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技術(shù)文章
真空冷凍干燥的敘述
閱讀：1616 發(fā)布時(shí)間：2013-7-17
真空冷凍干燥技術(shù)是將濕物料或溶液在較低的溫度（－10℃～－50℃）下凍結(jié)成固態(tài)，然后在真空（1.3～13帕）下使其中的水分不經(jīng)液態(tài)直接升華成氣態(tài)，zui終使物料脫水的干燥技術(shù)。我國是原料藥生產(chǎn)大國，因此該技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。但是，應(yīng)當(dāng)引起注意的是，近年來真空冷凍干燥技術(shù)在我國推廣得非常迅速，相比之下，其基礎(chǔ)理論研究相對滯后、薄弱，專業(yè)技術(shù)人員也不多。并且，與氣流干燥、噴霧干燥等其他干燥技術(shù)相比，真空冷凍干燥設(shè)備投資大，能源消耗及藥品生產(chǎn)成本較高，從而限制了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，切實(shí)加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，在確保藥品質(zhì)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為真空冷凍干燥技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)前面臨的zui主要的問題。
■技術(shù)優(yōu)勢突出
由于真空冷凍干燥在低溫、低壓下進(jìn)行，而且水分直接升華，因此賦予產(chǎn)品許多特殊的性能。如真空冷凍干燥技術(shù)對熱敏性物料亦能脫水比較*，且經(jīng)干燥的藥品十分穩(wěn)定，便于長時(shí)間貯存。由于物料的干燥在凍結(jié)狀態(tài)下完成，與其他干燥方法相比，物料的物理結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)變化極小，其組織結(jié)構(gòu)和外觀形態(tài)被較好地保存。在真空冷凍干燥過程中，物料不存在表面硬化問題，且其內(nèi)部形成多孔的海綿狀，因而具有優(yōu)異的復(fù)水性，可在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)干燥前的狀態(tài)。由于干燥過程是在很低的溫度下進(jìn)行，而且基本隔絕了空氣，因此有效地抑制了熱敏性物質(zhì)發(fā)生生物、化學(xué)或物理變化，并較好地保存了原料中的活性物質(zhì)，以及保持了原料的色澤。
■加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究
目前，我國真空冷凍干燥設(shè)備趨于完善，但與發(fā)達(dá)國家相比，該技術(shù)基礎(chǔ)理論的研究顯得滯后和薄弱，阻礙了技術(shù)應(yīng)用水平的提高。因此，研究的重點(diǎn)正向這方面轉(zhuǎn)移。目前，研究的焦點(diǎn)集中在真空冷凍干燥的物性參數(shù)及其影響因素、過程參數(shù)、過程機(jī)理和模型、過程優(yōu)化控制等的研究。
真空冷凍干燥技術(shù)的基本參數(shù)包括物性參數(shù)和過程參數(shù)，它們是實(shí)現(xiàn)真空冷凍干燥過程的基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)的缺乏會使干燥過程難以實(shí)現(xiàn)針對原料的優(yōu)化，不能充分發(fā)揮系統(tǒng)效率。物性參數(shù)指物料的導(dǎo)熱系數(shù)、傳遞系數(shù)等。這方面的研究內(nèi)容包括物性參數(shù)數(shù)據(jù)的測定及測定方法，以及環(huán)境條件壓強(qiáng)、溫度、相對濕度和物料顆粒取向等對物性參數(shù)的影響。過程參數(shù)包括冷凍、供熱和物料形態(tài)等有關(guān)參數(shù)。對冷凍過程的研究意在為系統(tǒng)找到*冷凍曲線。供熱過程的研究則集中在兩方面：一是對原料載體的改良；二是加熱方式（傳熱方式和供熱熱源）的選擇。確定恰當(dāng)?shù)奈锪闲螒B(tài)也是重要的研究內(nèi)容，它包括原料的顆粒形態(tài)和料層厚度等。
從熱量傳遞和質(zhì)量傳遞入手研究真空冷凍干燥的機(jī)理，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，有助于找出過程的影響因素，預(yù)測時(shí)間、溫度及蒸氣壓強(qiáng)的分布狀況。目前的研究主要限于均質(zhì)液相，并提出了一些數(shù)學(xué)模型，如冰前沿均勻退卻模型、升華模型、吸附-升華模型等。這些模型雖然對真空冷凍干燥的過程作了不同程度的描述，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在許多限制條件。過程優(yōu)化控制是建立在上述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的?？刂品桨赣钟袦?zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型和非穩(wěn)態(tài)模型之分。
■嚴(yán)控生產(chǎn)工藝
由于生物制品和藥品的凍干工藝比較復(fù)雜，為保證凍干產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)能，在生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格控制預(yù)凍溫度、升華吸熱等，使凍干過程各階段按照預(yù)先制訂的工藝路線工作。
*應(yīng)用提示一：保持合理的預(yù)凍溫度
在真空冷凍干燥過程中，需要先對被干燥的藥品進(jìn)行預(yù)凍，然后在真空狀態(tài)下，使水分直接由冰變?yōu)闅舛顾幤犯稍?。在整個(gè)升華階段，藥品必須保持在凍結(jié)狀態(tài)，否則就不能得到性狀良好的產(chǎn)品。在藥品預(yù)凍階段，要嚴(yán)格控制預(yù)凍溫度（通常比藥品的共熔點(diǎn)低幾度）。如果預(yù)凍溫度不夠低，則藥品可能沒有*凍結(jié)，在抽真空升華時(shí)會膨脹起泡；若預(yù)凍溫度太低，不僅會增加不必要的能量消耗，而且對于某些生物藥品，會降低其凍干后的成活率。
*應(yīng)用提示二：關(guān)注升華吸熱
在干燥升華階段，物料需要吸收熱量（每克冰*升華成水蒸氣約吸收2.8千焦耳的熱量）。如果不對藥品進(jìn)行加熱或熱量不足，則在水分在升華時(shí)會吸收藥品本身的熱量而使藥品的溫度降低，致使藥品的蒸氣壓降低，于是引起升華速度的降低，整個(gè)干燥的時(shí)間就會延長，生產(chǎn)率下降；如果對藥品加熱過多，藥品的升華速率固然會提高，但在抵消了藥品升華所吸收的熱量之后，多余的熱量會使凍結(jié)藥品本身的溫度上升，使藥品可能出現(xiàn)局部甚至全部熔化，引起藥品的干縮起泡現(xiàn)象，整個(gè)干燥就會失敗。
*應(yīng)用提示三：采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制
為了獲得良好的凍干藥品，一般在凍干時(shí)應(yīng)根據(jù)每種凍干機(jī)的性能和藥品的特點(diǎn)，在經(jīng)過試驗(yàn)的基礎(chǔ)上制訂出一條凍干曲線，然后控制機(jī)器，使凍干過程各階段的溫度變化符合預(yù)先制訂的凍干曲線。目前，真空冷凍干燥的生產(chǎn)過程控制可借助于計(jì)算機(jī)來控制生產(chǎn)系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的凍干曲線工作。如計(jì)算機(jī)對凍干過程控制可分為兩個(gè)階段：*階段，在低于熔點(diǎn)的溫度下，將水分從冷凍的物料內(nèi)升華，約有98%～99%的水分均在此時(shí)被除去。第二階段，將物料溫度逐漸升到或略高于室溫，經(jīng)此階段水分可以減少到低于0.5%。此過程預(yù)凍溫度為－40℃左右，時(shí)間約兩小時(shí)。凍干藥品的干燥升華階段，物料溫度約為－30℃～－35℃，壓強(qiáng)約為4～7帕。*的zui終干燥溫度可升至40℃，總干燥時(shí)間約18小時(shí)。采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，有助于保證藥品符合質(zhì)量要求。
■技術(shù)優(yōu)勢突出
由于真空冷凍干燥在低溫、低壓下進(jìn)行，而且水分直接升華，因此賦予產(chǎn)品許多特殊的性能。如真空冷凍干燥技術(shù)對熱敏性物料亦能脫水比較*，且經(jīng)干燥的藥品十分穩(wěn)定，便于長時(shí)間貯存。由于物料的干燥在凍結(jié)狀態(tài)下完成，與其他干燥方法相比，物料的物理結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)變化極小，其組織結(jié)構(gòu)和外觀形態(tài)被較好地保存。在真空冷凍干燥過程中，物料不存在表面硬化問題，且其內(nèi)部形成多孔的海綿狀，因而具有優(yōu)異的復(fù)水性，可在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)干燥前的狀態(tài)。由于干燥過程是在很低的溫度下進(jìn)行，而且基本隔絕了空氣，因此有效地抑制了熱敏性物質(zhì)發(fā)生生物、化學(xué)或物理變化，并較好地保存了原料中的活性物質(zhì)，以及保持了原料的色澤。
■加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究
目前，我國真空冷凍干燥設(shè)備趨于完善，但與發(fā)達(dá)國家相比，該技術(shù)基礎(chǔ)理論的研究顯得滯后和薄弱，阻礙了技術(shù)應(yīng)用水平的提高。因此，研究的重點(diǎn)正向這方面轉(zhuǎn)移。目前，研究的焦點(diǎn)集中在真空冷凍干燥的物性參數(shù)及其影響因素、過程參數(shù)、過程機(jī)理和模型、過程優(yōu)化控制等的研究。
真空冷凍干燥技術(shù)的基本參數(shù)包括物性參數(shù)和過程參數(shù)，它們是實(shí)現(xiàn)真空冷凍干燥過程的基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)的缺乏會使干燥過程難以實(shí)現(xiàn)針對原料的優(yōu)化，不能充分發(fā)揮系統(tǒng)效率。物性參數(shù)指物料的導(dǎo)熱系數(shù)、傳遞系數(shù)等。這方面的研究內(nèi)容包括物性參數(shù)數(shù)據(jù)的測定及測定方法，以及環(huán)境條件壓強(qiáng)、溫度、相對濕度和物料顆粒取向等對物性參數(shù)的影響。過程參數(shù)包括冷凍、供熱和物料形態(tài)等有關(guān)參數(shù)。對冷凍過程的研究意在為系統(tǒng)找到*冷凍曲線。供熱過程的研究則集中在兩方面：一是對原料載體的改良；二是加熱方式（傳熱方式和供熱熱源）的選擇。確定恰當(dāng)?shù)奈锪闲螒B(tài)也是重要的研究內(nèi)容，它包括原料的顆粒形態(tài)和料層厚度等。
從熱量傳遞和質(zhì)量傳遞入手研究真空冷凍干燥的機(jī)理，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，有助于找出過程的影響因素，預(yù)測時(shí)間、溫度及蒸氣壓強(qiáng)的分布狀況。目前的研究主要限于均質(zhì)液相，并提出了一些數(shù)學(xué)模型，如冰前沿均勻退卻模型、升華模型、吸附-升華模型等。這些模型雖然對真空冷凍干燥的過程作了不同程度的描述，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在許多限制條件。過程優(yōu)化控制是建立在上述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的?？刂品桨赣钟袦?zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型和非穩(wěn)態(tài)模型之分。
■嚴(yán)控生產(chǎn)工藝
由于生物制品和藥品的凍干工藝比較復(fù)雜，為保證凍干產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)能，在生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格控制預(yù)凍溫度、升華吸熱等，使凍干過程各階段按照預(yù)先制訂的工藝路線工作。
*應(yīng)用提示一：保持合理的預(yù)凍溫度
在真空冷凍干燥過程中，需要先對被干燥的藥品進(jìn)行預(yù)凍，然后在真空狀態(tài)下，使水分直接由冰變?yōu)闅舛顾幤犯稍?。在整個(gè)升華階段，藥品必須保持在凍結(jié)狀態(tài)，否則就不能得到性狀良好的產(chǎn)品。在藥品預(yù)凍階段，要嚴(yán)格控制預(yù)凍溫度（通常比藥品的共熔點(diǎn)低幾度）。如果預(yù)凍溫度不夠低，則藥品可能沒有*凍結(jié)，在抽真空升華時(shí)會膨脹起泡；若預(yù)凍溫度太低，不僅會增加不必要的能量消耗，而且對于某些生物藥品，會降低其凍干后的成活率。
*應(yīng)用提示二：關(guān)注升華吸熱
在干燥升華階段，物料需要吸收熱量（每克冰*升華成水蒸氣約吸收2.8千焦耳的熱量）。如果不對藥品進(jìn)行加熱或熱量不足，則在水分在升華時(shí)會吸收藥品本身的熱量而使藥品的溫度降低，致使藥品的蒸氣壓降低，于是引起升華速度的降低，整個(gè)干燥的時(shí)間就會延長，生產(chǎn)率下降；如果對藥品加熱過多，藥品的升華速率固然會提高，但在抵消了藥品升華所吸收的熱量之后，多余的熱量會使凍結(jié)藥品本身的溫度上升，使藥品可能出現(xiàn)局部甚至全部熔化，引起藥品的干縮起泡現(xiàn)象，整個(gè)干燥就會失敗。
*應(yīng)用提示三：采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制
為了獲得良好的凍干藥品，一般在凍干時(shí)應(yīng)根據(jù)每種凍干機(jī)的性能和藥品的特點(diǎn)，在經(jīng)過試驗(yàn)的基礎(chǔ)上制訂出一條凍干曲線，然后控制機(jī)器，使凍干過程各階段的溫度變化符合預(yù)先制訂的凍干曲線。目前，真空冷凍干燥的生產(chǎn)過程控制可借助于計(jì)算機(jī)來控制生產(chǎn)系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的凍干曲線工作。如計(jì)算機(jī)對凍干過程控制可分為兩個(gè)階段：*階段，在低于熔點(diǎn)的溫度下，將水分從冷凍的物料內(nèi)升華，約有98%～99%的水分均在此時(shí)被除去。第二階段，將物料溫度逐漸升到或略高于室溫，經(jīng)此階段水分可以減少到低于0.5%。此過程預(yù)凍溫度為－40℃左右，時(shí)間約兩小時(shí)。凍干藥品的干燥升華階段，物料溫度約為－30℃～－35℃，壓強(qiáng)約為4～7帕。*的zui終干燥溫度可升至40℃，總干燥時(shí)間約18小時(shí)。采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，有助于保證藥品符合質(zhì)量要求。