藥品和食品的冷凍干燥

1、School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology藥品和食品的冷凍干燥第一章第一章 緒言緒言School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Scien

2、ce and Technology引起食品變質(zhì)的主要原因生物作用：生物作用：微生物生長(zhǎng)（細(xì)菌、酵母菌、霉菌）化學(xué)作用：化學(xué)作用：酶促生化反應(yīng)（脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶、果膠酶、氧化酶等的 氧化作用、呼吸作用）物理作用：物理作用：機(jī)械損傷（內(nèi)、外）機(jī)械損傷（內(nèi)、外）School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology食品變質(zhì)的抑制溫度 水分 壓力 pH.Sc

3、hool of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology溫度對(duì)微生物的影響微生物最低生長(zhǎng)溫度最適生長(zhǎng)溫度最高生長(zhǎng)溫度嗜熱菌嗜溫菌低溫菌嗜冷菌3545515-55-10-550703045253012157090455530551525School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medica

4、l Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology溫度對(duì)酶的作用School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology溫度對(duì)呼吸作用的影響 QKK1021種類溫度010112116.626.622.232.233.343.3草莓桃子檸檬桔子葡

5、萄3.454.103.953.303.352.103.151.701.802.002.202.251.951.551.452.001.601.652.50水果呼吸速率的溫度系數(shù)Q10School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology水分活度(water activity)Microorganism InhibitedawClostridium botu

6、linum E.97Pseudomonas fluorescens.97Escherichia coli.95Clostridium perfringens.95Salmonella.95Vibrio cholerae.95Clostridium botulinumA, B.97Bacillus cereus.93Listeria monocytogenes.92Bacillus subtilis.91Staphylococcus aureus.87Most Fungi.70No microbial proliferation.50School of Medical Instrument an

7、d Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology水分活度對(duì)酶的影響水分活度酶的活性School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology物理方法物理方法 化學(xué)方法化學(xué)方法食

8、品保存食品保存方方 法法干燥保藏法高溫保藏法低溫保藏法輻射保藏法泡制與腌制法化學(xué)添加劑法：陽(yáng)光干燥、冷凍干燥：巴氏消毒法、超高溫消毒法：抑制微生物的繁殖：利用、X射線殺滅微生物：微生物脫水和抑制或殺死腐敗菌：防腐劑、保鮮劑、色素食品保存方法食品保存方法食品保存的基本原理：通過物理或化學(xué)因素的改變抑制微生物的生長(zhǎng)和酶的作用。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and

9、Technology干燥（Drying or Dehydration)The oldest known method of food preservation is drying food using the heat from the sun.（曬干或風(fēng)干）對(duì)流干燥接觸干燥輻射干燥冷凍干燥冷凍干燥School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology對(duì)流

10、干燥在濕物料干燥過程中，利用熱氣體作為熱源去除濕物料所產(chǎn)生蒸氣的干燥方法總稱為對(duì)流干燥。它是應(yīng)用最廣的一種干燥方法。隧道式干燥帶式干燥流化床干燥噴霧干燥School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology被干燥物與加熱面處于密切接觸狀態(tài)，蒸發(fā)水分的能量來自傳導(dǎo)方式進(jìn)行干燥，間壁傳熱，干燥介質(zhì)可為蒸汽、熱油。特點(diǎn)：回轉(zhuǎn)或滾筒加熱，可實(shí)現(xiàn)快速干燥，可使物料固

11、形物從3-30%增加到90-98%，表面濕度可達(dá)100-145，接觸時(shí)間2秒-幾分鐘，干燥費(fèi)用低，帶有煮熟風(fēng)味。適用對(duì)象：漿狀、泥狀、液態(tài)，一些受熱影響不大的食品，如麥片、米粉接觸干燥School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology以輻射形式加熱糧食，降低水分的干燥方法射線的形式可以是紫外線、電子束、紅外線、微波等。 輻射干燥School of Me

12、dical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology將含水物料冷凍到冰點(diǎn)以下，使水轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，然后在將含水物料冷凍到冰點(diǎn)以下，使水轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，然后在較高真空下將冰轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵舛サ母稍锓椒?。物料較高真空下將冰轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵舛サ母稍锓椒?。物料可先在冷凍裝置內(nèi)冷凍，再進(jìn)行干燥?？上仍诶鋬鲅b置內(nèi)冷凍，再進(jìn)行干燥。但也可直接在干燥室內(nèi)經(jīng)迅速抽成真空而冷凍。升華生成的水蒸氣借冷凝器除去。升華

13、過程中所需的汽化熱量，一般用熱輻射供給。冷凍干燥冷凍干燥食品保存方法之一食品保存方法之一School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology冷凍干燥法的特點(diǎn)冷凍干燥法的特點(diǎn) （與通常的曬干、烘干、煮干、噴霧干燥及真空干燥相比）1.在低溫下干燥，物質(zhì)中的揮發(fā)性成分和受熱變性的營(yíng)養(yǎng)成分和芳香成分損失?。ㄈ绲鞍踪|(zhì)、維生素、植物營(yíng)養(yǎng)素等）。 2.低溫干燥過程中，

14、微生物的生長(zhǎng)和酶的作用幾乎無(wú)法進(jìn)行，能最好的保持物質(zhì)原來的性狀。 3.干燥后保留原有外形、色澤和構(gòu)造，物質(zhì)呈海綿狀，無(wú)干縮，復(fù)水時(shí)，與水接觸面積大，能迅速還原成原來的形狀。 4.在真空下干燥，氧氣少，易氧化的物質(zhì)可以得到保護(hù)。5.除去物質(zhì)中95%以上的水，重量輕，易于運(yùn)輸和長(zhǎng)期保存。 專用設(shè)備，能耗高，耗時(shí)長(zhǎng)，加工成本高，不能廣泛采用。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Scien

15、ce and Technology1.1 冷凍干燥技術(shù)歷史 利用冰晶升華進(jìn)行脫水的原理早在 19 世紀(jì)初期就已有學(xué)者提出。 1909 年，Shackell 發(fā)表了他的凍干實(shí)驗(yàn)報(bào)告。所用設(shè)備是極原始的真空泵，用食鹽和冰做冷媒，用硫酸做干燥劑。所得凍干制品是補(bǔ)體、抗血清、狂犬病毒。在研究和開發(fā)生物制品的凍干技術(shù)方面開創(chuàng)了新紀(jì)元。1935 年，第一臺(tái)商業(yè)用凍干機(jī)問世。 Flosdorf和Greaves等分別研制了比較完善的凍干儀器和設(shè)備，使凍干生物技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化大生產(chǎn)。制冷技術(shù)制冷技術(shù)真空技術(shù)真空技術(shù) Lyophile法：用冷阱來捕集升華水蒸氣 Cryochem法：用硫酸鈣等便宜的吸水劑來捕

16、集升華水蒸氣 Desivac法：用抽氣機(jī)抽除升華水蒸氣1940 年，凍干人血漿和青霉素的大量生產(chǎn)，第二次世界大戰(zhàn)對(duì)凍干技術(shù)在醫(yī)藥界的應(yīng)用起到了巨大的推動(dòng)作用。戰(zhàn)后，凍干法又迅速擴(kuò)展到各種疫苗、藥品等領(lǐng)域。直到目前，凍干技術(shù)在醫(yī)藥生產(chǎn)領(lǐng)域仍在廣泛地應(yīng)用。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology對(duì)食品冷凍干燥的系統(tǒng)研究始于 50 年代。 60年代

17、，世界凍干食品有了長(zhǎng)足發(fā)展。美、日、德、荷蘭、丹麥等國(guó)相繼建立起了自己的食品凍干工廠。當(dāng)時(shí)，出現(xiàn)在歐美市場(chǎng)上的所有凍干食品中，以咖啡最為成功，在日本，凍干方便面占了它的整個(gè)方便面市場(chǎng)的一半，成為凍干技術(shù)應(yīng)用的推動(dòng)力。7090年代，F(xiàn)D水果制品（草莓、哈密瓜）； FD肉制品（咖喱牛肉、什錦米板）； FD調(diào)味品（方便面調(diào)料、茶）； 在世界范圍內(nèi)，合成食品、蔬菜、蝦仁、油炸物、肉醬、松茸、魚類、貝類、肉類加工等工業(yè)開始廣泛使用了凍干技術(shù)。 90年代至今，微生物的凍干保存；制造超細(xì)微粒（納米級(jí)）。School of Medical Instrument and Food EngineeringScho

18、ol of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology學(xué)術(shù)發(fā)展1944年，第一部冷凍干燥技術(shù)和理論專著年，第一部冷凍干燥技術(shù)和理論專著1951、1958年第一、二屆凍干專題討論會(huì)年第一、二屆凍干專題討論會(huì)1963年，美國(guó)制定了凍干藥品年，美國(guó)制定了凍干藥品GMP生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，1969年年國(guó)際貿(mào)易組織決定執(zhí)行凍干藥品的國(guó)際貿(mào)易組織決定執(zhí)行凍干藥品的GMP標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。1990年后，生物藥品的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)冷年后，生物藥品的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)冷凍干燥技術(shù)提出了新要求。

19、凍干燥技術(shù)提出了新要求。1980年后，年后，“溶液玻璃化理論溶液玻璃化理論”和和“食品聚合物科學(xué)食品聚合物科學(xué)”等等為冷凍干燥技術(shù)的發(fā)展提供了一些理論基礎(chǔ)。為冷凍干燥技術(shù)的發(fā)展提供了一些理論基礎(chǔ)。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology物料的預(yù)處理或制備物料的預(yù)處理或制備物料的冷卻固化過程物料的冷卻固化過程升華干燥（一次干燥）過程升華干燥（一

20、次干燥）過程解吸干燥（二次干燥）過程解吸干燥（二次干燥）過程封裝和儲(chǔ)存封裝和儲(chǔ)存1.2 冷凍干燥的基本過程 School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology物料的預(yù)處理或制備食品預(yù)處理：物理、化學(xué)處理，包括清洗、分級(jí)、切片、漂燙、殺菌、濃縮等。不同食品預(yù)處理內(nèi)容也有所不同，一般不加添加劑。藥品和細(xì)胞預(yù)處理：必須添加劑，添加劑功能分類：凍干保護(hù)劑、乳化

21、劑、填充劑、抗氧化劑、酸堿調(diào)整劑。其中糖類（海藻糖、蔗糖等）是很有效的凍干保護(hù)劑。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology物料的冷卻固化過程是將物料充分冷卻，不僅要使物料中的自由水完全結(jié)成冰，還要使物料中其他部分也完全固化，形成固態(tài)的非晶體（玻璃態(tài)）。冷卻固化后的物料，實(shí)際上是既具有晶態(tài)，又具有玻璃態(tài)的、堅(jiān)硬的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。冷卻固化過程的最終溫度

22、應(yīng)當(dāng)是完全固化溫度（Tcs），它應(yīng)低于物料的共晶溫度（Te），或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology在冷卻固化過程中，物料的冷卻速率十分重要，快速冷卻能使物料在凍結(jié)過程中不至過多地脫水，并能實(shí)現(xiàn)部分玻璃化；但過快冷卻會(huì)造成細(xì)胞損傷和物料斷裂等不良現(xiàn)象。降溫過程的溫度隨時(shí)間變化的情況會(huì)對(duì)物料的熱物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，就和

23、熱處理會(huì)對(duì)金屬機(jī)械性質(zhì)產(chǎn)生影響類似。在冷卻固化過程中，如有一段“退火”（annealing）階段，會(huì)引起物料的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度Tg等性質(zhì)的變化。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology升華干燥（一次干燥）過程物料中的水分,對(duì)冷凍干燥過程的分析而言，可以劃分為兩類。一類是在低溫下可被凍結(jié)成冰的，這部分的水可以稱為“自由水”（free water）

24、或“物理截留水”；另一類是在低溫下不可被凍結(jié)的水分，這部分的水可以被看作是被“束縛”的，稱為“結(jié)合水”或“束縛水”(bound water)。對(duì)于含水量高的物料，其中“自由水”的含量約占總水分量的90%以上。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology升華干燥（一次干燥）過程是指在低溫下對(duì)物料加熱，使其中被凍結(jié)成冰的“自由水”直接升華成水蒸汽。一

25、次干燥的物料溫度必須低于物料的最高允許溫度凍結(jié)層的溫度低于共晶溫度干燥層的溫度低于塌陷溫度School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology加熱：在一次干燥過程中，所需要的熱量為冰的升華熱。加熱的方式可以是擱板導(dǎo)熱加熱；或輻射加熱。要維持升華干燥的順利進(jìn)行，必須滿足兩個(gè)基本條件：一是升華產(chǎn)生的水蒸汽必須不斷地從升華表面被移走；二是必須不斷地給物料提供升

26、華所需要的熱量。如控制不好，會(huì)出現(xiàn)軟化、融化、隆起、塌陷等現(xiàn)象。 升華干燥過程實(shí)際上是傳熱、傳質(zhì)同時(shí)進(jìn)行的過程。只有當(dāng)傳遞給升華界面的熱量等于從升華界面溢出的水蒸汽所需的熱量時(shí)，升華干燥才能順利進(jìn)行。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and TechnologySchool of Medical Instrument and Food EngineeringSch

27、ool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology解吸干燥（二次干燥）過程第一階段干燥結(jié)束后，在干燥物料的多孔結(jié)構(gòu)表面和極性基團(tuán)上還吸附著未凍結(jié)的結(jié)合水。吸附的能量很大，必須提供較高的溫度和足夠的熱量，才能實(shí)現(xiàn)結(jié)合水的解吸過程。解吸干燥，是在較高溫度下加熱，使物料中被吸附的部分“束縛水” 解吸，變成“自由”的液態(tài)水，再吸熱蒸發(fā)成水蒸汽。在解吸干燥過程中，物料的溫度Tw2必須低于物料的最高允許溫度Tmax2。 最高允許溫度Tmax2由物料的性質(zhì)所決定，如對(duì)

28、蛋白質(zhì)藥物，最高允許溫度一般應(yīng)低于40 ；對(duì)果蔬等食品，最高允許溫度可以到60-70。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology在二次干燥過程中，所需要的熱量為解吸附熱與蒸發(fā)熱之和，一般簡(jiǎn)稱之為“解吸熱”。在二次干燥過程結(jié)束時(shí)，物料中的含水量應(yīng)當(dāng)達(dá)到最終要求的剩余含水量RMF（residual moisture final）。凍干后物料中的剩余

29、水分含量過高或過低都是不利的。剩余含水量過高不利于長(zhǎng)期貯存；過低也會(huì)損傷物料的活性。經(jīng)二次干燥后，凍干后物料中的剩余水分含量一般應(yīng)低于5%。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and TechnologySchool of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and

30、Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology封裝和密封工質(zhì)對(duì)工質(zhì)對(duì)經(jīng)二次干燥后，要進(jìn)行封裝和儲(chǔ)存。在干燥狀態(tài)下，如果不與空氣中的氧氣和水蒸汽相接觸，凍干藥品可以長(zhǎng)時(shí)間貯存。待需要使用時(shí)，再將其復(fù)水（rehydration）。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Techno

31、logy封裝仍須在真空條件，或充惰性氣體（氮?dú)饣驓鍤猓┑臈l件下進(jìn)行。對(duì)于瓶裝(vial)的物料，可在干燥室內(nèi)，用壓瓶塞器(stopper)直接將橡膠瓶塞壓下，堵住蒸汽通道，并保證密封。對(duì)于安瓿(ampoule)裝的物料或較大塊的物料，可由干燥室通過真空通道引出，送至真空室，或充惰性氣體室，用機(jī)械手封裝。凍干物料的儲(chǔ)藏溫度一般是室溫。藥品4，-18 School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for

32、 Science and Technology1.3 冷凍干燥系統(tǒng)的構(gòu)成 冰的升華對(duì)冷凍干燥系統(tǒng)的技術(shù)要求冰的升華對(duì)冷凍干燥系統(tǒng)的技術(shù)要求 水的三相點(diǎn)為0.01 和610.62 Pa。冰的飽和蒸汽壓，隨溫度降低而降低。 不同溫度下冰的飽和蒸汽壓不同溫度下冰的飽和蒸汽壓溫度/-70-60-50-40-30-20-100.01壓力/Pa0.2621.113.9412.938.0103.3259.9610.62School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineeri

33、ng University of Shanghai for Science and Technology欲使溫度處于三相點(diǎn)溫度以下的冰進(jìn)行升華，可以有兩個(gè)途徑。一個(gè)是加熱升溫；另一個(gè)是抽空降壓。實(shí)際上，這兩種方法是同時(shí)應(yīng)用的。例如，我們要求物料在-40下升華，干燥室內(nèi)的水蒸汽壓力必須低于12.9Pa；同時(shí)為了提供冰升華所需要的熱量（冰在-40的升華熱為2838.6kJ/kg）, 必須對(duì)物料進(jìn)行加熱。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering

34、University of Shanghai for Science and Technology冷凍干燥系統(tǒng)主要由干燥箱（或稱凍干箱）、冷阱、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。 School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology冷凍干燥系統(tǒng)主要部件的技術(shù)要求冷凍干燥系統(tǒng)主要部件的技術(shù)要求 凍干箱 凍結(jié)過程 干燥室 冷阱（cold trap

35、） 真空系統(tǒng) 加熱系統(tǒng) School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology 凍干箱是物料進(jìn)行真空干燥的場(chǎng)所。物料瓶置于下隔板上，物料瓶的上方可以有上隔板。對(duì)物料的加熱，可以用下隔板，以導(dǎo)熱的方式進(jìn)行；也可以用上隔板，以輻射的方式進(jìn)行。藥劑的凍干過程，要求凍干箱與真空系統(tǒng)是無(wú)菌的，采用高溫蒸汽滅菌，要求凍干箱箱體采用不銹鋼材，箱內(nèi)全部零部件具有耐受高溫蒸

36、汽的能力。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology對(duì)物料的冷卻固化過程（凍結(jié)過程），可以在干燥室內(nèi)進(jìn)行，此時(shí)下擱板內(nèi)有載冷劑，通過制冷系統(tǒng)進(jìn)行降溫。 物料的凍結(jié)過程，也可以在干燥室外進(jìn)行，待物料完全冷卻固化后，放入干燥室內(nèi)，再進(jìn)行真空干燥。 干燥室要求密封良好。有的干燥室內(nèi)，還設(shè)有壓瓶塞器（stopper)，在干燥結(jié)束時(shí)，就立即對(duì)物料瓶密封。

37、 School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology 可以放在干燥室內(nèi)或外。冷阱的作用是在真空系統(tǒng)中提供一個(gè)低溫的環(huán)境。冷阱的溫度要比物料升華界面的溫度低20k以上。冷阱表面的飽和水蒸汽壓力和物料升華界面的飽和水蒸氣壓力差是物料升華水蒸氣逸出的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力。物料中逸出的水蒸氣，遇到冷阱的低溫表面，凝結(jié)成液態(tài)水，排出系統(tǒng)。 對(duì)一般升華干燥，如物料的升華溫度

38、在-10至-40時(shí)，冷阱的溫度可工作在-30至-70之間。物料升華溫度與冷阱溫度之間的差值越大，則升華的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力就越大。但是兩者的溫差過大也是沒有意義的。例如，物料的升華溫度為-40時(shí)，其對(duì)應(yīng)的水蒸汽飽和蒸汽壓為12.9 Pa；冷阱溫度為-60, 和 -70 所對(duì)應(yīng)的水蒸汽飽和蒸汽壓分別為1.11Pa 和0.26 Pa；這兩種情況下的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力的差別是很少的，對(duì)提高干燥速率已沒有實(shí)際意義。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering Univ

39、ersity of Shanghai for Science and Technology 制冷系統(tǒng)的任務(wù)是在冷阱處形成低溫條件，有些還在凍干箱內(nèi)起著制冷冷卻的作用。在這里，制冷系統(tǒng)可以有蒸氣壓縮式制冷、熱電制冷和利用液氮等多種方式。在蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)，冷阱是制冷系統(tǒng)中制冷工質(zhì)的蒸發(fā)器(evaporator)。如果要求冷阱的溫度很低，則要采用雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)或復(fù)疊式制冷循環(huán)。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University

40、of Shanghai for Science and Technology 真空系統(tǒng)的主要功能是抽走“非凝性”氣體。在冷凍干燥系統(tǒng)的溫度范圍內(nèi)，空氣是“非凝性”氣體，它既包括由外界大氣漏入干燥箱的空氣；也包括由物料中逸出的空氣或其他“非凝性”氣體。 對(duì)于冷凍干燥系統(tǒng)真空泵的要求，除了真空度和抽氣速率外，還要求能用于水蒸汽，并能有一定的水蒸汽抽除能力。冷凍干燥系統(tǒng)對(duì)真空度的要求并不高，約1 Pa ；可以采用旋片式機(jī)械真空泵（rotary vane pump），或在旋片式真空泵的低壓側(cè)再加羅茨泵（Roots pump）。School of Medical Instrument and Food

41、EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology 對(duì)凍干箱中物料的加熱，一般是通過擱板進(jìn)行的。下擱板以導(dǎo)熱的方式對(duì)物料瓶進(jìn)行加熱；上擱板是以輻射的方式對(duì)物料進(jìn)行加熱。擱板中可以裝置電加熱器；也可以裝有載熱劑。擱板的溫度由溫控系統(tǒng)控制。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineerin

42、g University of Shanghai for Science and Technology微生物的冷凍干燥微生物的冷凍干燥食品的冷凍干燥食品的冷凍干燥生物藥品的冷凍干燥生物藥品的冷凍干燥人細(xì)胞的冷凍干燥人細(xì)胞的冷凍干燥其他應(yīng)用其他應(yīng)用1.4 1.4 冷凍干燥技術(shù)的應(yīng)用冷凍干燥技術(shù)的應(yīng)用 微生物、咖啡、牛奶的冷凍干燥是技術(shù)比較成熟的應(yīng)用領(lǐng)域；而水果、蔬菜的的冷凍干燥是新興的與人民生活關(guān)系密切的高附加值的技術(shù)。近10年來冷凍干燥界最關(guān)心、投入研究力量最多、最重要的應(yīng)用領(lǐng)域?？赏o臨床醫(yī)學(xué)帶來新的變革，是目前國(guó)際學(xué)術(shù)界十分關(guān)心和積極研究的問題，但仍處于探索階段。School of Med

43、ical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology 細(xì)菌、放線菌、酵母菌、絲狀真菌及病毒等大量的微生物成功實(shí)現(xiàn)冷凍干燥，凍干后存活率80以上。盡管如此，直至目前還有許多微生物還不能實(shí)現(xiàn)冷凍干燥；即使對(duì)已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)凍干的多種微生物，它們的凍干程序和所用保護(hù)劑也是不全相同的。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool

44、 of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology 優(yōu)點(diǎn)：保持新鮮食品的色、香、味；避免了一般干燥方法易產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)成分損失和表面硬化現(xiàn)象；脫水徹底，質(zhì)量輕，能在室溫下長(zhǎng)期保存；復(fù)水性好速溶性強(qiáng)；食用簡(jiǎn)單方便。 應(yīng)用：高附加值產(chǎn)品，優(yōu)質(zhì)食品、方便食品、休閑食品、出口的蔬菜和水果；旅游、探險(xiǎn)、航海食品。 缺點(diǎn)和難點(diǎn)：冷凍干燥過程費(fèi)時(shí)長(zhǎng)、耗能多；過程的參數(shù)選擇，對(duì)凍干食品的質(zhì)量有著決定性的影響。School of Medical Instrument and Food

45、 EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology凍干草莓 凍干蘑菇 凍干青豆凍干山藥 凍干蒜片 凍干香蕉School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology 凍干胡蘿卜 凍干紅蘿卜

46、凍干香菜凍干西蘭花 凍干肉 凍干洋蔥School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology凍干板栗 凍干姜片 凍干土豆塊凍干南瓜目前在國(guó)際市場(chǎng)上凍干食品所占的比重已達(dá)到相當(dāng)高的水平。隨著凍干技術(shù)的提高，冷凍干燥設(shè)備的完善，凍干食品的生產(chǎn)成本和產(chǎn)品價(jià)格也會(huì)不斷降低。凍干食品已經(jīng)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)出現(xiàn)，并正在迅速發(fā)展。School of Medical Instrum

47、ent and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology熱敏性藥品：對(duì)溫度（主要是高溫）比較敏熱敏性藥品：對(duì)溫度（主要是高溫）比較敏感的藥品感的藥品脂質(zhì)體、干擾素、生長(zhǎng)激素、中草藥脂質(zhì)體、干擾素、生長(zhǎng)激素、中草藥 冷凍干燥藥品特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；生物活性基本不變；藥物中的易揮發(fā)性成分和受熱易變性成分損失很少；呈多孔狀，藥效好；排除了9599的水分，能在室溫或冰箱內(nèi)長(zhǎng)期保存。School of Medical I

48、nstrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology根據(jù)美國(guó)1998年的統(tǒng)計(jì)，約有14%的抗生素類藥品、92%的生物大分子類藥品、52%其它生物制劑都需要凍干。實(shí)際上，近年來開發(fā)出的生物藥品都是用冷凍干燥制成藥劑的；而且冷凍干燥處于制藥流程的最后階段，它的優(yōu)劣對(duì)藥品的品質(zhì)起著關(guān)鍵的作用。為防止凍干過程中蛋白質(zhì)的變性或膜結(jié)構(gòu)的破壞，生物藥品等的冷凍干燥都需要加入適當(dāng)?shù)膬龈杀Ｗo(hù)劑。凍干保護(hù)劑的種

49、類與濃度，因藥品種類的不同而不同。這些凍干保護(hù)劑的種類與濃度、pH值等均會(huì)對(duì)凍干生物藥品的品質(zhì)產(chǎn)生重要的影響。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology20世紀(jì)60年代起 血小板：85 臨床應(yīng)用可行性論證20世紀(jì)60年代起 紅細(xì)胞：50臍血中含有大量未成熟的造血干細(xì)胞。與成年人細(xì)胞相比，零歲嬰兒未成熟的造血干細(xì)胞具有無(wú)污染、異體排斥反應(yīng)小、免疫

50、原性低等特點(diǎn)；而且其再生能力和速度是成年人的10至20倍。人臍血全血：有核細(xì)胞恢復(fù)率39，細(xì)胞活性89。人臍血單核細(xì)胞：恢復(fù)率75，細(xì)胞活性89。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology 皮膚、角膜、骨骼等保存，組織工程支架的制備皮膚、角膜、骨骼等保存，組織工程支架的制備 材料科學(xué)中制備精細(xì)陶瓷粉末、催化劑粉末、超細(xì)的材料科學(xué)中制備精細(xì)陶瓷粉

51、末、催化劑粉末、超細(xì)的新型化妝品的研制、飽水文物的脫水、電子顯微鏡生新型化妝品的研制、飽水文物的脫水、電子顯微鏡生物樣品制備、動(dòng)物和人體器官樣本制作物樣品制備、動(dòng)物和人體器官樣本制作 金屬粉末、合金粉末、記錄用的超細(xì)磁性粉末金屬粉末、合金粉末、記錄用的超細(xì)磁性粉末 School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology1.5 冷凍干燥技術(shù)的要點(diǎn)和難點(diǎn) 在藥

52、品和細(xì)胞冷凍干燥之前，必須加入一些保護(hù)劑和添加劑，以保證其凍干效果、保持藥品的活性和細(xì)胞的存活。物料和保護(hù)劑、添加劑一起，組成了多組分的系統(tǒng)，我們稱之為“物料系統(tǒng)”。保護(hù)劑和添加劑與物料之間是有相互作用的，因此對(duì)于不同的物料，應(yīng)當(dāng)采用不同種類和不同濃度的保護(hù)劑和添加劑。近年來在生物藥品方面取得的每一重要進(jìn)展，幾乎都是和采用新的“雞尾酒”式的物料系統(tǒng)的配方有關(guān)的。保護(hù)劑和添加劑的問題值得討論。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering Univ

53、ersity of Shanghai for Science and Technology 物料系統(tǒng)的物性，如凝固溫度、相變熱、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、玻璃化轉(zhuǎn)變前后的熱容量等，都會(huì)對(duì)凍結(jié)和干燥過程產(chǎn)生很大的影響。在干燥過程中，希望物料的升華速率高，就要求物料的空隙多、而又不致塌陷。這些也都是和物料系統(tǒng)的物性有關(guān)的。近年來又發(fā)現(xiàn)當(dāng)物料系統(tǒng)經(jīng)歷過不同的“溫度歷史” （熱歷史），如在不同溫度下“退火”（annealing）不同時(shí)間，會(huì)給物性帶來明顯的變化。 對(duì)于物料系統(tǒng)物性的測(cè)量，差示掃描量熱技術(shù)（Differential Scanning Calorimetry,DSC）是一種最有效的、被廣泛認(rèn)可的技術(shù)

54、。 School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology對(duì)于物料系統(tǒng)的冷卻固化過程，要解決兩個(gè)問題，一個(gè)是冷卻最終溫度的確定；另一個(gè)是選擇合適的降溫程序。冷卻固化過程的最終溫度應(yīng)當(dāng)是完全固化溫度，它應(yīng)低于物料系統(tǒng)的共晶點(diǎn)溫度,或玻璃化轉(zhuǎn)化溫度。冷卻固化后的物料系統(tǒng)，實(shí)際上是既具有晶態(tài)，又具有玻璃態(tài)的的混合系統(tǒng)。為確定降溫的最終溫度，就要先測(cè)量物料系統(tǒng)的共

55、晶點(diǎn)溫度和玻璃化轉(zhuǎn)化溫度。對(duì)于合適降溫程序的選擇，就是希望活性藥物、或細(xì)胞在冷卻固化過程中不受損傷或少受損傷，這是細(xì)胞低溫保存的基本問題。分析物料系統(tǒng)的凍結(jié)過程諸多現(xiàn)象、對(duì)細(xì)胞損傷及防止辦法；討論程序降溫的理論和實(shí)施技術(shù)。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology升華干燥是在低溫下對(duì)物料系統(tǒng)進(jìn)行加熱，使物料中被凍結(jié)成冰的“自由水”直接升華成水蒸

56、汽。在升華干燥過程中，可以控制的參數(shù)有：物料的溫度、干燥室的真空度、升華干燥的持續(xù)時(shí)間等。關(guān)于物料的溫度，一般認(rèn)為必須低于物料系統(tǒng)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,或共晶溫度。升華干燥的溫度的確定是十分重要的。如溫度過高，會(huì)出現(xiàn)軟化、塌陷等現(xiàn)象，造成凍干的失敗；如溫度過低，不僅給制冷系統(tǒng)提出了過高的要求，而且大為降低了升華過程的速率，費(fèi)時(shí)又耗能。School of Medical Instrument and Food EngineeringSchool of Medical Instrument and Food Engineering University of Shanghai for Science and Technology目前大多數(shù)的操作，都是在整個(gè)升華干燥過程中保持加熱溫度不變的。關(guān)于是否應(yīng)當(dāng)這樣，有兩種不同的觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，在升華干燥階段，隨著水分的升華，物料系統(tǒng)的濃度會(huì)提高，物料系統(tǒng)