大型工業(yè)級真空冷凍干燥機

凍干機原理

冷凍干燥機是利用升華的原理進行干燥的一種技術，是將被干燥的物質在低溫下快速凍結,然后在適當的真空環(huán)境下,使凍結的水分子直接升華成為水蒸氣逸出的過程。冷凍干燥得到的產物稱作凍干物（lyophilizer），該過程稱作凍干（lyophilization）。

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

冷凍干燥機系由制冷系統(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、凝結器、冷凍機組、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。物料經前處理后，被送入速凍倉凍結，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，并可實現快速化霜；采用高效真空機組，并可實現油水分離；采用并聯集中制冷系統(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。

對凍干制品的質量要求是：生物活性不變、外觀色澤均勻、形態(tài)飽滿、結構牢固、溶解速度快，殘余水分低。要獲得高質量的制品，對凍干的理論和工藝應有一個比較全面的了解。凍干工藝包括預凍、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)生產上具有明顯的經濟價值。

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)既可以相互轉換又可以共存。 當水在三相點（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，使預先凍結的物料中的水分，不經過冰的融化，直接以冰態(tài)升華為水蒸汽被除去，從而達到冷凍干燥的目的。 凍干制品呈海綿狀、無干縮、復水性極好、含水分極少，相應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，真空冷凍干燥技術也為保存生物活性提供了良好的解決途徑。

冷凍干燥機的分類：

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

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凍干設備組成

本機主要由干燥箱、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完成的，物料是放在干燥室內擱板上的鋁托盤內的，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，關門時要把門上的手柄擰緊，確保箱內密封。

冷凝器（捕水器）

是凝結升華水氣的捕水裝置，內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吸附在其鋁翅表面上，吸附面的工作溫度可達 -35℃~-55℃，冷凝器外形是鋁制成的圓管，內部有制冷劑，分別與制冷機組相連，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入干燥箱和真空管道

加熱系統(tǒng)

凍干機加熱系統(tǒng)的作用是對干燥箱內物料進行加熱，以便使物料不斷地得到升 華熱，使物品以達到規(guī)定的含水率要求，凍干機加熱系統(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)介質加熱法。循環(huán)加熱系統(tǒng)由管道泵、循 環(huán)介質箱、加熱器、進出管路等組成。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℃，在使用時液溫能達到 120℃，當加熱 系統(tǒng)工作時，先對循環(huán)液進行加熱，液溫通過液箱控制調節(jié)儀選定的溫度自動 控制加熱, 管道泵開啟后，可將循環(huán)液送入干燥箱內擱板中，對擱板加熱，然后 返回液箱進行加熱循環(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，當系統(tǒng)中的真空度達到 1Kpa 以下時，再自動啟動羅茨泵。旋片泵 結構、羅茨泵結構等見說明書。該真空系統(tǒng)的真空表可使用電接點真空表，可 根據預先選定的真空度值，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，可根據使用要求隨時開、關。真空泵管路上，裝有電 磁放氣截止閥，當真空泵停止工作時可自動關閉真空管路，同時將空氣放入泵 內，避免真空泵油因負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，防止運轉時的振動。

制冷系統(tǒng)

凍干機制冷系統(tǒng)由制冷壓縮機組（包括：風冷冷凝器，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），采用氟利昂機組和 R404a 制冷劑。當制冷系統(tǒng)工作時，冷凝盤管的表面溫度可達-35～-55℃，根據客戶 需要采用單級或雙級制冷壓縮機組，制冷效果好。 ?8?0

電氣控制本設備電氣控制系統(tǒng)由電腦顯示記錄儀、控制臺、控制儀表、調節(jié)儀

等自動裝置和電路組成。它的功能是對凍干機進行手動或自動控制，控制設備正常運 轉。 控制臺是溫度、真空度巡檢儀的記錄控制儀表及各機組開關的集中集團，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 節(jié)儀，液溫控制調節(jié)儀，計時鐘等。按鈕板上裝有各機組的開關等。

三．凍干設備技術

凍干是從凍結的物料產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。凍干目的是保留產品 的完整的生物和化學結構及其活性。像其它許多的技術步驟，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，破壞細胞。這種情況將不會發(fā)生 在凍干里，因為固體構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的要求， 不同的物料其要求各不相同，各階段工藝設計及控制手段的差異直接關系凍干產品的質量和凍干設備的性能。

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

凍干機優(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行。干燥所得的產品一般都存在體積縮小、質地變硬的問題，易揮發(fā)的成分大部分會損失掉，一些熱敏性的物質發(fā)生變性、失活，有些物質甚至發(fā)生了氧化。因此，干燥后的產品與干燥前相比，在性狀上有很大的差別。凍干法則基本上在0℃以下進行，即在產品凍結的狀態(tài)下進行，解析干燥的時候一般不超過60℃。在真空條件下，當水蒸汽直接升華出來后，藥物剩留在凍結時的冰架中，形成類似海綿狀疏松多孔架構，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：

* 許多熱敏性的物質不會發(fā)生變性或失活。

* 在低溫下干燥時，物質中的一些揮發(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行，因此能保持原來的性狀。

* 由于在凍結的狀態(tài)下進行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結構，不會發(fā)生濃縮現象。

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

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

* 由于干燥在真空下進行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質得到了保護。

* 干燥能排除95%～99%以上的水分，使干燥后產品能長期保存而不致變質。

* 因物料處于凍結狀態(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，故熱能的利用很經濟。

缺點

正所謂沒有完美的技術，真空冷凍干燥技術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費用都比較高。

凍干機的種類

間歇式凍干設備

間歇式凍干設備適合多品種小批量生產，特別是在食品領域適用于季節(jié)性強的食品生產。采用單機操作，如果一臺設備發(fā)生故障，不會影響其它設備的正常運行。間歇式凍干設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。設備的加工制造和維修保養(yǎng)易于進行。但由于裝料、卸料、起動等操作占用時間較多，因此設備利用率低，生產效率也不高。

連續(xù)式凍干設備

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

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凍干機現狀與展望

隨著GMP認證的結束，國產的優(yōu)秀醫(yī)藥用凍干設備全面進入了現代化階段，功能齊全、工作可靠、性能穩(wěn)定，可實現在線清洗（CIP）或蒸汽消毒滅菌（SIP），各項技術指標都能滿足生物制品和藥品凍干生產的需要。相比之下，國外凍干設備的品種規(guī)格比國內多，配套設備齊全，節(jié)能型結構比較精致，連續(xù)式凍干設備生產量大。為保證凍干產品的質量和節(jié)能，常采用凍干設備與其它干燥設備組合在一起的組合凍干設備，例如噴霧凍干設備。 　在未來，如何在保證產品質量的前提下，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。

凍干機的選型

凍干機主機的選擇

根據凍干機的用途選型：1.實驗室型。2.中試型。3生產型。

下面我分別介紹各種用途的凍干機。

實驗室典型凍干機

實驗室型的凍干機。實驗室型凍干機體積小，有臺式和立式。臺式和立式都有普通型，壓蓋型，多歧管型。臺式凍干機的主機的體積比較小，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℃。多數采用透明鐘罩式的亞克力桶，可以觀察到盤裝物料。物料預凍和干燥均需移位，沒有溫度控制功能。嚴格上來講，不算是一個完整的凍干機。受臺式機內部空間限制，這種機器做不到-80℃的預凍。立式凍干機的由于內部空間大，可以做成-80℃的預凍。而且由于內部空間大，散熱好。這樣壓縮機、控制電路等老化的慢。我建議購買立式凍干機。立式的凍干機凍干面積一般在0.12-0.18，價格稍貴一些。

中試型的凍干機。國內一般中試型凍干機分兩種。一種是采用電加熱為加熱介質的升溫系統(tǒng)。一種是以硅油為加熱介質的系統(tǒng)。外形上看，有方艙和圓倉的，圓倉目前國內以基本淘汰。因為圓倉的不能做硅油加熱，而且凍干面積也做不大。咱們以方艙凍干機為例，討論下電加熱和硅油加熱。電加熱凍干機的擱板制冷是直接來自壓縮機的蒸發(fā)端。制冷迅速。溫度低。在加熱升溫過程中。由于制冷的迅速，導致制冷和加熱沖突，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。雖然便宜一些。但是性能比較差。硅油凍干機跟電加熱相比，除了造價稍微貴一點點。性能完勝！硅油為介質的凍干機，制冷制熱都非?？煽?。溫度可以控制在1℃以內。不會對物料造成傷害。真正的凍干機就應該以硅油為傳熱介質的！

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

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