第八章 干燥技术

第八章

干燥技术

Drying主要内容干燥基本知识热干燥冷冻干燥干燥的基本概念用热能加热物料，使物料中湿分蒸发而干燥或者用冷冻法使水分结冰后升华而除去的单元操作；通常是制药产品分离的最后一步；在制药生产中所得到的固态产品或半成品往往含有过多的水分或有机溶剂(湿分)，要制得合格的产品需要除去固体物料中多余的湿份。除湿方法机械除湿——如离心分离、沉降、过滤。物理化学除湿——加干燥剂如硅胶、无水氯化钙、石灰等

干燥

——利用热能使湿物料中的湿份汽化。除湿程度高，但能耗大。惯用做法：先采用机械方法把固体所含的绝大部分湿份除去，然后再通过加热把机械方法无法脱除的湿份干燥掉，以降低除湿的成本。干燥分类湿物料水分含量的表示方法湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物。湿度m：水分在湿物料中的质量百分数。湿含量M：湿物料中的水分与绝干物料的质量比。换算关系：工业生产中，物料湿含量通常以湿度表示，但由于物料的总质量在干燥过程中不断减少，而绝干物料的质量不变，故在干燥计算中以湿含量表示较为方便。一定干燥条件下，按能否除去，分为平衡水分与自由水分。平衡水分：等于平衡含水量X*的水分，是不可除水分。自由水分：高于平衡含水量X*的水分，是可除水分。一定干燥条件下，水分除去的难易，分为结合水与非结合水。非结合水分：与物料机械形式的结合，附着在物料表面的水，具有和独立存在的水相同的蒸汽压和汽化能力。结合水分：与物料存在某种形式的结合，其汽化能力比独立存在的水要低，蒸汽压或汽化能力与水分和物料结合力的强弱有关。湿分分类热干燥过程的基本流程新鲜空气过滤器鼓风机加热器

排放引风机二次除尘一次除尘干燥器

产品湿料对流干燥过程原理热气体流过湿物料的表面，物料表面温度低于气体温度;由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使湿份汽化；在分压差的作用下，湿份由物料表面向气流主体扩散，并被气流带走。干燥是热、质同时传递的过程干燥介质：用来传递热量（载热体）和湿份（载湿体）的介质。注意：只要物料表面的湿份分压高于气体中湿份分压，干燥即可进行，与气体的温度无关。气体预热并不是干燥的充要条件，其目的在于加快湿份汽化和物料干燥的速度，达到一定的生产能力。HtqWtippiM热空气流过湿物料表面热量传递到湿物料表面湿物料表面水分汽化并被带走表面与内部出现水分浓度差内部水分扩散到表面传热过程传质过程传质过程干燥过程推动力传质推动力：物料表面水分压P表水

>热空气中的水分压P空水传热推动力：热空气的温度t空气

>物料表面的温度t物表对流干燥过程实质由于物料预热段很短，通常将其并入恒速干燥段；以临界湿含量Xc

为界，可将干燥过程只分为恒速干燥和降速干燥两个阶段。干燥速率曲线：干燥速率U或干燥速度N与湿含量X的关系曲线。干燥过程的特征在干燥速率曲线上更为直观。干燥曲线和干燥速率曲线ABCD干燥速率U或NABCD物料温度twXcX*湿含量XIIIC’恒速干燥阶段湿物料表面为非结合水所湿润，物料表面温度是该空气状态下的湿球温度；此时，传热推动力（温度差）以及传质推动力（饱和蒸汽压差）是一个定值；因此，干燥速率也是一个定值；实际上，该阶段的干燥速率决定于物料表面水分汽化的速率、决定于水蒸气通过干燥表面扩散到气相主体的速率。因此，又称为表面汽化控制阶段。此时的干燥速率几乎等于纯水的汽化速度，和物料湿含量、物料类别无关；影响因子主要有：空气流速、空气湿度、空气温度等外部条件。降速干燥阶段物料湿含量降至临界点以后，便进入降速干燥阶段。在降速干燥阶段，非结合水已经被蒸发，继续进行干燥，只能蒸发结合水。结合水的蒸气压恒低于同温下纯水的饱和蒸汽压，传质、传热推动力逐渐减小，干燥速率随之降低；干燥空气的剩余能量被用于加热物料表面，物料表面温度逐渐升高，局部干燥。在这一阶段，干燥速率取决于水分和蒸汽在物料内部的扩散速度。因此，亦称为内部扩散控制阶段，与外部条件关系不大。主要影响因素为物料结构、形状和大小制药产品常用的干燥方法气流干燥喷雾干燥冷冻干燥干燥设备选择原则被干燥物料的性质：湿物料的物理特性、干物料的物理特性、腐蚀性、毒性、可燃性、粒子大小及磨损性；物料的干燥特性：湿分的类型（结合水、非结合水）、初始和最终湿含量、允许的最高干燥温度、产品的色泽、光泽等；粉尘及溶剂回收安装的可行性干燥设备的分类与选择原则干燥设备针对热敏性物质开发的单元操作有：瞬时快速干燥：接触时间短、气流温度高喷雾干燥：时间短、热效低、可同时造粒气流干燥：接触时间较长沸腾干燥：接触时间最长，热效最高低温干燥：适用于粘稠状物料，活性保持最好微波干燥：时间短，效率高红外干燥：温度高，干燥速度快厢式干燥设备由一个或多个小格（室）组成；干燥媒介的流动方式：自然对流、强制平行流动、强制穿流流动；使用范围：适用于粒状、晶状和片状产品优缺点：结构简单，但能耗大，热效低，现已逐渐被淘汰。气流干燥设备干燥介质为热干空气使用范围：含非结合水的粉末或颗粒物料的干燥；优点：结构简单，传热系数大，干燥速度快喷雾干燥设备采用雾化器，将料液分散成细小雾滴，在喷雾干燥器内直接进行干燥，并采用旋风分离器对干燥后的物料进行回收；优点：传热表面积大，干燥时间短，适用于抗生素、酵母粉、酶制剂等热敏性物质的干燥；并可将蒸发、结晶、过滤、粉碎等过程集成于一次完成。缺点是热效低、能耗大、设备体积过大流化床干燥设备在流化床中加入湿的颗粒状物料，在流化床下部通入热空气，在一定流速下形成激烈的固体流态化状态。因此，又称沸腾床，是一种有效的干燥装置。使用范围：由于物料在干燥器中停留时间过长，不适宜干燥一些热敏性物质，使用于干燥葡萄糖、味精、柠檬酸等稳定物料的干燥。红外干燥以电磁波辐射作为热量来源，通常波长在0.75~1000微米波段；热量高，温度变化幅度大，适用于稀薄的物料干燥微波干燥利用微波产生的电磁能，从内部加热湿物料；在交流电磁场的作用下，偶极离子会产生与电场方向变化相适应的振动，从而摩擦产热，使水分蒸发。冷冻干燥使被干燥的液体在极低的温度下，冷冻成固体；然后，在低温、低压下利用水的升华性能，使冰升华汽化而除去，以达到干燥的目的；冷冻干燥法适用于绝大多数生物产品的干燥和浓缩，可以最大限度地保证生物产品的活性。第二节冷冻干燥技术传统干燥技术的缺点体积缩小、质地变硬

物质发生了氧化

易挥发的成分大部分会损失掉

热敏性的物质，如蛋白质、维生素会发生变性

微生物会失去生物活力，干燥后的物质不易在水中溶解等

冻干技术定义冷冻干燥就是把含有大量水分物质，预先进行降温冻结成固体，然后在真空的条件下使水蒸汽直接升华出来。而物质本身剩留在冻结时的冰架子中，因此它干燥后体积不变，疏松多孔。

冻干特点⑴冷冻干燥在低温下进行，因此对于许多热敏性的物质特别适用。⑵在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小，适合一些化学产品、药品和食品干燥。⑶在冷冻干燥过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因此能保持原来的性状。⑷由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。⑸干燥后的物质疏松多孔，呈海绵状，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。⑹由于干燥在真空下进行，氧气极少，因此易氧化的物质得到了保护。⑺干燥能排除95-99％以上的水分，使干燥后产品能长期保存而不致变质。水的三相图双组份溶液相平衡示意图共晶点（共熔点）纯液体有一个固定的结冰点。而溶液却不一样，它不是在某一固定温度完全凝结成固体，而是在某一温度时，晶体开始析出，随着温度的下降，晶体的数量不断增加，直到最后，溶液才全部凝结。这样，溶液并不是在某一固定温度时凝结。而是在某一温度范围内凝结。当冷却时开始析出晶体的温度称为溶液的冰点。而溶液全部凝结的温度叫做溶液的凝固点。凝固点就是融化的开始点（即熔点），对于溶液来说也就是溶质和溶媒共同熔化的点。所以又叫做共熔点或共晶点。可见溶液的冰点与共熔点是不相同的。共熔点才是溶液真正全部凝成固体的温度。冷冻干燥中共晶点的意义由于冷冻干燥是在真空状态下进行的。只有产品全部冻结后才能在真空下进行升华干燥，否则有部分液体存在时，在真空下不仅会迅速蒸发，造成液体的浓缩使冻干产品的体积缩小；而且溶解在水中的气体在真空下会迅速冒出来，造成象液体沸腾的样子，使冻干产品鼓泡、甚至冒出瓶外。为此冻干产品在升华开始时必须要制冷到共熔点以下的温度，使冻干产品真正全部冻结。共晶点（共熔点）的测定方法冻结时离子将固定不能运动，因此电阻率明显增大。而有少量液体存在时电阻率将显著下降。因此测量产品的电阻率将能确定产品的共熔点。一些物质的共熔点物质名称共熔点温度℃纯水0.85％氯化钠溶液10％蔗糖溶液40％蔗糖溶液10％葡萄糖溶液2％明胶、10％葡萄糖溶液2％明胶、10％蔗糖溶液10％蔗糖溶液、10％葡萄糖溶液、0.85％氯化钠溶液脱脂牛奶马血清人参菠菜30℃,溶解度1.95mol/L的甲级芬尼定磷酸盐30℃,溶解度0.12mol/L的吩妥胺磷酸盐30℃,溶解度1mol/L的甘露醇30℃,溶解度0.6mol/L的乳糖30℃,溶解度4.97mol/L的氯化钾30℃,溶解度5.93mol/L的溴化钾二甲亚矾水甘油水(丙三醇)

草莓冬虫夏草山药0－22℃－26℃－33℃－27℃－32℃－19℃－36℃－26℃－35℃－15℃－6℃－4.29℃－0.75℃－2.24℃－5.4℃－11.1℃－12.9℃－73℃－46.5℃－15℃－15℃－20℃冻干基本程序物料的预处理或制备预冻结升华（一期干燥）解析干燥（二期干燥）封装和储存物料的预处理或制备药品和细胞预处理：必须添加剂，添加剂功能分类：冻干保护剂、乳化剂、填充剂、抗氧化剂、酸碱调整剂。其中糖类（海藻糖、蔗糖等）是很有效的冻干保护剂。预冻结预冻结

是将物料充分冷却，不仅要使物料中的自由水完全结成冰，还要使物料中其他部分也完全固化，形成固态的非晶体（玻璃态）。冷却固化后的物料，实际上是既具有晶态，又具有玻璃态的、坚硬的网状结构。冻结终温：冷却固化过程的最终温度应当是完全固化温度，它应低于物料的共晶温度，或玻璃化转变温度。预冻结风冷法：在冻干机外对物料进行速冻，随后快速送入冻干机中进行升华干燥。其特点：适合疏松结构材料冻结快冻干机利用率高5min内移入冻干机，15min内降压至100Pa。预冻结直冷法：冻干机搁板具有冻结能力，物料在冻干机内冻结后直接进行升华干燥。

其特点适合卫生要求高、导热性能好的瓶装制剂对真空抽速要求相对低存在冷热能量干扰问题预冻结升华干燥（一期干燥）过程物料中的水分,对冷冻干燥过程的分析而言，可以划分为两类。一类是在低温下可被冻结成冰的，这部分的水可以称为“自由水”或“物理截留水”；另一类是在低温下不可被冻结的水分，这部分的水可以被看作是被“束缚”的，称为“结合水”或“束缚水”。对于含水量高的物料，其中“自由水”的含量约占总水分量的90%以上。升华干燥（一期干燥）过程升华干燥是指在低温下对物料加热，使其中被冻结成冰的“自由水”直接升华成水蒸汽。一次干燥的物料温度必须低于物料的最高允许温度冻结层的温度低于共晶温度干燥层的温度低于塌陷温度加热：在一次干燥过程中，所需要的热量为冰的升华热。加热的方式可以是搁板导热加热；或辐射加热。要维持升华干燥的顺利进行，必须满足两个基本条件：一是升华产生的水蒸汽必须不断地从升华表面被移走；二是必须不断地给物料提供升华所需要的热量。如控制不好，会出现软化、融化、隆起、塌陷等现象。升华干燥过程实际上是传热、传质同时进行的过程。只有当传递给升华界面的热量等于从升华界面溢出的水蒸汽所需的热量时，升华干燥才能顺利进行。解吸干燥（二期干燥）过程第一阶段干燥结束后，在干燥物料的多孔结构表面和极性基团上还吸附着未冻结的结合水。吸附的能量很大，必须提供较高的温度和足够的热量，才能实现结合水的解吸过程。解吸干燥，是在较高温度下加热，使物料中被吸附的部分“结合水”解吸，变成“自由”的液态水，再吸热蒸发成水蒸汽。在解吸干燥过程中，物料的温度必须低于物料的最高允许温度。

最高允许温度由物料的性质所决定，如对蛋白质药物，最高允许温度一般应低于40℃；对果蔬等食品，最高允许温度可以到60-70℃。解吸干燥（二期干燥）过程在二次干燥过程中，所需要的热量为解吸附热与蒸发热之和，一般简称之为“解吸热”。在二次干燥过程结束时，物料中的含水量应当达到最终要求的剩余含水量。冻干后物料中的剩余水分含量过高或过低都不利。剩余含水量过高不利于长期贮存；过低也会损伤物料的活性。经二次干燥后，冻干后物料中的剩余水分含量一般应低于5%。封装和密封工质对经二次干燥后，要进行封装和储存。在干燥状态下，如果不与空气中的氧气和水蒸汽相接触，冻干药品可以长时间贮存。待需要使用时，再将其复水。封装和密封封装仍须在真空条件，或充惰性气体（氮气或氩气）的条件下进行。对于瓶装的物料，可在干燥室内，用压瓶塞器直接将橡胶瓶塞压下，堵住蒸汽通道，并保证密封。对于安瓿装的物料或较大块的物料，可由干燥室通过真空通道引出，送至真空室，或充惰性气体室，用机械手封装。冻干物料的储藏温度一般是室温。药品4℃~18℃冻干系统组成冷冻干燥系统主要由干燥箱（或称冻干箱）、冷阱、制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统等组成。冷冻干燥系统主要部件的技术要求冻干箱

冻结过程

干燥室

冷阱

真空系统

加热系统

冻干箱冻干箱是物料进行真空干燥的场所。物料瓶置于下隔板上，物料瓶的上方可以有上隔板。对物料的加热，可以用下隔板，以导热的方式进行；也可以用上隔板，以辐射的方式进行。

药剂的冻干过程，要求冻干箱与真空系统是无菌的，采用高温蒸汽灭菌，要求冻干箱箱体采用不锈钢材，箱内全部零部件具有耐受高温蒸汽的能力。冻结过程

对物料的冷却固化过程（冻结过程），可以在干燥室内进行，此时下搁板内有载冷剂，通过制冷系统进行降温。物料的冻结过程，也可以在干燥室外进行，待物料完全冷却固化后，放入干燥室内，再进行真空干燥。干燥室

干燥室要求密封良好。有的干燥室内，还设有压瓶塞器，在干燥结束时，就立即对物料瓶密封。冷阱可以放在干燥室内或外。冷阱的作用是在真空系统中提供一个低温的环境。冷阱的温度要比物料升华界面的温度低20k以上。冷阱表面的饱和水蒸汽压力和物料升华界面的饱和水蒸气压力差是物料升华水蒸气逸出的传质驱动力。物料中逸出的水蒸气，遇到冷阱的低温表面，凝结成液态水，排出系统。对一般升华干燥，如物料的升华温度在-10℃至-40℃时，冷阱的温度可工作在-30℃至-70℃之间。物料升华温度与冷阱温度之间的差值越大，则升华的传质驱动力就越大。但是两者的温差过大也是没有意义的。制冷系统制冷系统的任务是在冷阱处形成低温条件，有些还在冻干箱内起着制冷冷却的作用。制冷系统可以有蒸气压缩式制冷、热电制冷和利用液氮等多种方式。在蒸气压缩式制冷系统，冷阱是制冷系统中制冷工质的蒸发器。如果要求冷阱的温度很低，则要采用双级压缩制冷循环或复叠式制冷循环。真空系统真空系统的主要功能是抽走“非凝性”气体。在冷冻干燥系统的温度范围内，空气是“非凝性”气体，它既包括由外界大气漏入干燥箱的空气；也包括由物料中逸出的空气或其他“非凝性”气体。对于冷冻干燥系统真空泵的要求，除了真空度和抽气速率外，还要求能用于水蒸汽，并能有一定的水蒸汽抽除能力。冷冻干燥系统对真空度的要求并不高，约1Pa；可以采用旋片式机械真空泵，或在旋片式真空泵的低压侧再加罗茨泵。

加热系统对冻干箱中物料的加热，一般是通过搁板进行的。下搁板以导热的方式对物料瓶进行加热；上搁板是以辐射的方式对物料进行加热。搁板中可以装置电加热器；也可以装有载热剂。搁板的温度由温控系统控制。冻干技术的工业应用食品工业冻干草莓冻干蘑菇冻干青豆冻干山