真空冷凍干燥(簡稱“凍干”)是指將含水物質預先凍結成固態(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的方法。凍干后的固體物質呈多孔結構，保持凍結時的體積，加水極易溶解復原。凍干過程是在低溫真空條件下進行，因此對于許多熱敏性、易氧化的物質特別適用。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。
本文在闡述凍干技術原理、特點的基礎上，分析評價凍干各個階段的影響因素，對在凍干操作過程中凍干設備及凍干產(chǎn)品出現(xiàn)常見問題分析，提出解決方法。
1. 凍干技術的原理
冷凍干燥的機理就是將需干燥的物料先行凍結至其共晶點以下，使得物料中的水分變成固態(tài)的冰，然后在適當?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. 凍干技術的特點
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：
A. 冷凍干燥在低溫下進行，因此在對于許多熱敏性的物質特別適用。如蛋白質、微生物之類，不會發(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行，因此能保持原來的性狀。
C. 在低溫下干燥時，物質中的一些揮發(fā)性成分和受熱變性的營養(yǎng)成分損失很小，適合一些化學制品、藥品和食品的干燥。
D. 由于在凍結的狀態(tài)下進行干燥，因此制品的體積、形狀幾乎不變，保持了原來的結構，不會發(fā)生濃縮現(xiàn)象。干燥后的物質疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而*，幾乎立即恢復原來的性狀。
E. 在真空下進行干燥，物料處于高度缺氧狀態(tài)下，容易氧化的物質得到了保護。
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。
但是，凍干技術有其缺點，如：過程工序復雜、時間較長、設備造價高、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)原料的特點采用相應的處理方法：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，在凍干前，常常需要添加保護劑，以減少材料的低溫損傷和脫水損傷。通常使用的保護劑包括蔗糖、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械性質，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. 共晶點的測定
共晶點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)字公式計算測定。標準的共晶點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，把它們冷卻到-40℃以下的低溫，然后將凍結產(chǎn)品慢慢升溫。用惠斯頓電橋來測量其電阻，當發(fā)生電阻突然降低時，這時的溫度即為產(chǎn)品的共晶點。電橋要用交流電供電，因為直流電會發(fā)生電解作用，整個過程由儀表記錄。
此外，還可以在預凍階段通過視窗來觀察制品性狀的變化來獲得共晶點。當制品開始結冰的時候，浸入制品中的電熱偶所探測到的溫度會突然回升，這是因為結冰過程的放熱現(xiàn)象所造成的。這時候所記錄的溫度就大致接近于共晶點溫度。在冷凍干燥的工藝中，共晶點是獲得凍干的臨界溫度，冷凍干燥必須在大大低于共晶點的溫度和壓力下進行，為保證物料*凍結，預凍溫度要比物料共晶點低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)品應配制成含固體物質濃度在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晶格間隙中或以氫鍵方式結合在一些極性基團上的結合水。固定于生物體和細胞中的水，大部分是可以凍結和升華的自由水，還有一部分不能凍結、很難除去的結合水。凍干就是在低溫、真空環(huán)境中除卻物質中的自由水和一部分的吸附于固體晶格間隙中的結合水。因此，冷凍干燥過程一般分五步進行，即預凍結、升華干燥(或稱di一階段干燥)、解析干燥(或稱第二階段干燥)、終點判斷、產(chǎn)品出柜。
1）制品的預凍結
這一階段主要是起固定作用，以便干燥產(chǎn)品，它是極其關鍵的一步，因為如果處理不當，就會造成許多產(chǎn)品的成型問題或者質量問題，因此，要嚴格控制預凍的時間、溫度及真空度，但是在實際生產(chǎn)中，預凍過程往往不考慮真空度的影響因素。預凍溫度一般采用是在凍結點也叫共晶點溫度以下5℃以內，也可以在共晶點溫度以下10~15℃，在這一過程中的溫度跳點就是合適的預凍溫度。在溫度達到凍干溫度時，要進行一段時間的保溫。預凍時間不固定，一般在2-3h可以*凍結，這要根據(jù)產(chǎn)品裝量、板層面積、傳熱介質的性質來確定。
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，并且物料凍結點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充升華所需要的熱量，溫度和壓強成為這個過程中的主要影響因素。首先是升華干燥時的溫度，此溫度應該設定在共晶點以下，共晶點附近升華速度zui快。在升華過程中，產(chǎn)品固形物中干燥層與凍結層交界面會隨時間延長而慢慢下降。當干燥層與凍結層交界面消失(及凍結層消失)時，此時產(chǎn)品溫度上升要比凍結層消失前明顯加快，根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝再延長數(shù)小時，確保產(chǎn)品內部凍結層全部消失。
3）制品的解析干燥
物料中所有的冰晶升華干燥后會留下許多的空穴，但仍然會留有10%左右的未凍結水分，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。應該根據(jù)產(chǎn)品性質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?shù)靥岣邷囟纫越档秃俊Ｔ谠俑稍镫A段需要適當提高摻氣壓力，使熱量得到傳導。為了加快干燥速度及縮短時間，可以當制品溫度*達到導熱媒設定的溫度時再恢復高真空。
4）凍干終點判斷
在實際操作時，可根據(jù)下述現(xiàn)象來判斷解析干燥結束的時間：
(1)制品溫度與加熱擱板溫度基本趨于一致并保持一段時間。
(2)干燥箱內壓力與冷阱的壓力趨于一致并保持一段時間。
(3)干燥箱壓力。冷阱溫度基本上恢復到設備空載時的指標并保持一段時間。
(4)關閉干燥箱與冷凝器之間的閥門時，干燥箱真空度兩分鐘內上升不超過5Pa(0.05mbar)時，即可判定凍干結束。
（5）凍干曲線的設計參數(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間的關系曲線。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、真空度和時間作出的關系曲線見圖2。一般以溫度、壓力為縱坐標，時間為橫坐標。只有對冷凍干燥過程的每一階段的各參數(shù)進行全面的控制，才能得到優(yōu)質的產(chǎn)品。凍干曲線不僅是手工操作凍干機的依據(jù)，也是自動控制凍干機操作的依據(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、加水后能迅速復溶、能長期存放。在凍干產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會出現(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、復溶后溶液渾濁等問題。現(xiàn)對這些常見的問題的產(chǎn)生原因及解決方法進行初步分析探討。
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，或升華階段尚未結束，提前進入解析階段，溫度過高導致局部熔化，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，嚴重的熔化會產(chǎn)生鼓泡現(xiàn)象。解決方法是降低升華階段的溫度，延長升華階段的時間和提高凍干箱的真空度，控制產(chǎn)品溫度低于共晶點或崩解點溫度5℃以上。
2）產(chǎn)品有噴瓶現(xiàn)象，產(chǎn)生原因預凍過程溫度偏高、時間太短、產(chǎn)品未*凍結、預凍不*、或升華階段溫度過高、抽真空升華干燥時部分產(chǎn)品溶化被抽出瓶口，造成噴瓶現(xiàn)象。解決方法可降低預凍溫度，延長預凍時間，使產(chǎn)品*凍結后進行抽真空升華。
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膩上部分毛躁、有結晶花紋，這是由于冷凍速率緩慢引起的，慢速預凍過程中底部先形成冰，溶質向上濃縮，可以加快預凍速度或采用反復凍結法來解決。另一種情況是溶液中某種物質濃度過高，溶液長時間放置后，由于溫度或pH值的變化導致該物質析出沉淀，可通過降低濃度、調整處方以穩(wěn)定溶液pH值或減少溶液放置時間來解決。
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，可以采取降低預凍溫度，延長預凍時間，控制真空下降速率方法解決。
6）產(chǎn)品表面有硬殼，產(chǎn)生原因預凍時產(chǎn)品表面形成不透氣的玻璃樣結構，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行，解決方法是預凍時做回熱處理。
7）瓶破裂或掉底，西林瓶在凍干中有時會發(fā)生瓶破裂及掉底現(xiàn)象，一般有三個原因：
①西林瓶質量：應選擇質量信譽好的廠家產(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預凍速度過快：質量差的西林瓶可能會由于預凍速度過快而導致破瓶，凍干預凍階段要緩慢降溫或在共晶點附近有一個保溫時間，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. 結束語
近幾年，真空冷凍干燥技術的發(fā)展非常迅速，國內尤為突出。但是，在制品凍干過程中，凍干工藝復雜，而且凍干法本身也存在干燥速率低、干燥時間長、干燥過程能耗高和干燥設備投資大等缺點。因此，只有充分了解國內外凍干工藝的研究現(xiàn)狀，及時跟進*技術的發(fā)展，與客觀實踐相結合，總結自己的經(jīng)驗，才能更經(jīng)濟地做出更高質量的凍干制品。
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