冷凍干燥（凍干）已經(jīng)成為處理需要在高于冰點(diǎn)的溫度下長期儲(chǔ)存的敏感產(chǎn)品的一種公認(rèn)方法。

我們將持續(xù)為您介紹相關(guān)的理論與工藝，包括典型的設(shè)備類型、基本的凍干理論和工藝步驟——從預(yù)處理、冷凍、初級(jí)干燥到二級(jí)干燥。我們還將深入探討一些需要注意或理解的參數(shù)。并介紹工藝監(jiān)測和驗(yàn)證，以及對(duì)您進(jìn)行設(shè)備選擇的建議和意見。

凍干工藝

凍干是一種在低溫和真空條件下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行干燥的工藝。樣品中的水首先被凍結(jié)成固體，然后通過將冰轉(zhuǎn)化為蒸汽直接去除。這是在真空下完成的，不需要通過液態(tài)階段。凍干的獨(dú)特優(yōu)勢在于，樣品在整個(gè)干燥過程中保持低溫并保持冷凍狀態(tài)，從而保留了熱敏性成分（蛋白質(zhì)、味道、顏色），同時(shí)保持原有的形狀和大小。干燥后的產(chǎn)品可以長期儲(chǔ)存，而不會(huì)改變成分（即酶、基因）或被微生物感染，這都是由于缺水而實(shí)現(xiàn)的。

換句話說，凍干是一種脫水技術(shù)。與其他脫水技術(shù)不同的是，凍干工藝是在產(chǎn)品處于冷凍狀態(tài)和真空狀態(tài)下進(jìn)行的。這些條件穩(wěn)定了產(chǎn)品，將氧化和其他降解過程的影響降至最低。凍干已經(jīng)成為處理需要在高于冰點(diǎn)的溫度下長期儲(chǔ)存的敏感產(chǎn)品的一種公認(rèn)方法。

凍干被廣泛用于制藥以及其他行業(yè)，且由能耗高，是最昂貴的單元操作之一。傳統(tǒng)的凍干周期會(huì)導(dǎo)致較長的處理時(shí)間，從而增加生產(chǎn)成本。較長的凍干周期被認(rèn)為是不理想的，因?yàn)樗鼈兺荒敲磮?jiān)固，并且設(shè)備故障的可能性也會(huì)增加。凍干周期應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，以盡量縮短干燥時(shí)間而不影響產(chǎn)品質(zhì)量。

凍干工藝是作為一種商業(yè)技術(shù)而開發(fā)的，它可以使血清在無需冷藏的情況下保持化學(xué)穩(wěn)定性和活性。該工藝被應(yīng)用于青霉素，并被認(rèn)為是保存生物制品的重要科學(xué)技術(shù)。凍干也被用作多種產(chǎn)品的保存或加工技術(shù)，如藥品、診斷試劑盒、被水破壞文件的修復(fù)、用于碳?xì)浠衔锓治鰷?zhǔn)備的河流污泥、陶瓷、病毒或細(xì)菌培養(yǎng)物、為分析準(zhǔn)備的組織、合成皮膚的制作以及以及歷史/再生文物的修復(fù)。

設(shè)備設(shè)計(jì)

任何凍干機(jī)都有三個(gè)基本組成部分。分別是產(chǎn)品室、冷凝器和真空泵。每個(gè)部分對(duì)凍干機(jī)的功能都至關(guān)重要。

產(chǎn)品室有兩種基本類型，一種用于西林瓶，一種用于托盤（散裝）。如果一個(gè)產(chǎn)品是相對(duì)復(fù)雜，化學(xué)成分復(fù)雜，需要轉(zhuǎn)售或無菌處理，那么西林瓶系統(tǒng)將是有利的。這種方法允許操作者對(duì)驅(qū)動(dòng)凍干過程的參數(shù)進(jìn)行最終控制。

當(dāng)產(chǎn)品在西林瓶干燥器中進(jìn)行處理時(shí)，液態(tài)產(chǎn)品被裝入西林瓶，并裝載在凍干機(jī)的擱板上。在那里，產(chǎn)品被預(yù)凍到略低于產(chǎn)品冰點(diǎn)的溫度，也稱為共晶點(diǎn)。

在初級(jí)干燥過程中，凍干機(jī)的真空泵將去除不可冷凝的蒸汽。這些蒸汽是由設(shè)備中的泄漏和凍干過程中產(chǎn)品不斷釋放的不可冷凝分子產(chǎn)生的。真空泵的使用建立了一個(gè)自由的蒸汽通道，通過去除室內(nèi)的空氣來遷移可冷凝分子。

凍干工藝步驟

無論出于何種原因使用凍干工藝，都需要注意和了解四個(gè)基本步驟

? 預(yù)處理

? 冷凍

? 初級(jí)干燥（冰升華）

? 二級(jí)干燥（水分解吸）

01 預(yù)處理

預(yù)處理包括在冷凍前“改善”產(chǎn)品的任何方法。這可能包括濃縮產(chǎn)品、稀釋產(chǎn)品、修改配方（例如添加成分以提高穩(wěn)定性和/或改進(jìn)加工）、減少高蒸氣壓溶劑或增加表面積。在許多情況下，決定對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)處理是基于凍干的理論知識(shí)及其要求，由周期時(shí)間或產(chǎn)品質(zhì)量考慮決定。

02 冷凍

冷凍，也稱為預(yù)凍，是指將樣品冷凍到低于其“共晶點(diǎn)”或安全冰點(diǎn)的溫度。這通常是在-40至-60°C的范圍內(nèi)，而某些應(yīng)用可以低至 -60 至 -80°C。在預(yù)凍期間，凍干機(jī)作為冷凍柜工作，因?yàn)椴皇┘诱婵?。預(yù)凍也可以與干燥器分開進(jìn)行。

冷凍步驟至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了冰的形態(tài)和孔徑分布，這對(duì)工藝后期的成功非常重要。這似乎很簡單，但它往往是這個(gè)過程中最不易被理解和研究的步驟。

產(chǎn)品的冷凍可能導(dǎo)致液體在特定的溫度下突然凝固（共晶形成物）或液體不凝固，而只是變得越來越粘稠（玻璃形成物）。共晶形成物的凍結(jié)溫度等于相圖上產(chǎn)物的三相點(diǎn)。在這種情況下，產(chǎn)品在傳統(tǒng)意義上是冷凍的，在整個(gè)初級(jí)干燥過程中，溫度必須保持在該水平以下。為了正確冷凍產(chǎn)品，可以使用熱分析來幫助更好地了解其特性。

檢測共晶點(diǎn)的熱分析可以通過多種方式進(jìn)行，但都不是 100% 有效的。

? 時(shí)間-溫度曲線

? 差示掃描量熱法

? 低溫顯微鏡

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的材料一般最后會(huì)收縮、膨脹，或者可能看起來像玻璃狀且有粘性。這樣的樣品據(jù)說在凍干過程中已經(jīng)坍塌了。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差加上干燥時(shí)間長，也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量差。

一旦確定了產(chǎn)品的冰點(diǎn)（共晶點(diǎn)），還必須確定最佳的冷凍速率。凍結(jié)速度決定了晶體的大小。重要的是要記住，由于冷凍液體最終會(huì)從產(chǎn)品中升華出來，冷凍速度緩慢產(chǎn)生的較大晶體結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)生更多孔和快速干燥的產(chǎn)品。通常，這有利于冷凍干燥周期的優(yōu)化，但在再水化（重構(gòu)）方面可能不會(huì)產(chǎn)生最佳產(chǎn)品。

另一方面，快速冷凍會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品以更快的速度失去活性并具有更小的晶體結(jié)構(gòu)，這反過來會(huì)導(dǎo)致其顆?；?/span>程度更高，因此更容易重構(gòu)，即使它需要更長的凍干時(shí)間。

冷凍西林瓶產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)法則是，產(chǎn)品容器的容量不得超過其總體積的一半。

周期已完成初級(jí)干燥階段的標(biāo)志:

1. 產(chǎn)品溫度與擱板溫度相等或非常接近。這表明在這些位置之間沒有發(fā)生熱傳遞，且很少有蒸汽分子

（及其相關(guān)能量）離開產(chǎn)品。

2. 冷凝器溫度已恢復(fù)到原來的低溫。這表明冷凝器不再截留高負(fù)荷的蒸汽（及其相關(guān)能量）以導(dǎo)致溫度升高。

3. 系統(tǒng)壓力已恢復(fù)到原來的低值。這再次表明，蒸汽分子的運(yùn)動(dòng)已大大減少。

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