真空冷凍干燥(簡稱“凍干”)是指將含水物質(zhì)預(yù)先凍結(jié)成固態(tài)，然后在真空狀態(tài)下使其中的水從固態(tài)升華成氣態(tài)，以除去水分而保存物質(zhì)的方法。凍干后的固體物質(zhì)呈多孔結(jié)構(gòu)，保持凍結(jié)時(shí)的體積，加水極易溶解復(fù)原。凍干過程是在低溫真空條件下進(jìn)行，因此對于許多熱敏性、易氧化的物質(zhì)特別適用。凍干能除去95%~99%的水分，使干燥后的產(chǎn)品能長期保存而不變質(zhì)。
本文在闡述凍干技術(shù)原理、特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析評價(jià)凍干各個(gè)階段的影響因素，對在凍干操作過程中凍干設(shè)備及凍干產(chǎn)品出現(xiàn)常見問題分析，提出解決方法。
1. 凍干技術(shù)的原理
冷凍干燥的機(jī)理就是將需干燥的物料先行凍結(jié)至其共晶點(diǎn)以下，使得物料中的水分變成固態(tài)的冰，然后在適當(dāng)?shù)恼婵窄h(huán)境下，通過加熱使冰直接升華為水蒸氣而除去，從而獲得干燥的制品。
2. 凍干技術(shù)的特點(diǎn)
冷凍干燥與常規(guī)的曬干、烘干、煮干、噴霧干燥及真空干燥相比，有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：
A. 冷凍干燥在低溫下進(jìn)行，因此在對于許多熱敏性的物質(zhì)特別適用。如蛋白質(zhì)、微生物之類，不會(huì)發(fā)生變性或失去生物活力。
B. 在凍干過程中，微生物的生長和酶的作用無法進(jìn)行，因此能保持原來的性狀。
C. 在低溫下干燥時(shí)，物質(zhì)中的一些揮發(fā)性成分和受熱變性的營養(yǎng)成分損失很小，適合一些化學(xué)制品、藥品和食品的干燥。
D. 由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行干燥，因此制品的體積、形狀幾乎不變，保持了原來的結(jié)構(gòu)，不會(huì)發(fā)生濃縮現(xiàn)象。干燥后的物質(zhì)疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而*，幾乎立即恢復(fù)原來的性狀。
E. 在真空下進(jìn)行干燥，物料處于高度缺氧狀態(tài)下，容易氧化的物質(zhì)得到了保護(hù)。
F. 干燥能排除95-99%以上的水分，使干燥后產(chǎn)品能長期保存而不變質(zhì)。
但是，凍干技術(shù)有其缺點(diǎn)，如：過程工序復(fù)雜、時(shí)間較長、設(shè)備造價(jià)高、成本大、耗能量大。工藝要求高等。但是總體來講，還是帶來的利益大于其比弊端。
3. 凍干前處理工藝
對于不同的待凍干物料，前處理的方法是不同的。根據(jù)原料的特點(diǎn)采用相應(yīng)的處理方法：如果蔬的挑選、清洗、去皮、切分、燙漂、冷卻等處理，藥物的培養(yǎng)、滅菌、分裝、洗瓶、半加塞等，食品原料的挑選、清洗、切分、滅酶、分裝等。
生物制品是有生命或有生物活性的物質(zhì)，在凍干前，常常需要添加保護(hù)劑，以減少材料的低溫?fù)p傷和脫水損傷。通常使用的保護(hù)劑包括蔗糖、海藻糖、甘露醇、山梨醇、氨基酸、氯化鈉、氫氧化鈉、脫脂乳等。為改善多孔層的穩(wěn)定性，可在凍干前改善材料的熱機(jī)械性質(zhì)，如添加右旋糖酐、甘露醇等具有較高熱穩(wěn)定性的賦形劑。
4. 共晶點(diǎn)的測定
共晶點(diǎn)的測定有電阻測定法、熱差分析測定法、凍干顯微鏡直接觀察、數(shù)字公式計(jì)算測定。標(biāo)準(zhǔn)的共晶點(diǎn)測量法是將一對白金電極浸入液體產(chǎn)品之中，并在產(chǎn)品中插一溫度計(jì)，把它們冷卻到-40℃以下的低溫，然后將凍結(jié)產(chǎn)品慢慢升溫。用惠斯頓電橋來測量其電阻，當(dāng)發(fā)生電阻突然降低時(shí)，這時(shí)的溫度即為產(chǎn)品的共晶點(diǎn)。電橋要用交流電供電，因?yàn)橹绷麟姇?huì)發(fā)生電解作用，整個(gè)過程由儀表記錄。
此外，還可以在預(yù)凍階段通過視窗來觀察制品性狀的變化來獲得共晶點(diǎn)。當(dāng)制品開始結(jié)冰的時(shí)候，浸入制品中的電熱偶所探測到的溫度會(huì)突然回升，這是因?yàn)榻Y(jié)冰過程的放熱現(xiàn)象所造成的。這時(shí)候所記錄的溫度就大致接近于共晶點(diǎn)溫度。在冷凍干燥的工藝中，共晶點(diǎn)是獲得凍干的臨界溫度，冷凍干燥必須在大大低于共晶點(diǎn)的溫度和壓力下進(jìn)行，為保證物料*凍結(jié)，預(yù)凍溫度要比物料共晶點(diǎn)低5-10℃。
5. 冷凍干燥的一般過程
需要凍干的物品需配制成一定濃度的液體，為了能保證干燥后有一定的形狀，一般凍干產(chǎn)品應(yīng)配制成含固體物質(zhì)濃度在4%~25%之間的稀溶液，以濃度為10%~15%合適。這種溶液中的水，大部分是以分子的形式存在于溶液中的自由水；少部分是以分子吸附在固體物質(zhì)晶格間隙中或以氫鍵方式結(jié)合在一些極性基團(tuán)上的結(jié)合水。固定于生物體和細(xì)胞中的水，大部分是可以凍結(jié)和升華的自由水，還有一部分不能凍結(jié)、很難除去的結(jié)合水。凍干就是在低溫、真空環(huán)境中除卻物質(zhì)中的自由水和一部分的吸附于固體晶格間隙中的結(jié)合水。因此，冷凍干燥過程一般分五步進(jìn)行，即預(yù)凍結(jié)、升華干燥(或稱di一階段干燥)、解析干燥(或稱第二階段干燥)、終點(diǎn)判斷、產(chǎn)品出柜。
1）制品的預(yù)凍結(jié)
這一階段主要是起固定作用，以便干燥產(chǎn)品，它是極其關(guān)鍵的一步，因?yàn)槿绻幚聿划?dāng)，就會(huì)造成許多產(chǎn)品的成型問題或者質(zhì)量問題，因此，要嚴(yán)格控制預(yù)凍的時(shí)間、溫度及真空度，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，預(yù)凍過程往往不考慮真空度的影響因素。預(yù)凍溫度一般采用是在凍結(jié)點(diǎn)也叫共晶點(diǎn)溫度以下5℃以內(nèi)，也可以在共晶點(diǎn)溫度以下10~15℃，在這一過程中的溫度跳點(diǎn)就是合適的預(yù)凍溫度。在溫度達(dá)到凍干溫度時(shí)，要進(jìn)行一段時(shí)間的保溫。預(yù)凍時(shí)間不固定，一般在2-3h可以*凍結(jié)，這要根據(jù)產(chǎn)品裝量、板層面積、傳熱介質(zhì)的性質(zhì)來確定。
2）制品的升華干燥
它是凍干的主要過程，主要是為了將物料中的冰升華，但是要保證冰不溶化，并且物料凍結(jié)點(diǎn)的飽和蒸汽壓高于冰周圍的水蒸氣。這就要求快速地移走產(chǎn)生的水蒸氣以及不斷補(bǔ)充升華所需要的熱量，溫度和壓強(qiáng)成為這個(gè)過程中的主要影響因素。首先是升華干燥時(shí)的溫度，此溫度應(yīng)該設(shè)定在共晶點(diǎn)以下，共晶點(diǎn)附近升華速度zui快。在升華過程中，產(chǎn)品固形物中干燥層與凍結(jié)層交界面會(huì)隨時(shí)間延長而慢慢下降。當(dāng)干燥層與凍結(jié)層交界面消失(及凍結(jié)層消失)時(shí)，此時(shí)產(chǎn)品溫度上升要比凍結(jié)層消失前明顯加快，根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝再延長數(shù)小時(shí)，確保產(chǎn)品內(nèi)部凍結(jié)層全部消失。
3）制品的解析干燥
物料中所有的冰晶升華干燥后會(huì)留下許多的空穴，但仍然會(huì)留有10%左右的未凍結(jié)水分，我們說的解析干燥就是把這部分水分降低，使其維持在2%左右，起到干燥物料的作用。應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品性質(zhì)及成品要求的含水量來確定這一階段的zui高溫度，但是可以適當(dāng)?shù)靥岣邷囟纫越档秃俊Ｔ谠俑稍镫A段需要適當(dāng)提高摻氣壓力，使熱量得到傳導(dǎo)。為了加快干燥速度及縮短時(shí)間，可以當(dāng)制品溫度*達(dá)到導(dǎo)熱媒設(shè)定的溫度時(shí)再恢復(fù)高真空。
4）凍干終點(diǎn)判斷
在實(shí)際操作時(shí)，可根據(jù)下述現(xiàn)象來判斷解析干燥結(jié)束的時(shí)間：
(1)制品溫度與加熱擱板溫度基本趨于一致并保持一段時(shí)間。
(2)干燥箱內(nèi)壓力與冷阱的壓力趨于一致并保持一段時(shí)間。
(3)干燥箱壓力。冷阱溫度基本上恢復(fù)到設(shè)備空載時(shí)的指標(biāo)并保持一段時(shí)間。
(4)關(guān)閉干燥箱與冷凝器之間的閥門時(shí)，干燥箱真空度兩分鐘內(nèi)上升不超過5Pa(0.05mbar)時(shí)，即可判定凍干結(jié)束。
（5）凍干曲線的設(shè)計(jì)參數(shù)
凍干曲線有廣義和狹義之分，狹義的凍干曲線是指凍干箱板層溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線。而廣義的凍干曲線是指在凍干過程中，產(chǎn)品溫度、板層(擱板)溫度、冷凝器(冷阱)溫度、真空度和時(shí)間作出的關(guān)系曲線見圖2。一般以溫度、壓力為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)。只有對冷凍干燥過程的每一階段的各參數(shù)進(jìn)行全面的控制，才能得到優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。凍干曲線不僅是手工操作凍干機(jī)的依據(jù)，也是自動(dòng)控制凍干機(jī)操作的依據(jù)。
6. 凍干產(chǎn)品出現(xiàn)常見問題分析
良好的凍干產(chǎn)品應(yīng)有良好的物理形態(tài)，如外形飽滿、表面平整、不萎縮、色澤均勻、多孔性好、水分含量合格、加水后能迅速復(fù)溶、能長期存放。在凍干產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些異常情況，如噴瓶、掉底、破瓶、產(chǎn)品干燥不*、含水量過高、含量不均勻或含量偏低、復(fù)溶后溶液渾濁等問題?，F(xiàn)對這些常見的問題的產(chǎn)生原因及解決方法進(jìn)行初步分析探討。
1）產(chǎn)品有萎縮和鼓泡現(xiàn)象，產(chǎn)生原因升華階段升溫過快，或升華階段尚未結(jié)束，提前進(jìn)入解析階段，溫度過高導(dǎo)致局部熔化，由液體蒸發(fā)為氣體，造成體積縮小，或者干燥產(chǎn)品溶入液體之中，造成體積縮小，嚴(yán)重的熔化會(huì)產(chǎn)生鼓泡現(xiàn)象。解決方法是降低升華階段的溫度，延長升華階段的時(shí)間和提高凍干箱的真空度，控制產(chǎn)品溫度低于共晶點(diǎn)或崩解點(diǎn)溫度5℃以上。
2）產(chǎn)品有噴瓶現(xiàn)象，產(chǎn)生原因預(yù)凍過程溫度偏高、時(shí)間太短、產(chǎn)品未*凍結(jié)、預(yù)凍不*、或升華階段溫度過高、抽真空升華干燥時(shí)部分產(chǎn)品溶化被抽出瓶口，造成噴瓶現(xiàn)象。解決方法可降低預(yù)凍溫度，延長預(yù)凍時(shí)間，使產(chǎn)品*凍結(jié)后進(jìn)行抽真空升華。
3）產(chǎn)品出箱后不久出現(xiàn)萎縮、空洞、碎塊現(xiàn)象，產(chǎn)生原因產(chǎn)品干燥不*，還有殘存冰晶，可通過延長升華干燥時(shí)間或提高解析干燥升華溫度來解決。
4）產(chǎn)品出現(xiàn)顏色不均一、分層現(xiàn)象，一種情況是凍干塊狀物下部分細(xì)膩上部分毛躁、有結(jié)晶花紋，這是由于冷凍速率緩慢引起的，慢速預(yù)凍過程中底部先形成冰，溶質(zhì)向上濃縮，可以加快預(yù)凍速度或采用反復(fù)凍結(jié)法來解決。另一種情況是溶液中某種物質(zhì)濃度過高，溶液長時(shí)間放置后，由于溫度或pH值的變化導(dǎo)致該物質(zhì)析出沉淀，可通過降低濃度、調(diào)整處方以穩(wěn)定溶液pH值或減少溶液放置時(shí)間來解決。
5）產(chǎn)品出現(xiàn)掛壁、掛脖現(xiàn)象，一種情況是灌裝過程，物料濺至瓶壁，可以采取灌裝結(jié)束后放置0.5h。另一種情況是抽真空升華過程，物料被抽至瓶壁，可以采取降低預(yù)凍溫度，延長預(yù)凍時(shí)間，控制真空下降速率方法解決。
6）產(chǎn)品表面有硬殼，產(chǎn)生原因預(yù)凍時(shí)產(chǎn)品表面形成不透氣的玻璃樣結(jié)構(gòu)，升華開始后產(chǎn)品升溫，部分產(chǎn)品發(fā)生熔化收縮，產(chǎn)品的收縮使表層裂，因此下層的升華能正常進(jìn)行，解決方法是預(yù)凍時(shí)做回?zé)崽幚怼?br />7）瓶破裂或掉底，西林瓶在凍干中有時(shí)會(huì)發(fā)生瓶破裂及掉底現(xiàn)象，一般有三個(gè)原因：
①西林瓶質(zhì)量：應(yīng)選擇質(zhì)量信譽(yù)好的廠家產(chǎn)品，一般來說，高硼硅的西林瓶不容易破；
②溶液裝量過多：一般來說，裝量多的容易破瓶(主要是掉底)；
③預(yù)凍速度過快：質(zhì)量差的西林瓶可能會(huì)由于預(yù)凍速度過快而導(dǎo)致破瓶，凍干預(yù)凍階段要緩慢降溫或在共晶點(diǎn)附近有一個(gè)保溫時(shí)間，減小擱板和產(chǎn)品的溫差，這樣可以減少破瓶及掉底問題。
7. 結(jié)束語
近幾年，真空冷凍干燥技術(shù)的發(fā)展非常迅速，國內(nèi)尤為突出。但是，在制品凍干過程中，凍干工藝復(fù)雜，而且凍干法本身也存在干燥速率低、干燥時(shí)間長、干燥過程能耗高和干燥設(shè)備投資大等缺點(diǎn)。因此，只有充分了解國內(nèi)外凍干工藝的研究現(xiàn)狀，及時(shí)跟進(jìn)*技術(shù)的發(fā)展，與客觀實(shí)踐相結(jié)合，總結(jié)自己的經(jīng)驗(yàn)，才能更經(jīng)濟(jì)地做出更高質(zhì)量的凍干制品。
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