四環(huán)凍干機—真空冷凍干燥技術(shù)概述（一）

真空冷凍干燥（簡(jiǎn)稱(chēng)凍干）是先將濕物料凍結到共晶點(diǎn)溫度以下，使水分變成固態(tài)的冰，然后通過(guò)抽真空將物料中的水分由固態(tài)直接升華為氣態(tài)而排出物料之外的一種干燥方法。

真空冷凍干燥是一門(mén)古老的現代技術(shù)。說(shuō)它古老是因為它的出現比較早，發(fā)展歷史坎坷；說(shuō)它現代是因為它在20世紀90年代開(kāi)始，其應用進(jìn)入了高科技領(lǐng)域；說(shuō)它是現代技術(shù)是因為它從20世紀90年代開(kāi)始，已加入現代高新技術(shù)領(lǐng)域的例列。人體各器官的保存和再植是現代醫學(xué)研究的課題之一。營(yíng)養保健食品是現代人們生活的追求。航天飛機用的超輕隔熱陶瓷，是現代科學(xué)的熱門(mén)話(huà)題之一。低溫超導材料等納米級超細微粉的制備等，都需要真空冷凍干燥技術(shù)與設備。

1.1 凍干技術(shù)在國際上的發(fā)展概況

真空冷凍干燥技術(shù)大約出現在1811年，當時(shí)用于生物體的脫水。1813年美國人W.H. 沃拉斯頓（Wollaston）發(fā)現水的飽和蒸氣壓與水的溫度有關(guān)：在真空條件下，水容易汽化，水在汽化時(shí)將導致溫度的降低。根據這一發(fā)現，沙克爾（Shackell）于1909 年試驗用冷凍干燥的方法保存菌種、病毒和血清，取得較好的效果，使真空冷凍干燥技術(shù)得到了實(shí)際的應用。

最早使用凍干法制作生物標本的人是阿特曼（Altmann）。他于1890年采用凍干法干燥生物體的器官和組織，制成既能保持原來(lái)生物的組織結構，又能長(cháng)期貯藏的生物標本，供人們在顯微鏡下觀(guān)察，以便于學(xué)習和研究。1900年Shackell開(kāi)始用凍干法干燥血清和細菌，經(jīng)9年的努力，于1909年獲得成功，并且在 American Journal Physiology上發(fā)表了他的凍干實(shí)驗報告。這是凍干技術(shù)應用發(fā)表最早的論文。1911年，D.L.Harris和L.F.Shackell把狂犬病腦組織凍干；1912年，Carrel 最先提出采用凍干技術(shù)保存器官組織，供外科移植用的設想；1921年，H.F.Swift提出了保存菌株用的標準凍干方法。

第一臺商業(yè)用凍干機的問(wèn)世在1935年，W.J.Elser 等在凍干機上最先采用了低溫冷阱，從而改變了用真空泵直接抽水蒸氣的方法；在凍干機上采用主動(dòng)加熱的辦法，使升華過(guò)程得到強化，干燥時(shí)間得到縮短，因而可用于生產(chǎn)。這時(shí)凍干產(chǎn)品擴展到藥品，主要有培養基、荷爾蒙和維生素等。1940年凍干人血漿開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。1942年第二次世界大戰期間，由于輸血的需要，必須發(fā)展血液制品。同時(shí)，抗生素的需要量也急劇增加，促使凍干技術(shù)在醫藥工業(yè)中得到了迅速的發(fā)展。最早把凍干血漿、血清提供給臨床使用的是美國賓州大學(xué)醫學(xué)系的 E.W.Flosdorf 和S.Mudd。在1941年12月珍珠港事件爆發(fā)、美國參戰之后的6個(gè)月，在紐約召開(kāi)了 American Human Seium Association年會(huì )?；谝虻萝娗终际狗▏獛煸獾狡茐牡氖聦?shí)，會(huì )上做出了凍干血漿緊急籌集的決議，促使美國紅十字會(huì )實(shí)施這一計劃，于1942年真空冷凍干燥技術(shù)應用在醫藥工業(yè)。1943年在英國和丹麥制成并開(kāi)始使用大型食品凍干機。冷阱設在凍干箱內，是現在這種凍干設備的原型。1944年 Wyckoff 和Logcdin采用雙管干冰阱，使捕水器溫度降低，捕水效果更好，從而又開(kāi)發(fā)出在外側直接與多歧管連接的裝置，成為現在歧管式凍干機最早的原型。用這種設備生產(chǎn)出凍干的血漿。在日本，軍醫中校內藤良一主持了所謂防疫研究。實(shí)際上是在凍干細菌，為細菌戰做準備。在1939～1943 年間進(jìn)行了免疫補體、血清、血漿、細菌、病毒等凍干研究，并于1943年將多歧管凍干機成功地改制成箱式凍干機。

凍干法加工和貯藏食品很早就被人類(lèi)所利用。古代斯堪的納維亞人（Vikings）利用北冰洋干爽寒冷的空氣生產(chǎn)一種脆魚(yú)（Klip-fish），南美的古印第安人利用自然條件凍干生產(chǎn)一種稱(chēng)為Chuno 的馬鈴薯淀粉。對食品進(jìn)行凍干研究始于1930年，Flosdorf在實(shí)驗室里進(jìn)行了食品的凍干實(shí)驗。最原始的食品凍干設備于1943年出現在丹麥。對食品凍干的系統研究始于20世紀50年代。其中規模大的是英國食品部于1950～1960年提出在蘇格蘭 Aberdeen 試驗工廠(chǎng)進(jìn)行的研究，研究成果中最為著(zhù)名的是加速凍干法（AFD）。1985 年日本有25家公司生產(chǎn)凍干食品，其銷(xiāo)售額達1700億日元。1992年日本凍干食品的年生產(chǎn)量為7000t。

凍干技術(shù)在材料科學(xué)中的應用是最近幾十年的事情。從查到的資料看，最早發(fā)表文章的是Y.S.Kim 和F.R.Monforte，于1971年寫(xiě)出了用凍干法生產(chǎn)透光性氧化鋁的文章。20世紀 90年代，隨著(zhù)納米科技（NST）的迅速崛起，制備納米級超細微粉的各種方法應運而生，凍干法也占得一席之地。

隨著(zhù)凍干技術(shù)應用的推廣，對凍干理論和工藝的研究也逐漸興旺起來(lái)。1944年，弗洛斯道夫（Flosdorf）出版了第一部有關(guān)冷凍干燥技術(shù)和理論的專(zhuān)著(zhù)。1951年和1958年先后在倫敦召開(kāi)了第一屆和第二屆以真空冷凍干燥為主題的專(zhuān)題討論會(huì )。1963年，美國最先制定了GMP（Good Manu-factoring Practice）凍干藥品的生產(chǎn)標準。1969年，世界各國紛紛制定GMP計劃，國際貿易組織共同決定 GMP標準。

有關(guān)描述真空冷凍干燥數學(xué)模型的研究方面，許多人提出了各種各樣的理論。提出最早和應用*的模型是桑德?tīng)枺⊿andll）和金（King）的冰界面均勻向后移動(dòng)模型（The Uni-formly Retreating Ice Front Model），簡(jiǎn)稱(chēng)URIF模型，屬于穩態(tài)模型。其主要思想是熱量通過(guò)干燥層和冷凍層傳導到升華界面，冰升華得以進(jìn)行，產(chǎn)生的水蒸氣通過(guò)多孔的干燥層，在真空室內擴散，最后被真空泵抽到捕水器內被捕集。隨著(zhù)升華的進(jìn)行，冰界面向凍結層均勻地退卻，在其后產(chǎn)生多孔的干燥層。這種模型描述液態(tài)和固態(tài)物料的凍干過(guò)程是有效的。但是，實(shí)際的于燥過(guò)程是非穩態(tài)的。為更接近于實(shí)際情況，1968年，D.Z.Dyre 和J.E.Sunderland 又提出了準穩態(tài)模型。第三種模型是利奇菲爾德（Litchfield）和利亞皮斯（Liapis）于1979年提出來(lái)的，稱(chēng)為解吸—升華模型。在該模型中，認為冷凍層的冰升華和干燥層的吸附水解吸是同時(shí)進(jìn)行的。前兩種模型對于占物料含水量中75%～90%的自由水的升華是比較準確的。還有一部分結合水，它們以物理吸附和化學(xué)吸附的方式存在著(zhù)。雖然它們的比例較小，但把它們從物料中移出需要很長(cháng)的時(shí)間。在凍干過(guò)程中，凍干物料的溫度不斷升高，在冰升華的同時(shí)，干燥曾所吸附的水也會(huì )同時(shí)解吸。

四環(huán)福瑞科儀科技發(fā)展（北京）有限公司法人由原北京四環(huán)科學(xué)儀器廠(chǎng)有 限公司技術(shù)研發(fā)和管理負責人擔任，是為客戶(hù)提供專(zhuān)業(yè)真空冷凍干燥設備及解 決方案的服務(wù)供應商。我們秉承“以客戶(hù)為中心，追求最高的客戶(hù)滿(mǎn)意度"的 服務(wù)理念，個(gè)性服務(wù)、創(chuàng )新設計、高效處理、可靠保障，可根據用戶(hù)需求提供 和設計單個(gè)或多個(gè)符合 GMP 相關(guān)標準的凍干設備配套系統，如負壓和無(wú)菌隔 離器、自動(dòng)進(jìn)出料及外置 CIP 等系統。 

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