中草药制剂等。
g.超细微粉的制备方面:如制取Al2O3、ZrO2、TiO2、Ba2Cu3O7~8、Ba2Ti9O20等超细微粉。
h.其他方面:如化工中的催化剂,冻干后可提高催化效率5~20倍;将植物叶子、土壤冻干保存,用以研究土壤、肥料、气候对植物生长的影响及因子的作用;潮湿的木制文物、淹坏的书籍稿件等用冻干法干燥,能**限度地保持原状等。
3.冷冻干燥的基本过程如下:
a.制品的制备(前处理):如药物的培养、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。
b.制品的冻结(预冻):将制品冻结成固态。
c.**阶段干燥(升华干燥):将制品中的冰晶以升华方式除去。
d.第二阶段干燥(解吸干燥):将残留于制品的水分在较高温度下蒸发一部分,使残余水分达到预定要求。
e.密封包装:已干制品一般应在真空或充惰性气体条件下密封包装,以利于储存。
4.制品冷冻的物理基础
物质有固、液、气三态。物质的状态与其温度和压力有关。(图1)示出了水(H2O)的状态平衡。图中OL、OK、OS三条曲线分别表示冰和水、水和水蒸气、冰和水蒸气两相共存时其压力和温度之间的关系,分别称为熔化线、沸腾线和升华线。此三条曲线将图面分成固相区、液相区和气相区。箭头分别表示冰融化成水,水蒸发成水蒸气和冰升华成水蒸气的过程。曲线OK的在顶端点K,其温度为374℃,称为临界点。当水蒸气的温度高于其临界温度374℃时,无论怎样加大压力,水蒸气也不能变成水。三曲线的交点O为固、液、气三相共存的状态,称为三相点,其温度为0.01℃,压力为610.5Pa以下,且给冰加热,则冰就会不经液相直接变成气相,这一过程称为升华。
5.冻干制品的**含水量:
产品内残余水分的含量视产品种类和要求而定。一般在0.5%~4%之间。
6.冻干曲线制定过程:
冻干曲线的形状与制品的性能、装量的多少、分装容器的种类、冻干机的性能等诸多因素有关。即使同一制品,生产厂家不同,其冻干曲线亦不完全一样。因此应根据各自的具体条件,用试验定出**的冻干曲线。
冻干曲线制定的过程是,根据所获取的制品的共熔点温度、崩解温度、**预冻速率和残水含量等参数,根据所用冻干机的性能,初步拟订出搁板温度曲线和冻干箱的压力曲线,用此曲线在实验冻干机上试验。根据测量并记录的搁板温度、制品冻层温度、制品干层温度、冻干箱压力、冷阱温度等参数,随时修改冻干曲线中不合理部分。由检测和观察确定升华阶段结束和解吸干燥结束的时间,冻干结束后,对产品质量和含水量进行检测。根据所得冻干过程参数的数据,重新拟订冻干曲线并进行试验,直到得到较为满意的曲线为止。结合生产用冻干机的性能,将上述曲线加以修改,曲线的不合理部分,直到获得成熟的冻干曲线(图-3)。
二、冻干机系统
1.控制系统
控制系统有可编程程序控制器(西门子-PLC)、触摸屏、外围继电器、传感器等组成。
2.制冷系统
制冷系统由制冷压缩机及辅助设施构成,为干燥箱和冷阱提供冷源。(制冷系统中,除装有显示的高、低压压力表外还装有压力控制器。当高压压力过高时高压继电器动作,压缩机停止工作)
3.循环系统
冷冻干燥和加热是依靠温差引起物质传递的一种工艺技术。搁板的制冷和加热都是通过导热油的传热来进行,为了使导热油不断地在整个系统中循环,我们在管道中加了一个屏蔽式循环泵。
4.真空系统
真空系统由干燥箱、冷阱、真空阀门、真空泵、真空管道、真空测量规管等部分组成。真空泵组组成强大的抽吸能力,一方面促使干燥箱的水分在真空状态下升华,另一方面该系统在冷阱和干燥箱之间形成一个真空度压力差,使干燥箱水分升华后被冷阱捕获。
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