冷凍干燥技術(shù)

1、1緒論冷凍干燥是將含水物質(zhì)，先凍結(jié)成固態(tài)，而后使其中的水分從固態(tài)升華成氣態(tài)，以除去水分而保存物質(zhì)的方法。這種干燥方法與通常的曬干、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)，如：（1）它是在低溫下干燥，不使蛋白質(zhì)、微生物之類(lèi)產(chǎn)生變性或失去生物活力。這對(duì)于那些熱敏性物質(zhì)，如疫苗、菌類(lèi)、毒種、血液制品等的干燥保存特別適用。（2）由于是低溫干燥，使物質(zhì)中的揮發(fā)性成分和受熱變性的營(yíng)養(yǎng)成分損失很小，是化學(xué)制品、藥品和食品的優(yōu)質(zhì)干燥方法。（

2、3）在低溫干燥過(guò)程中，微生物的生長(zhǎng)和酶的作用幾乎無(wú)法進(jìn)行，能最好地保持物質(zhì)原來(lái)的性狀。（4）干燥后體積、形狀基本不變，物質(zhì)呈海棉狀，無(wú)干縮；復(fù)水時(shí)，與水的接觸面大，能迅速還原成原來(lái)的性狀。（5）因系真空下干燥，氧氣極少，使易氧化的物質(zhì)得到了保護(hù)。（6）能除去物質(zhì)中95～99%的水分，制品的保存期長(zhǎng)?？傊?，冷凍干燥是一種優(yōu)質(zhì)的干燥方法。但是它需要比較昂貴的專(zhuān)用設(shè)備，干燥過(guò)程中的耗能較大，因此加工成本高，目前主要應(yīng)用在以下一些方面：（1）生

3、物制品、藥品方面：如抗菌素、抗毒素、診斷用品和疫苗等。（2）微生物和藻類(lèi)方面：如酵母、酵素、原生物、微細(xì)藻類(lèi)等。（3）生物標(biāo)本、活組織方面：如制作各種動(dòng)植物標(biāo)本，干燥保存用于動(dòng)物異種移植或同種移植的皮層、角膜、骨骼、主動(dòng)脈、心瓣膜等邊緣組織。（4）制作用于光學(xué)顯微鏡、電子掃描和投射顯微鏡的小組織片。（5）食品的干燥：如咖啡、茶葉、魚(yú)肉蛋類(lèi)、海藻、水果、蔬菜、調(diào)料、豆腐、方便食品等。（6）高級(jí)營(yíng)養(yǎng)品及中草藥方面：如蜂王漿、蜂蜜、花粉、中草

4、藥制劑等。（7）其他：如化工中的催化劑，凍干后可提高催化效率520倍；將植物葉子、土壤凍干后保存，用以研究土壤、肥料、氣候?qū)χ参锷L(zhǎng)的影響及生長(zhǎng)因子的作用；潮濕的木制文物、淹壞的書(shū)籍稿件等用凍干法干燥，能最大限度的保持原狀等。冷凍干燥能保存食物很早就為人們所知。古代北歐的海盜利用干寒空氣的自然條件來(lái)干燥和保存食物，就是其中一列。但是，將冷凍干燥作為科學(xué)技術(shù)還是近百年來(lái)的事。1890年啊特曼（Altmann）在制作標(biāo)本時(shí)，為了防止標(biāo)本中的

5、物質(zhì)在有機(jī)溶劑中溶解，造成不可逆損失，改變過(guò)去用有機(jī)溶劑脫水的方法，采用冷凍干燥法凍干各種器官和組織。他的工作確立了生物標(biāo)本系統(tǒng)的凍干程序，這是凍干在制作生物標(biāo)本中的最早應(yīng)用。1909年謝蓋爾（Shackell）將凍干引入細(xì)菌學(xué)和血清學(xué)領(lǐng)域。他采用了鹽水預(yù)凍，在真空狀態(tài)下，用硫酸做吸水劑，對(duì)補(bǔ)體、抗毒素、狂犬病毒等進(jìn)行凍干，其設(shè)備雖十分簡(jiǎn)陋，但卻是后世先進(jìn)凍干機(jī)的雛形。1912年卡瑞爾（Carrel）首先提出用凍干技術(shù)為外科移植保存組織

6、。1935年第一臺(tái)商用凍干機(jī)問(wèn)世。1940年凍干人血漿開(kāi)始投入市場(chǎng)。第二次世界大戰(zhàn)中，由于需要大量的凍干人血漿和青霉素，因而凍干在醫(yī)藥、血液制品等方面的應(yīng)用得到迅速的發(fā)展。艾爾塞（Elser）、沸烙斯道夫（Flosdf）、格雷夫斯（Greaves）和他們的同事們，一方面進(jìn)行凍干基礎(chǔ)理論的研究，一方面進(jìn)行裝置大型化、現(xiàn)代化的改進(jìn)，使凍干技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室階段向工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品商品化發(fā)展。戰(zhàn)后，凍干法又迅速擴(kuò)展到各種疫苗、藥品等領(lǐng)域。1930年沸烙

7、斯道夫進(jìn)行了食品凍干的試驗(yàn)，1949年他在著作中展望了凍干在食品和其他疏松材料方面應(yīng)用的前景。二次世界大戰(zhàn)后，英國(guó)食品部在啊伯?。ˋberdeen）的試驗(yàn)工廠也進(jìn)行了食品凍干的研究。他們?cè)诰C合了當(dāng)時(shí)的一些研究成果的基礎(chǔ)上，于1961年公布了試驗(yàn)成果，證明凍干法用于食品加工是一種能獲得優(yōu)質(zhì)食品的方法。隨后在美、日、英、加等國(guó)相繼建立起凍干食品的工廠，到1965年全球已有食品凍干工廠50多家，后來(lái)隨著越南戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，美國(guó)軍需定貨增多，加之凍

8、干工藝的改進(jìn)，生產(chǎn)成本3別表示第一組分和第二組分的質(zhì)量成分，用m1、m2分別表示相應(yīng)的質(zhì)量，則溶液的溶點(diǎn)、沸點(diǎn)與溶質(zhì)溶劑的溶點(diǎn)、沸點(diǎn)均不相同，且隨溶液的濃度不同而異。圖12為氯化鈉水溶液的溫度—濃度圖。圖上的任意一點(diǎn)均表示溶液的某一狀態(tài)，例如點(diǎn)A表示溫度為t1，濃度為ξ1的氯化鈉水溶液。線(xiàn)BE、CE為飽和溶解度線(xiàn)，該線(xiàn)上的點(diǎn)所表示的溶液的溶解度均處于飽和狀態(tài)，該線(xiàn)上部區(qū)域的點(diǎn)所表示的溶液的溶解度為未飽和狀態(tài)，其下部的為過(guò)飽和狀態(tài)，E點(diǎn)稱(chēng)

9、為溶液的共晶點(diǎn)。2.溶液的結(jié)晶過(guò)程使?fàn)顟B(tài)為A（溫度t1濃度ξ1）的溶液冷卻，開(kāi)始時(shí)濃度ξ1不變，溫度下降，過(guò)程沿AH進(jìn)行，冷卻到H以后，如溶液中有“種冰”（或晶核），則溶液中的一部分水會(huì)結(jié)晶析出，剩下的溶液的濃度則上升、過(guò)程將沿析冰線(xiàn)BE進(jìn)行，直到點(diǎn)E，溶液濃度達(dá)到其共晶濃度，溫度降到共晶溫度以下，溶液才全部?jī)鼋Y(jié)。E點(diǎn)成為溶液的共晶點(diǎn)。同理，若使?fàn)顟B(tài)為A′的溶液冷卻，達(dá)到H′后先析出鹽，然后沿析鹽線(xiàn)CE，一邊析出鹽一邊溫度下降，直到共晶

10、點(diǎn)E才全部?jī)鼋Y(jié)。其過(guò)程線(xiàn)為A′—H′—E。若溶液冷卻到平衡狀態(tài)時(shí)，溶液中無(wú)“晶核”存在，則溶液并不會(huì)結(jié)晶，溫度將繼續(xù)下降，直到溶液由于外界干擾（如植入“種晶”、振動(dòng)等）或冷卻到某一所謂核化溫度Thet，在溶液中產(chǎn)生晶核，這時(shí)其超溶組分才會(huì)結(jié)晶，并迅速生長(zhǎng)，同時(shí)放出結(jié)晶熱，使溶液溫度升到平衡狀態(tài)。其濃度也隨超溶組分的析出而變化。其過(guò)程線(xiàn)為A—H—G—D—E或A′—H′—G′—D′—E。三、凍干產(chǎn)品的溶液三、凍干產(chǎn)品的溶液一般來(lái)說(shuō)，凍干產(chǎn)品

11、的溶液是由主要功能組分（如藥用成分）、多種添加組分（如抗氧化劑、填充劑等等）和蒸餾水混合而成的膠體懸浮液。它與一般能互溶的溶液不完全相同，具有一系列的低共溶點(diǎn)溫度。對(duì)于凍干加工來(lái)說(shuō)，需要確定一個(gè)較高的安全操作溫度，使得在該溫度以上時(shí)，產(chǎn)品中存在未凍結(jié)的液體，而在該溫度以上時(shí)，產(chǎn)品將全部?jī)鼋Y(jié)，這個(gè)溫度就是凍干產(chǎn)品的共溶點(diǎn)溫度。一些產(chǎn)品的共溶點(diǎn)溫度列于表11。表11一些飽和溶液的共溶溫度溶液名稱(chēng)摩爾溶解度（30℃時(shí)）觀察共溶溫度（℃）計(jì)算溫

12、度（℃）甲基芬尼定磷酸鹽1.953—4.29—3.97吩妥胺磷酸鹽0.120—0.75—0.88甘露醇1.0—2.24乳糖0.6—5.40氯化鈉6.12—21.6—24.0氯化鉀4.97—11.1—12.66溴化鉀5.93—12.9—13.26甘油水——46.5二甲亞砜水——73第二節(jié)溶液的冷凍干燥過(guò)程第二節(jié)溶液的冷凍干燥過(guò)程為了有利于干燥，一般凍干產(chǎn)品溶液配制成含固體物質(zhì)4%15%的稀有溶液。這種溶液中的水，大部分是以分子形式存在于溶

13、液中的自由水；少部分是吸收于固體物質(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；至于固定于生物和細(xì)胞中能凍結(jié)、很難除去的結(jié)合水。凍干的目的就是在低溫、真空環(huán)境中除去物質(zhì)中的自由水和一部分吸附于固體晶格間隙中的吸附水。因此冷凍干燥過(guò)程一般分三步進(jìn)行，即預(yù)凍結(jié)、升華干燥（或稱(chēng)第一階段干燥）、解析干燥（或稱(chēng)第二階段干燥）。一、預(yù)凍結(jié)（預(yù)凍）預(yù)凍就是將溶液中的自由水固化，賦予干后產(chǎn)品與干燥前有相同的形態(tài)，防止抽空干燥時(shí)起泡、濃縮、收縮和