真空冷冻干燥技术的现状及发展趋势
1 引言
近几年来, 真空冷冻干燥技术发展非常迅速, 国内尤为突出。十年前, 国内生产冻干设备的工厂只有3 家,现在已近30 家。冻干产品由生物制品到药品,再发展到出口冻干食品。生产冻干食品的厂家从无到有,目前已有几十家。冻干理论研究也活跃起来,有十几所高等院校和科研机关在研究冻干过程的传热传质,发表论文数十篇,出版了5 本专著。可以肯定地说,冻干设备、工艺和理论研究已经取得了可喜的成果,但也存在着不足。
2 冻干设备的现状及发展趋势
医药用冻干机已经基本成熟, 国内也制定了相应技术标准。有关厂家生产的医药用冻干机,已能代替进口设备。其压盖、清洗、消毒灭菌等功能齐全,产品质量和自动化程度较高,只是水分在线测量仪和个别电器元件等尚需进口。食品冻干机发展较快,生产厂家较多,质量、性能、规格型号各不相同。前几年多从国外引进,近几年已经基本国产化了。
目前,国产食品冻干机还都是非标准化产品。大部分生产厂家走的是仿制道路。有的厂家在采用国外先进技术的同时, 并且进行了很大的改进。如: 加热板内采用了特殊导流装置, 使板内流体的流量均匀, 保证了加热的均匀和稳定; 捕水器在工作中可实现交替捕水和融冰, 捕水器盘管内氨液制冷方式由传统的氨液相变制冷改为氨液无相变制冷, 使捕水器盘管内温度均匀, 结霜性能良好。除仿制之外, 国内自己的研制能力也在提高, 有的单位已经脱离了仿制国外机型, 抽气系统采用低架式水蒸汽喷射泵抽水蒸气, 省去了捕水器和制冷系统, 使设备价格有所降低。设计采用地车式装卸料, 地车采用万向胶轮支撑运输装卸料盘的料车进出冻干箱。它与我国台湾产地车运送料盘不同,与丹麦ATLAS 公司等引进的设备采用上吊车的结构也有区别, 是两者优点的结合, 既省去了车间铺吊轨、影响美观、进出冻干室需搬道叉的麻烦,又克服了地车送料盘装卸料时间长、传导加热温度不均匀等缺点。这种设备结构简单,制造容易,使用方便。
食品冻干机还存在着许多不足, 无论是国产还是引进设备其共同的缺点是价格贵, 耗能高,收回投资慢。因此,降低成本,减少能耗是食品冻干机今后的主攻方向。除此之外,国产冻干机还存在一些不足之处：
(1) 搁板温度不均匀,造成冻干产品含水率不均匀,产品合格率受影响。造成温度不均匀的原因各不相同。有的是搁板结构和材料质量不好;有的是加热流体分流或流程有缺欠; 有的是捕水器在干燥箱内绝热不好。
(2) 干燥速率低, 干燥箱内各点干燥快慢不一致,反映在产品上仍然是合格率受影响。其原因除搁板温度不均匀外,还与真空系统配置得不合理有关。主要体现在捕水器配置得不合理;水蒸汽喷射泵性能不稳定;抽气口位置不合理等。
(3) 无法判断干燥何时结束,这是重要缺欠,因为它可能造成产品含水率高而不合格,也可能造成干燥时间过长而浪费能源。
(4) 捕水器效率低。主要体现在捕水器面积大而捕水量小,有部分无效面积,其根本原因是捕水器设计不合理。
(5) 真空度不稳定。除操作原因外,可能是真空系统设计不合理。对于水蒸汽喷射泵而言,可能出现的问题是蒸汽锅炉压力不稳定。
食品用冻干机的研究方向和发展趋势应该是:
(1) 改进结构,优化设计,降低成本,减少能耗。国外有些冻干机不采用不锈钢制造, 而采用低碳钢涂覆食品用可烘干树脂, 涂层厚度为0. 12～0. 20 mm ,在室温下就会发出红外线。搁板表面涂高性能远红外发射材料,增强其辐射能力, 料盘表面处理, 增强其吸热能力。料盘在两块辐射搁板之间有一最佳位置, 而不是取中间位置,因此应优化设计。捕水器的结构、尺寸、结霜特性的优化,更有实际意义,因为它的造价目前几乎相当于冻干箱的造价, 运转功耗较大。对于冻干机而言, 加热系统只是补充升华热,功率消耗本不应太高,但现有设备并不尽如人意,应该通过结构优化,降低能耗。
(2) 保证质量, 提高性能。有的厂家生产的冻干机从安装好之后, 一直不能投入正常生产; 有的冻干机虽然能生产,但能耗太高,生产的产品越多,赔钱越多; 还有的元器件不断出现故障,影响正常生产。因此,今后生产的冻干机质量必须保证,可靠性要好。提高性能是指除加热速率、抽气速率、温度均匀性、真空度稳定性之外,增强设备新的功能。例如增加冻干结束的判断功能,最简单的办法是称重法。目前已经有人试验,但都不太成功。原因是没有离开天平和地秤的模式,致使小设备安装困难,大设备笨重而不稳定。应该发展重量传感器,用很小的一次元件给出重量随时间的变化。
(3) 开发连续式冻干设备, 当前生产的冻干机都是间歇式产品, 随着工业技术的发展,人民生活水平的提高,消费量会增大,因此发展连续冻干设备,增加冻干产品的产量是必然趋势。
3 冻干工艺的现状及发展趋势
目前,研究冻干工艺的人员比研究冻干设备的人员要多,研究食品冻干工艺的人员比研究医药冻干工艺的人员要多。被研究的冻干食品品种也越来越多。仅就本校已研究过的冻干品种有:
(1) 中草药类:人参、冬虫夏草、山药。
(2) 水果类:桃、梨、苹果、香蕉、草莓。
(3) 蔬菜类:葱、菠菜、洋葱、胡萝卜。
(4) 肉类:牛肉、牛肝、鸡肝。
(5) 水产类:虾、海带、海参、扇贝。
(6)其它类:蜂蜜、幼竹鲜汁、紫草红色素、“勿忘我”鲜花等。
本校研究的冻干工艺都没有进行优化研究, 不能算是最佳工艺, 从实验室走入生产车间还应该进一步优化, 使其适合于产业化、快速、节能的要求。有的单位对几种食品的冻干工艺研究得比较出色,其中比较有代表性的食品是蘑菇、大蒜粉、芦笋、速溶咖啡、速溶茶等,并给出了脱水大蒜和脱水洋葱的技术要求,这是冻干食品走向成熟的标志。
西药、血液制品和生物制品的冻干工艺比较难,工艺成熟与否关系重大,产品质量直接关系到人的生命安全。所以研究人员比较少,研究成果有一定时间的保密性。西药冻干的关键问题是避免染菌,一但染菌就会造成重大事故。生物制品则要求更加严格,除避免染菌外还要防止菌种变异,保持活菌活毒的活性。在冻干过程中要加入添加剂和保护剂,这是技术水平很高的工作, 国内外有不同的冻干保护剂, 我国六大生物制品研究所之间也各有妙方。
生物体的冻干工艺已经提到了日程上,本校将灰鼠皮肤去毛冻干后在沈阳药科大学做药理实验证明了与新鲜皮肤的药理作用相同, 复水后在生物显微镜下做组织观察, 与鲜皮细胞组织基本相同。现正在国家自然科学基金的资助下,与中国医科大学合作开展家兔角膜的冻干实验研究。
4 冻干理论的研究现状及发展趋势
真空冷冻干燥技术的理论研究可概括为低压低温传热传质的理论研究,非稳态流场的理论研究和热物性参数与其测量方法研究三大部分。其中低压低温传热传质的理论研究进行得比较早,效果比较明显,目前公认的冻干模型可归纳成三种:
一种是1976 年Sandall 等提出的冰界面均匀后移的稳态模型(URIF) ;
另一种是1968 年Dryer [6 ]等提出的准稳态模型;
第三种是1979 年Litchield 等提出的吸附- 升华模型。
这几种模型都可以描述冻干过程,但又都存在着不足,描述传热过程比较准确,描述传质过程误差较大。主要问题是在传质过程中要发生固- 汽相变,水蒸气在多孔的通道中传递,通道长度要随时间不同而变化,是非稳态过程。多孔通道的结构尺寸还与预冻速度、被冻干物料的物质结构等有关。从近几年的研究报道中还没有见到有新的突破。冻干过程传热传质的理论研究重点是研究发生在被冻干物料内部的过程。非稳态流场的理论研究,重点是研究物料之外、冻干机之内的低压低温空间环境。描述该空间环境的参数有温度、压力、湿度等,这些参数形成的温度场、压力场、湿度分布等都是随时间变化的非稳态流场,这些非稳态流场的模拟方法至今还是个难题。冻干机捕水器中的非稳态流场中又增加了一个汽- 固相变的问题,使研究更加复杂化。因此,近几年虽然有人研究并发表了论文,但都没有形成有效的理论,仍然是值得深入研究的课题之一。无论是传热传质理论研究还是非稳态流场理论研究,都需要一些热物性参数,例如被冻干物料的密度、导热系数、传质系数、水分含量等。由于被冻干物料是各种各样的,无法查找这些数据,需要自己测量。测量时采用什么方法、什么仪表、什么原理等都是研究的课题。还有一类热物性参数测量更是比较困难,这就是在低温低压下湿空气和霜层的特性参数。例如,在真空条件下霜层的密度、厚度、导热系数等都随时间、温度、压力而变化,研究工作相当困难,进展缓慢。
5 结束语
从上述分析可见,冻干技术发展很快,存在问题也不少。迈向21 世纪的冻干技术,除了在设备、工艺和理论方面开展更新、更好、更深入地研究之外,还有待于开拓市场。目前冻干产品销售情况不景气, 除国际市场受东南亚经济危机的影响外, 也受冻干产品质量和品种的制约。国内市场受冻干产品的价格限制,也受新鲜果蔬生产和保鲜技术的冲击。开拓市场的方向应该是上品种、重质量、降价格、面向国外。冻干技术还需开发新的应用领域,生命科学、材料科学等都是冻干技术的交叉学科,是很有发展前途的领域,应该作为开发应用新领域的首选范围。
生物制药中真空冷冻干燥技术的应用论文
无论是在学习还是在工作中，大家都经常看到论文的身影吧，通过论文写作可以培养我们独立思考和创新的能力。还是对论文一筹莫展吗？以下是我收集整理的生物制药中真空冷冻干燥技术的应用论文，仅供参考，欢迎大家阅读。
摘要：
随着我国经济的发展，社会的进步，科学技术水平的提升，真空冷冻干燥技术的相关问题也渐渐引起了人们的重视。生物制药产业在我国整体经济市场体系中占据着重要的位置，然而从现有的技术手段来看，一些生物制药厂家并没有合理地进行创新，仍然沿用传统技术，导致技术无法满足现实需求，所以应尝试在生物制药的过程中对真空冷冻干燥技术进行合理应用。据此，文章分析了真空冷冻干燥技术在生物制药方面的运用问题，希望能够对现实有所裨益。
关键词：
真空冷冻干燥技术;生物制药;发展;
前言
在生物制药的过程当中，有必要对真空冷冻干燥技术进行合理运用，因为真空冷冻干燥技术本身具备着一定的创新价值，无论是在技术高度方面还是在技术实效方面都要超过传统的技术。生物制药在我国的整体发展体系中可以说十分重要，尤其是在未来的发展过程中，只有保证生物制药的质量与效率才能够不断缩小我国与发达国家的差距，因此应合理分析真空冷冻干燥技术在生物制药方面的运用问题。本文对这一问题进行了分析与研究，具备较强的现实意义。
1、真空冷冻干燥技术的基本概念
想要对整体问题进行研究，就必须要在一定程度上明确真空冷冻干燥技术的基本概念。对于真空冷冻干燥技术而言，其具备创新性，不仅仅能够利用低温的具体条件来对药品进行冻结处理，同时还能够对真空无菌环境进行创设，在真空无菌环境的具体条件下，对药品进行升华、干燥处理、毫无疑问，升华的过程较为复杂，但只有通过升华才可以对药品中的基本水分进行去除，达成最终目的，之后对药品进行解析干燥处理。归结起来，无论是去除水还是结合水都需要完全的包括在整体工作的范畴当中。
在多个学科领域当中，真空冷冻干燥技术都能够得到合理的应用，包括物理学及生物学等等，只有保证药品稳定性，才可以更好地激发药物细胞活性，不断促进其合理发展。除此之外，通过真空冷冻干燥技术的应用，可以保证液体药品不受到环境的具体影响，尤其是在对液体药品进行稀释之后，就可以在保证其稳定性的基础上降低环境污染的几率，不断延长药品的保存期，对药品的具体品质进行提升。总而言之，在现有的生物制药行业中，真空冷冻干燥技术的应用较为广泛，以上所述，基本就是真空冷冻干燥技术的概念。
2、真空冷冻干燥技术在生物制药方面的运用价值
在对整体问题进行研究前还有必要明确真空冷冻干燥技术在生物制药方面的运用价值。所谓运用价值，也可以理解为真空冷冻干燥技术的优势，正如前文所说，从现有的技术手段来看，一些生物制药厂家并没有合理地进行创新，仍然沿用传统技术，导致技术无法满足现实需求，所以应尝试在生物制药的过程中对真空冷冻干燥技术进行合理应用，可见真空冷冻干燥技术具有传统技术不具备的具体优势。
传统的干燥技术存在着十分明显的应用缺陷，而应用真空冷冻干燥技术则可以对产品的干燥效果进行提高，在传统技术无法保证产品处理质量的情况下，真空冷冻干燥技术的优势也就得以体现。由于常规的干燥技术在应用过程中往往会导致药品出现破损的情况，而对真空冷冻干燥技术进行运用则可以对气体进行升华，不会产生对物料的破坏，进而产生对生物结构的保护作用。
在对真空冷冻干燥技术进行应用的过程中，对具体环境存在着一定程度上的要求，所以真空冷冻干燥技术的应用不会对药品产生具体的污染，也不会出现杂质，有利于对药品进行更高效率的运输。真空冷冻干燥技术能够大幅度提升药品干燥的具体效果，同时也有利于提升药品处理的顺利程度。
在真空环境下，真空冷冻干燥技术能够得到合理应用，可以避免药品处理过程受到外界因素的影响，最大程度地减少杂质。在对药品进行运输时，应用真空冷冻干燥技术后也可以较好的节约成本，由于药品的具体细胞活性得以保留，所以药品成品的具体质量也能得到提升。
在相对较低的温度下，真空冷冻干燥技术能够得到应用，不仅仅不会对蛋白质的具体成分产生影响，同时还可以减少对周边环境的污染，能够较好地保证药品材料的完整性。以上所述，基本就是真空冷冻干燥技术在生物制药方面的运用价值。
3、真空冷冻干燥技术在生物制药方面的运用措施
3.1、真空冷冻干燥技术在生物制药预冻阶段中的应用
在生物制药的过程当中，预冻是十分重要且关键的环节，相关人员必须要对真空冷冻干燥技术进行合理应用，尤其是在这一步骤内，相关工作人员不仅仅要明确原材料的具体情况，同时还需要对原材料的温度进行控制，如果原材料温度不合适就会影响冻结处理的效率，会影响到后续的具体步骤。
虽然真空冷冻干燥技术相比较于传统干燥技术具备明显的优势，但如果工作人员操作不当，就无法真正发挥真空冷冻干燥技术的价值，因此必须要全身心的投入到工作当中并注意具体细节，明确原料内部的成分冻结情况，在监测温度的基础上保证原料冻结的完全性。冻结温度并没有确切的标准，不同情况下最合适的冻结温度也存在不同，必须要将其与原料共晶点进行比较，在明确双方共同之处的情况下保证冻结处理的合理性。由于在生物制药的具体过程中，冻结速度会影响到原料内部的冰晶，因此为了保证整体工作的质量与效率，就必须要对冻结时间以及具体的`冻结速度进行严格控制。
3.2、真空冷冻干燥技术在生物制药升华阶段中的应用
在生物制药的具体升华阶段，真空冷冻干燥技术同样具备用武之地。虽然我国目前对真空冷冻干燥技术的应用水平还不够高，与发达国家存在着不小的差距，但在生物制药领域，必须要不断进行实践，不断积累经验，只有如此才能够更好地达成最终目标。在生物制药的各个阶段当中，实事求是的说，最能够体现真空冷冻干燥技术效果的就是升华阶段。结合物料的具体情况，在对真空冷冻干燥技术进行应用时必须要以无水环境为基础，以无水环境为核心，对原料中的冰晶需要进行升华处理，一旦出现了冰晶融化的情况，相关工作人员就必须要集中注意力，因为这种情况的出现很可能影响原料处理的具体质量。所以应尝试结合升华的实际情况及时调整具体的工作进程，避免冰晶完全融化。
在升华的具体环节与步骤中还需要对冰晶周围的具体水蒸气进行合理监测，通过具备专业性特点的仪器来对水蒸气的具体含量进行测试，不仅仅需要与冻结点的蒸汽进行比较，同时还需要关注不同的细节，尤其是在对真空冷冻干燥技术进行应用的过程中，必须要结合物料中水分的具体情况最大程度地消除水分。
升华环境对热量存在需求，只有具备热量支撑才能够提升供热气压的具体水平，同时具备专业能力的技术人员还需要对温度进行大程度的控制，在这一具体环节中，需要对物料进行精确的分类，结合物料的具体品质对升华时间进行设置，能够在提升物料干燥程度的基础上解决多方面的问题。总而言之，在生物制药的升华阶段，真空冷冻干燥技术的应用较为重要，较为必要，但目前的现状并不完全合理，相关工作人员往往还没有明确真空冷冻干燥技术在实践中的价值与意义，对真空冷冻干燥技术的应用方法也不够明确，这也需要生物制药企业在合理的情况下加强对工作人员的培训，最大程度地诠释真空冷冻干燥技术的应用价值。
3.3、真空冷冻干燥技术在生物制药解析附阶段的中应用
在生物制药的解析附阶段，真空冷冻干燥技术的应用空间较大，同时应用难度也较大。由于在生物制药过程中必须要对物料进行干燥处理，所以应用真空冷冻干燥技术可以通过升华功能对物料中的基本水分进行蒸发，一旦出现缝隙就会保存水分，所以必须要消除缝隙或最大程度地减少缝隙。
部分生物制药企业盲目追求经济效益，忽略了很多的细节问题，不利于提升真空冷冻干燥技术的应用水平，也不利于保证药品质量，所以必须要转变思想，树立先进意识，重视各类细节。为了能够避免后续干燥处理被缝隙影响，必须要对缝隙中存在着的具体水分进行合理处理，可通过解析附的具体优势来完成整体工作。
在一般情况下，物料缝隙中的具体含水量不能够超过2%，如果能够保持在这一数值之下，就可以达到合理标准。首先，负责应用真空冷冻干燥技术的相关技术人员必须要深入研究解析附物料的具体温度，除此之外，板层的温度也需要包括在其中。由于物料的温度会随着区域温度的变化而不断发生变化，所以应尝试将其温度与许可的温度进行比较，之后结合实际情况考虑各类问题。在解析附的具体阶段，应该对物料温度进行合理控制，并对板层的温度进行调整，合理调节干燥室的压力。
再者，不同物料的形状存在差别，所以解析的时间也不尽相同，除此之外，不同生物药品的类型也存在着较大区别，所以应通过精密的实验来确定生物药品类型，在干燥处理过程中，不同生物药品的含水量不尽相同，为了提升解析实践，可通过适当提高含水量的方式来完成具体工作，但必须要对冻干机板层的温差等进行科学控制。
4、结论
综上所述，生物制药在我国的整体发展体系中可以说十分重要，只有保证生物制药的质量与效率才能够不断缩小我国与发达国家的差距；真空冷冻干燥技术的应用不会对药品产生具体的污染，也不会出现杂质，有利于对药品进行更高效率的运输；真空冷冻干燥技术能够大幅度提升药品干燥的具体效果，同时也有利于提升药品处理的顺利程度；在对具体的药品进行运输时，应用真空冷冻干燥技术后也可以较好的节约成本，由于药品的具体细胞活性得以保留，所以药品成品的具体质量也能得到提升。
参考文献
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[2]黄元宏.简述真空冷冻干燥技术在生物制药方面的应用[J].饮食科学，2017(18):62.
[3]金小花.探析真空冷冻干燥技术在生物制药方面的应用[J].生物技术世界，2015(12):180.
冷冻干燥技术是一种特殊的干燥和铅捕集技术。冷冻干燥技术的基本原理是基于水的三相变化。水的三相(H2O)是固态、液态和气态，水的三相可以共存和相互转化。水(H2O)的相平衡图如图1所示。三个相点对应的温度为0.01℃，水蒸汽压为6.105×10-4MPa。在这种条件下，水、冰、水蒸气共存，相互平衡。当蒸汽压力高于6.105×10-4MPa时，冰会融化成水，水蒸发成蒸汽，这就是蒸发过程。当水蒸气压力小于6.105×10-4MPa时，冰受热升华成水蒸气，这就是升华过程。冷冻干燥机的优点:有各种干燥方法，如晒干、煮沸、干燥、喷雾干燥和真空干燥，但普通的干燥方法通常在0℃以上或更高的温度下进行。一般干燥后的产品都存在体积缩小、质地变硬的问题。大部分挥发性成分会流失，一些热敏性物质会变性失活，有些物质甚至会被氧化。因此，干燥后的产品与干燥前有很大的不同。冷冻干燥基本上是在0℃以下进行的，即在产品的冷冻状态下进行。解析干燥时一般不超过60℃。
上海拓纷冻干机厂家为你回答：
冻干工艺不同于以上的干燥方法，产品的干燥基本上在0℃以下的温度进行，即在产品冻结的状态下进行，直到后期，为了进一步降低产品的残余水份含量，才让产品升至0℃以上的温度，但一般不超过40℃。
冻干工艺就是把含有大量水分物质，预先进行降温冻结成固体，然后在真空的条件下使固态水直接升华出来，而物质本身剩留在冻结时的冰架中，因此它干燥后体积不变，疏松多孔在升华时要吸收热量。引起产品本身温度的下降而减慢升华速度，为了增加升华速度，缩短干燥时间，必须要对产品进行适当加热。整个干燥是在较低的温度下进行的。
