干燥设备的发展现状(冷冻干燥技术的应用)

Posted 2023-05-25

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干燥设备的发展现状(冷冻干燥技术的应用)

冷冻干燥技术发展史

冷冻干燥技术 (FD) 是20世纪新兴的一种应用于生物体的脱水干燥方法，自20世纪初真空泵与制冷机问世后，有人将两者结合，并于1909年首次实现了冷冻干燥技术的应用。1919年，Shackell 利用冷冻干燥技术（FD）实现了菌种、病毒以及血清的稳定保存，实现了冻干技术最初的实际应用，并于第二次世界大战期间解决了人体血浆和抗生素的贮存和运输问题，自此冷冻干燥技术开始在生物制药和生物制品产业中迅速兴起。

FD技术在食品领域的应用起源于20世纪30年代，英国的Fikidd提出FD技术在食品加工领域应用的可能性。此后，于20世纪40年代，俄罗斯科学家开始进行FD产品的小型实验并获得成功。随着1958年第一届国际冷冻干燥会议的召开，针对冻干过程的物理生物学基础研究以及工业应用的优化引起了大量学者关注，并促进FD技术在食品行业的进一步推广。

上世纪60年代，美国将FD技术用于加工食品及农副产品，并应用于太空食品的制造。1961年英国Aberdeen食品实验工厂针对食品FD技术展开一系列研究，并证明FD技术的应用为优质食品生产提供了无限可能性。此后，FD食品得到了快速发展，据资料记载，从1965到1970年，全球的FD食品厂从50多家增加到了100多家；自1963年起，9年内美国的FD食品产量从5000t增长到175000t。从 20 世纪80年代到90年代，全球的FD食品得到了迅猛发展，发达国家近一半的方便食品采用FD技术研制，并已经普遍被人们所接受。

冷冻干燥技术原理

水可分别以固态、液态和气态3种状态存在，当大气压降低到一定程度（610.5 Pa）时，水的沸点与冰点重合，此时水分子可以在低温条件下实现由冰到蒸汽的直接转变，这个过程被称为水的升华。 冷冻干燥技术是通过将湿物料冻结至共晶点温度以下，利用水的升华原理，在低压条件下直接去除物料中水分子的干燥技术，并通过真空系统中的水蒸气冷凝器捕获物料中升华出的水蒸气，从而获得贮藏期长、体系稳定且营养功能完整的脱水产品。

冻干过程主要可以分为三个阶段，分别为预冻阶段、升华干燥阶段（第一阶段干燥）与解析干燥阶段（第二阶段干燥）。

预冻阶段：该阶段主要将湿物料中大量的自由水冻结成固态，一般根据不同物料的共融点来确定适宜的预冻温度。由于物料处于冻结状态，物料体系处于稳定状态，预冻速率与冻干物料种类存在显著相关性。速冻形成的冰晶较小，对物料细胞结构的影响较小。相反，缓慢冷冻过程会生成较大冰晶，留下较大的孔状结构，从而有利于水的升华。然而较大冰晶将破坏细胞的原始结构，对物料组织结构和相关生物活性物质具有一定影响。

升华干燥阶段（第一阶段干燥）：该阶段需要对物料进行适当的升温，使物料中处于冻结状态的游离态水发生升华，在这期间约去除物料中全部水分的 90％。不同物料由于其自身的物质组成、水分含量、水分分布及水分状态等特性存在差异，导致该阶段水分升华所需要的热量也存在差异。该阶段内需要保证温度既不能超过物料本身的共融点温度，还要超过水的升华温度。若升华温度高于共融点过多，物料将会因体系中水分粘度的减小而发生体积塌陷、变色、出现气泡等现象，故物料升华温度以接近共融点，同时超过水升华点为宜。

解析干燥阶段（第二阶段干燥）：基于前一阶段，本阶段继续将第一阶段未去除的约10％的结合水升华除去。该阶段需要有足够高的真空度，确保解析出的结合水有足够动力从物料中逸出。此外，由于结合水的解析需要较高的能量，所以需要确保此阶段的温度达到一定水平。由于物料的物质组成、形状以及残水含量不同，具体的解析时间需要由具体物料的基本性质来决定。

冻干技术的优势：

与通常的晒干、烘干、煮干、喷雾干燥及真空干燥相比、冻干技术有许多突出的优点。

1. 低温干燥，不使蛋白质、微生物类产生变性、失去活力。对于热敏感物质如疫苗、菌类、毒种、血液制品的干燥特别适用。

2. 低温干燥，使物质中的挥发成分和受热变形的营养成分损失很小，是化学制品、药品和食品的优质干燥方法

3. 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，能最好地保持物质原来的性状

4. 干燥后体积、形状基本不变、物质呈海绵状，无干缩。复水时与水接触面积大，能迅速还原到原来的性状

5. 真空干燥状态，氧气极少，使易氧化的物质得到了保护

6. 能出去物质中95-99%的水分，制品的保存期长

冻干机应用

应用领域：真空冷冻干燥技术在生物工程、医药工业、食品工业、材料科学和农副产品深加工等领域有着广泛的应用。

目前冻干机的用途主要应用在以下一些方面：

1. 药品冷冻干燥包括西药和中药两部分。西药冷冻干燥在国内已经得到了一定的发展，很多较大型的制药厂都有冷冻干燥设备。在针剂方面，冷冻干燥工艺采用的比较多，提高了药品质量和贮存期限，给医患双方都带来了利益。但目前冻干药品的品种不多，产品价格高，干燥工艺不先进。

在中药方面，目前还只局限在人参、鹿茸、山药、冬虫夏草等少量中药材的冻干，大量的中成药还没有采用冻干工艺，与国外差距较大。日本几年前就开展了“汉药西制”，改变了中药的熬制方法，解决了中药不能制成针剂或片剂的传统，也解决了中药不治急病的难题，因此我国中药冻干工艺及产品的研究很有潜力可挖。

2. 生物制品、药品：抗生素、抗毒素、诊断用品和疫苗

3. 微生物和藻类：如酵母、酵素、原生物、微细藻类等

4. 生物标本、活组织方面：如制作各种动植物标本，干燥保存用于动物异种移植或同种移植的皮层、角膜、骨骼、主动脉、心脏瓣膜等边缘组织。

5. 制作用于光学显微镜、电子扫描和投射显微镜的小组织片

6. 食品的干燥：如咖啡、茶叶、鱼肉蛋类、海藻、水果、蔬菜、调料、豆腐、方便食品等

7. 高级营养品及中草药：如蜂王浆、蜂蜜、花粉、中草药制剂等

8. 材料类：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、土壤冻干后保存，用以研究土壤、肥料、气候对植物生长的影响及生长因子的作用；潮湿的木制文物、淹坏的书籍稿件等用冻干法干燥，能最大限度地保持原状。

冻干机类型

制药：根据生产规模或实验的需求, 冻干机一般可分为三个系列,即实验系列、中试及小规模生产系列, 以及工业生产系列。实验系列的冻干机用于研发之用,冷凝器的结冰量每批小于10公斤, 冻干箱的板层面积小于0.5平方米之间。中试及小规模生产系列用于扩大试验及小生产之用。冷凝器的结冰量每批在 10-40 公斤之间, 冻干箱的板层面积在 0.5-2 平方米之间。工业生产系列的冻干机用于工厂大规模生产之用, 冷凝器的结冰量每批在40-1600公斤之间, 冻干箱的板层面积在 3-80 平方米之间。

实验室常用冻干机

中试用冻干机（冻干工艺开发）

生产型冻干机

生物工程：用于制造冻干粉针。虽然冷冻干燥技术应用于生物制品具有许多优势，但同时生物制品在冷冻干燥的过程中也容易发生变性导致药物效价降低。在技术上为了降低冷冻干燥对生物制品的不良影响，往往采用添加辅料或者优化冻干工艺这两种方法。

小型冻干粉针冻干机

大型粉针冻干机

食品：冷冻干燥技术可用于各类农副产品。果蔬类，如桑果、黄秋葵等；特色农产品，如木耳、野生菌等；谷物类，如面类、豆类、玉米等；肉禽水产类，如畜禽、肉、蛋、奶等。经研究表明，冻干技术处理后的产品，营养成分得以更大程度的保存，体积和重量也大幅降低，便于运输，适合长期保存，且复水性良好。

食品用冻干机

材料：在材料工程方面，冷冻干燥技术可以作为一种简单、高效、环保及可控的材料结构调控方法，可使有序多孔复合材料具有多种优良的性能。

化妆品：化妆品分为液态类、半固态类、固态类、膏霜乳液类、气雾剂类、有机溶剂类、蜡基类、其他类等8大类，其中液态类、半固态类、膏霜乳液类等常规化妆品因营养丰富且含有较多的水分而存在一些缺陷：（1）储存和使用过程中容易引起微生物的生长与繁殖，造成使用的不安全性。（2）在液体状态下，具有活性的功效成分含量易下降，造成功效降低。（3）化妆品中需要加入防腐剂以防止微生物的生长与繁殖，防腐剂主要包括苯甲醇、苯甲酸、水杨酸、硼酸、山梨酸以及其他醇类、醛类等物质，过量使用防腐剂对人体有一定的损害作用。

基于液态的常规化妆品存在的缺陷和冻干产品具有的优势，可以将部分液态化妆品开发成冻干产品。透明质酸钠是一种双糖重复结构单元组成的线性多糖，具有一定的热不稳定性，营养丰富易造成微生物污染，适宜于开发成冻干产品。

化妆品冻干粉针