冷凍幹燥概念

1、冷凍幹燥(以下簡稱凍幹)是一個(ge) 穩定化的物質幹燥過程。是將含水的物質，先凍結成固態，而後使其中的水分從(cong) 固態直接升華變成氣態排除，以除去水分而保存物質的方法。
 

　　2、溶液狀態的產(chan) 品經冷凍處理後，先後經過升華和解吸作用，使產(chan) 品中的溶劑減少到一定程度，從(cong) 而阻止微生物的生成或溶質與(yu) 溶劑間的化學反應，使產(chan) 品得以長時間保存並保持原有的性質。
 

　　3、真空冷凍幹燥法是液態→固態→氣態的過程。在凍幹過程中，溶質顆粒之間的“液態橋"已被凍成“固態橋"，兩(liang) 顆粒間的相對位置已經被固定下來，並且兩(liang) 顆粒之間不存在氣液界麵的表麵張力。隨著溶劑的不斷升華，“固橋"不斷減少，但兩(liang) 顆粒之間的相對位置已不再發生變化，直至“固態橋"*消失。
 

　　凍幹的優(you) 點 (和通常的幹燥方法如曬幹、烘幹、煮幹、噴霧幹燥及真空幹燥相比)
 

　　1、它是在低溫下幹燥，不使蛋白質產(chan) 生變性，使微生物之類失去生物活力。
 

　　2、由於(yu) 是低溫幹燥，使物質中的揮發性成分和受熱變性的營養(yang) 成分和芳香成分損失很小 。
 

　　3、在低溫幹燥過程中，微生物的生長和酶的作用幾乎無法進行，能*好 地保持物質原來的性狀。
 

　　4、幹燥後體(ti) 積、形狀基本不變，複水性好。
 

　　5、因一般係真空下幹燥，氧氣極少，使易氧化的物質得到了保護。
 

　　6、能除去物質中 95-99.5% 的水分 , 製品的保存期長。
 

　　凍幹技術的運用
 

　　1、生物製品、藥品方麵：如抗菌素、抗毒素、診斷用品和疫苗的保存。
 

　　2、微生物和藻類方麵：如各種細菌、酵母、酵素、原生動物、微細藻類等的長期保存等。
 

　　3、生物標本、生物組織方麵：如製作各種動植物標本，幹燥保存用於(yu) 動物異種或同種移植的皮膚、角膜、骨骼、主動脈、心瓣膜等邊緣組織。
 

　　4、製作用於(yu) 光學顯微鏡、電子掃描和透射顯微鏡的小組織片。
 

　　5、食品的幹燥方麵：如咖啡、茶葉、肉魚蛋類、海藻、水果、蔬菜、調料、豆腐、方便食品等。
 

　　6、營養(yang) 品及中草藥方麵：如蜂王漿、蜂蜜、花粉、中草藥製劑等。
 

　　7、超細微粉的製備方麵：如製取Al2O3、ZrO2、TiO2、Ba2Cu3O7～8、Ba2Ti9O20等超細微粉。
 

　　8、其他方麵：如化工中的催化劑，凍幹後可提高催化效率5～20倍；將植物葉子、土壤凍幹保存，用以研究土壤、肥料、氣候對植物生長的影響及生長因子的作用；潮濕的木製文物、淹壞的書(shu) 籍稿件等用凍幹法幹燥，能大限度地保持原狀等。
 

　　水和溶液的性質
 

　　物質有固、液、汽三態。物質的狀態與(yu) 其溫度和壓力有關(guan) 。如圖所示，水 (H2O )的狀態平衡圖。圖中 OA 、 OB 、 OC 三條曲線分別表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽兩(liang) 相共存時其壓力和溫度之間的關(guan) 係。分別稱為(wei) 溶化線、沸騰線、升華線。此三條曲線將圖麵分成 I 、 II 、 III 三個(ge) 區域，分別稱為(wei) 固相區、液相區和氣相區。箭頭 1 、 2 、 3 分別表示冰溶化成水，水汽化成水蒸汽和冰升華成水蒸汽的過程。曲線 OB 的頂端有一點 K ，其溫度為(wei) 374 ℃ ，稱為(wei) 臨(lin) 界點。若水蒸汽的溫度高於(yu) 其臨(lin) 界溫度 374 ℃ 時，無論怎樣加大壓力，水蒸汽也不能變成水。三曲線的交點 O，為(wei) 固、液、 汽三相共存的狀態，稱為(wei) 三相點，其溫度為(wei) 0.01 ℃ ，壓力為(wei) 610Pa 。在三相點以下，不存在液相。若將冰麵的壓力保持低於(yu) 610Pa ，且給冰加熱，冰就會(hui) 不經液相直接變成氣相，這一過程稱為(wei) 升華。
 

　　溶液的冷凍幹燥過程
 

　　凍幹溶液一般都是配置成含固體(ti) 物質4%-15%的稀溶液。
 

　　溶液裏水的組成：
 

　　1、大部分水是以水分子的形式存在於(yu) 溶液中的自由水。
 

　　2、少部分是吸附於(yu) 固體(ti) 物質晶格間隙中或以氫鍵方式結合在一些極性基因團上的結合水。
 

　　3、固定於(yu) 生物體(ti) 和細胞中的水，大部分也是可以凍結和升華的自由水。也含有一些不能凍結、很難去除的結合水。
 

　　凍幹的目的就是在低溫、真空環境中除去物質中的自由水和一部分吸附於(yu) 固體(ti) 晶格間隙中的結合水。凍幹過程分為(wei) 以下幾個(ge) 步驟：
 

　　預凍結
 

　　預凍是將溶液中的自由水固化，賦予產(chan) 品幹燥後與(yu) 幹燥前有相同的形態，防止抽空幹燥時起泡、濃縮、收縮和溶質移動等不可逆變化發生。
 

　　溶液在凍結過程中，需過冷到冰點以下，其內(nei) 部產(chan) 生晶核以後，自由水才開始以純和冰的形式結晶，同時放出結晶熱，使其溫度上升到冰點，隨著晶體(ti) 的生長，溶液濃度增加，當濃度到達共晶濃度，溫度下降到共晶點以下時，溶液就全部凍結。
 

　　冷卻速度愈快，過冷溫度越低，所形成的晶核數量越多，晶體(ti) 來不及生長就被凍結，形成的晶粒數量越多，晶粒也細。冷卻速度慢，形成的晶粒數量越少，晶粒也粗大。凍幹製品升華前，必須凍結到一定的溫度，這個(ge) 溫度應設在製品的共溶點以下10至20℃左右，如不經過預凍直接抽真空，當壓力降到一定程度時，液體(ti) 就會(hui) 被抽去。這種情況也叫蒸發，這種蒸汽叫做不飽和蒸汽，如果製品凍結不實而抽真空，液體(ti) 中的氣體(ti) 迅速逸出而引起“沸騰"的現象。製品如在“沸騰"中凍結，有部分可能逸出瓶外，引起藥物損失或使製品表麵凹凸不平。由此可見，共溶點的溫度是保證產(chan) 品正常幹燥的安全的溫度，隻能比它低，不能高於(yu) 共溶點溫度。
 

　　升華幹燥(一次幹燥)
 

　　將凍結後的產(chan) 品置於(yu) 密閉的真空容器中加熱，其冰晶就會(hui) 升華成水蒸氣逸出而使產(chan) 品脫水幹燥。幹燥是從(cong) 外表麵開始逐步向內(nei) 推移的，冰晶升華後殘留下的空隙變成而後升華水蒸氣的逸出通道。已幹燥層和凍結部分的分界麵(實際上是一薄層)稱為(wei) 升華界麵。在生物製品幹燥中，升華界麵約以1mm/h的速度向內(nei) 推進。當全部冰晶去除時，升華幹燥就完成了，此時可除去水分90%左右。製品中冰的升華是在升華界麵處進行的。升華時所需要的熱量是由加熱設備(通過擱板)提供，從(cong) 擱板傳(chuan) 來的熱量由以下幾種途徑傳(chuan) 至產(chan) 品的升華界麵：固體(ti) 的傳(chuan) 導，輻射，氣體(ti) 的對流。
 

　　設備升華時受以下幾個(ge) 溫度限製：
 

　　產(chan) 品凍結部分的溫度應低於(yu) 產(chan) 品共溶點的溫度。
 

　　產(chan) 品幹燥部分的溫度要低於(yu) 其崩解溫度或容許的*高溫度(不燒焦或性變)。
 

　　*高擱板溫度。
 

　　解析幹燥(二次幹燥)
 

　　階段幹燥是將水以冰晶的形式除去的，因此凍幹層的溫度和升華界麵的壓力都必須控製在產(chan) 品共溶點(或崩解溫度)以下，才不致使冰晶溶化。但對於(yu) 吸附水，其吸附能量高，如果不提供足夠的能量，水就不可能從(cong) 吸附中解析出來。因此，這一階段產(chan) 品的溫度應足夠地高，隻要不超過允許的*高溫度，不燒毀產(chan) 品和不造成產(chan) 品過熱而變性就可。同時，為(wei) 了使解吸出來的水蒸氣有足夠的推動力逸出產(chan) 品，必須使產(chan) 品內(nei) 外形成較大的蒸汽壓差，因此這一階段箱體(ti) 內(nei) 要保持高真空。第二階段幹燥後，產(chan) 品殘餘(yu) 水分的含量一般可以控製在0.5%-4% 之間。
 

　　凍幹過程的幾個(ge) 關(guan) 鍵概念
 

　　共晶溫度
 

　　幾種物質組成的混合溶液，在凍結過程中，開始時某些組分結晶析出， 使剩下的溶液濃度發生變化。當達到某一溫度或溫度區域時，其液態和所形成的固態中的組分*相同，這時的溶液稱為(wei) 共晶溶液，這時的
 

　　溫度或溫度區間稱為(wei) 該溶液的共晶點或共晶區，也稱為(wei) *固化溫度，它是產(chan) 品在冷卻過程中從(cong) 液態結束轉向固態的*高溫度。共晶溫度為(wei) 凍幹過程中預凍應達到的*高溫度，一般預凍過程應低於(yu) 其共晶溫度10-20℃。
 

　　共溶溫度
 

　　固態混合溶液在升溫融化過程中，當達到某一溫度時，固體(ti) 中開始出現液態此溫度稱為(wei) 溶液的共溶點，或稱開始溶化溫度。它是產(chan) 品升溫過程中從(cong) 固態開始出現液態的低溫度。在一次幹燥中物料凍結層溫度一定要低於(yu) 共溶點。
 

　　共晶點的測定有電阻測定法、熱差分析測定、低溫顯微鏡直接觀察、數字公式計算測定。 溶液凍結過程中，由於(yu) 離子的漂移率隨溫度的下降而逐步降低，電阻增大，隻要有液體(ti) 存在，電流就可流動，一旦全部凍結，帶電離子不能移動，電阻會(hui) 忽然增大，根據這個(ge) 原理，測出溶液的共晶點。
 

　　塌陷溫度：
 

　　凍幹時物料中的冰晶消失，原先為(wei) 冰晶所占據的空間成為(wei) 空穴，因此凍幹層呈多孔蜂窩狀海綿體(ti) 結構。此結構與(yu) 溫度有關(guan) 。當蜂窩狀結構體(ti) 的固體(ti) 基質溫度較高時，其剛性降低。當溫度達到某一臨(lin) 界值時，固體(ti) 基質的剛性不足以維持蜂窩狀結構，空穴的固形物基質壁將發生塌陷，原先蒸汽擴散的通道被封閉，此臨(lin) 界溫度稱為(wei) 凍幹物料的崩潰溫度或塌陷溫度。
 

　　玻璃化轉變溫度：
 

　　當溫度降低時，液態轉變為(wei) 固態，有兩(liang) 種不同狀態-晶態和非晶態。在非晶態固體(ti) 材料中，原子、離子或分子的排列是無規則的。因為(wei) 人們(men) 已習(xi) 慣將融化物質在冷卻過程中不發生結晶的無機物質稱為(wei) 玻璃，所以後來逐見地將其他非晶態均稱為(wei) 玻璃態。由於(yu) 在藥品凍幹中要求更加嚴(yan) 格，希望藥品在凍幹過程中處於(yu) 玻璃化溫度以下。但這裏玻璃化轉變溫度不是指*的玻璃化，因為(wei) *的玻璃化是指整個(ge) 樣品都形成了玻璃態，實現*玻璃化要求*的降溫速率，幾乎是不可能的。凍幹過程的玻璃化溫度指大凍結濃縮液的玻璃化轉變溫度。因為(wei) 在凍結過程中隨著冰晶的析出，剩餘(yu) 溶液的濃度逐漸增加，當達到一定濃度時，剩餘(yu) 的水分不再結晶，此時的溶液達到大凍結濃縮狀態，對應的溫度稱為(wei) 大凍結濃縮液的玻璃化轉變溫度
 

　　凍幹的三個(ge) 關(guan) 鍵要素
 

　　1、處方
 

　　確定處方是關(guan) 鍵的步驟。
 

　　溶液的組成關(guan) 係到冷凍、升華等步驟的實施。
 

　　處方包括：
 

　　活性成分；賦形劑；工藝用水。
 

　　2、重要的熱力學性能:(凍幹工藝曲線)
 

　　過冷的程度；結晶的程度；崩解溫度或共晶溫度；亞(ya) 穩狀態間隙物
 

　　質的相變化；溶液的結晶熱；間隙物質的熔化溫度。
 

　　3、好的凍幹機
 

　　滿足GMP要求；性能；能量隨意調節；重演性強。
 

　　凍幹曲線的製定
 

　　凍幹曲線是表示凍幹過程中產(chan) 品的溫度、壓力隨時間而變化的曲線。凍幹曲線的形狀與(yu) 產(chan) 品的性能、裝量的多少、分裝容器的種類、設備條件等許多因素有關(guan) 。製定凍幹曲線，主要確定以下參數：
 

　　a、預凍速率
 

　　預凍速率的快慢，對產(chan) 品中晶粒的大小、活菌的存活率和升華速率有直接影響。慢凍晶粒大，產(chan) 品外觀粗糙，不易損傷(shang) 活菌，但升華速率快。速凍晶粒小，產(chan) 品外觀細膩，升華速率慢。
 

　　b、預凍溫度
 

　　製品溫度應低於(yu) 其共溶點5-10℃。
 

　　c、預凍時間
 

　　預凍所需時間要根據不同的具體(ti) 條件而定，總的原則是應使產(chan) 品各部分*凍牢。在製品溫度降到預定的低溫度後，還需在此溫度下保持1-2h，才能進行升華。
 

　　d、冷凝器降溫時間和溫度
 

　　冷凝器溫度的高低，應根據製品升華的溫度而定。升華溫度低，相應要求冷凝器的溫度也低。升華的*佳速率是在產(chan) 品升華溫度的飽和蒸汽壓力的二分之一左右。過低的壓力不僅(jin) 不能加快升華，相反還會(hui) 向產(chan) 品的供熱性能差，降低升華速率。
 

　　e、升華速率和幹燥時間
 

　　升華速率主要由給擱板的供熱能力和冷凝器的捕水能力而定。隻要幹燥箱內(nei) 的壓力維持在允許的*高壓力下，升溫速率就可提高。一次幹燥時，可粗略的以每小時幹燥製品厚度1mm計。可以根據下列現象來判斷：
 

　　1、幹燥層和凍結層的交界麵達到瓶底並消失。
 

　　2、產(chan) 品溫度上升到接近導熱油的溫度。
 

　　3、幹燥箱內(nei) 壓力下降到冷凝器的壓力，兩(liang) 者接近且壓力維持不變。
 

　　4、關(guan) 閉中隔閥，箱內(nei) 壓力上升速率與(yu) 幹箱的泄漏率接近。
 

　　上述現象發生後，再延長0.5-1h，一次幹燥結束。
 

　　二次幹燥時，產(chan) 品的溫度可提高到允許的*高溫度以下，使結合水和吸附於(yu)
 

　　幹燥層中的水獲得足夠的能量，從(cong) 分子吸附中解析出來。二次幹燥的時間為(wei)
 

　　一 次幹燥時間的0.35-0.5倍。
 

　　要不斷去優(you) 化凍幹工藝曲線：一個(ge) 好的凍幹工藝應是個(ge) 性化的，具有產(chan) 品質量穩定、時間短、能耗低的特征。在凍幹工藝研究中，應用化學、分子學的觀點去觀察問題，用機械、電子、計算機的方法去控製問題。
 

　　幾種凍結升華方法
 

　　製品凍結方法(低溫快凍/低溫慢凍)
 

　　低溫快凍(10~15℃/分)對於(yu) 保證質量有利，形成的微結晶，得到的製品外觀好，溶解速度也快，但形成微結晶則不利於(yu) 加快凍幹速度。
 

　　低溫慢凍(1℃/分)形成粗結晶，對提高凍幹效率有利，但是慢凍一般製品質量，特別是含活性的酶類或活菌活病毒等的存活率極為(wei) 不利。
 

　　對於(yu) 合成藥物，快凍和慢凍的要求不是嚴(yan) 格的，此兩(liang) 種方法均可。
 

　　一次升華法：一般適用製品的共溶點要在-10～-20℃左右，以及結構單一，粘度、濃度均不高，裝置在10mm厚度或15mm厚度。隻要將製品的溫度降低到其共融點以下-10℃～-21℃即可加熱升華，在加熱升華過程中需控製好升溫的速度，可保證製品幹燥成功。
 

　　反複預凍升華法：某些共溶點較低的製品，即使很低的溫度下也不能達到*凍結。外觀看好象已經凍結*，但在升華過程中，往往凍塊軟化，產(chan) 生氣泡，並在製品表麵形成粘稠狀網狀結構，影響升華幹燥的進行，如蜂蜜、蜂皇漿等其物質結構比較複雜，又粘稠的製品往往不易凍結，在升華中出現上述情況。可采用反複預凍方法來解決(jue) 。應用此種方法，可提高凍幹效率，也改善了製品的質量，縮短凍幹周期。
 

　　分格凍結升華法：在凍幹中如用大盤子裝製品，而且厚度較厚或濃度過高等，在升華時，底麵的水蒸汽無法利用逸出，使全部凍塊變形而脫開盤底，可將裝製品的盤子進行分格，同時提高熱傳(chuan) 導效率。
 

　　凍幹製品不合格現象
 

　　1、產(chan) 品抽空時有噴發現象：這是由於(yu) 產(chan) 品還沒有凍實時就抽真空的緣故，預凍溫度還沒有低於(yu) 共晶點溫度，或者已低於(yu) 共晶點溫度，但時間還不夠，產(chan) 品的凍結還未完成。解決(jue) 方法是降低預凍溫度和延長預凍時間。
 

　　2、產(chan) 品有幹縮和鼓泡現象：這是由於(yu) 在升華幹燥過程中出現了局部熔化，由液體(ti) 蒸發為(wei) 汽體(ti) ，造成體(ti) 積縮小，或者幹燥產(chan) 品溶入液體(ti) 之中，造成體(ti) 積縮小，嚴(yan) 重的熔化會(hui) 產(chan) 生鼓泡現象，原因是加熱太高或局部真空不良使產(chan) 品溫度超過了共晶點或崩解點溫度。解決(jue) 方法是降低加熱溫度和提高凍幹箱的真空度，應控製產(chan) 品溫度，使它低於(yu) 共晶點或崩解點溫度5℃。
 

　　3、無固定形狀：這是由於(yu) 產(chan) 品中的幹物質太少，產(chan) 品濃度太低，沒有形成骨架，甚至已幹燥的產(chan) 品被升華汽流帶到容器的外邊。解決(jue) 方法是增加產(chan) 品濃度或添加賦形劑。
 

　　4、產(chan) 品未幹完：產(chan) 品中還有凍結冰存在時就結束凍幹，出箱後凍結部分熔化成液體(ti) ，少量的液體(ti) 被幹燥產(chan) 品吸走，形成一個(ge) “空缺"，液體(ti) 量大時，幹燥產(chan) 品全部溶解到液體(ti) 之中，成為(wei) 濃縮的液體(ti) 。這種產(chan) 品出箱時若觸摸容器的底部，有冰涼的感覺，即使看起來產(chan) 品良好，但殘水含量也不會(hui) 合格。解決(jue) 方法是增加熱量供應，提高板層溫度或采用真空調節，也可能是幹燥時間不夠，需要延長升華幹燥或解吸幹燥的時間。
 

　　5、產(chan) 品顏色不均勻：產(chan) 品有結晶花紋，這是由於(yu) 冷凍速率緩慢引起的，解決(jue) 方法是提高冷凍速率，不在0℃左在的溫度停留，使產(chan) 品凍結成較小的晶體(ti) 。有時產(chan) 品中能看到一圈顏色較深的分層線，這往往是升華中短時間真空不良造成的，短暫停電會(hui) 產(chan) 生這種
 

　　6、產(chan) 品上層好，下層不好：升華階段尚未結束，提前進入解吸階段，這等於(yu) 提前升高板層溫度，結果下層產(chan) 品受熱過多而熔化，解決(jue) 方法是延長升華階段的時間；有些產(chan) 品由於(yu) 裝載厚度太大，或幹燥產(chan) 品的阻力太大，當產(chan) 品幹燥到下層時，升華阻力增加，局部真空變壞也會(hui) 引起下層產(chan) 品的熔化。解決(jue) 方法是降低板層溫度和提高凍幹箱的真空度。
 

　　7、產(chan) 品上層不好，下層好：冷凍時產(chan) 品表麵形成不透氣的玻璃樣結構，但未做回熱處理，升華開始不久產(chan) 品升溫，部分產(chan) 品發生熔化收縮，產(chan) 品的收縮使表層破裂，因此下層的升華能正常進行。解決(jue) 方法是預凍時做回熱處理
 

　　8、產(chan) 品水分不合格：解吸階段的時間不夠，或者解吸幹燥時沒有采用真空調節，或用了真空調節，但產(chan) 品到達*高許可溫度後未恢複高真空。解決(jue) 方法是延長解吸幹燥的時間，使用真空調節並在產(chan) 品到達*高許可溫度後恢複高真空。
 

　　9、產(chan) 品溶解性差：產(chan) 品幹燥過程中有蒸發現象發生，產(chan) 品發生局部濃縮，例如產(chan) 品內(nei) 部有夾心的硬塊，它是在升華中發生熔化，產(chan) 生蒸發幹燥，產(chan) 品濃縮造成的。解決(jue) 方法是適當降低板層溫度，提高凍幹箱的真空度，或延長升華幹燥的時間。
 

　　10、產(chan) 品失真空：真空壓塞時，瓶內(nei) 真空良好，但貯存後不久即失真空，可能是瓶塞不配套或鋁帽壓得太鬆，漏氣而失真空，解決(jue) 方法是更換瓶塞或調整壓鋁帽的鬆緊度；也可能是產(chan) 品含水量太高，由水蒸汽壓力引起的失真空，解決(jue) 方法是延長解吸階段的時間。另外還有一個(ge) 與(yu) 凍幹曲線無關(guan) 而影響產(chan) 品的質量問題，由於(yu) 凍幹箱內(nei) 滲漏矽油或液壓油。