冻干机原理及说明

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      真空冷冻干燥（简称冻干）是将含水物质先冻结成固态，然后使其中的水份从固态升华成气态，从而除去水份而保存物质的方法。

1.冻干的优点：

冻干与通常的晒干、煮干、喷雾干燥及真空干燥相比有如下突出的优点。

a.冻干是在低温下干燥的，不会使蛋白质产生变性，但可使微生物等失去生物活力。这对于那些热稳定性能差的生物活性制品、生物化学类制品、基因工程类制品和血液制品等的干燥保存特别适用。

b.由于是低温干燥，使物质中的挥发性成分和受热变性的营养成分和芳香成分损失很小，因此是化学制品、药品和食品的优质干燥方法。

c..在低温干燥过程中，微生物的生长和酶的作用几乎无法进行，从而能最好地保持物质原来的性状。

d.干燥后体积、形状基本不变，物质呈海绵状，无干缩，复水时与水的接触面大，能迅速还成原来的形状。

e.因一般是在真空下干燥，故氧气极少，使易氧化的物质得到了保护。

f.能除去物质中95％～99.5％的水分，制品的保存期长。

2.冻干的应用

冻干是一种优质的干燥方法。但是它需要比较昂贵的专用设备，干燥过程中的能耗较大，因此加工成本较高，目前主要应用在以下几个方面。

a.生物制品、药品方面：如抗菌素、抗毒素、诊断用品和疫苗的保存。

b.微生物和藻类方面：如各种细菌、酵母、酵素、原生动物、微细藻类等的长期保存。

c.生物标本、生物组织方面：如制作各种动植物标本，干燥保存用于动物异种或同种移植的皮肤、骨骼、主动脉、心瓣膜等边缘组织。

d.制作用于光学显微镜、电子扫描和透射显微镜的小组织片。

e.食品的干燥方面：如咖啡、茶叶、肉鱼蛋类、海藻、水果、蔬菜、调料、豆腐、方便食品等。

f.高级营养品及中草药方面：如蜂王浆、蜂蜜、花粉、中草药制剂等。

g.超细微粉的制备方面：如制取Al2O3、ZrO2、TiO2、Ba2Cu3O7～8、Ba2Ti9O20等超细微粉。

h.其他方面：如化工中的催化剂，冻干后可提高催化效率5～20倍；将植物叶子、土壤冻干保存，用以研究土壤、肥料、气候对植物生长的影响及因子的作用；潮湿的木制文物、淹坏的书籍稿件等用冻干法干燥，能最大限度地保持原状等。

3.冷冻干燥的基本过程如下：

a.制品的制备（前处理）：如药物的培养、灭菌、分装、洗瓶、半加塞等，食品原料的挑选、清洗、切分、灭酶、分装等。

b.制品的冻结（预冻）：将制品冻结成固态。

c.第一阶段干燥（升华干燥）：将制品中的冰晶以升华方式除去。

d.第二阶段干燥（解吸干燥）：将残留于制品的水分在较高温度下蒸发一部分，使残余水分达到预定要求。

e.密封包装：已干制品一般应在真空或充惰性气体条件下密封包装，以利于储存。

4.制品冷冻的物理基础

物质有固、液、气三态。物质的状态与其温度和压力有关。(图1）示出了水（H2O）的状态平衡。图中OL、OK、OS三条曲线分别表示冰和水、水和水蒸气、冰和水蒸气两相共存时其压力和温度之间的关系，分别称为熔化线、沸腾线和升华线。此三条曲线将图面分成固相区、液相区和气相区。箭头分别表示冰融化成水，水蒸发成水蒸气和冰升华成水蒸气的过程。曲线OK的在顶端点K，其温度为374℃，称为临界点。当水蒸气的温度高于其临界温度374℃时，无论怎样加大压力，水蒸气也不能变成水。三曲线的交点O为固、液、气三相共存的状态，称为三相点，其温度为0.01℃，压力为610.5Pa以下，且给冰加热，则冰就会不经液相直接变成气相，这一过程称为升华。

5.冻干制品溶液的共熔点和共晶点

一般来说，冻干药品的溶液是主要功能组分（如细菌等药用成分）、多种添加组分（抗冻剂、抗氧化剂、填充剂等）和蒸馏水混合而成的胶体悬浮液。它与一般能互溶的溶液不完全相同，具有一系列的低共熔点温度。对于冻干加工来说，需要确定一个较高的操作温度，当在该温度以上时，产品中存在已溶化的液体；而在该温度以下时，产品将全部冻结，这个温度即为冻干产品的共熔点温度。一些产品的共熔点温度列于(表1中)。与此相仿，制品溶液在降温冻结过程中，亦有一系列的共晶温度，其中温度最低的共晶点温度称为该溶液的共晶点温度。一些物质的共晶点温度列于(表2)中。

溶液名称	摩尔溶解度（30℃ ）	观察共溶温度/℃	计算温度/℃
甲基芬尼磷酸盐	1.95	-4.29	-3.97
吩妥胺磷酸盐	0.12	-0.75	-0.88
甘露醇	1.0	-2.24
乳糖	0.6	-5.4
氯化钠	6.21	-21.6	-24.00
氯化钾	4.97	-11.1	-12.66
溴化钾	5.93	-12.9	-13.26
甘油水	-	-46.5
二甲亚砜水	-	-73

(表1)一些饱和溶液的共熔点温度

升华干燥

升华干燥是将冻结后的产品置于密闭的真空容器中加热，其冰晶就会升华成水蒸气逸出而使产品脱水干燥。干燥是从外表面开始，逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的。

物质名称	共晶点/℃	物质名称	共晶点/℃
纯水	0	2％明胶10％葡萄糖溶液	-32
0.85％氯化钠溶液	-22	2％明胶10％蔗糖溶液	-19
10％蔗糖溶液	-26	马血清	-35
10％葡萄糖溶液	-27	一般生物制品	-30
脱脂牛奶	-26	菠菜	-6
人参	-25	甘油水	-46.5

(表2)一些物质的共晶点温度

空隙变成尔后升华水蒸气的逸出通道。已干燥层和冻结部分的分界面（实际上是一薄层）称为升华界面。在生物制品干燥中，升华界面约为1mm/h的速率向内推进。当全部冰晶除去时，升华干燥就完成了，此时可除去全部水分的90％左右。

解吸干燥

解吸干燥也称第二阶段干燥。在第一阶段干燥后，在干燥物质的毛细管壁和极性基因上还吸附有一部分水分，这些水分是未被冻结的。当它们达到一定含量时，就为微生物的生长繁殖和某些化学反应提供了条件。实验证明，即使是单分子层吸附的低含水量，也可能成为某些化合物的溶液，产生与水溶液相同的移动性和反应性。因此为了改善产品的储存稳定性，延长其保存期，需要除去这些水分中的大部分，只留下单分子层的水分。这就是解吸干燥的目的。

第一阶段干燥是将水以冰晶形式除去的，因此冻干层的温度和升华界面的压力都必须控制在产品共熔点（或崩解温度）以下，才不致使冰晶溶化。但对于吸附水，其吸附能量高，如果不给它们提供足够的能量，它们就不可能从吸附中解吸出来。因此，这一阶段产品的温度应足够地高，只要不超过允许的最高温度，不烧毁产品和不造成产品过热而变性就可。同时，为了使解吸出来的水蒸气有足够的推动力逸出产品，必须使产品内外形成较大的蒸气压差，因此此阶段中箱内必须高真空。

第二阶段干燥后，产品内残余水分的含量视产品种类和要求而定。一般在0.5％～4％之间。

6.冻干曲线制定过程：

冻干曲线的形状与制品的性能、装量的多少、分装容器的种类、冻干机的性能等诸多因素有关。即使同一制品，生产厂家不同，其冻干曲线亦不完全一样。因此应根据各自的具体条件，用试验定出最佳的冻干曲线。

冻干曲线制定的过程是，根据所获取的制品的共熔点温度、崩解温度、最佳预冻速率和残水含量等参数，根据所用冻干机的性能，初步拟订出搁板温度曲线和冻干箱的压力曲线，用此曲线在实验冻干机上试验。根据测量并记录的搁板温度、制品冻层温度、制品干层温度、冻干箱压力、冷阱温度等参数，随时修改冻干曲线中不合理部分。由检测和观察确定升华阶段结束和解吸干燥结束的时间，冻干结束后，对产品质量和含水量进行检测。根据所得冻干过程参数的数据，重新拟订冻干曲线并进行试验，直到得到较为满意的曲线为止。结合生产用冻干机的性能，将上述曲线加以修改，曲线的不合理部分，直到获得成熟的冻干曲线（图-3）。

二、冻干机系统

1.    控制系统

控制系统有可编程程序控制器（西门子-PLC）、触摸屏、外围继电器、传感器等组成。

2.    制冷系统

制冷系统由制冷压缩机及辅助设施构成，为干燥箱和冷阱提供冷源。（制冷系统中，除装有显示的高、低压压力表外还装有压力控制器。当高压压力过高时高压继电器动作，压缩机停止工作）

3.    循环系统

冷冻干燥和加热是依靠温差引起物质传递的一种工艺技术。搁板的制冷和加热都是通过导热油的传热来进行，为了使导热油不断地在整个系统中循环，我们在管道中加了一个屏蔽式循环泵。

4.    真空系统

真空系统由干燥箱、冷阱、真空阀门、真空泵、真空管道、真空测量规管等部分组成。真空泵组组成强大的抽吸能力，一方面促使干燥箱的水分在真空状态下升华，另一方面该系统在冷阱和干燥箱之间形成一个真空度压力差，使干燥箱水分升华后被冷阱捕获。

5.    液压系统

主要用在干燥结束时将瓶塞压入瓶口。

三、冻干机的操作

1.开机前的准备

交接设备运行记录及设备清洗记录，并仔细检查有无异常情况,如有须及时处理好方能开车；

Ø        熟悉该设备的结构、原理、性能、操作要领及操作注意事项,做到心中有数；

Ø        现场巡检

Ø        检查冻干箱内测温探头是否安放准确。

Ø        检查制冷机的润滑油，应清澈不粘稠,符合要求，油位是否在油镜中位；

Ø        检查真空泵的真空油，应清澈不粘稠,符合要求，油位是否在油镜中位；

Ø        检查冷却水压力≥0.15Mpa、流量是否满足要求,水温≤28℃，是否符合要求；

Ø        检查制冷系统中的所有阀门是否处于开启位置；

Ø        检查真空系统中的阀门位置是否符合正常工作要求，凡是通往大气的阀门均应关闭；

Ø        检查冷阱内化霜水是否已排放干净。

Ø        检查中间介质循环系统中的阀门位置是否符合正常工作要求，通大气的阀门应关紧，其余阀门应常开。检查电源电压是否正常,控制柜上各开关是否处于复位位置；

Ø        检查各压力控制器设定值：

v     温度控制器设定值:50℃ (可根据制品的要求确定)。   

   

安装完或检修完的检修项目

Ø        检查各接线和熔断器是否松动,设备接地是否正确；

Ø        检查真空泵的电机转向是否符合正常工作要求。

2.进入系统：转动钥匙钮，给系统供电，触摸屏会自动进入如下画面

                                                                       

用手触摸“进入系统”，系统将会自动进入模拟运行窗

开启某一部分只需在触摸屏上轻按一下该部分即可，若要关闭则再按一下。例如，工艺过程中，要先打开压缩机、循环泵及干箱阀对制品预冷，用手按触摸屏上的“屏锁”、“压缩机”、“循环泵”及“干箱阀”，就打开了压缩机、循环泵及干箱阀对制品预冷，预冷结束，再按“干箱阀”，关闭干箱阀。打开“捕水器制冷阀”，使捕水器降温。温度降到-40℃左右，打开“真空泵”抽真空，当压力降至10Pa左右开始加热，给产品供热升华。

加热方法共有二种：“纯手动定点设定控温”、或“程序曲线控温”。

“程序曲线控温”加热方法见“程序运行”。

“模拟运行图” 可直观地显示出机器目前正在运行的情况，各部分的运行状态以动画形式展现

冷冻干燥

a)     开循环泵

b)    开压缩机、干箱阀，对制品进行预冻。

c)     当制品温度达到工艺所要求的温度后（产品的预冻温度通常比产品共晶点温度低5-10℃），恒温（既保持目前温度）一段时间（由工艺决定，一般为2~3小时）。

d)    恒温结束后，对冷凝器进行制冷，即关干箱阀、开捕水阀。

e)     当冷凝器温度低于-50℃后，开启真空泵两秒钟后开小蝶阀，系统开始抽真空。

f)       当冻干箱的真空度达到10Pa左右，开启循环泵，开启电加热处理，开始一次升华。

g)    逐步提高搁板温度即控制升华速度，当制品温度接近搁板温度，真空度曲线有明显弯曲后，一次升华结束。

h)    一次或分阶段将导热油温度加热到最高允许温度进行二次升华。

i)        当导热油温度达到最高温度后，恒温两小时，“真空调节”参数设定为中下限15Pa---中上限20 Pa，开启“真空调节”，进行渗气，时间为2小时以上(根据制品的要求)，提高升华速率。

j)        渗气结束后，恒温2-3小时，冻干过程结束。

k)     关小蝶阀、关真空泵、关冷阱阀，关压缩机

点菜单关：触摸所要进入的菜单，系统会自动进入该菜单页（“工艺设置”、“程序运行”、 “全自动 ”、 “共用与手动参数设置”、 “实时曲线”、 “历史数据”、 “报警记录”、 “进入副菜单”）

     共用与手动参数设定”

按“共用与手动参数设定”进入该菜单，

纯手动板温控制设定”：手动设置定点温度控制搁板加热。

Ø        “捕水器温度控制设定”：可设定捕水器温度。

Ø         “真空上限设定”：当实际真空度超出上限值，系统真空报警。

Ø         “真空中上限设定”和“真空中下限设定”：参与控制加热，和真空校正恒定控制。

Ø        

数值设定方法：按该数值，出现数值设定窗口，先按“CLR”，再按数值，最后按“ENTER”，数值设定完毕。（本操作系统中数值设定方法均为此）

  “工艺设置”

按“工艺设置”，进入该窗口，

当进行全自动运行时或冻干程序运行时，要事先设置这些参数。

这是一条带有十步段的（温度+时间）的冻干工艺曲线，既可用于半自动运行时的动态控温，又是全自动运行时的主执行程序。

     设置说明1：每一步的温度值必须从0℃值开始算起（≤80℃）；每一步的时间长度必须是从起始点开始计算（分钟）。

v     设置说明2：如是全自动运行的曲线程序，第二步的时间长度必须是包括“干箱预冻时间”+“保温时间”+“捕水器制冷时间”以及+“系统真空抽到时间”的总长度。

见下图曲线表

干箱制冷----case refrigeration  预冻保温----keep  冷阱制冷----condenser refrigeration

真空系统运行----vacuum run

本系统可设定10条程序（不同的冻干工艺曲线）可以储存，当一条程序曲线设置完毕后，就按“当前值写入工艺曲线第XX条”即可。当程序输入完毕后，可查询。按“查看工艺曲线库”钮即可查询。

“程序运行”----半自动运行时调用冻干工艺曲线。

“程序运行”进入下窗口画面。

条件：当已经手动开启各相应的动力系统后，进入搁板及制品加热前。

1．首先选定第XX号冻干工艺曲线，然后按第XX号装载曲线钮。该号程序曲线即刻被置入为当前值。在屏幕上可显示出当前曲线的号码，当前总周期时间等信息，按初始。

2．运行程序曲线时，首先将手设控温切换成 “曲线控温”，按“运行锁定”，再按“锁闭”钮，然后按“开始运行钮”。程序进入运行执行状态。

3．“曲线运行中等待”是指程序暂停运行且保持状态。  

冻干全自动

1．首先选定第XX号程序，然后按第XX号程序装载钮。该号程序即刻被置入为当前值。在屏幕上可显示出当前程序曲线的号码，当前总周期时间等信息。

2．设置干箱预冻保温时间和捕水器温度（启动真空点）。

3．全自动程序运行时，首先，按“全自动运行准备锁定”，再按“锁闭/允许”钮，然后按“全自动运行执行钮”。程序即刻进入全自动运行执行状态，各动力系统进入逐级开启程序。

4．“自动运行中等待”是指程序暂停运行且保持状态。

5．特别注意全自动运行退出时的注意事项：当屏幕出现“程序已达终点，请退出运行”的字样时，表示本次全自动运行已达到终点，可以根据产品的实际情况而关机。如确定要关机，首先按“锁闭/允许”，再按“退出全自动运行”钮。注意：此时并不是马上全部停机，只是逐级退出。所以，不可以马上再按“退出全自动运行锁定”。当屏幕再一次出现“系统已完全停机完毕，请按‘退出全自动运行锁定’钮”的字样时，这时可以真正退出了。

注：使用此功能时，务必确认各阀门已关闭，真空密闭良好；建议在未熟悉本操作系统时，先使用前二种控制方式。

a）旋开控制柜钥匙开关，进入冷冻干燥操作系统，点击“全自动”，进入相应窗口。

b）用户需根据所生产制品的工艺要求来设置。（详见“全自动运行”那一节）。

c）当选择好了所需的XX号程序，将该号程序置入当前状态，同时设置另两个自动运行参数（捕温设定及保温时间设定）后，按“全自动运行准备锁定”，按“锁闭/允许”，按“全自动运行执行”。系统进入逐级启动运行状态。

d）自动程序启动后进行10秒钟报警判断后，循环泵启动，10秒后压缩机启动，10秒后干箱阀打开。进入前箱预冷阶段。

e）前箱预冷：选取进行温度判断，若搁板温度低于设定值，转入干箱预冷保温阶段。

f）干箱预冷保温阶段：进行时间判断，若干箱预冷保温时间达到设定值，转入捕水器制冷。

g）捕水器制冷：逐级关闭干箱阀，逐级打开捕水阀，进行温度判断，若捕水器温度小于设定值，转入抽真空。

h）抽真空：进入后12秒后打开真空泵，经过设定的小蝶阀开启时间后，打开小蝶阀，进入真空预抽阶段。进行真空判断，干箱真空度小于设定值，转入升华阶段。  

i）升华：进入升华阶段，按设定的冻干曲线（冻干程序）进行，直至程序终点。

j）结束：（详见“全自动运行”那一节）

k）要进行真空压塞的，开液压泵，按上升按钮进行压塞，压塞结束按下降按钮降下板层。

l）开冻干箱、冷阱放气阀进行放气，取出制品，关掉电源。

全自动运行：

注意1：用户在未熟练掌握该设备前不宜运用该功能！                                                                  

注意2：在全自动运行时，手动操作，程序运行，压塞操作、化霜操作均被锁住，不能操作！

注意3：在全自动运行前，必须检查并保证所有按钮处于正常关闭位置。如上一次是非正常停机，还需将机器重新启动一次。

“报警记录”

按“报警记录”，进入该窗口，

v      “开始”表示进入报警信息查阅，

v     “结束”表示结束报警信息查阅，

v     “删除”表示去除某项选定报警信息，

v     “删除全部”表示去除所有报警信息。

v     “▲”表示逐条向上翻屏，

v     “▼”表示逐条向下翻屏，

v     “双▲”表示向上逐页翻屏，

v     “双▼”表示向下逐页翻屏。

  “实时曲线”                                                      

按“实时曲线”，进入实时曲线记录窗

搁板温度”、“制品温度”、“捕水器温度”分别显示对应的温度，“干箱真空”表示干燥箱体内的实际真空。

  “历史数据库”

按“历史数据库”，进入该窗口，

该窗口是直接显示系统运行时的数据参数：各类温度数据，各类系统真空度数据。

真空冷冻干燥系统操作规程

注意：操作者应严格按照操作规程进行各项操作，具体参数如温度、时间等，可根据冻干工艺进行调整。

历史数据记录能改变记录间隔。按“记录间隔”进入下窗口。

设置范围（1-----30分钟）  

按“开始记录”进入数据记录的状态，按“停止记录”表示数据停止记录。

Ø        “上一页”表示向上翻页，“下一页”表示向下翻页；

Ø        “左一页”表示向左翻页，“右一页”表示向右翻页；

Ø        “数据清空”表示清除所有历史记录；

Ø        “写入CF”表示将当前屏幕内存的数据写入用户CF卡。

进入副菜单

1.内部参数设定：在全自动运行时使用

1.      “系统自动参数的捕温设定”：用于在全自动运行时，启动系统真空。

2.      “系统自动参数的干箱预冻保温时间设定”：用于在全自动运行时，干箱预冻后的保温持续时间。

2.进入压塞操作：干燥结束需要压塞时使用

压塞：开液压泵点上升按钮，压好后关上升按钮，点下降按钮降到位后关下降按钮，关液压泵。干燥箱、冷阱放气。

箱内压塞应注意以下几点：

1）             箱内压塞对使用瓶子和塞子有较高的要求，要求瓶子高度、瓶口内径、塞子外径的误差要小；

2）             由于压塞总力量较大，为了不使冻干箱内板层弯曲变形，每一层的产品必须放置均匀，不能偏在一方；如果因为产品少而放不满时，空着的部分必须用空瓶放下塞子补

3）             压塞的力量不宜调的太大，当然也不能太小，对于活动板层的加压方式，由于每层是串联的，即一层压一层。因此总力与每一层的力是一样的。只要计算一层所需的力就是压塞总力。

l)        产品压塞完毕，放气出箱，取出制品，关掉电源。

3.化霜操作：可开压缩机化霜或自然化霜

进入化霜画面

         

   干燥结束检查蝶阀是否关闭，冷阱恢复常压。

开机化霜：开压缩机、化霜阀、排水阀，直到冷阱霜化完毕温度在20度左右，关闭化霜阀、压缩机  

自然化霜 ：打开排水阀待霜自然融化                                                            

四、冻干机的维护检查

冻干机电控部分的检测及维护

总引入电源，应接入本机电气柜总电源断路器 (总电闸) 上或总接线桩上。

外(用户)总电源开关柜：应大于本机的总功率配置（若电网波动大，用户应采取稳压的措施）

     工作电压：AC380V

     电源频率：50Hz

     连接方式：三相五线制

温度探头测试：测温热电偶做定期检测和检查，并按接线图做该连接点的检查，查看接触是否良好。

1.运行前的检查（控制部分）

1） 对冻干机作全面检查。

2） 确认制品的探头正确放置

    确认搁板的探头正确放置

3） 确认控制系统所有开关都复位。

4） 所有仪表都处于正常工作状态。

5） 确认没有报警信号显示。

6） 根据需要设置各参数。                                                                              

7） 电气柜上的钥匙开关处于是“OFF”位置。

为确保制品的质量稳定和设备的正常运行，请按以下几个方面作维护检查：

2.日常维护检查

1）  控制系统：保险丝、空气开关（断路器）、继电器和接触器等，以及产品的各类探头、真空规管。

2）  阀门：所有气动阀门的开/关灵活性，必要时修理，尤其是真空蝶阀阀的开关到位情况，所有电磁阀的有效性。温度探头的校准情况，真空探头的校准，抽查一批制品的质量和干燥时间

5.2.3.3.2  执行每日、周、月的维护检查。

1） 检查探头和仪表的准确程度

2） 检查接地和全部安全装置

3.年维修操作

1） 检查全部辅助电器、继电器、空气开关（断路器）和接线端子等。

2） 检查冻干控制器运行情况和PLC运行情况。（可参照上述的冻干机的控制部分检测）

3） 大修设备全部的公用工程

4） 检查全部仪表的校准情况