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真空冷凍干燥的敘述
閱讀：1652 發布時間：2013-7-17
真空冷凍干燥技術是將濕物料或溶液在較低的溫度（－10℃～－50℃）下凍結成固態，然后在真空（1.3～13帕）下使其中的水分不經液態直接升華成氣態，zui終使物料脫水的干燥技術。我國是原料藥生產大國，因此該技術應用前景十分廣闊。但是，應當引起注意的是，近年來真空冷凍干燥技術在我國推廣得非常迅速，相比之下，其基礎理論研究相對滯后、薄弱，專業技術人員也不多。并且，與氣流干燥、噴霧干燥等其他干燥技術相比，真空冷凍干燥設備投資大，能源消耗及藥品生產成本較高，從而限制了該技術的進一步發展。因此，切實加強基礎理論研究，在確保藥品質量的同時，實現節能降耗、降低生產成本，已經成為真空冷凍干燥技術領域當前面臨的zui主要的問題。
■技術優勢突出
由于真空冷凍干燥在低溫、低壓下進行，而且水分直接升華，因此賦予產品許多特殊的性能。如真空冷凍干燥技術對熱敏性物料亦能脫水比較*，且經干燥的藥品十分穩定，便于長時間貯存。由于物料的干燥在凍結狀態下完成，與其他干燥方法相比，物料的物理結構和分子結構變化極小，其組織結構和外觀形態被較好地保存。在真空冷凍干燥過程中，物料不存在表面硬化問題，且其內部形成多孔的海綿狀，因而具有優異的復水性，可在短時間內恢復干燥前的狀態。由于干燥過程是在很低的溫度下進行，而且基本隔絕了空氣，因此有效地抑制了熱敏性物質發生生物、化學或物理變化，并較好地保存了原料中的活性物質，以及保持了原料的色澤。
■加強基礎理論研究
目前，我國真空冷凍干燥設備趨于完善，但與發達國家相比，該技術基礎理論的研究顯得滯后和薄弱，阻礙了技術應用水平的提高。因此，研究的重點正向這方面轉移。目前，研究的焦點集中在真空冷凍干燥的物性參數及其影響因素、過程參數、過程機理和模型、過程優化控制等的研究。
真空冷凍干燥技術的基本參數包括物性參數和過程參數，它們是實現真空冷凍干燥過程的基礎。這些數據的缺乏會使干燥過程難以實現針對原料的優化，不能充分發揮系統效率。物性參數指物料的導熱系數、傳遞系數等。這方面的研究內容包括物性參數數據的測定及測定方法，以及環境條件壓強、溫度、相對濕度和物料顆粒取向等對物性參數的影響。過程參數包括冷凍、供熱和物料形態等有關參數。對冷凍過程的研究意在為系統找到*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。確定恰當的物料形態也是重要的研究內容，它包括原料的顆粒形態和料層厚度等。
從熱量傳遞和質量傳遞入手研究真空冷凍干燥的機理，并建立相應的數學模型，有助于找出過程的影響因素，預測時間、溫度及蒸氣壓強的分布狀況。目前的研究主要限于均質液相，并提出了一些數學模型，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，但在實際應用中仍然存在許多限制條件。過程優化控制是建立在上述數學模型的基礎上的。控制方案又有準穩態模型和非穩態模型之分。
■嚴控生產工藝
由于生物制品和藥品的凍干工藝比較復雜，為保證凍干產品的質量和節能，在生產過程中需要嚴格控制預凍溫度、升華吸熱等，使凍干過程各階段按照預先制訂的工藝路線工作。
*應用提示一：保持合理的預凍溫度
在真空冷凍干燥過程中，需要先對被干燥的藥品進行預凍，然后在真空狀態下，使水分直接由冰變為氣而使藥品干燥。在整個升華階段，藥品必須保持在凍結狀態，否則就不能得到性狀良好的產品。在藥品預凍階段，要嚴格控制預凍溫度（通常比藥品的共熔點低幾度）。如果預凍溫度不夠低，則藥品可能沒有*凍結，在抽真空升華時會膨脹起泡；若預凍溫度太低，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。
*應用提示二：關注升華吸熱
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）。如果不對藥品進行加熱或熱量不足，則在水分在升華時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，整個干燥的時間就會延長，生產率下降；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藥品本身的溫度上升，使藥品可能出現局部甚至全部熔化，引起藥品的干縮起泡現象，整個干燥就會失敗。
*應用提示三：采用計算機自動化控制
為了獲得良好的凍干藥品，一般在凍干時應根據每種凍干機的性能和藥品的特點，在經過試驗的基礎上制訂出一條凍干曲線，然后控制機器，使凍干過程各階段的溫度變化符合預先制訂的凍干曲線。目前，真空冷凍干燥的生產過程控制可借助于計算機來控制生產系統按照預先設定的凍干曲線工作。如計算機對凍干過程控制可分為兩個階段：*階段，在低于熔點的溫度下，將水分從冷凍的物料內升華，約有98%～99%的水分均在此時被除去。第二階段，將物料溫度逐漸升到或略高于室溫，經此階段水分可以減少到低于0.5%。此過程預凍溫度為－40℃左右，時間約兩小時。凍干藥品的干燥升華階段，物料溫度約為－30℃～－35℃，壓強約為4～7帕。*的zui終干燥溫度可升至40℃，總干燥時間約18小時。采用計算機自動化控制系統，有助于保證藥品符合質量要求。
■技術優勢突出
由于真空冷凍干燥在低溫、低壓下進行，而且水分直接升華，因此賦予產品許多特殊的性能。如真空冷凍干燥技術對熱敏性物料亦能脫水比較*，且經干燥的藥品十分穩定，便于長時間貯存。由于物料的干燥在凍結狀態下完成，與其他干燥方法相比，物料的物理結構和分子結構變化極小，其組織結構和外觀形態被較好地保存。在真空冷凍干燥過程中，物料不存在表面硬化問題，且其內部形成多孔的海綿狀，因而具有優異的復水性，可在短時間內恢復干燥前的狀態。由于干燥過程是在很低的溫度下進行，而且基本隔絕了空氣，因此有效地抑制了熱敏性物質發生生物、化學或物理變化，并較好地保存了原料中的活性物質，以及保持了原料的色澤。
■加強基礎理論研究
目前，我國真空冷凍干燥設備趨于完善，但與發達國家相比，該技術基礎理論的研究顯得滯后和薄弱，阻礙了技術應用水平的提高。因此，研究的重點正向這方面轉移。目前，研究的焦點集中在真空冷凍干燥的物性參數及其影響因素、過程參數、過程機理和模型、過程優化控制等的研究。
真空冷凍干燥技術的基本參數包括物性參數和過程參數，它們是實現真空冷凍干燥過程的基礎。這些數據的缺乏會使干燥過程難以實現針對原料的優化，不能充分發揮系統效率。物性參數指物料的導熱系數、傳遞系數等。這方面的研究內容包括物性參數數據的測定及測定方法，以及環境條件壓強、溫度、相對濕度和物料顆粒取向等對物性參數的影響。過程參數包括冷凍、供熱和物料形態等有關參數。對冷凍過程的研究意在為系統找到*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。確定恰當的物料形態也是重要的研究內容，它包括原料的顆粒形態和料層厚度等。
從熱量傳遞和質量傳遞入手研究真空冷凍干燥的機理，并建立相應的數學模型，有助于找出過程的影響因素，預測時間、溫度及蒸氣壓強的分布狀況。目前的研究主要限于均質液相，并提出了一些數學模型，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，但在實際應用中仍然存在許多限制條件。過程優化控制是建立在上述數學模型的基礎上的。控制方案又有準穩態模型和非穩態模型之分。
■嚴控生產工藝
由于生物制品和藥品的凍干工藝比較復雜，為保證凍干產品的質量和節能，在生產過程中需要嚴格控制預凍溫度、升華吸熱等，使凍干過程各階段按照預先制訂的工藝路線工作。
*應用提示一：保持合理的預凍溫度
在真空冷凍干燥過程中，需要先對被干燥的藥品進行預凍，然后在真空狀態下，使水分直接由冰變為氣而使藥品干燥。在整個升華階段，藥品必須保持在凍結狀態，否則就不能得到性狀良好的產品。在藥品預凍階段，要嚴格控制預凍溫度（通常比藥品的共熔點低幾度）。如果預凍溫度不夠低，則藥品可能沒有*凍結，在抽真空升華時會膨脹起泡；若預凍溫度太低，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。
*應用提示二：關注升華吸熱
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）。如果不對藥品進行加熱或熱量不足，則在水分在升華時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，整個干燥的時間就會延長，生產率下降；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藥品本身的溫度上升，使藥品可能出現局部甚至全部熔化，引起藥品的干縮起泡現象，整個干燥就會失敗。
*應用提示三：采用計算機自動化控制
為了獲得良好的凍干藥品，一般在凍干時應根據每種凍干機的性能和藥品的特點，在經過試驗的基礎上制訂出一條凍干曲線，然后控制機器，使凍干過程各階段的溫度變化符合預先制訂的凍干曲線。目前，真空冷凍干燥的生產過程控制可借助于計算機來控制生產系統按照預先設定的凍干曲線工作。如計算機對凍干過程控制可分為兩個階段：*階段，在低于熔點的溫度下，將水分從冷凍的物料內升華，約有98%～99%的水分均在此時被除去。第二階段，將物料溫度逐漸升到或略高于室溫，經此階段水分可以減少到低于0.5%。此過程預凍溫度為－40℃左右，時間約兩小時。凍干藥品的干燥升華階段，物料溫度約為－30℃～－35℃，壓強約為4～7帕。*的zui終干燥溫度可升至40℃，總干燥時間約18小時。采用計算機自動化控制系統，有助于保證藥品符合質量要求。