冷冻干燥技术

10绪论质的方法。这种枯燥方法与通常的晒干、烘干、煮干、喷雾枯燥及真空枯燥相比有很多突出的优点，如：质，如疫苗、菌类、毒种、血液制品等的枯燥保存特别适用。和食品的优质枯燥方法。在低温枯燥过程中，微生物的生长和酶的作用几乎无法进展，能最好地保持物质原来的性状。成原来的性状。因系真空下枯燥，氧气极少，使易氧化的物质得到了保护。能除去物质中95～99%的水分，制品的保存期长。因此加工本钱高，目前主要应用在以下一些方面：生物制品、药品方面：如抗菌素、抗毒素、诊断用品和疫苗等。微生物和藻类方面：如酵母、酵素、原生物、微细藻类等。层、角膜、骨骼、主动脉、心瓣膜等边缘组织。制作用于光学显微镜、电子扫描和投射显微镜的小组织片。食品的枯燥：如咖啡、茶叶、鱼肉蛋类、海藻、水果、蔬菜、调料、豆腐、便利食品等。高级养分品及中草药方面：如蜂王浆、蜂蜜、花粉、中草药制剂等。其他：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、土壤冻干后保存，用以争论土壤、肥料、气候对植物生长的影响及生长因子的作用；潮湿的木制文物、淹坏的书籍稿件等用冻干法枯燥，能最大限度的保持原状等。就是其中一列。但是，将冷冻枯燥作为科学技术还是近百年来的事。1890年啊特曼〔Altmann〕在制作标本时，为了防止标本中的物质在有机溶剂中溶解，造成不行逆损失，转变过去用有机溶剂脱水的方法，承受冷冻枯燥法冻干各种器官和组织。他的工作确立了生物标本系统的冻干程序，这是冻干在制作生物标本中的最早应用。1909年谢盖尔〔Shackell〕将冻干引入细菌学和血清学领域。他承受了盐水预冻，在真空状态下，用。1912年卡瑞尔〔Carrel〕首先提出用冻干技术为外科移植保存组织。1935年第一台商用冻干机问世。1940年冻干人血浆开头投入市场。其次次世界大战中，由于需要大量的冻干人血浆和青霉素，因而冻干在医药、血液制品等方面的应用得到快速的进展。艾尔塞Else斯道夫Flosdor、格雷夫斯〔Greave〕和他们的同事们，一方面进展冻干根底理论的争论，一方面进展装置大型化、现代化的改进，使冻干技术从试验室阶段向工业生产和产品商品化进展。战后，冻干法又快速扩展到各种疫苗、药品等领域。1930年沸烙斯道夫进展了食品冻干的试验，1949年他在著作中展望了冻干在食品和其他疏松材料方面应用的前景。二次世界大战后，英国食品部在啊伯丁〔Aberdeen〕的试验工厂也进展了食品冻干的争论。他们在综合了当时的一些争论成果的根底上，于19611965年全球已有食品冻干工厂50场合受到欢送外，在一般民用食品中也确立了稳定的地位。1985年仅日本就有25家公司生产冻干食品，1700亿日元。随着冻干技术的应用和进展，冻干机理和技术的争论也随之进展起来。1949年沸烙斯道夫出版了他的世界上第一本有关冻干技术及理论的专著。1951年和1958年先后在英国伦敦召开了第一界和其次界以冻干C1委员会的学术内容之一。经过约半个世纪的进展，冻干设备和技术已趋于完善。现代先进的冻干设备不仅能能满足各种冻干工下对小瓶自动加塞，对安瓶的自动溶封等。此外冷冻枯燥还应用于非水溶液的枯燥。业特别是食品冻干行业进展学要解决的重要课题。在我国，解放前只在试验室用简易的冻干装置进展保存菌种的试验。1953年卫生部所属北京、武汉两生物制品争论所先后安装了大型冻干设备，迈开了我国生物制品冻干工业化的第一步。后来在其他人用、兽用生物药品厂、生化药厂等制药行业得到进展，目前全国大约有200家左右的工厂和争论单位使用冻干机进展生物制品、医药品的生产和争论。在食品冻干方面，60年月后期在北京、上海、大连等地相继建立了一些试验性冻干设备，70年月中起在上海建立了年产3000冻干食品在国内市场不大；而当时的“闭关锁国”政策，冻干食品也未能打入国际市场，致使这些工厂相继停产。现在除北京、福建、广东、青岛等地还在生产俏销的蘑菇、调料以外，食品冻干几乎没有进展。我国可用于冻干加工的食品资源特别是土特产格外丰富，如豆制品、蘑菇、苔菜、猕猴桃、椰汁、大蒜、茶叶、蜂蜜等产品在世界上都是知名的。随着党对外开放、对内搞活政策方针的贯彻和我国人民食品构造的转变，食品冻干业在我国将会得到快速进展。第一章冷冻枯燥根底第一节水和溶液的一些性质一、水的状态平衡图物质有固、液、汽三态。物质的状态与其温度和压力有关。图1-1示出水〔H2O〕的状态平衡图。图中分别称为溶化线、沸腾线、和升华线。此三条线将图面分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域，分别表示冰溶化成水，水汽化成水蒸气和冰升华成水蒸气的过程。曲线OBK，其温度为374℃，称为临界点。假设水蒸气的温度高于其临界点温度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、汽三相共存的状态，称为三相点，其温度为0.01℃，压力为610Pa。在三相点以下，不存在液相。假设610Pa，且给冰加热，冰就会不经液相直接变成汽相，这一过程称为升华。二、溶液及其结晶过程溶液一种或几种物质以分子或离子状态均匀地分布于另一种物质中，所得到的均匀的、稳定的液体叫做溶液。构成溶液的组分有溶质、溶剂之分，习惯上将占较大比例的组分成为溶剂，占较少比例的组分称为溶〔例如压力、温度〕外还需指出它的成分〔或浓度。表示溶液成分的方法很多，最常用的是用质量成分表示。对于二元溶液〔即两种组分组成的溶液，如用1、2分别表m1、m2分别表示相应的质量，则1-2为氯化钠水Aξ1BE、CE为饱和溶解度线，该线上的点所表示的溶液的溶解度均处于饱和状态，该线上部区域的点所表示的溶液的溶解度为未饱和状态，其下部的为过饱和状态，E点称为溶液的共晶点。溶液的结晶过程使状态为A〔温度t1,浓度ξ1〕的溶液冷却，开头时浓度ξ1不变，温度下降，过程沿AH进展，冷却到H〔或晶核，则溶液中的一局部水会结晶析出，剩下的溶液的浓度则上升、过程将沿析冰线BE进展，直到点EE点成为溶液的共晶点。同理，假设使状态为A′的溶液冷却，到达H′后先析出盐，然后沿析盐线CE，一边析EA′—H′—E。假设溶液冷却到平衡状态时，溶液中无“晶核”存在，则溶液并不会结晶，温度将连续下降，直到溶液由于外界干扰〔如植入“种晶〕或冷却到某一所谓核化温度Thet，在溶液中产生晶核，这时其超溶组分才会结晶，并快速生长，同时放出结晶热，使溶液温度升到平衡状态。其浓度也随超溶组分的析出A—H—G—D—EA′—H′—G′—D′—E。三、冻干产品的溶液一般来说，冻干产品的溶液是由主要功能组分〔如药用成分、多种添加组分〔如抗氧化剂、填充剂等等〕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一样，具有一系列的低共溶点温度。而在该温度以上时，产品将全部冻结，这个温度就是冻干产品的共溶点温度。一些产品的共溶点温度列于1-1。溶液名称表1-1 一些饱和溶液的共溶温度摩尔溶解度〔30℃时〕 观看共溶温度〔℃〕计算温度〔℃〕甲基芬尼定磷酸盐1.953 —4.29—3.97吩妥胺磷酸盐0.120 —0.75—0.88甘露醇1.0—2.24乳糖0.6—5.40氯化钠6.12—21.6—24.0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其次节溶液的冷冻枯燥过程4%-15%的稀有溶液。这种溶液中的水，大局部是以分子形式存在于溶液中的自由水；少局部是吸取于固体物质晶格间隙中或以氢键方式结合在一些极性基团上的结合水；至于固定于生物和细胞中能冻结、很难除去的结合水。冻干的目的就是在低温、真空环境中除去物质中的自由水和一局部吸附于固体晶格间隙中的吸附水。因此冷冻枯燥过程一般分三步进展，即预冻结、升华枯燥〔或称第一阶段枯燥、解析枯燥〔或称其次阶段枯燥。一、预冻结〔预冻〕收缩和溶质移动等不行逆变化产生，削减因温度下降引起的物质可溶性降低和生命特性的变化。1-3所示。溶液需过冷到冰点以下，其内产生晶核以后，自由水才开头以纯冰的温度下降到共晶点以下时。溶液就全部冻结。溶液结晶的晶粒数量和大小除与溶液本身性质有关外，还与晶核生成速率和晶体生长速度有关，而这两者又都随冷却速度和温度而变化。一般来说，冷却速度愈快、1-4示出水的结晶速率很小，但生长速率却快速增加。因此假设让溶液在大的结晶，假设使之在较低温度下结晶，则将得到量多粒小的晶体。晶体的外形也与冻结温度有关。在0℃四周开头冻结时，冰晶呈六角对称形，在六个主轴方向向前生长，同时还会消灭假设干副轴，全部冰晶将渐渐丧失简洁识别的六角对称形式，加之成核数多，冻结速度快可能形成一种不规章的树枝型他们有任意数目的轴向柱壮体〔轴柱冷却速度时获得渐消球晶，它是一种初始的或不完全的球型结晶，通过重结晶可以再完成其结晶过程。〔如血液血浆、肌肉浆液、玻璃体液等〕结冰形成的结晶单元，往往与单一成分的水溶液形时，在较高零下温度、慢冷却速度下形成六方结晶单元，快速冷却至低温时形成不规章树枝壮晶体。细胞悬浮液〔如红血球、白血球、精子、细菌等悬浮于蒸馏水、血浆或其他悬浮介质中度缓慢结冰时，悬浮液中大量的冰生长，将细胞挤在两冰柱之间的狭窄管道中，管道内的悬浮介质因水析出结冰而溶质浓缩，细胞内的水通过细胞膜渗透出细胞，又造成细胞内溶质的浓缩。与此同时，胞外冰的生长，还将迫使细胞物质体积缩小、变形。但此时细胞内不结冰。当在低温下快速结冰时，则细胞内将形成胞内冰，冰的大小、外形和分布与冷却速度、保护剂的存在与否、保护的性质以及细胞内的含量有关，一般来说，冷却速度越快、温度越低，细胞内形成的冰越多。悬浮液中添加象蔗糖之类的非渗透保护剂，可以使快速结冰时细胞内形成的冰数目削减。大而连续的六方晶体升华后留下的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品枯燥速度快；反之树枝形和不连续的球状冰晶通道小或不连续，水蒸汽靠集中或渗透方能逸出，因而枯燥速度慢。因此仅从枯燥速率来说慢冻为好。〔如构造蛋白〕的浓缩、细胞脱水和胞内冰的形成。在溶液结冰过程中，水析出结冰，剩下的溶液浓度增加。我们知道，反响物的浓度增大，能促使其化PH值的变化，结冰时环境的变化，可能引起蛋白质等生物大分子变性增大。假设这些变化中的某些成为不行逆的，就会导致细胞的死亡。越厉害。这种状况发生在高渗性〔指水〕的细胞中。害是明显的。速度。10mm1—210—20分钟，假设用干冰制5—105-1015-20分钟；在冻干1-1.5小时二、升华枯燥升华枯燥也称第一阶段枯燥。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汽1mm的速度向下推动。当全部冰晶除去时，第一阶段枯燥就完成了，此时约除去全部水分的90%左右。产品中温度分布产品中冰的升华是在升华界面处进展，升华时所需的热量由加热设备〔通过搁板〕供给。如图1-5所〔1〕故体的传导。由玻璃瓶底与搁板接触部位传〔2〕辐射。上搁板的下外表和下搁板的上外表对〔3〕通过搁板与玻璃瓶外外表间残存的气体的对流。由于传热中必需有传热温差，且各段传热温差与其相应热阻成正比，所以产品中形成了图1-5所示的温度分布。例如：搁板外表温度为50℃，到升华界面的温度可能约为-25℃冰层最高温度约为-20℃，枯燥层上外表温度可能为+25℃。物质浓度温物质浓度温度〔℃〕司库乐5-50%-25葡萄糖10%—38～—40乳糖10%—18～—19马尼妥10%—2～—4山梨糖醇桔西乐10%—41～—42多缩葡萄糖 低m.wt.10%—2m.wt10%—3PEG600010%—9～—10古力辛10%—3α-氨基丙酸10%—2～—3β-A10%—13精氨酸10%—33～35EACA110%—15变压器用AMCHA25%—2～—4GABA110%—18～—20NaC110%—21～—22KC110%—10～—11醋酸10%—26～—27拘掾酸10%＜—50硫胺素硝酸盐10%—5吡哆醇10%—4抗坏血酸5%—36～—37抗坏血酸10%—36～—37钠·啊斯考派脱10%—30～—33烟酰胺10%—3～—4钙、潘妥颠10%—18～—19乙酰胺10%—25钠、巴比妥10%—41—3主要食品的冷冻枯燥温度食品名称厚度〔mm〕枯燥板温度〔℃〕压力〔Pa〕枯燥时间〔h〕牛肉〔煮熟〕8～10551.3×1026金枪鱼〔生〕6401.3×1026牡蛎〔生〕10～15406.6×10～1.314蟹〔水煮〕10～20406.6×10～1.38虾〔半刨水煮〕8～20456.6×10～1.36蛋白〔生〕5406.6×10～1.34蛋黄〔生〕5406.6×10～1.33全蛋〔生〕5406.6×10～1.33～4白桃〔8等分〕10～20456.6×10～1.314罐头桃10～15456.6×10～1.312香蕉〔切断〕5456.6×10～1.36番茄汁5506.6×10～1.34～5圆辣椒4501.3×1025圆辣椒〔早饭〕4501.3×1024卷心菜1～2501.3×1022～3洋葱3～4501.3×1025胡萝卜4501.3×1025藕4501.3×1024土豆10551.3×1025山芋菜2～3501.3×1023浆果2501.3×1023～4松蘑10456.6×10～1.35酱油3456.6×10～1.33豆油4451.3×1024～5绿茶〔浓茶水〕4406.6×10～1.33红茶〔浓茶水〕4406.6×10～1.33咖啡〔浓〕4406.6×10～1.33果子冻4406.6×10～1.32～3升华时的温度限制〔1〕〔2〕的温度必需低于其崩解温度或容许的最高温度〔不烧焦或性变〔3〕最高搁板温度。所谓崩解温度是液态产品已干局部构成的“骨架性而塌陷，封闭了已干局部的海绵状微孔，阻挡升华的进展，升华速度减慢。由于所需热量削减，当消灭这种状态时，如不快速加热，降低温度，产品就会发生供热过剩溶化报废。所以把握产品的崩解温度是很1-2。这可通过选择适宜的添加剂来提高崩解温度。1-3。升华速率纯冰的升华速率：纯冰确实定升华速率G。可用Knudsen方程来表示式中：α——蒸发系数

G.=αp.(M/2πRT)1/2［kg/s·m2］p.TM［kg/lmo；［kl/kmo·K；［。p.随冰的饱和温度T增大而增大，所以升华面温度越高，其升华量G也越大。在冷冻枯燥产品时，假设传给升华界面的热量等于从升华界面逸出的水蒸汽升华时所需的热量时，则升华界面的温度和压力均到达平衡，升华正常进展。假设供给的热量缺乏，水的升华夺走了制品自身的热量而升华温度提高，最终将导致制品溶化。所以，冷冻枯燥的升华速率一方面取决于供给应升华界面热量的多少；另一方面取决于从升华界面通过枯燥层逸出水蒸汽的快慢。1-6所示模型。通过冻层和已枯燥层的传热量可用以下公式表示ii

［W］ (1-5)

［W］ (1-6)d w dA［2；i*，λd［W；iT，Tˊ［W/m·K；wT［；dΧ、Χ［。d蒸汽传输量升华出来的水蒸气通过已枯燥层和箱内空间输送到水汽分散器。其传输速率〔即升华速率〕可用下式表示A——升华界面面积；

A(-P)/Rd+RS+k11 kg/］Pι，PO——升华界面和水汽分散器的压力；RdRS［a1［kg/Pa·2·。从上述几个公式可见，欲提高升华速率，应使：冻层底部或干层外表的温度在允许的最高值以下尽可能高。度成正比，而每批加工的关心工作量又大致相等，因而制品太薄会造成产品总本钱的提高。由厚到薄之间10～15mm。冻结层的导热系数*i主要打算于制品的成分；已枯燥层的导热系数λd还打算于压力和气体的成分1-7PO越高，又会使水蒸气不易从升华面逸出，造成升华面温度过高，冻层溶化和枯燥面崩解。为了两者兼顾，依据产13Pa—130Pa之间。、Rs。由试验知，RdRs6-10倍。也就是说，穿过已干多孔层的水蒸气的升华后也形成粗大而连续的网状间隙通道，水蒸气逸出时流淌阻力较小，升华速率快。细小而不连续的空隙之间，水蒸气是靠渗透穿过已干的固体膜层的，很难枯燥。三、解析枯燥解析枯燥的目的。第一阶段是将水以冰晶的形式除去，因此其温度和压力都必需掌握在产品共溶点以下，才不致使冰晶它们就不行能从吸附中解析出来。因此，这一阶段产品的温度应足够的高，只要烧毁产品和不造成主品过热泪盈眶而变性就可。同时，为了使解吸出来的水蒸气有足够的推动力逸出产品，必需使产品内外形成较大的蒸汽压差，因此此阶段中箱内必需是高真空。其次阶段枯燥后，产品内剩余水分的含量视产品种类和要求而定。一般在0.5—4%之间。第三节传热学根底还是加热升华，自始至终伴随着热量的传递。〔简称传热〕在实践中虽是多种多样，但就其物理本质来说可分为三种根本形式，这就是导热、对流、和辐射。1-8所示：在静态介质中存在着温度差时。不管介质是固体还是流体，都会发生传热，这种传热过程成为导热；当一个外表和一种运动流体处于不同温度时，它们之间发生的传热称为对流；具有肯定温度的外表都以电磁波的形式放射能量，这种温度不同而又互不接触的两外表间，假设没有传热介质存在，它们之间的热交换就是净热辐射。一、导热〔分子、原子〕间的相互作用，能量较大的质点向能量较小的质点传输能量的过程。单层平壁导热1-9所示，设一维平壁其两侧外表温度分别为t1，t2，壁厚δ，则在单位时间垂直于热流方向的单qx与两外表间的温差成正比，与壁厚成反比。qx成为通过平壁的热流密度。可表示为或qx=-λ〔t1—t2〕/δ=〔t1—t2〕/δ/λ=△t/Rp［W/m2］q=-λ〔dt/dx［W/2］〔1-8〕〔1-9〕式中：△t——在厚度δ上的温差或温压；Rp——平壁在δ［2·K/］λ——壁的导热系数［W/m·K］常用材料的导热系数见表1-4物质λ物质物质λ物质λ铝203软木板0.041～0.07铜384水0.59`钢45冰2.34铸铁63空气0.025玻璃0.74聚氨酯泡沫塑料0.041～0.046不锈钢17.5聚苯乙烯泡沫塑料0.029～0.046稻壳0.12面积为A，则总的传热两Q为Q=Aqx［W］ 〔1-10〕多层平壁导热1-10所示，在稳定导热时，单位时间内各层的导热量应当是相等的。即Q=λ1/δ1·A(t1—t2)=λ2/δ2·A(t2—t3)=λ3/δ3·A(t3—t3)t2，t3得Q=〔t1—t4〕A/〔δ1/λ1+δ2/λ2+δ3/λ3〕=ΔtA/ΣRpi［W］ 〔1-11〕q=Δt/ΣRpi［W/m2］3.圆筒壁导热l12〔d1、d2t1、t2t1＞t2。对dr2πrl的平壁，于是其传热量Q=-λ2πr·l(dt/dr)或-dt=(Qdr/λ2πlr)t1—t2=(Q/λ·2πl)ln(r2/r1)Q=(1—t2)/〔1/2πλl〕l〔r1/2］Δt/R［W〔1-12〕R〔1/2πλl〕l〔r1/r〕〔1/2πλl〕l〔d1/2〕称为圆筒壁的热阻，单位为K/。对于多层〔例如三层〕圆筒壁，假设各层筒壁热阻分别为Rr1=ln〔d2/d1〕/2πλl，Rr2=ln〔d3/d2〕/2πλl；Rr3=ln〔d4/d3〕/2πλl量Q=〔t1—t4〕/Rr1+Rr2+Rr3［W］ 〔1-13〕且污垢层很薄，我们通常按多层平壁导热来计算已足够准确。二、对流运动的性质亲热相关。层流和紊流当流速增加时，上诉流淌性质遭到破坏，流体的流淌消灭了旋涡，流体分子除按主流速度方向运行外，并wm为流体的平均流速，d为定型尺寸〔对于圆管为直d，y为流体的运动粘度。由试验测出，水在管内流淌时，R＜2200为层流；R＞1040Re＜104为过度流。自由对流和受迫对流对流换热的强度除与流淌性质有关外，还和流淌产生的缘由、流体的物理性质及放热外表的外形大小等亲热相关。因流体各局部间密度差而引起流体的运动称为“强制对流〔风机、泵〕的驱自然对流时的放热强度。对流放热系数仿照导热量的计算公式，对流放热的计算式可写成：Q=aΑ〔t1—t2〕［W］ 〔1-14〕q=a〔t1—t2〕［W/m2］ 式中：t1、t2——流体与壁面的温度；F——换热外表面积；［W〔2·a的目的是试图把全部影响对流传热的因素都包含在这个单一的量中。由于影响a的因素太多，很难用某个统一的理论公式进展计算，现在人们都是依据计算对象的流淌状态、性质等承受1-5a的数值范围。流体流体沸腾的水有机物蒸汽冷凝强制对流水在管内受迫运动［W〔2·K］5800～93001700～3500580～170017～465.8～9.323～5850～11600三、辐射造成的。这种辐射传热不象导热和对流那样需要物质作媒介，实际上在真空中辐射传热最为有效。吸取率、反射率、穿透率、确定黑体QQAQRQ=QA+QR+QD〔1-16〕R——称为反射率，D=1，A=R=0的物体称为确定透亮或透亮体。样能吸取。一个外表所能放射的最大辐射能流密度是斯蒂芬—波尔兹曼定律给出s q=σT4=c〔T/100〕4［W/m2］ 〔1-17s S是外表确实定温度［，是斯蒂芬—波尔兹曼常数〔σ=5.67×108W〔2·4〕。它说明黑体E=c〔T/100〕4［W/m2］ 〔1-18〕ε，称为黑度或辐射率ε=E/Eo=c/co式中，c、co分别为黑体和灰体的辐射系数〔1-19〕辐射放热的计算各种外表之间的辐射换热是很简单的，这里仅介绍几个特列。1-13。①［F1、辐射率ε1t1］被外表②［F2、ε2、t2］2为Q1=-Q2=σεF1〔t4—t4〕［W］2式中：ε=ε1ε2/〔ε2+F1/F2〔1—ε2〕ε1〕称为平均黑度Q的符号：散热面的为正，吸热面的为负。，ε=ε1。在平行平面状况下如图1-14所示两平行平面的放热量1 Q1/F1=-Q2/F2=σε〔t4—t4〕 ［W/m2］ 1 ε=ε1ε2/〔ε2+〔1—ε2〕ε1〕 〔1-20〕1-15。t1、t2，插入几块热板〔F、ε〕Qn。四、平均温差对数平均温差。设 ⊿ti=thi-tci⊿te=the-tce其中 e则 θ=〔⊿ti-⊿te〕/ln〔⊿ti /⊿te〕[K] 〔1-24〕thi、tci、the、tce分别表示两流体在进口端、出口端的温度，其中thi、tci表示温差较大一端两流体的温度。另有一种平均温差称为算术平均温差。i=⊿te〕 [K] 〔1-25〕当⊿te/⊿ti＞0.6时，算术平均温差与对数平均温差之差小于3%。这时用算术平均温差计算，其准确度已足够。五、换热器的计算都是间壁式换热器。换热器计算的根本方程为传热方程式Q=kFθ [W] 〔1-26〕热平衡方程式Q=mkch〔thi–the〕=mc·Cc〔tce–tci〕[W] 式中：k—传热系数[W/〔m2k〕]； F—传热面积[m2]mk、mc—分别为两流体的质量流量；kg/s]。。1-17所示的换热管，管内流体进、出口温度tci、tcethi、the，管akai，管内、外污垢层riro，则管内外流体间的传热系数假设按管外外表积为计算基准时k=1/[1/ak+ro+δ/λ+〔rI+1/ai〕d2/d1] [W/m2·K]〔1-28〕第四章冷冻枯燥设备第一节概 述含水物质的冷冻枯燥是在真空冷冻枯燥设备中实现的，依据所冻干的物质、要求、用途等不同，相应的冻干设备也不同。按所冻干的物质不同，一般可分为冻干生物制品〔或药品〕的冻干设备和冻干食品的冻干设备，按运行方式不同可分为间歇式和连续式冻干设备，按冻干物质的容量不同可分为工业用和试验用冻干设备；按箱体内能否进展预动可分为能预动和不能预动的冻干设备等等。冻干设备的构造形式是多种多样的，但〔这两部件有时也结合成一体、制冷系统、真空系统、加热系统、掌握系统等所组成。4-1所示，这种冻干设备主要用于食品的冻干，从进料到出料可以连续进展。需冻干的食品先在冷冻室冻结，然后在装料室装盘，且将其装入吊装运输器，送入装料隔离室，开启闸阀进入冻干通道，使食品在连续地向前移动的过程中，不断地析出水汽而枯燥，最终经出口隔离室进入卸料室卸料并包装，运输器经清洗后再送回进口处装料。4-2所示，这种冻干设备需周期性地冷却和加热搁板，从节能的角度它不如连续式。这种冻干设备设有枯燥箱1，箱内有搁板，它是用来搁置被冻干的制品，当制品在箱内预冻时，则该搁板既能冷却又能加热，为了使板层的温度均匀，可以利用中间介质既作冷媒有作热媒；也可以用制冷剂直接冷却，加热承受间接形式。当制品不在箱内预冻时，则搁板只起加热作用。目前大多数的枯燥箱都带有预冻结功能，使制品在其中能冻结至共融点以下的温度，然后在真空下使搁板加热升温，供给水汽升2是用来分散制品中升华的水汽，它与枯燥箱用管道连接，一般中间装有真空阀门，水汽分散器的温度要求在-40℃以下，制冷系统一般为两级压缩制冷循环或复叠式制冷循环。真空3是为了保持枯燥箱和水汽分散器内所必要的真空度和抽除从连接收道和阀门等处泄露入系统中的空气和不凝性气体，依据冻干机的要求，一般承受两级抽空。除了上述组成以外，现代的冻干设备，对于枯燥箱还要求有清洗消毒装置，自动加塞装置以及必要的自动掌握系统。清洗消毒装置为了保证箱内的清洁和消毒灭菌，在箱内装有清洁液的喷淋喷嘴，通过泵升压使清洁液喷向箱内各局部进展清洗，清洗完毕将清洗液从箱体内放出。消毒有蒸汽消毒和化学药品消121℃以上的高温蒸汽并维持肯定时间〔12130分钟〕进展杀菌。承受这种消毒方式，要求枯燥箱和水汽分散器的强度高，视镜、箱门等均能承受内压，枯燥箱外壁最好设有冷却盘管，以便消毒后能快速降到室温。假设用化学药品消毒，则对枯燥箱构造无特别要求，现代药品冻干机，多具有在冻干箱内自动加塞的功能，以免制品枯燥后箱外封装时空气中的水分、细菌污染制品，所谓自动加塞是在制品装箱前用半加塞机将一种带凹槽的瓶塞放在每个瓶子的瓶口上，升华时水汽〔或搁板报上的加塞板制品出箱后，再进展压铝帽或封蜡。用计算机的掌握也已在有些冻干设备上使用，但还不格外普遍。开抽空管口，但由于管道弯头多，阻力大，现在很少承受。于其他系统的布置可依据状况而定，这里不多赘述。其次节枯燥箱在其中内部主要有搁置制品的搁板，搁板的温度依据要求而定。一、对箱体与搁板的要求〔一〕箱体箱体要有足够的强度，防止抽真空时变形；箱体的泄漏应满足真空密封的要求；液的排出，箱内应避开死角，以防清洗和消毒不净而发生的污染；假设用液压装置在箱内实现自动加塞时，搁板应能上下移动，移动时不得倾斜以致卡死；箱内零部件布置尽量削减升华水汽流向水汽分散器的流淌阻力。〔二〕搁板要有肯定的冷却和加热速度，冷却速率一般要求为0.1-1.5℃/min，加热速率为0.1-1.2℃/min；要求平坦、光化、传热性能好，以削减传热热阻和传热温差；搁板各局部的温度应均匀全都，这样才可能使制品在冻结和升华时的温度均匀全都。二、枯燥箱和搁板的构造形式枯燥箱的外形有圆柱形和矩形两种，如图4-6和图4-7所示。从强度考虑、圆柱形优于矩形，但空间利用率而言，则刚好相反，从目前各国生产的冻干机状况看，用于工业生产的多数承受矩形构造。用冻干机，必需承受优质不锈钢，耐腐蚀性好，含碳量少。加强筋一般用碳素钢的矩形钢，槽钢或工字钢等，视箱体的大小而定。些措施，以免受力时变形。〔指同一台冻干箱体类型。直接制冷，直接加热温度均匀，制冷剂蒸发管也可以用逆流式。加热可用电热丝，直接对搁板加热，可防在搁板底部，其原理如图4-8所示。这种搁板的优点是温度均匀，但加热时热惰性大。此外，也有承受微波或红外加热制品的报导。直接制冷，间接加热送入搁板内。在搁板中制冷管与加热管相间布置，如图4-9所示：共有四根管子，其中两根做制冷用，另外两根作为加热用，相互为逆向流淌，适合与冻干机中用的载热介质有硅油以及乙醇、已二醇和水的混合物等。加热介质的热惰性相对于前一种搁板要小些。间接制冷，直接加热种搁板目前较少承受。间接制冷，间接加热的冷却和加热都在箱外进展，然后用泵将中间介质送入搁板，这种搁板可以用不锈钢板焊接成中空的带有多流道的中空板，如图4-10所示。由于这种搁板与流体的接触面积大，板内流体流量大，进出口温差小，因此温度均匀，但由于承受中间介质，与直接制冷相比，在一样的冷量下机器的尺寸要大一些，功耗也要增加。三、枯燥箱设计枯燥箱设计计算包括以下内容：〔一〕搁板面积搁板面积大小依据所冻干的物质容积的大小来确定，对于生物制品的冻干，一般都是瓶装制品，可按瓶子的直径进展计算，一块搁板的面积还应与搁板的层数和箱体的体积相适应，使之设计的箱体既美观又DmmNNˊ，每排瓶数为每列瓶数为ι，则W=〔Nw+0.5〕D+〔20～30〕 L=0.87(Nι+0.5)D+(20～30) ［mm］ (4-1)WL4-11所示。搁板面积 f=W×L［mm2］搁板数 n=N/Nˊ搁板尺寸也可以事先确定，反过来再计算每箱的装量。〔二〕箱体内容积一些部件〔如液压板、连接软管等〕的一些布置以及有良好的水蒸气流淌通道。搁板之间的净高可依据不同的要求而定，一般为80～120mm，用于冻干人血浆的冻干机，净高应不受力较均匀。〔三〕箱体的强度计算4-12所示。最小壁厚0.98×102kPas为：s=so+c［m］so=0.72B√p/［σ］弯［m］上式：so——箱壁的计算壁厚；4-1〔〕l〔b〕b〔〕l和b中较小者；［σ］弯——为材料弯曲时的许用应力，一般取简洁拉伸压缩许用应力；0.98×102kPa]。当需进展水压试验时，则矩形板的应力为：σ=0.5B2P水/(s—c)2≤0.9σ。式中：σ［Pa］［］1.96×102kPa。1.5倍。一般冻干机不进展水压试验。加强筋计算加强筋的计算，做如下假定，加强筋上所承受的载荷是被它所分割的小平面载荷的一半，并以均匀载荷作用在加强筋上，则抗弯截面模量为：图：wp=B2lp/2k［σ］弯［m3］〔4-6〕对于〔b〕图：wp=L2bp/2k［σ］弯［m3］〔4-6〕图：wp1=B2lp/4k［σ］弯［m3］〔4-6〕对于〔b〕图：wp2=L2bp/4k［σ］弯［m3］〔4-6〕wp——加强筋的截面模量：pp1.9×102kPap0.9×102kP；k——系数，与筋两端的固定方式有关，假设为刚性固定〔如法兰连接或筋与筋相连〕时k=12，假设k=8。的截面模量，所用型钢的截面模量必需等于或大于计算值。够，而挠度超过允许值，则必需使挠度在合理的范围内来配置加强筋，否则箱体会产生变形。〔四〕箱体热负荷及制冷机的选配〔装载有产品〕从室温后者的热负荷大大小于前者，设计中只按前者的热负荷选配制冷机即可。降温时间间主要应考虑下述几个因素：影响，所设计的冻干机必需首先满足产品冻干工艺的要求，才能生产出优质合格的产品。整个冻干周期应有利于生产的组织。整个冻干周期包括产品进箱、箱体降温、保温、第一阶〔24小时〕内安排一批或两批生产，这就要求2412小时。安排给降温阶段的时间也受整个冻干周期时间的限制。或互为备用，以提高机器的安全牢靠性和降低造价。降温温度5-10℃。3.降温阶段的热负荷降温阶段的热负荷包括Q1Q1=｛Σι1 ι1〔tc1—td〕+G2〔c2tc1+－5td｝/τ［k］〔4-10〕式中：ι1、ι1——托盘、瓶子、瓶塞等的质量和比热，单位为［㎏］和［kl/㎏·；G2［㎏；C2、c［kJ/kg·，一般可按水和冰的比热计算，r［kJ/k；tc1、td1——产品的初温顺终温；估算时可假定td110～20℃τ——［。箱内零件降温的热负荷Q2Q2=ΣGι2 cι2〔tc2td2〕/τ［kW］ 式中：Gι2、cι2——搁板、液压板、导向杆等箱内零件的质量和比热；tc2、td2——搁板终温顺初温。载冷介质降温的热负荷Q3Q3=G3c3〔tc3td3〕/τ［kW］ 式中：G3、c3——循环介质的质量和比热，tc3、td3——载冷介质的初温顺终温，可假定与tc2—td2一样。箱壁降温的热负荷Q4Q4=G4c4〔tc4td4〕/τ［kW］ 式中：G4c4——箱壁〔包括门壁〕的质量和比热tc4、td420～30℃通过箱壁传热的热负荷Q5Q5=kFp〔tH—t4〕［kW］k——包括热绝缘层在内的箱壁传热系数；Fp——箱壁内、外外表积的平均值TH——环境空气温度；td2的平均值。开门冷损Q6算Q6；假设产品进箱前需空箱预冷时，则计算Q6Q6=G6c6〔tc6—td6〕/τ［kW］ 〔4-13〕20～30℃，td6可按下式计算d6 c6 H t =t -〔t-t 〕e 〔aF6/G6c6〕τk 〔d6 c6 H τk为开门时间，F6为箱门面积，a为箱门放热系数，c6为将通过箱口的吸热量视为与箱门的相等。载冷介质循环泵所耗的冷量Q7Q7=Nη［kW］ 〔4-17〕η——循环泵效率。其他Q815%计。4.降温阶段制冷机的选配制冷机的蒸发温度和相应的制冷量也随时间不同而变化，因此计算起来比较简单。为了简化起见，可按下述步骤计算：的平均热负荷，并按此初步选出制冷压缩机。tk下，各中蒸发温度〔参加—15%℃～—50℃〕时制冷机的制冷量Q0，Q0～t0曲线。效核箱体降温时间是否满足设定要求，否则重选配制冷压缩机，重复步骤2〔3降温时间略小于设定时间为止。5.箱体降温时间的校核应承受计算机计算。这里介绍一种分段计算法。下：假定第一区段搁板、箱内空间、箱壁的终温td2td〔=d+10td4，按式4-10〕到4-17[每式r]分别计算出各分热负荷Qi1Q1。确定该段制冷机的制冷量。制冷机的蒸发温度to1：对于直接冷却搁板to1比该区段搁板的平均温度冷机的Qo-to曲线中求出制冷机的制冷量Qo1。则该区段的降温时间τ1为τ1=Q01/Q1 ［s］ 〔4-18〕td4。〔空〕式中：td7——箱内空间温度；tc4——该区段箱壁的初温；λ、δ、α——箱壁的导热系数、当最厚度、导温系数［m2/s的体积平摊在整个箱壁平面上所得厚度与箱壁板厚度之和；τ1——该段降温时间〔五〕枯燥箱加热负荷确实定在升华阶段，需要供给产品中冰的升华热。一般间接加热所用热源为电热、蒸汽、压缩机排汽或其可按以下式计算：〔空〕1.6～3.3kw，相差甚〔4-20〕k2.9～6，对于大型冻干机取小值，小型冻干机取大值。第三节水汽冷结器〔冷阱〕水汽分散成水，这种容器称为水汽分散器或冷阱。水汽分散器安装在枯燥箱与真空泵之间，水汽的分散是一．对水汽分散器的要求水汽分散器亦是真空系统容器之一，但它与箱体所起的作用不同，在设计时提出如下的要求。间体应有足够的强度水汽分散器一般承受圆柱形，受力较好，假设长径比满足表4-1的要求，则可不作计算，公称直径公称直径容器的长与直4005006007008009001000120014001600180020002200间体壁厚1 334444.5566888102 3444.556688101012123 444.5568888101214144 44.5568881010121414165 45668810101212141416间体的泄露应满足真空密封的要求。检体内应有足够满足真空密封的要求。由于冰是热的不良导体，当捕水面积越小，则结冰厚度越厚，冰温提高。图4-13表示出不同的冰层厚度时所需的管子长度，纵坐标为结冰量，横坐标为管长，管子尺寸为φ25×2mm，不同的冰层厚度可以4～6mm，严格地说，最正确冰层厚度应依据技术经济指标来确定，冰层薄，金属材料消耗量大，但制冷机的投资费和运行费用低，所以必需按我国国情来合理地确定冰层厚度。便于水蒸气的流淌，但又不能产生短路。水汽被真空泵抽走热污染真空泵油，使泵的抽气速率降低水汽分散器的传热外表温度应与凝华压力相适应。在冻干机中，升华的水蒸气的流淌取决于枯燥箱和水汽分散器之间的压力差。这个压力差是由于两者之间的温差所形成的。但是这并不意味着水汽分散器的温度越低越好。这是由于：在两者之间通道截面不变的状况下，水汽分散器的温度越低、既压力越低，相应的枯燥箱内的压力也会降低，使箱内对流换热和通过枯燥曾的导热作用减小，即给升华界面供给的升华热削减，升华面的温度也会降低，则经升华面对枯燥层外逸出水蒸气的压差也随之减小，因而升华速率反而减慢。因此，水汽分散器的温度，只要比搁板于凝华水蒸气的负荷大大减小，水汽分散器的温度还会不断降低的。二、构造形式水汽分散器的构造形式多种多样，按放置的方式分，有立式与卧式，按圆筒内分散面的外形分单螺4-144-17所示。一般前两种为立式布置，后两种为卧式布置。4-14为单螺旋管式水汽分散器，螺旋管材料为不锈钢管、紫铜管或紫铜罗纹管，按分散水量水量4个单螺旋管，当捕水量较少时，沿圆周方向布置一圈，当捕水量较大时，沿径向布置两圈。承受的管材直径和螺旋管中径视捕获水量而定，一般管250mm，当承受滚扎翅片管时，由于面积大，对升华开头阶段是有利的，但当翅片之间结满冰之后，翅片所增加的传热面积就不起作用。为了防止水汽与铜作用所产生的铜绿对人体有害，当整个芯体焊接好之后用搪纯锡的方法来处理。管材直径为φ16～25mm的不锈钢或紫铜管。对于这种构造型式要考虑由于外层的结冰不能堵塞水汽进入内层螺旋管通道，否则内层螺旋管的外表积利用率很低，可以承受内外层螺旋管不同的节距来防止通道的堵塞，即可以加大外层的节距。对于多层螺旋管，由于内外层螺旋管的通道长度不同、影响到制冷剂安排的均匀性，故要考虑每个R222℃时的饱4-16为蛇形螺旋管式水汽分散器，蛇形管为水平放置、沿间体轴向布置，制冷剂通过分液头进入每一根蛇形管，管间距由所使用的管材的最小弯曲半径来确定，以不弯扁为原则，而横向间距以保证有足够的结冰厚度和水蒸气通路来确定，管材直径由分散水量来选取，抽真空连接收应远离与箱体的连接收，不致使水汽短路。图4-17为板式水汽分散器，在板内布置有制冷管道，这种形式的传热面积大，结冰也较均匀，板的布置根本上有两种，一种是平行布置，水汽沿平板流淌，另一种是扇形布置，靠近箱4-18所示，结冰的面积为圆筒形，在筒壁上开有圆孔，水汽一边在内筒壁上分散，未分散局部又流向外筒体分散。端盖上有观看窗，可观看水汽分散器内的结冰状况。三、水汽分散器的设计水汽分散器设计包括两方面，既筒体设计和传热面计算。〔一〕间体设计1.间体是一受外压的容器，压力是一恒定值即一般为大气压，故可按稳定条件来计算厚壁so=1.25DB(P/E·l/D)0.4［mm］式中：o——间体计算壁厚［mm］p——外压的设计压力；l——圆筒计算长度[mm]；Et 材料温度为t时的弹性模量[Pa]s为S=So+C [mm] 〔4—24〕C为壁厚附加量[mm]。式〔4—23〕除了满足泊桑系数μ=0·3以外还要满足下面两个条件：〔1〕 ≤DB/l≤8〔2〕 〔p/Et-l/DB0.4≤0.5235，因此可以不考虑筒外再加加强筋。2．封头面或锥形封头时，要进展强度计算。圆形平盖厚度ss=D〔√kp+[σ]〕+c式中：D——计算直径；[mm]；0.15～0.4；p——设计承受的外压力；[Pa]；c——壁原附加量。由下述方法确定：α.加强筋之间平板的计算直径b.加强筋尺寸筋条尺寸可以用近似计算法，即平面上的全部载荷都由加强筋来承受，则筋的断面模量〔二〕传热面积计算由于水汽凝华过程机理比较简单，同时随时间的增加冰层厚度亦增加，帮属于不稳定传热过程。稳定传热过程转变为稳定过程引起的误差对于工程计算是允许的。1、管式传热面按结冰厚度来确定管长式中：G——结冰量[kg]；D[m]d2——管子外径[m]p 900[kg/m3]传热面积当管长确定之后，还要进展核算传热面积是否足够，假设不考虑管材热阻，可按下式计算式中：冰层外外表至管内的温差；管内蒸发时的放热系数；冰层平均放热系数；a2= 〔为冰的导热系数，为冻层厚度；d1——管子内径。5左可来选取，假设所计算的Q大于水汽凝华所需的冷量，则所确定的传热面是合理的，否则须加大传热面。2、板式所能传递的冷量符号的含义同式〔4-32。第四节 冻结装置的方法求而设置的，因此所介绍的这些冻结装置与冻结工艺是联系在一起的。一、抽空冻结装置1、静止抽空冻结静止抽空冻结主要用于冻结固体制品，与一般箱内预冻装置很相像，所不同的是搁板内没有制冷管道，而是将含水的固体物质置于搁板上，将箱内抽成真空，由于固体物质有肯定的外形，水分均匀热量，故蒸发时吸取物质本身的热量而使之冻结，这种冻结是在三相点四周进展，其压力为，温度为0℃。当用机械真空泵来抽空时，不能将水汽直接抽入真空泵，这样会导致水汽污染油而使泵的效率2、旋转抽空冻结这种抽空冻结主要用于液体的冻结，将装有液体安瓿置于带有角度的离心机的真空箱内，先启动125~20%的水分，冻结后溶液的浓度会变高。3、喷雾冻结发冻结。内部将液体喷在内壁上而产生冻结。二、流化床冻结器4-20所示，图未为盘式流化床冻结器。运行中的风速打算于弗雷德准则数Fr式中：w——通过颗粒产品风速[m/s]；——颗粒当量直径D=6·[m]〔V为颗粒的容积，S为颗粒外外表积当风速超过某一值时，使产品消灭漂移状态，颗粒被吹起，一般Fr在100~1204-21为风速与颗粒直径之间的关系。压力降式中：Ho——产品层高度：Po、Po——分别为产品与空气的密度。产品温度可到达-154-2示出一些食品流化冻结的性能。响正常工作。承受这种冻结器的优点是〕防止颗粒洗涤后因水膜使产品粘结而形成颗粒结块〔2〕〔3〕缩短冻结时间。食品豌豆、整粒玉米青豆食品豌豆、整粒玉米青豆D6~106~12H30~3850~75〔min〕3~55~12胡萝卜丁6~832~385~7切片和小个的整胡萝卜——8~10法国式油炸土豆10~1275~1008~12蓝 莓—30~404~5木 莓8~15一层4~8草 莓15~30一层9~15樱 桃15~20—6~12小 虾——6~15鱼 片——12~15三、二次冻结和分层冻结法1、二次冻结快冻不仅在细胞外冻结，而且在细胞内结冰，则细胞在内外冰的作用下细胞的外形会受到损坏。因此，承受4℃慢冻至-30℃，再从-30℃用液氮速冻，并在液氮中保存，这种冻结需在特别的冻结装置中进展，主要用于保存活细胞。2、分层冻结溶液的单独组分的温度，而承受在特别的装置中分层冻结，既在瓶中先装进一种溶液进展冻结，待冻结后再装进另一种溶液，假设在装进其次种溶液时会使已冻的第一种溶液溶化而影响质量，则可在这两种溶液之间装一层惰性材料，将两种溶液分隔开。承受这种冻结方法往往将共融点温度低的一种溶液后装，虽然这种冻结手续麻烦，但使用很便利，可节约安瓿，包装材料，削减封口次数和运输，但复水后一般要马上使用。四、旋转冻结器〔1〕70%4-22〔2〕4-22〔b〕所900转/min的转速旋转，制品因旋转时的离心力而紧贴于瓶壁内外表，瓶子侵于冷浴中防除热量而冻结。立式旋冻由于有离心力，制品冻结厚比卧式的薄、严密、无分层现象。第五节加热系统及设备1kg的水汽大约需2815kl的热量。按热量的供给方式不同可分为直接加热和间接加热两种。一、直接加热方式直接加热方式一般承受电热法或红外加热器。图4-8为用电加热的搁板，将金属片电加热器粘贴或紧4-23所。电加热片与搁板绝缘，电加热器的热量应能依据所需的升华热用电阻自动变送器或能量调整器进展调整，以免供给过多的热量而使制品发生溶化，由于电热的热惰性较大，所以对掌握要求较高。加热泪盈眶量可按式〔4-20〕计算。二、间接加热方式板，载热体可以用蒸汽，电加热器或压缩机排气，目前用得最多的还是电加热器。1、蒸汽加热器蒸汽加热器是一壳管式加热器，如图4-24所示。蒸汽在管外流淌，从壳体上部进入，冷凝水从壳体下部排出，载热剂在管内流淌，从下面进，上面出。依据载热剂的性质不同，传热管可以是铜管或无缝钢管U4~64-25所示的为四回程的换热器形式。2、电加热器4-26所示，电热丝埋在管子的内部，电热管沉醉在载热剂的液体之中，不得露于液体之外，否则电热丝简洁烧断，为了增加载热剂和电热管之间热交换，可以在壳体内加隔板以增加扰动。3、压缩机排气加热器机运行时，排气在热量是由冷凝器的冷却水带走的，而搁板所需的热量又要利用其它热源程序，这必定导致无谓的能量消耗。为了节约能源，在水汽升华的相当长的一段时间内可使水汽分散器的压缩机按热泵方4-2713引入搁板97的作用下使载热介质在搁板中循环，而制冷剂被冷凝后经热力膨胀阀6供给水汽分散器冷量，当热量缺乏时，缺乏局部由关心电加热器8来补充，当排气的热量过多时，则制冷压缩机切换成制冷循环，关闭电磁阀13，开启电磁阀14，热量由冷凝器材所带走。这时搁板的加热8供给。三、循环泵的选择择。1G2、阻力损失流淌阻力。阻国，流经折流板缺口时的阴力，与管子平行流淌时的阻力以及横掠管束时的阻力。当通过搁板时，按沿程阻力和局部阻力来计算。有关阻力的计算参考其它一些手册，这里不说桩这。3、泵的选择式中：G——流量[kg/S]——阻力损失——泵效率p——载热介质的密度第六节冻干机的监控所要求自动化程度不同，对掌握要求也不一样，可分为手动掌握〔即按钮掌握，半自动掌握、全自动掌握一、手动掌握温度、真空度和断水断电的报警装置。该冻干机系统配有三台2F6.3制冷压缩机，其中一台供枯燥箱冷量，二台供水汽分散器冷量；两台1.5kW电加热器和油循环泵所组成。电气原理图如附页图4-28所示，其动作挨次如下：当按下AN1按钮，此时循环油泵连锁触头J7闭合，线圈J1通电，假设压力掌握器KD-255和热继电器JR处于正常位置，则接触器C1通电，供枯燥箱冷量的压缩机起动，DQ-4电磁阀开起，箱体开头降温，当按下按钮AN19，则接通仪表电源，XCT-1AN3AN5BQ-5和DQ-6XCT-1AN7和AN9DQ-1和DQ-2DQ-3C4、C5触头闭合而开起，系统抽真空，同时也为增压泵的起动作预备。当真空到达肯定值DQ-3C。常闭触点断开而断电关闭，此时增压泵与旋片式XWAN13AN15J7常闭触点断开而停车，此时水汽开头升华，搁板温度转换为由XCT-2温度显示仪显示，并由该仪表来掌握加热量，当温度到达调定值上限时，电加热器断电，当温度外于调定值下限时电加热器通电加热，始终到冻干完毕。当水汽枯燥完毕后按下相当的按钮，使各设备停顿运行。在掌握系统中还配有相应煌经绿灯指示相应的中间继电器和电气设备的动作，同时还有加热温度过AN16切断油加DQ-7开起，对油箱降温，当真空到达要求后再恢复正常工作。二、半自动掌握LZG-5Y型冷冻枯燥机的掌握属于半自动掌握，它是由轮程序掌握仪，电阻显示掌握仪、真空设定掌握仪和各种按钮、开关协作来实现对冻干工艺的掌握，在介绍掌握之前先介绍上述一些掌握仪。2415°。依据轮板上的曲率半径和时间线可粗略地制作出所要求的冻干曲线，轮由同步微电机带动旋转，转速依据仪外表板48、36、24、1612小时，旋转方向为逆时针。按装在轮板后面的小轮和微动开关，用来自动掌握电加热的功率，微动开关触头在原始位置，二组电加热器同时工作，按下微动开关触头，触头在原始位置，二组电加热器同时工作，按下微动开关触头，一组电加热器工作。依据实际操作阅历，可以用小轮和轮板协作使用，确定每段程序电加热功率。制品的电阻值进展测量和设定，电阻值的设定是依据不同的制品共融点电阻值，依据电表上电阻值的对应刻度，调整电子调整器上的旋钮来设定，当所测得的共融点电阻值小于设定值时，则可切断电加热器的电源。空度下降时，切断电加热器功率，不致于使制品发生溶化。4-30的掌握原理图，一种是直接起动按钮〔简称T启动LK1LK3AN之后才能起动〔A起动，LK2LK4等属于这种按钮。DF1必需在循环泵起动之后，C5触点闭合，同时按下起动按钮ACCo闭合，这时按下LK2，电磁阀DF1才能通电开启，否则不能开启。制冷机IILK3起动，而冷凝器出液电磁阀DF2与制冷机同步，而载冷介质蒸发器电磁阀DF7需按下SK按钮能开启，但假设制冷机II不运行，由DF2DF7，也不能向蒸发器供液；按下按钮BK，则向水汽分散器供液电磁阀DF8开启，同样DF2关闭时，DF8也不起作用。循环泵起动属于A起动，需按下按钮GK才能起动。按下按钮ZK，则旋片式真空泵起动，同时泵放气电磁阀DF4通电关闭，当SJ1延时，继电器调定的时间到，则罗茨泵SJ1触头闭全，为它的起动作预备，当泵组真空度到达电接点真空压力表的调定值时，则触点HDJ闭合罗茨泵起动。按下RK1，第一组电加热器加热，按下RK2，其次组电加热器接通。按下按钮K，轮程序掌握仪参与工作。当AN按钮接通，则仪表电源、真空芳显示掌握仪和制品电阻显示掌握仪均参与掌握工作。假设轮程序掌握JT2Jtor跳下；假设制品电阻值下降，则JR触点跳开；均使电加热器断电停顿加热，不致产生制品溶化。DF1开；制冷供液电磁阀DF1与电加热器互锁；自动加塞装置的板层上升阀DfoDfjo开锁。同时还具有报警功能，真空度下降报警，断水断电报警，按动面板上按钮HK，则报警音响消退，但报警红灯始终到故障排解后才熄灭。三、全自动掌握ZLG-10型冻干机可承受手动掌握，亦可以自动程序掌握。该机主要设备有间接制冷间接加热搁板的真空箱，并可在箱内实现自动加塞，水汽分散器为板式，制冷剂直接冷却。制冷系统配有三台JZS-1/3F10R22，其中一台专供箱体搁板冷量，一台专供水汽分散器冷量，一台为箱体真空系统配有可独立或并联运行的两台2X-70型旋片式真空泵和一台ZJ-150有一个400和三个1004kW〔16kW〕热三元混合液。自动加塞承受油压加塞系统，由油缸、油泵和电磁换向阀等电气设备所组成。自动掌握，即由轮程序掌握仪或制品电阻掌握仪来实现，这里只介绍轮程序掌握仪，它是半自动掌握的根底上加时间计数继电器来设定各机组的工作时间来到达的。0时〔即计数位加数加到预先设定的数计数继电器内的触头动作，当再来脉冲信号时不再计数。再按下复位按钮，计数闪复零，数字设定位恢复到以前所设定的数字，翻开红色透亮罩可以重设定数字。最高位数字为9999。五个计数继电器分别是产品预冻完毕计数继电器，实际上它是掌握第一台制冷机的工作时间；水汽分散器开头制冷计数继电器，它是掌握其次台制冷机工作时间；升华完毕计数继电器，指产品整个冷冻枯燥时间，即冻干曲线IIII台制冷机冷却搁板时的工作时间和冷却水汽分散器的工作时间，2.50150150分，继电II4小时停机，则其设定时间为产品4小时，其设定方法同前。当计数设定数字，则第三台制冷机停机。程序如下：在制品冻干完毕后，依据需要打算是否起动液压加塞装置。0一机组的工作，不需要将程序掌握转换到手动掌握。件，即温度和时间，升华过程要满足三个条件，即温度、真空度和时间，只要有一个条件未到达，就不能转入下一过程，所以各条件之间的相互关系要调整好，否则增长运行时间，降低运行的经济性，所以它不是最正确的掌握方法。序号 说 明制品进箱预冻开头制冷机Ⅲ第一次停机水汽分散器停机

工 作 机 组板循环泵，制冷机Ⅰ工作冷量

时 间0小时〔t0〕230分〔t4〕小时〔t2〕件符合后转入制品升华

阀开

小时〔t1〕制品升华〔接通电加热器，条件，循环泵、制冷机Ⅱ，Ⅲ，真空泵组，凸轮掌握仪和计数器停顿转动和消

〔由凸轮掌握仪或制品电阻掌握仪掌握〕制冷机Ⅲ其次次停机 〔由凸轮掌握仪或产品电阻掌握仪掌握〕

13小时〔t5〕7 升华完毕限温度

人员

17小时〔t3〕四、微处理机掌握LYOMAX10型冻干机的微处理机掌握的状况。500小时，储在外存内的程序能永久记忆。BA2铂热电阻作为温度传感器，测温范围+200～—100℃，毫安输入型，为4～20mA。程序仪输出模拟信号必需与温度掌握器的要求相符合，这样温度掌握器便依据程序仪的模拟信号掌握冻干机箱体的半曾温度。冻干完毕之用；六个使用继电器依据程序的设定分别掌握板层的温度调整〔冷冻、加热，保温；水汽分散器降温；真空〔真空泵、真空阀门过程中与其他仪表相协作，掌握整个冻干过程，直到冻干完毕自动停车，发出冻干完毕信号。内；需要永久储存的程序可提出一个的问题。冻干程序包括冻干曲线和个设备的运行起停时间，因此要标志好冻干曲线和设备的运行时间。性的〔即是一条直线在一个区域掌握的设备开停不能超过一个，当要掌握二个设备开停时分成二个区域。每个冻干曲线最多只20个区域。把每个区域依次编上号，注上温度或温度范围，以及该区以时、分为单位的定时时间。动和停顿时间。程序一的六个使用继电器，他们分别与六个时间相对应。以上工作预备好之后，即可通过仪表的键盘把程序输入程序仪内。至于仪外表板上的指示灯，开关和键盘的功能由于篇幅关系，这里不作祥述。第五章冷冻枯燥技术物制品、药品、食品还是标本，在冻结、枯燥时所用的设备、分装的容器，前处理、后处理的方法，以及掌握冻干过程的参数都不完全一样。但是，就其根本原理和方法来说，却都是差不多的。因此，本章以当前我国冷冻枯燥法应用最多的生物制品、药品的冻干为主，对冻干流程中个主要工序的有关技术进展较具体的阐述，然后对食品、标本、显微组织等冻干中的主要特点进展简要的介绍。第一节生物制品、药品的冻干流程共同的特点，那就是在水和热的作用下很简洁产生性变或分解。为了长期稳定地保存、最适宜的方法是在低温下冻结枯燥。这就是为什么冷冻枯燥在生物制品、药品生产和争论中应用格外普遍的缘由。5-1所示。其次节清洗和消毒5-1可见，①沉着器〔安或小瓶〕清洗、药剂配料开头，知道到安容封、小瓶加塞为止的整个工艺过程都必需在无菌室内进展；②全部可能与产品接触感染的机器设备〔如冻干机，分装机〕都应清洗消毒；③药剂、配料及容器在分装前必需灭菌。下面仅就无菌室的灭菌和冻干设备的清楚消毒做一介绍。温度19～25℃湿度50%±5%无菌级别100～10000级〔由各厂家确定〕为嵌入式应尽量防止积尘，开关、插座、灯具应为嵌入式并防水。不到100级的无菌室，室内应定期用福尔马林熏蒸或用石炭酸喷雾灭菌，用紫外线灭菌灯照耀。〔二〕无菌室工作人员的灭菌衣服应制成套式饿，并设计成能完全盖住口、头和四肢；鞋类应使用海绵拖鞋；全部衣服〔包括内衣〕应为灭菌间专用。二、冻干装置的清洗消毒〔一〕清洗冻干装置的清洗是保证医用冻干制品质量的重要手段。仍旧可能留下微量的去污剂，这样反而增加了腐蚀的危急或呈粉末状进入制品中。清洗的效果随清洗剂温60℃。清洗的方法可用刷子手工刷；用喷枪手工喷射；或用特地的清洗密闭系统自动清洗。水泵吸入、经管道阀门从喷嘴喷出冲刷枯燥箱和水汽分散器内部零件的外表，将污染物和杂质带走，水沉着器底部的排水管排出。一般来说。清洗水不重复使用，由于用循环清洗有造成全面污染的危急。〔二〕灭菌和消毒冻干装置的灭菌有物理方法和化学方法。物理方法2kg/cm2以上。对于玻璃器皿，温度探头、瓶塞、托盘等。可在特地的高压釜中消毒。1×102Pa以下。而后充以无菌蒸汽。蒸汽流进时会膨胀并在冷外表上分散成水，因此应翻开排液。待容器内温度〔相应的压力〕到达〔或温度。消毒完毕，降低系统压力，并使容4～65-3所示。化学方法化学方法有用酒精或石炭酸冲洗、擦拭；用环氧乙烷气体熏蒸〔图5-4。承受消毒液擦拭时，擦拭完后，需用消毒水将它们清洗干净。用环氧乙烷熏蒸时，应留意环氧乙烷有毒，且简洁燃碳燃烧爆炸，122×104Pa。送入水蒸气加湿到接近8×104Pa4～8小时，抽出气体使压力将到7×103Pa，放到无菌空气到9.70×104Pa。再抽到极限真空。抽4小时。第三节添加剂一、添加剂的主要功能化学缘由而死亡。冻干前加上某些防冻剂或保护剂，可以减小这些损害。〔二〕在冻干溶解性低的物质或微量活物质时，假设溶液浓度太低<4时，会与水蒸气一起飞散，或干后变成绒毛状的松散构造，在中断真空后，这种构造的物质就会消散，因此冻干前必需在溶液中加些填充剂，使之形成团块构造。〔三〕在需冻干的溶液中加些胶状物质，可以防止冻结前溶质沉淀和冻干后发生裂开。二、对添加剂的要求〔一〕无抗原性，无毒性。〔二〕冷冻升华时不起泡。〔三〕枯燥后复水性好〔四〕可形成均匀的悬浮液。〔五〕〔六〕不影响对制品的检测。〔七〕其崩解温度应尽量地高。三、添加剂的种类和作用酸钠、乳酸钙、谷氨酸钠等盐类和聚乙烯、葡聚糖等聚合物。依据添加剂的作用分类如下：〔一〕填充剂用作防止药性物质在抽空时与水蒸气一起飞散，如甘露糖醇、肌醇、葡聚糖、乳糖、甘氨酸、PVP〔聚乙烯吡咯烷酮〕以及胶体物质等。〔二〕防冻剂如甘油、二甲亚砜、PVP、蔗糖、多肽、醋酸铵等。〔三〕抗氧化剂如桔酸丙脂、维生素E、维生素C、氨基酸，卵磷酸、蛋白质水解物、硫代硫酸钠、〔四〕改善崩解温度添加剂如葡聚糖、PVP、木糖醇蛋白质混合物等。〔五〕〔六〕不影响对制品的检测。三、添加剂的种类和作用酸钠、乳酸钙、谷氨酸钠等盐类和聚乙烯、葡聚糖等聚合物。依据添加剂的作用分类如下：〔一〕填充剂用作防止药性物质在抽空时与水蒸气一起飞散，如甘露糖醇、肌醇、葡聚糖、乳糖、甘氨酸、PVP〔聚乙烯吡咯烷酮〕以及胶体物质等。〔二〕防冻剂如甘油、二甲亚砜、PVP、蔗糖、多肽、醋氨酸等。〔三〕抗氧化剂如桔酸丙脂、维生素E、维生素C、氨基酸、卵磷脂、蛋白质水解物、硫代硫酸钠、异抗坏血酸、抗坏血酸钠等，类脂抗氧化剂如去甲二愈创木酸、丁基羟基茴香醚、丁基羟基甲苯等。〔四〕改善崩解温度添加剂如葡聚糖、PVP、木糖醇蛋白质混合物等。〔五乙二胺四醋酸〔EDTA〕等。〔六〕缓冲剂如脱脂乳、氯化甲等。〔七〕消退美拉德反响如谷氨酸钠等。〔八〕消退自由基团形成的如硫尿、碘化钠等。应包括冻干和储存时的保护剂，形成团块的胶体，羰基中和剂和枯燥缓冲剂。浓度低于4%的溶液还要加填0℃以下时，可以不加枯燥缓冲剂。冻干熔液的配方应留意使熔液浓度适当。一般重量浓度在 4~25%之间。而且认为最正确浓度为10~15%，对于糖类则为5~10%。浓度太高会使冻干发生困难。添加剂的选择还应考虑崩解温度不能太低，太低会导致枯燥温度低、枯燥时间长，甚至是设备力量无法到达的。不同配方的添加剂，对干后产品剩余水分含量也有肯定影响。第四节分装和密封一、分装用容器液态产品可以散装冻干〔如食品，也可以瓶装冻干〔如药品。浅盘长、宽尺寸不宜大于500mm。为使浅盘与搁板接触良好，利于传热，可承受厚底和薄底两种方案。厚底盘的厚度应是以防止浅盘翘曲变形，但即使如此，其与搁板的接触也不行能格外良好；0.1mm厚的薄板做底，在其框架内铺一张聚乙烯薄膜，装上深液后，因液体自重而开放，形成盘子的外形，可保证盘底与搁板外表接触良好。瓶装冻干的瓶子有安瓿、小玻璃瓶和血浆瓶。人血浆冻干一般用标准的输血用瓶分装，其容量为每瓶250~500mm3，用壳状冻结器冻结后，贮存在-30℃冷库内备用。冻干时可在多歧管冻干机的枯燥，或装入有盲孔的铝块的盲孔中，在搁板冻干机上干燥。人用生物制品、药品冻干多用安瓿，这是由于安瓿价廉，剂量适宜，且用溶封，其密封牢靠。为了平。有准确的瓶颈瓶口和高度，适于在真空枯燥箱内机械压塞。用于真空干箱内机械压塞的瓶塞常用用丁基橡胶制造，外形如图5·5所示。顶顶部为塞盖，中间为直径与瓶口呐径协作很严密的圆柱部，下部为带槽〔或缺口〕的支撑部。在产品分装后，帽半加塞机将瓶塞放在瓶口上，干炽时，升华出来的水蒸汽可以从支撑部的缺口或槽中顺当地逸出瓶外，枯燥完毕后，用机械压下瓶塞，使其圆柱局部进入瓶口，起了密封作用，产品出箱经检验合格后，用蜡封或压上铝帽，即可出厂。瓶塞使用前需进展外表硅化处理或润滑，并进展高压蒸汽消母，以使加塞时瓶塞易于进入瓶口。润滑剂对产品应不起生物和化学作用。安瓿一般用中性玻璃或硼硅酸盐玻璃制成。容量为05、2.5、5.0、1.0mm3。为了溶封便利，在瓶颈处制成一个收缩口。收缩口必需为有足够的通道供溶液进入和水蒸汽逸出，其位置应无离产品，以免溶封时使产品过热，现在也有少数冻干机中承受能在真空箱内机械压塞的特别安瓿，其外形如图5-6所示。塞子的外形与小玻璃瓶的带槽塞子一样，所不同的是安瓶在机械压塞后仍需溶封，用过的瓶塞可以废弃，也可以重复使用。这种安瓿比一般安瓿高，因而削减了冻干机的容量。二、溶液分装分装在分装机上进展。溶液在浅盘、小瓶和安瓿中的厚度应为10~15mm，最厚不得超过18mm。这样生产周期可掌握在18~24小时之内。厚度太薄，枯燥时间虽可缩短，但每批产量降低，而关心时间根本不变，则相对关心工序本钱增加，导致总本钱上升；太厚则因已枯燥层阻力太大，升华速率减慢，生产本钱也会上升。的瓶子放在托盘上，浸入冷溶液中摇摆，使溶液在瓶中形成一个抛物面，以增大其外外表积，可大大缩短枯燥时间。三、密封水分而潮解，增加产品的剩余水分含量。其次，空气中的氧、二氧化碳与产品接触，一些活性基团就会很快与氧结合产生不行逆的氧化作用。此外，空气中如含有杂菌，还会污染产品。因此，在产品枯燥后，最好能直接在真空箱内密封，使之不与外界空气接触。现在比较先进的冻干机都具有这种功能。〔或纯度在99.99%以上的氮气〕至箱内，产品出箱后再加塞、压塞、蜡封〔或压铝盖，或者溶封，这一过程昼缩短时间和无菌操作，以削减产品质量的降低。安瓿溶封最好使用双焰或穿插炎焰。火焰的喷出长度公需10mm，用煤气或中性煤气的热量就已足够。假设将丁烷与空气混合作燃料，除硬质玻璃外，均不需加氧气。火焰应围绕安瓿的拉特长运动，安瓿不能在火焰上静置，否则简洁引起裂开。安瓿溶封后应放在支架上冷却，不然简洁消灭裂纺。假设用单头火焰溶封，应将安瓿作正、反两方向旋转，避开玻璃裂开或产生应力。用热焰加热守的地方，要用冷焰退为几秒钟。在密封冷却之后顶部用氯丁橡胶甲苯溶液涂覆，以避名产生裂缝。第五节冻干曲线的制定的温度压力随时间而变化的关系曲线。对于某一具体的冻干机，由于制品的温度与搁板温度或箱内空间温度有肯定依从关系，很多设备又不能掌握产品温度〕与时间的关系曲线来表示。为了监测冻干过程的主要参数，配有自动记录仪的冻干机一般均自动记录下搁板温度、制品温度水汽涨结器温度冻干箱压力等四个〔6-23。冻干曲线的外形与产品的性能、装量的多少、分装容器的种类，设备条件等很多因素有关。即使同冻干曲线。制定冻干曲线主要要确定以下参数：一、预冻速率慢冻晶粒大，产品外观粗糙，不简洁操作活菌，但升华速率快；而速冻则与此相反。通常冻干机是不能调整冻结速率的。如需冻结得快一些，则先将枯燥室〔箱〕预冷至较低温度再将制品入箱冻结。假设使枯燥箱与制品一起降温，其冻结速率较慢。二、预冻温度依据预冻方法不同而略有差异。一般来说，搁板应低于制品共溶点5~10℃。三、预冻时间装量多，分装的容器底不平，托盘与搁板接触传热不良，冻干机制冷力量小，产品的过冷度小，搁板间的温差大等均应延长预冻时间。反之预冻时间可以缩短。通常搁板式冻干机，枯燥箱的搁板从室温30℃降到-40℃约需2~4小时，在制品样品温度降到预定的最低温度后，还需在此温度下保持1~2小时，才能升华。四、水汽分散器的降温时间和温度在产品预冻完毕前30~50分钟〔视其制冷力量打算时间长短〕就应使水汽分散器降温。温度降到-40℃左右，起动真空泵抽真空，当产品外表压力降到10~20Pa以下，起动加热循环泵，给产品供热升华。结器的温度也低。但在第一阶段升华时使水汽分散器的温度过分降低是没有必要的，这是由于升华的最正确速率是在产品升华温度的饱和蒸汽压的二分之一左右的时候。过低的压力不公不能加快升华，相反地还会使向产品的供热性能变差，降低升华速率。例如，假设产品的升华温度为-30℃，则其饱和蒸汽压的二分之一为19Pa对应的饱和温度为-36℃左右，考虑到从制品升华面到水汽分散器外表水汽流淌阴力损失所需的压力差，水汽分散器外表温度保持在-40~-45℃就可以了。枯燥箱壁开调压漏孔，用氮气或无菌枯燥空气通入，以维持箱中所需的较高压力。此外，有的冻干机还用关小或断续开闭枯燥箱和水汽分散器之间的阀门来实现枯燥箱中的较高压力。五、升华速率和枯燥时间在允许的最高压力以下，升温速率就允许进一步提高。枯燥时间打算于升华速率，而升华速率又打