大型工業(yè)級真空冷凍干燥機(jī)

凍干機(jī)原理

冷凍干燥機(jī)是利用升華的原理進(jìn)行干燥的一種技術(shù)，是將被干燥的物質(zhì)在低溫下快速凍結(jié),然后在適當(dāng)?shù)?/span>真空環(huán)境下,使凍結(jié)的水分子直接升華成為水蒸氣逸出的過程。冷凍干燥得到的產(chǎn)物稱作凍干物（lyophilizer），該過程稱作凍干（lyophilization）。

物質(zhì)在干燥前始終處于低溫(凍結(jié)狀態(tài)),同時冰晶均勻分布于物質(zhì)中,升華過程不會因脫水而發(fā)生濃縮現(xiàn)象,避免了由水蒸氣產(chǎn)生泡沫、氧化等副作用。干燥物質(zhì)呈干海綿多孔狀，體積基本不變，極易溶于水而恢復(fù)原狀。在最大程度上防止干燥物質(zhì)的理化和生物學(xué)方面的變性。

冷凍干燥機(jī)系由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、電器儀表控制系統(tǒng)所組成。主要部件為干燥箱、凝結(jié)器、冷凍機(jī)組、真空泵、加熱/冷卻裝置等。它的工作原理是將被干燥的物品先凍結(jié)到三相點溫度以下，然后在真空條件下使物品中的固態(tài)水份（冰）直接升華成水蒸氣，從物品中排除，使物品干燥。物料經(jīng)前處理后，被送入速凍倉凍結(jié)，再送入干燥倉升華脫水，之后在后處理車間包裝。真空系統(tǒng)為升華干燥倉建立低氣壓條件，加熱系統(tǒng)向物料提供升華潛熱，制冷系統(tǒng)向冷阱和干燥室提供所需的冷量。 本設(shè)備采用高效輻射加熱，物料受熱均勻；采用高效捕水冷阱，并可實現(xiàn)快速化霜；采用高效真空機(jī)組，并可實現(xiàn)油水分離；采用并聯(lián)集中制冷系統(tǒng)，多路按需供冷，工況穩(wěn)定，有利節(jié)能；采用人工智能控制，控制精度高，操作方便。

對凍干制品的質(zhì)量要求是：生物活性不變、外觀色澤均勻、形態(tài)飽滿、結(jié)構(gòu)牢固、溶解速度快，殘余水分低。要獲得高質(zhì)量的制品，對凍干的理論和工藝應(yīng)有一個比較全面的了解。凍干工藝包括預(yù)凍、升華和再凍干三個分階段。合理而有效地縮短凍干的周期在工業(yè)生產(chǎn)上具有明顯的經(jīng)濟(jì)價值。

冷凍干燥的基本原理是基于水的三態(tài)變化。水有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，三種狀態(tài)既可以相互轉(zhuǎn)換又可以共存。 當(dāng)水在三相點（溫度為0.01℃，水蒸氣壓為610.5Pa）時，水、冰、水蒸氣三者可共存且相互平衡。在高真空狀態(tài)下，利用升華原理，使預(yù)先凍結(jié)的物料中的水分，不經(jīng)過冰的融化，直接以冰態(tài)升華為水蒸汽被除去，從而達(dá)到冷凍干燥的目的。 　凍干制品呈海綿狀、無干縮、復(fù)水性極好、含水分極少，相應(yīng)包裝后可在常溫下長時間保存和運輸。 由于真空冷凍干燥具有其它干燥方法無可比擬的優(yōu)點，因此該技術(shù)問世以來越來越 受到人們的青睞，在醫(yī)藥、生物制品和食品方面的應(yīng)用已日益廣泛。血清、菌種、中西醫(yī)藥等生物制品多為一些生物活性物質(zhì)，真空冷凍干燥技術(shù)也為保存生物活性提供了良好的解決途徑.

冷凍干燥機(jī)的分類：

真空冷凍干燥機(jī) 藥品冷凍機(jī) 水果冷凍機(jī) 草莓冷凍機(jī) 香蕉冷凍機(jī) 蔬菜冷凍機(jī) 靈芝蟲草冷凍機(jī) 大型冷凍機(jī) 小型冷凍機(jī)  中型冷凍機(jī) 實驗室冷凍干燥機(jī) 多岐管冷凍機(jī) 微型冷凍機(jī) 寵物食品冷凍機(jī) 狗糧貓糧冷凍機(jī) 家用冷凍機(jī) 食品冷凍機(jī) 微生物冷凍干燥機(jī) 超低溫真空冷凍機(jī)  面膜冷凍機(jī)

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凍干設(shè)備組成

本機(jī)主要由干燥箱、冷凝器（捕水器）、加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和電氣 控制系統(tǒng)六大部件組成。

干燥箱

是一能抽真空和加熱的密閉器，物料的升華干燥過程是在干燥室內(nèi)完成的，物料是放在干燥室內(nèi)擱板上的鋁托盤內(nèi)的，按每平方托盤面積 8~9 公斤的比例裝 料，擱板上有兩個可供測量物料溫度的探頭，用以監(jiān)測整個凍干過程中的物料溫度。門采用橡膠密封條，關(guān)門時要把門上的手柄擰緊，確保箱內(nèi)密封。

冷凝器（捕水器）

是凝結(jié)升華水氣的捕水裝置，內(nèi)部有一個較大面積的鋁翅吸附面，從干燥箱物料中升華出來的水蒸氣可凝結(jié)吸附在其鋁翅表面上，吸附面的工作溫度可達(dá) -35℃~-55℃，冷凝器外形是鋁制成的圓管，內(nèi)部有制冷劑，分別與制冷機(jī)組相連，組成制冷循環(huán)系統(tǒng)。冷凝器與干燥箱連接采用真空蝶閥；采用不銹鋼管與真空泵組連接組成真空系統(tǒng)，筒內(nèi)冷凝管上部裝有化霜噴水管，它通過真空隔膜閥與水管連接，這是為了保證化霜水等不進(jìn)入干燥箱和真空管道

加熱系統(tǒng)

凍干機(jī)加熱系統(tǒng)的作用是對干燥箱內(nèi)物料進(jìn)行加熱，以便使物料不斷地得到升 華熱，使物品以達(dá)到規(guī)定的含水率要求，凍干機(jī)加熱系統(tǒng)有不同的加熱方法， 在接觸式加熱中，我們采用的是循環(huán)介質(zhì)加熱法。循環(huán)加熱系統(tǒng)由管道泵、循 環(huán)介質(zhì)箱、加熱器、進(jìn)出管路等組成。循環(huán)液由水 4 份、乙醇 2 份，乙二醇 4 份配置成循環(huán)不凍液，其凝固點為-30℃，在使用時液溫能達(dá)到 120℃，當(dāng)加熱 系統(tǒng)工作時，先對循環(huán)液進(jìn)行加熱，液溫通過液箱控制調(diào)節(jié)儀選定的溫度自動 控制加熱, 管道泵開啟后，可將循環(huán)液送入干燥箱內(nèi)擱板中，對擱板加熱，然后 返回液箱進(jìn)行加熱循環(huán)。 ?8?0

真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)由旋片真空泵或羅茨泵組成，必須首先啟動旋片泵或水環(huán)泵，使其工 作一段時間，當(dāng)系統(tǒng)中的真空度達(dá)到 1Kpa 以下時，再自動啟動羅茨泵。旋片泵 結(jié)構(gòu)、羅茨泵結(jié)構(gòu)等見說明書。該真空系統(tǒng)的真空表可使用電接點真空表，可 根據(jù)預(yù)先選定的真空度值，自動控制羅茨泵的啟動。干燥箱與冷凝器之間真空 管道中，裝有真空蝶閥，可根據(jù)使用要求隨時開、關(guān)。真空泵管路上，裝有電 磁放氣截止閥，當(dāng)真空泵停止工作時可自動關(guān)閉真空管路，同時將空氣放入泵 內(nèi)，避免真空泵油因負(fù)壓作用回放至真空管路中，真空泵的連接管路之間裝有 波紋軟管，防止運轉(zhuǎn)時的振動。 ?8?0

制冷系統(tǒng)

凍干機(jī)制冷系統(tǒng)由制冷壓縮機(jī)組（包括：風(fēng)冷冷凝器，油分離器、高壓管路、 干燥過濾器、膨脹閥、蒸發(fā)器、低壓管路等組成），采用氟利昂機(jī)組和 R404a 制冷劑。當(dāng)制冷系統(tǒng)工作時，冷凝盤管的表面溫度可達(dá)-35～-55℃，根據(jù)客戶 需要采用單級或雙級制冷壓縮機(jī)組，制冷效果好。 ?8?0

電氣控制本設(shè)備電氣控制系統(tǒng)由電腦顯示記錄儀、控制臺、控制儀表、調(diào)節(jié)儀表等自動裝置和電路組成。它的功能是對凍干機(jī)進(jìn)行手動或自動控制，控制設(shè)備正常運 轉(zhuǎn)。 控制臺是溫度、真空度巡檢儀的記錄控制儀表及各機(jī)組開關(guān)的集中集團(tuán)，控制 臺的儀表板裝有溫度，真空度巡檢儀，干燥箱和真空泵的真空計，溫度指示調(diào) 節(jié)儀，液溫控制調(diào)節(jié)儀，計時鐘等。按鈕板上裝有各機(jī)組的開關(guān)等。

凍干設(shè)備技術(shù)

凍干是從凍結(jié)的物料產(chǎn)品中去除水分的過程，凍干分為真空冷凍干燥和常壓冷凍 干燥二種，由于一些條件限制目前采用的是真空冷凍干燥。凍干目的是保留產(chǎn)品 的完整的生物和化學(xué)結(jié)構(gòu)及其活性。像其它許多的技術(shù)步驟，一種凍干的類型被 稱做升華，是自然發(fā)生的。升華指的是溶劑，比如水，象干冰一樣，直接從固態(tài) 變?yōu)闅鈶B(tài)的過程。傳統(tǒng)的干燥會引起材料皺縮，破壞細(xì)胞。這種情況將不會發(fā)生 在凍干里，因為固體構(gòu)成被在其位置上的堅冰支撐著。在冰升華時，它會留下孔隙在干燥的剩余物質(zhì)里。

凍干過程分為冷凍、升華、解析干燥三個階段，每一個階段都有相應(yīng)的要求， 不同的物料其要求各不相同，各階段工藝設(shè)計及控制手段的差異直接關(guān)系凍干產(chǎn)品的質(zhì)量和凍干設(shè)備的性能。

1.冷凍階段 冷凍干燥首先要把原料進(jìn)行凍結(jié)，使原料中的水變成冰，為下階段的升華做好準(zhǔn)備。凍結(jié)溫度的高低及凍結(jié)速度是控制關(guān)鍵，溫度要達(dá)到物料的凍結(jié)點以下， 不同的物料其凍結(jié)點各不相同。凍結(jié)速度的快慢直接關(guān)系到物料中冰晶顆粒的大小，冰晶顆粒的大小對固態(tài)物料的結(jié)構(gòu)及升華速率有直接關(guān)聯(lián)。一般情況下，要 求 1--3 小時完成物料的凍結(jié)，進(jìn)入升華階段。

凍干機(jī)應(yīng)用

真空冷凍干燥技術(shù)在生物工程、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、材料科學(xué)和農(nóng)副產(chǎn)品深加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 藥品冷凍干燥包括西藥和中藥兩部分。西藥冷凍干燥在國內(nèi)已經(jīng)得到了一定的發(fā)展，很多較大型的制藥廠都有冷凍干燥設(shè)備。在針劑方面，冷凍干燥工藝采用的比較多，提高了藥品質(zhì)量和貯存期限，給醫(yī)患雙方都帶來了利益。但目前凍干藥品的品種不多，產(chǎn)品價格高，干燥工藝不先進(jìn)。在中藥方面，目前還只局限在人參、鹿茸、山藥、冬蟲夏草等少量中藥材的凍干，大量的中成藥還沒有采用凍干工藝，與國外差距

凍干機(jī)優(yōu)缺點

優(yōu)點

干燥的方法多種多樣，如曬干、煮干、烘干、噴霧干燥和真空干燥等,但普通干燥方法通常都在0℃以上或更高的溫度下進(jìn)行。干燥所得的產(chǎn)品一般都存在體積縮小、質(zhì)地變硬的問題，易揮發(fā)的成分大部分會損失掉，一些熱敏性的物質(zhì)發(fā)生變性、失活，有些物質(zhì)甚至發(fā)生了氧化。因此，干燥后的產(chǎn)品與干燥前相比，在性狀上有很大的差別。凍干法則基本上在0℃以下進(jìn)行，即在產(chǎn)品凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行，解析干燥的時候一般不超過60℃。在真空條件下，當(dāng)水蒸汽直接升華出來后，藥物剩留在凍結(jié)時的冰架中，形成類似海綿狀疏松多孔架構(gòu)，因此它干燥后體積大小幾乎不變。再次使用前，只要加入注射用水，又會立即溶解。

凍干機(jī)相對常規(guī)方法，凍干法具有如下優(yōu)點：

* 許多熱敏性的物質(zhì)不會發(fā)生變性或失活。

* 在低溫下干燥時，物質(zhì)中的一些揮發(fā)性成分損失很小。

* 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。

* 由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結(jié)構(gòu)，不會發(fā)生濃縮現(xiàn)象。

* 由于物料中水分在預(yù)凍以后以冰晶的形態(tài)存在，原來溶于水中的無機(jī)鹽類溶解物質(zhì)被均勻地分配在物料之中。升華時，溶于水中的溶解物質(zhì)就析出，避免了一般干燥方法中因物料內(nèi)部水分向表面遷移所攜帶的無機(jī)鹽在表面析出而造成表面硬化的現(xiàn)象。

* 干燥后的物質(zhì)疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而完全，幾乎立即恢復(fù)原來的性狀。

* 由于干燥在真空下進(jìn)行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質(zhì)得到了保護(hù)。

* 干燥能排除95%～99%以上的水分，使干燥后產(chǎn)品能長期保存而不致變質(zhì)。

* 因物料處于凍結(jié)狀態(tài)，溫度很低，所以供熱的熱源溫度要求不高，采用常溫或溫度不高 的加熱器即可滿足要求。如果冷凍室和干燥室分開時，干燥室不需絕熱，不會有很多的熱損失，故熱能的利用很經(jīng)濟(jì)。

缺點

正所謂沒有完美的技術(shù)，真空冷凍干燥技術(shù)的主要缺點是成本高。由于它需要真空和低溫條件，所以真空冷凍干燥機(jī)要配置一套真空系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)，因而投資費用和運轉(zhuǎn)費用都比較高。

凍干機(jī)的種類

間歇式凍干設(shè)備

間歇式凍干設(shè)備適合多品種小批量生產(chǎn)，特別是在食品領(lǐng)域適用于季節(jié)性強(qiáng)的食品生產(chǎn)。采用單機(jī)操作，如果一臺設(shè)備發(fā)生故障，不會影響其它設(shè)備的正常運行。間歇式凍干設(shè)備便于控制物料干燥時不同階段的加熱溫度和真空度的要求。設(shè)備的加工制造和維修保養(yǎng)易于進(jìn)行。但由于裝料、卸料、起動等操作占用時間較多，因此設(shè)備利用率低，生產(chǎn)效率也不高。

連續(xù)式凍干設(shè)備

近年來，國內(nèi)外開始探索和使用連續(xù)式真空冷凍干燥設(shè)備。連續(xù)式設(shè)備的特點是適于品種單一而產(chǎn)量龐大、原料充足的產(chǎn)品生產(chǎn)，特別適合漿狀和顆粒狀制品的生產(chǎn)。連續(xù)式設(shè)備容易實現(xiàn)自動化控制，簡化了人工操作和管理，其主要缺點是成本高。

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凍干機(jī)的現(xiàn)狀與展望

隨著GMP認(rèn)證的結(jié)束，國產(chǎn)的優(yōu)秀醫(yī)藥用凍干設(shè)備全面進(jìn)入了現(xiàn)代化階段，功能齊全、工作可靠、性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)在線清洗（CIP）或蒸汽消毒滅菌（SIP），各項技術(shù)指標(biāo)都能滿足生物制品和藥品凍干生產(chǎn)的需要。相比之下，國外凍干設(shè)備的品種規(guī)格比國內(nèi)多，配套設(shè)備齊全，節(jié)能型結(jié)構(gòu)比較精致，連續(xù)式凍干設(shè)備生產(chǎn)量大。為保證凍干產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)能，常采用凍干設(shè)備與其它干燥設(shè)備組合在一起的組合凍干設(shè)備，例如噴霧凍干設(shè)備。 　在未來，如何在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高冷凍干燥效率，縮短干燥時間，節(jié)約能源將是廣大凍干行業(yè)工作者的目標(biāo)。

凍干機(jī)的選擇

凍干機(jī)主機(jī)的選擇

根據(jù)凍干機(jī)的用途選型：1.實驗室型。2.中試型。3生產(chǎn)型。

下面我分別介紹各種用途的凍干機(jī)。

實驗室典型凍干機(jī)

實驗室型的凍干機(jī)。實驗室型凍干機(jī)體積小，有臺式和立式。臺式和立式都有普通型，壓蓋型，多歧管型。臺式凍干機(jī)的主機(jī)的體積比較小，凍干面積也不大，一般是0.1-0.12平方米，一般配有4層物料盤。冷阱的溫度一般是-50℃。多數(shù)采用透明鐘罩式的亞克力桶，可以觀察到盤裝物料。物料預(yù)凍和干燥均需移位，沒有溫度控制功能。嚴(yán)格上來講，不算是一個完整的凍干機(jī)。受臺式機(jī)內(nèi)部空間限制，這種機(jī)器做不到-80℃的預(yù)凍。立式凍干機(jī)的由于內(nèi)部空間大，可以做成-80℃的預(yù)凍。而且由于內(nèi)部空間大，散熱好。這樣壓縮機(jī)、控制電路等老化的慢。我建議購買立式凍干機(jī)。立式的凍干機(jī)凍干面積一般在0.12-0.18，價格稍貴一些。

中試型的凍干機(jī)。國內(nèi)一般中試型凍干機(jī)分兩種。一種是采用電加熱為加熱介質(zhì)的升溫系統(tǒng)。一種是以硅油為加熱介質(zhì)的系統(tǒng)。外形上看，有方艙和圓倉的，圓倉目前國內(nèi)以基本淘汰。因為圓倉的不能做硅油加熱，而且凍干面積也做不大。咱們以方艙凍干機(jī)為例，討論下電加熱和硅油加熱。電加熱凍干機(jī)的擱板制冷是直接來自壓縮機(jī)的蒸發(fā)端。制冷迅速。溫度低。在加熱升溫過程中。由于制冷的由于制冷的迅速，導(dǎo)致制冷和加熱沖突，溫度控制不均勻。溫度誤差比較大。比如擱板控制在-20℃。當(dāng)制冷端打開，瞬間降到-30℃有可能的。然后在通過加熱板慢慢升到-20℃。電加熱熱的比較快，造成驟冷驟熱，一般對溫度敏感的物料會造成融化或者塌縮等現(xiàn)象。有些藥物甚至是失活。所以我建議一般對溫度敏感的物料，建議不用電加熱的凍干機(jī)。雖然便宜一些。但是性能比較差。硅油凍干機(jī)跟電加熱相比，除了造價稍微貴一點點。性能完勝！硅油為介質(zhì)的凍干機(jī)，制冷制熱都非?？煽俊囟瓤梢钥刂圃?℃以內(nèi)。不會對物料造成傷害。真正的凍干機(jī)就應(yīng)該以硅油為傳熱介質(zhì)的！

生產(chǎn)型凍干機(jī)。生產(chǎn)型凍干機(jī)造價比較昂貴，使用成本比較高。一般大企業(yè)采用。

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