真空冷凍干燥

1、真空冷凍干燥真空冷凍干燥1203023005 吳勰吳勰 真空冷凍干燥真空冷凍干燥 是一種常用的物質(zhì)干燥方法是一種常用的物質(zhì)干燥方法 一、真空冷凍干燥原理一、真空冷凍干燥原理真空冷凍干燥也叫真空冷凍干燥也叫升華干燥升華干燥或或凍干凍干。它是利用。它是利用升華的原理使物料脫水的一種干燥技術(shù)。物料升華的原理使物料脫水的一種干燥技術(shù)。物料經(jīng)快速冷凍后，在真空（低于水的三相點(diǎn)壓力）經(jīng)快速冷凍后，在真空（低于水的三相點(diǎn)壓力）環(huán)境下加熱，使其中的水分從固體的冰直接升環(huán)境下加熱，使其中的水分從固體的冰直接升華成水蒸氣，不斷移走水蒸氣，從而使物料脫華成水蒸氣，不斷移走水蒸氣，從而使物料脫水干燥。冷凍干燥得到的產(chǎn)

2、物稱(chēng)為水干燥。冷凍干燥得到的產(chǎn)物稱(chēng)為凍干物凍干物。到底什么才是真空冷凍干燥？你知道嗎？冷凍干燥技術(shù)是在第二次世紀(jì)大戰(zhàn)期間，因大冷凍干燥技術(shù)是在第二次世紀(jì)大戰(zhàn)期間，因大量需要血漿和青霉素而發(fā)展起來(lái)的?，F(xiàn)在除了量需要血漿和青霉素而發(fā)展起來(lái)的。現(xiàn)在除了應(yīng)用化學(xué)、食品和醫(yī)藥工業(yè)，還被用于制備納應(yīng)用化學(xué)、食品和醫(yī)藥工業(yè)，還被用于制備納米材料，制備催化劑和陶瓷超導(dǎo)體材料等。米材料，制備催化劑和陶瓷超導(dǎo)體材料等。真空冷凍干燥的起源 一冷凍干燥在低溫下進(jìn)行，因此對(duì)于許多熱敏性一冷凍干燥在低溫下進(jìn)行，因此對(duì)于許多熱敏性的物質(zhì)特別適用。如蛋白質(zhì)、微生物之類(lèi)不會(huì)發(fā)生的物質(zhì)特別適用。如蛋白質(zhì)、微生物之類(lèi)不會(huì)發(fā)生變性或

3、失去生物活力。因此在醫(yī)藥上得到廣泛地應(yīng)變性或失去生物活力。因此在醫(yī)藥上得到廣泛地應(yīng)用。用。 二在低溫下干燥時(shí)，物質(zhì)中的一些揮發(fā)性成分損二在低溫下干燥時(shí)，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。失很小，適合一些化學(xué)產(chǎn)品，藥品和食品干燥。 三在冷凍干燥過(guò)程中，微生物的生長(zhǎng)和酶的作用三在冷凍干燥過(guò)程中，微生物的生長(zhǎng)和酶的作用無(wú)法進(jìn)行，因此能保持原來(lái)的性狀。無(wú)法進(jìn)行，因此能保持原來(lái)的性狀。一、冷凍干燥的特點(diǎn)一、冷凍干燥的特點(diǎn)v四由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行干燥，因此體積幾乎四由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來(lái)的結(jié)構(gòu)，不會(huì)發(fā)生濃縮現(xiàn)象。不變，保持了原來(lái)的結(jié)構(gòu)，不

4、會(huì)發(fā)生濃縮現(xiàn)象。 v五干燥后的物質(zhì)疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶五干燥后的物質(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(lái)的性狀。解迅速而完全，幾乎立即恢復(fù)原來(lái)的性狀。v 六由于干燥在真空下進(jìn)行，氧氣極少，因此一些六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)。易氧化的物質(zhì)得到了保護(hù)。 v七干燥能排除七干燥能排除95-99%以上的水份，使干燥后產(chǎn)以上的水份，使干燥后產(chǎn)品能長(zhǎng)期保存而不致變質(zhì)。品能長(zhǎng)期保存而不致變質(zhì)。二、冷凍干燥過(guò)程凍干蔬菜凍干蔬菜凍干香蕉凍干香蕉 對(duì)凍干物的質(zhì)量要求通常是： 生物活性不變、外觀色澤均勻、形態(tài)飽滿、結(jié)構(gòu)牢固、溶解速度快、殘余水分低。

5、真空冷凍干燥一般分為預(yù)凍、升華、解析三個(gè)主要過(guò)程，其中升華和解析過(guò)程是在冷凍下進(jìn)行的。合理有效的縮短凍干的周期在工業(yè)上具有明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。1、預(yù)凍v預(yù)凍預(yù)凍是指在冷凍干燥前，先將制品溶液分裝是指在冷凍干燥前，先將制品溶液分裝入適宜的容器，然后在低溫（入適宜的容器，然后在低溫（-40 以下以下 ）下凍結(jié)，使物料固定，為升華干燥做準(zhǔn)備。下凍結(jié)，使物料固定，為升華干燥做準(zhǔn)備?；蛘哒f(shuō)，預(yù)凍是真空冷凍干燥操作的準(zhǔn)備階或者說(shuō)，預(yù)凍是真空冷凍干燥操作的準(zhǔn)備階段。段。v 在實(shí)際操作中，預(yù)凍階段的在實(shí)際操作中，預(yù)凍階段的最低溫度、預(yù)最低溫度、預(yù)凍速率凍速率和和預(yù)凍時(shí)間預(yù)凍時(shí)間是重要的工藝條件。是重要的工藝條件。

6、 預(yù)凍最低溫度預(yù)凍最低溫度 溶液的預(yù)凍與水或純液體的凍結(jié)不一樣，它不是溶液的預(yù)凍與水或純液體的凍結(jié)不一樣，它不是在某一固定溫度下完全凝結(jié)成固體在某一固定溫度下完全凝結(jié)成固體。而是而是在某一溫度在某一溫度下下，晶體開(kāi)始析出晶體開(kāi)始析出；隨著溫度的下降，晶體的數(shù)量不隨著溫度的下降，晶體的數(shù)量不斷增加，直至全部凝結(jié)斷增加，直至全部凝結(jié)。 這就是說(shuō)，這就是說(shuō)，溶液的凍結(jié)是在某一溫度范圍內(nèi)溶液的凍結(jié)是在某一溫度范圍內(nèi)（凝程）（凝程）。 當(dāng)溶液在冷卻時(shí)，開(kāi)始析出晶體的溫度常稱(chēng)當(dāng)溶液在冷卻時(shí)，開(kāi)始析出晶體的溫度常稱(chēng)為溶液的為溶液的冰點(diǎn)冰點(diǎn)；當(dāng)溶液全部凝結(jié)時(shí)，此溫度稱(chēng)為；當(dāng)溶液全部凝結(jié)時(shí)，此溫度稱(chēng)為溶液的溶液

7、的凝固點(diǎn)（或熔點(diǎn)）凝固點(diǎn)（或熔點(diǎn)）。 對(duì)于溶液而言，此凝固點(diǎn)就是溶質(zhì)和溶劑的對(duì)于溶液而言，此凝固點(diǎn)就是溶質(zhì)和溶劑的共熔點(diǎn)共熔點(diǎn)。 在真空冷凍干燥操作中，物料預(yù)凍的最低溫在真空冷凍干燥操作中，物料預(yù)凍的最低溫度應(yīng)根據(jù)其共熔點(diǎn)來(lái)確定。度應(yīng)根據(jù)其共熔點(diǎn)來(lái)確定。一般物料預(yù)凍的最低一般物料預(yù)凍的最低溫度應(yīng)低于其共熔點(diǎn)的溫度。溫度應(yīng)低于其共熔點(diǎn)的溫度。 預(yù)凍最優(yōu)速率預(yù)凍最優(yōu)速率 在溶液預(yù)凍過(guò)程中，預(yù)凍速率的快慢往往會(huì)在溶液預(yù)凍過(guò)程中，預(yù)凍速率的快慢往往會(huì)影響著生物活性以及形成晶體的大小，進(jìn)而影響影響著生物活性以及形成晶體的大小，進(jìn)而影響后續(xù)升華干燥速率及干燥產(chǎn)品的性狀。后續(xù)升華干燥速率及干燥產(chǎn)品的性狀。

8、因此，進(jìn)行真空冷凍干燥操作前，須根據(jù)具因此，進(jìn)行真空冷凍干燥操作前，須根據(jù)具體的干燥產(chǎn)品測(cè)定出預(yù)凍的最優(yōu)速率，控制預(yù)凍體的干燥產(chǎn)品測(cè)定出預(yù)凍的最優(yōu)速率，控制預(yù)凍操作。操作。 預(yù)凍時(shí)間預(yù)凍時(shí)間 預(yù)凍時(shí)間與預(yù)凍速率是相關(guān)的，可根據(jù)凍干物料種預(yù)凍時(shí)間與預(yù)凍速率是相關(guān)的，可根據(jù)凍干物料種類(lèi)及冷凍設(shè)備情況確定。類(lèi)及冷凍設(shè)備情況確定。 例如：對(duì)細(xì)胞懸浮液進(jìn)行冷凍。例如：對(duì)細(xì)胞懸浮液進(jìn)行冷凍。 若預(yù)凍時(shí)間緩慢，懸浮液大量的冰生成，會(huì)使細(xì)胞擠若預(yù)凍時(shí)間緩慢，懸浮液大量的冰生成，會(huì)使細(xì)胞擠在冰空隙中；空隙中，因冰的形成使溶液濃縮，迫使細(xì)在冰空隙中；空隙中，因冰的形成使溶液濃縮，迫使細(xì)胞內(nèi)水滲透出，造成細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞

9、質(zhì)的濃縮，不易結(jié)冰。胞內(nèi)水滲透出，造成細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞質(zhì)的濃縮，不易結(jié)冰。同時(shí)，冰的形成還將迫使細(xì)胞變小、變形。同時(shí)，冰的形成還將迫使細(xì)胞變小、變形。 若進(jìn)行快速預(yù)凍，則可形成胞內(nèi)冰。一般來(lái)說(shuō)，冷凍若進(jìn)行快速預(yù)凍，則可形成胞內(nèi)冰。一般來(lái)說(shuō)，冷凍速度越快，溫度越低，胞內(nèi)冰的形成越多。速度越快，溫度越低，胞內(nèi)冰的形成越多。 恰當(dāng)?shù)念A(yù)凍時(shí)間除了須考慮凍干物料的種類(lèi)外，還須恰當(dāng)?shù)念A(yù)凍時(shí)間除了須考慮凍干物料的種類(lèi)外，還須保證在抽真空前物料已凍實(shí)，不至于因抽真空使物料冒保證在抽真空前物料已凍實(shí)，不至于因抽真空使物料冒出容器。出容器。 在共熔點(diǎn)溫度將凍結(jié)物質(zhì)中的水分除去的過(guò)在共熔點(diǎn)溫度將凍結(jié)物質(zhì)中的水分除去的過(guò)程

10、稱(chēng)為程稱(chēng)為升華升華。升華階段稱(chēng)為第一階段干燥，主要。升華階段稱(chēng)為第一階段干燥，主要除去凍結(jié)物料中大部分（約除去凍結(jié)物料中大部分（約9090）非結(jié)晶水。升）非結(jié)晶水。升華干燥階段的時(shí)間長(zhǎng)短，主要與下列因素有關(guān)。華干燥階段的時(shí)間長(zhǎng)短，主要與下列因素有關(guān)。 升華干燥升華干燥 物料種物料種類(lèi)類(lèi) 不同種類(lèi)的凍結(jié)物料，所需的升華干燥時(shí)間不同。一不同種類(lèi)的凍結(jié)物料，所需的升華干燥時(shí)間不同。一般而言，共熔點(diǎn)溫度較高的物料易于干燥，所需的升華般而言，共熔點(diǎn)溫度較高的物料易于干燥，所需的升華干燥時(shí)間較短；反之，共熔點(diǎn)溫度較低的物料難以干燥，干燥時(shí)間較短；反之，共熔點(diǎn)溫度較低的物料難以干燥，所需的升華干燥時(shí)間較長(zhǎng)。

11、所需的升華干燥時(shí)間較長(zhǎng)。 物料裝填厚度物料裝填厚度 物料的裝填厚度直接影響著升華干燥速率，物料裝填物料的裝填厚度直接影響著升華干燥速率，物料裝填越厚，所需的升華干燥時(shí)間越長(zhǎng)；反之，物料裝填越薄，越厚，所需的升華干燥時(shí)間越長(zhǎng)；反之，物料裝填越薄，所需的升華干燥時(shí)間越短。所需的升華干燥時(shí)間越短。 熱量熱量 升華升華過(guò)程過(guò)程是一個(gè)吸熱過(guò)程，升華時(shí)提供的熱量直接影響是一個(gè)吸熱過(guò)程，升華時(shí)提供的熱量直接影響著升華干燥速率。著升華干燥速率。 在升華干燥過(guò)程中，在升華干燥過(guò)程中，若提供的熱量不足，必然會(huì)減慢升若提供的熱量不足，必然會(huì)減慢升華速率，延長(zhǎng)升華干燥時(shí)間華速率，延長(zhǎng)升華干燥時(shí)間；反之反之，會(huì)會(huì)加快加

12、快升華速率，升華速率，縮縮短短升華干燥時(shí)間。升華干燥時(shí)間。冰冰(s) 水蒸氣水蒸氣(g)升華、吸熱升華、吸熱凝華、放熱凝華、放熱注意：注意：若升華時(shí)提供的熱量如果過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致冰熔化，改若升華時(shí)提供的熱量如果過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致冰熔化，改變相變化路線，使干燥產(chǎn)品性狀受到嚴(yán)重影響。變相變化路線，使干燥產(chǎn)品性狀受到嚴(yán)重影響。 解析干燥解析干燥 升華干燥階段只除去了凍結(jié)物料中約升華干燥階段只除去了凍結(jié)物料中約9090的非結(jié)晶水，的非結(jié)晶水，還含有約還含有約1010的殘余非結(jié)晶水。這部分水是未被凍結(jié)的，的殘余非結(jié)晶水。這部分水是未被凍結(jié)的，是靠是靠范德華力范德華力吸附在物料毛細(xì)管壁上或靠吸附在物料毛細(xì)管壁上或靠

13、氫鍵氫鍵粘附在物料粘附在物料的極性基團(tuán)上。的極性基團(tuán)上。 為了使干燥產(chǎn)品的含水量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，還需對(duì)物料進(jìn)一為了使干燥產(chǎn)品的含水量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，還需對(duì)物料進(jìn)一步干燥，除去此部分水。此時(shí)的干燥常稱(chēng)為解析干燥，步干燥，除去此部分水。此時(shí)的干燥常稱(chēng)為解析干燥，或第二階段干燥?；虻诙A段干燥。資料卡片1.1.范德華力范德華力 范德華力是一種分子間作用力。按其實(shí)質(zhì)來(lái)說(shuō)，范德華力是一種電性的吸引范德華力是一種分子間作用力。按其實(shí)質(zhì)來(lái)說(shuō)，范德華力是一種電性的吸引力。范德華力可進(jìn)一步分為取向力、誘導(dǎo)力和色散力。力。范德華力可進(jìn)一步分為取向力、誘導(dǎo)力和色散力。2.2.取向力取向力 取向力發(fā)生在極性分子與極性分子之間。因

14、極性分子電取向力發(fā)生在極性分子與極性分子之間。因極性分子電性分布不均勻，一端帶正電，一端帶負(fù)電，形成偶極。當(dāng)兩性分布不均勻，一端帶正電，一端帶負(fù)電，形成偶極。當(dāng)兩個(gè)極性分子相互接近時(shí)，其偶極的同極相斥，異極相吸。個(gè)極性分子相互接近時(shí)，其偶極的同極相斥，異極相吸。+ -+ -3.3.誘導(dǎo)力誘導(dǎo)力 極性分子與非極性分子相遇時(shí)，在極性分子的誘導(dǎo)作用極性分子與非極性分子相遇時(shí)，在極性分子的誘導(dǎo)作用下，非極性分子變形而產(chǎn)生偶極。下，非極性分子變形而產(chǎn)生偶極。+ -取向力+ -+ -誘導(dǎo)力4.4.色散力色散力 非極性分子與非極性分子相遇時(shí)，因分子內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生瞬間偶極。在非極性分子與非極性分子相遇時(shí)，因分子內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生瞬間偶極。在瞬間偶極的作用下，非極性分子與非極性分子同樣會(huì)相互吸引。瞬間偶極的作用下，非極性分子與非極性分子同樣會(huì)相互吸引。 解析干燥階段一般是通過(guò)升高干燥操作溫度解析干燥階段一般是通過(guò)升高干燥操作溫度來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此階段，可以使制品的溫度迅速上升實(shí)現(xiàn)。在此階段，可以使制品的溫度迅速上升到該制品的最高容許溫度，并在該溫度下一直維到該制品的最高容許溫度，并在該溫度下一直維持到凍干結(jié)束。但應(yīng)持到凍干結(jié)束。但應(yīng)注意注意，解析干燥的溫度不能，解析干燥的溫度不能超過(guò)物料的最高允許