冰冻干燥技术.PDF

冰冻干燥技术 生物样品、药品、食品、在储存前的脱水干燥是非常重要的过程。在各种干 燥方法中，冰冻干燥 （升华干燥）技术特别适用于对热敏感的物料：如生物体组 份（蛋白、细胞、亚细胞构造、病毒、生物大分子等等）、药物（如抗体、各种 生物工程药物、血液制品疫苗、遗传工程，发酵工程产品等等）、食品（需用长 期储存的或战备、宇航食品）等。冰冻干燥过程中，样品在完全干燥前始终处在 低温状态，因而能在干燥过程中保持它的原的有活性和其他天然本质。 冻干过程是让水 （或其他溶剂）从冰冻 （固体）状态直接气化 （升华）而达到 干燥的目的，不需要经过固体结晶→液体→气体的过程。 冻干技术最简单的描述是：放在干燥室 （或干燥瓶）中的物料在部份真空状态 下 （由真空泵来执行）吸收热量 （提供升华潜热所需）使其中水分子 （或其他溶 剂分子）从固体结晶状态直接升华为气体被抽至冷凝器 （温度很低的制冷系统的 一个蒸发器）冷凝成冰霜 （为了保持系统真空度，真空泵不允许吸入大量蒸气）， 这个过程持续进行，经过了冻干过程的几个阶段 （初始阶段、恒率干燥阶段，减 率干燥阶段，结束阶段）物料中含水量 （或含溶剂量）达到了预定要求，也就是 完成了干燥过程。此后真空泵停车、系统通大气、取出已干燥的物料，溶化掉冷 凝器中的水（或溶剂），经过维护保养后，系统又可以进行下一次的冻干过程。 （一）、冻干过程需要的基本条件 * 提供冰晶→水汽升华过程所必须的部份真空状态，冰晶的温度越低，对真空度 要求越高，一般实验研究用冻干机大多选用中等真空度的二级旋片式真空泵，极 限真空度在 10-3mmHg 上下。大型工业用冻干机除机械 泵外还要装罗茨泵， 对于物料安全温度在 -60 ℃以下的冻干过程，为了达到更高的真空度 （10-4~10-6mmHg ），在机械泵的前级加装油扩散泵或分子泵。 下表列出了各种温度的水（冰）蒸发或升华所需要的气压。 温度 （℃） 20 0 -5 -10 -15 -20 -30 -4 -50 -60 -70 -80 -90 气 压 7.8× 3× 10 3× 8.4× 1.98× 4.13× 7× 17 4.58 3.57 1.96 1.24 （mmHg ） 10-1 10-1 -1 10-2 10-3 10-3 10-4 10-5 (注；以上 10-1 为 10 的负一次方，其余相同) * 已抽出的水汽在一个低温冷凝器中凝结成冰霜。这个冷凝器实际上是一个完整 的一级或二级制冷系统的蒸发器，冷凝器的表面温度常在-40℃以下，常用-50℃ ~-85 ℃，冻干过程结束后此冷凝器能加热使冰霜溶化成水（或其他液体）排出。 * 干燥室内物料中固体溶剂 （冰或其他）分子在直空状态下只有获得足够的升华 潜能才能气化逸出。只有不断提供热量才能使升华干燥过程顺利进行。目前的冻 干机升华潜热的来源有几种：一是多岐管挂瓶式干燥，经过自然地辐射传热吸收 干燥瓶附近空气或其他人工热源 （灯、红外加热器等）中的热量以维持升华所需 1 热量。这种方式最简单，成本最低，但吸收热量不能控制，在气温较低的冬天， 没有空调的房间内，冻干周期长。二是冻干物料可以控制温度的加热，这对大量 托盘式散料的冻干以及安瓿瓶培养器干燥的高效冻干非常重要。这种控温干燥如 果能按需要实行程控加温就更理想了。 * 冻干样品在实行冻干前需要预冻，可采用冰箱内低温速冻（-20 ℃~-50 ℃，适 用于托盘，培养器，安瓿瓶等）或低温旋冻（多岐管式干燥瓶），低温旋冻可以 使冻干物料沿瓶壁冻结成一薄层。这样就大大减少了样品厚度，增加了表面积， 从而减少了冻干时间。 （二）、冰冻干燥产品的特点 * 冻干后物料呈海绵状、多孔质、疏松、均匀、外形美观。 * 干燥后保存周期长（达数年）这对某些长备物品如血浆非常重要。 * 物料成份基本不变，尤其是对热敏感物质，冻干物料可以保持原有的生物活性， 这对生物体组份，各种药物非常重要。 * 冻干物料极易复原，可以速溶成原来的液态或恢复成原来外形 （如水果、蔬菜、 昆虫等等）。 * 易进行无菌操作（对于血制品、疫苗、抗菌素、抗体非常重要） * 可随意控制干燥物料的含水率。 * 设备投资较大，冻干周期较长，成长较高。 （三）、物料的安全温度