四環(huán)凍干機—真空冷凍干燥技術(shù)概述（四）

1.5 真空冷凍干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢

凍干加工成本雖然高，但產(chǎn)品的附加值也高。與其他高新技術(shù)一樣，隨著(zhù)凍干技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步成本會(huì )有所降低，同時(shí)隨著(zhù)社會(huì )生活水平的提高，人們對高品質(zhì)干燥產(chǎn)品需求越來(lái)越強烈，凍干產(chǎn)品在市場(chǎng)上的潛力巨大，冷凍干燥技術(shù)應用會(huì )越來(lái)越廣泛。

1.5.1 凍干機的發(fā)展趨勢

凍干機是實(shí)現真空冷凍干燥過(guò)程的主要設備，設計、制造凍干機涉及機械設計、機械制造、制冷、真空、液壓、流體、電氣、傳熱傳質(zhì)等諸多學(xué)科的知識。目前國內外凍干機的發(fā)展較快，設備功能已經(jīng)比較完備，其發(fā)展趨勢應該體現在三個(gè)方面。

 1.5.2 凍干工藝的發(fā)展趨勢

凍干工藝是很復雜的技術(shù)，不同物料的凍干工藝有很大區別，生物產(chǎn)品凍干主要要求保持產(chǎn)品的活性；藥品凍干主要要求保證化學(xué)成分穩定和保持純潔性;食品凍干主要要求營(yíng)養成分基本不變，并獲得良好的口感和品相；納米材料凍干除了保持材料的原有特性之外，還要求納米顆粒的均勻性。到目前為止，對于同一種物料，不同生產(chǎn)廠(chǎng)家采用的凍干工藝也不*相同，生產(chǎn)成本也有區別，采用的凍干保護劑、添加劑、賦形劑等也不一樣，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量也有區別。最近凍干工藝的研究還呈現出以下幾方面趨勢。

凍干技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)合  凍干技術(shù)與其他技術(shù)組合使用，是為了提高干燥效率，低加工成本。例如以高菜為試材，進(jìn)行單一冷凍干燥和熱風(fēng)—真空冷凍聯(lián)合干燥對比，究對產(chǎn)品品質(zhì)和能耗的影響，結果表明，在產(chǎn)品無(wú)明顯品質(zhì)差異的前提下，先進(jìn)行20h冷干燥再進(jìn)行1h熱風(fēng)干燥的聯(lián)合干燥工藝，比單一冷凍干燥工藝能耗降低約 30%。在保證品品質(zhì)滿(mǎn)足需求的前提下，熱風(fēng)、微波、超聲、紅外等技術(shù)與冷凍干燥技術(shù)聯(lián)合使用，是縮短加工工期、降低加工成本的一個(gè)發(fā)展方向。

物料預處理技術(shù)不斷創(chuàng )新  冷凍干燥技術(shù)工期長(cháng)、能耗高，其很大一部分原因是凍結物料中的冰升華過(guò)程耗時(shí)長(cháng)、能耗高，升華干燥階段消耗的能量往往占總能耗的45%或看更多。所以在進(jìn)行凍干前，對物料預處理，降低物料中含水量、增大蒸發(fā)表面積、減小蒸發(fā)阻力的技術(shù)都成為人們熱衷的手段，預處理技術(shù)也不斷創(chuàng )新。包括：將物料改型（粉碎、切片、穿孔等），從而增大蒸發(fā)面積并縮小干燥階段水分子在已干層的遷移路程；高壓脈沖電場(chǎng)預處理物料，將果蔬細胞可逆擊穿，從而增加細胞膜通透性，減小傳質(zhì)阻力，在物料組織結構不會(huì )被破壞的前提下，提高水分子升華速度；將生物組織物料浸入高濃度溶液中，利用細胞膜的半透性進(jìn)行滲透脫水預處理，以減少凍干時(shí)物料中的水分含量，縮短干燥間。實(shí)踐中可以根據不同的物料和對干燥產(chǎn)品品質(zhì)的需求，選擇合適的預處理方法。

凍結和加熱方式多樣化  真空冷凍干燥技術(shù)主要由凍結物料和真空干燥（包括升華和解析干燥）兩部分構成，前者需要通過(guò)制冷將物料凍結成固體，后者需要加熱。凍干技術(shù)發(fā)展到今天，凍結方式早已不限于凍干箱內擱板制冷凍結和冷凍裝置內制冷介質(zhì)制冷凍結。根據物料的性質(zhì)和凍干工藝對凍干速度的需求，還可以選擇一些快速的凍結方式，如：噴霧凍結、液氮凍結、真空蒸發(fā)凍結等。同時(shí)加熱方式也不限于凍干箱內下擱板傳導加熱的方式，上擱板輻射加熱、微波和紅外輻射加熱等方式也常常被引入凍干技術(shù)中，更有循環(huán)壓力法中的氣體熱交換加熱方式。在實(shí)踐中宜根據物料的性質(zhì)、凍干工藝的要求以及凍干設備的性能，綜合考慮選擇合適的凍結方法和加熱方式。

1.5.3 凍干理論研究的發(fā)展趨勢

冷凍干燥過(guò)程包括冷凍、升華干燥和解吸干燥三個(gè)階段，這三個(gè)階段中每個(gè)階段都包含復雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。凍干理論研究實(shí)際上就是研究每個(gè)階段的傳熱傳質(zhì)特性和控制、強化傳熱傳質(zhì)速率的方法。理論研究不僅可以指導工藝試驗，優(yōu)化凍干工藝，減少新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且還有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，改進(jìn)凍干設備結構和性能。凍干過(guò)程傳熱傳質(zhì)理論研究發(fā)展趨勢可以分為以下幾個(gè)方面。

（1）由穩態(tài)向非穩態(tài)方向發(fā)展  凍干過(guò)程中，干燥箱中升華界面處的固氣相變和冷凝器上的氣固相變都是非穩態(tài)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，凍干機內氣體和水蒸氣的流動(dòng)也是非穩態(tài)流動(dòng)。假定它們是穩態(tài)過(guò)程建立的模型與實(shí)際情況可能會(huì )有很大的差別，要想建立精確的凍干模型，就必須考慮這些非穩態(tài)因素的影響。從國外研究進(jìn)展可以看出，凍干模型已經(jīng)由一維穩態(tài)向多維非穩態(tài)形式轉化，較傳統的穩態(tài)模型精確。但是這些模型還是假設物料內部是處于平衡狀態(tài)的。所以這些模型對于描述液態(tài)產(chǎn)品和均質(zhì)的、尺寸單一的固態(tài)產(chǎn)品是比較精確的，對于細胞結構復雜，形狀尺寸復雜的生物材料來(lái)說(shuō)，還是不適用的。目前研究生物材料凍干過(guò)程保存細胞活性傳熱傳質(zhì)理論的人不多，鄒惠芬等建立的角膜在凍干過(guò)程的傳熱傳質(zhì)模型是二維非穩態(tài)模型，也是假定角膜內部是均質(zhì)的，有均一的熱導率、密度和比熱容，表面和界面溫度保持不變，沒(méi)有考慮角膜尺寸的變化。因此，以后的研究應該盡可能向多維非穩態(tài)方向發(fā)展，應該考慮到溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的非穩態(tài)特性和相變問(wèn)題，應使模型更精確，更符合實(shí)際情況。

為解決這些問(wèn)題，可將一些研究非穩態(tài)傳熱傳質(zhì)的先進(jìn)理論引用到凍干過(guò)程的傳熱傳質(zhì)理論研究中來(lái)。比如：2003年Lin提出非平衡相變統一理論證明，傳遞到相變界面處的熱量一部分作為相變潛熱引起相變，一部分轉變?yōu)樗魵夂透稍锘旌蠚怏w的動(dòng)量和能量，在有些情況下，不用于相變的這部分熱量顯得非常重要。凍干過(guò)程中，升華界面和冷凝管上都有相變。要想建立準確的凍干模型，這些因素也應該考慮進(jìn)去。另外，Bird等在20世紀60年代提出的直接模擬蒙特卡羅DSMC（direct simulation monte carlo）方法也是研究非穩態(tài)熱質(zhì)傳遞的一種方法，1998年Nance 等證明，該方法對于研究稀薄氣體的流動(dòng)傳熱問(wèn)題是一種強有力的工具。2004年賀群武等用 DSMC方法在給定進(jìn)出口壓力邊界條件下，計算研究了壁面溫度與流體入口溫度不同時(shí)，二維 Poiseume微通道內氣體壓力、溫度和分子數密度分布規律。當壁面溫度高于流體入口溫度時(shí)，氣體與壁面在通道進(jìn)出口處均存在溫差，但其發(fā)生機理不同；氣體進(jìn)入通道后壓力迅速上升到達峰值，然后再沿程降低，沿程壓力偏離線(xiàn)性分布最大值位于入口的x/L=0.05處；氣體可壓縮性與稀薄性均得到增強，但壓力沿程分布非線(xiàn)性程度增加。凍干過(guò)程正是稀薄氣體在各種通道內的流動(dòng)傳熱問(wèn)題，因此，可把DSMC法引用到凍干過(guò)程的研究中來(lái)，建立比較精確地描述凍干過(guò)程非穩態(tài)熱質(zhì)傳遞的模型。

（2）由宏觀(guān)向介觀(guān)方向發(fā)展 在宏觀(guān)領(lǐng)域與微觀(guān)領(lǐng)域之間，存在著(zhù)一個(gè)近年來(lái)才引起人們較大興趣的介觀(guān)領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域里出現了許多奇異的嶄新的物理性能。介觀(guān)領(lǐng)域的傳熱無(wú)法用宏觀(guān)領(lǐng)域的熱力學(xué)定律描述，也不能用微觀(guān)領(lǐng)域的統計熱力學(xué)描述。微尺度效應很快深入到科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，凍干領(lǐng)域當然也不例外，再加上凍干物料種類(lèi)的不斷增加，如人體組織器官需要保存保持活性，有必要研究細胞間的熱質(zhì)傳遞，凍干法制備金屬化合物納米粉、藥用粉針制劑、粉霧吸入劑等，有必要研究?jì)龈蛇^(guò)程中微尺度熱質(zhì)傳遞。

然而，目前已經(jīng)建立的凍干模型大都是研究宏觀(guān)參數及生物材料凍干過(guò)程中保持細胞活性傳熱傳質(zhì)模型的，還沒(méi)有考慮生物材料細胞之間熱質(zhì)傳遞的復雜性以及生物細胞膜本身是半透膜這一特性，這很可能是保持細胞活性最關(guān)鍵的一個(gè)因素。不僅宏觀(guān)參數會(huì )影響凍干過(guò)程的熱質(zhì)傳遞，產(chǎn)品的微觀(guān)結構及微尺度下的超常傳熱傳質(zhì)也都有可能是影響凍干速率及凍干產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。例如凍干生物材料（特別是要求保持生物細胞的活性時(shí)）凍結和干燥過(guò)程，生物體內已凍結層和未凍結層，已干層和未干層中的微尺度熱質(zhì)傳遞過(guò)程常常會(huì )涉及一系列復雜因素，如細胞液組分、溶液飽和度及DNA鏈長(cháng)、蛋白質(zhì)性能、細胞周期、細胞熱耐受性、分子馬達的熱驅動(dòng)、細胞膜的通透性等一系列化學(xué)和物理因素，這些因素都有可能影響細胞的活性。其中，最重要、也最易受到溫度影響（損害）的部位是細胞膜，其典型厚度為10nm。細胞膜的功能是將細胞內、外環(huán)境分開(kāi)，并調節細胞內外環(huán)境之間的物質(zhì)運輸。細胞的脂雙層膜主要是一個(gè)半透膜，它含有離子通道及其他用以輔助細胞內外溶液輸送的蛋白質(zhì)。長(cháng)期以來(lái)人們采用各種各樣的途徑，如低溫掃描電鏡、X射線(xiàn)衍射以及數學(xué)模擬等方法，對發(fā)生在細胞內外的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了研究，但迄今對此機制的認識仍嚴重匱乏。目前重要的是，需要發(fā)展一定的工程方法來(lái)評價(jià)和檢測細胞內物質(zhì)和信息的傳輸過(guò)程，了解其傳輸機理，這樣才有可能真正揭示凍干過(guò)程的傳熱傳質(zhì)機理，建立凍干過(guò)程微尺度生物傳熱傳質(zhì)模型，各種生物組織和器官的凍干就會(huì )比較容易。凍干產(chǎn)品在質(zhì)量和數量上都將會(huì )有非常大的飛躍。

要研究?jì)龈蛇^(guò)程微尺度生物傳熱傳質(zhì)應該試圖從以下幾方面著(zhù)手∶

     ①將先進(jìn)的探索微觀(guān)世界的透射電鏡、掃描電鏡和原子力顯微鏡應用到凍干過(guò)程監控中來(lái)；

     ②從細胞和分子水平上揭示熱損傷和凍傷的物理機制；

     ③建立各類(lèi)微尺度生物熱參數的測量方法并實(shí)現其儀器化；

     ④建立微尺度生物傳熱傳質(zhì)模型；

     ⑤將上述微尺度傳熱傳質(zhì)模型與凍干過(guò)程的宏觀(guān)熱質(zhì)傳輸模型結合，建立凍干過(guò)程（即低溫低壓條件下）微尺度傳熱傳質(zhì)模型。

（3）由常規向超常規方向發(fā)展  劉登瀛等已用試驗驗證了在一定加熱條件下多孔材料內存在非Fourier導熱效應、非Fick擴散效應的存在，提出了對多數干燥過(guò)程均應考慮非Fourie效應，在凍干過(guò)程的升華干燥階段，已干層中的熱質(zhì)傳遞正是多孔介質(zhì)內的熱質(zhì)傳遞過(guò)程，但就目前建立的凍干模型而言還沒(méi)有考慮產(chǎn)品內部結構的影響，更沒(méi)有考慮產(chǎn)品內部超常熱質(zhì)傳遞。對于結構比較復雜的生物材料來(lái)說(shuō)，其內部細胞與細胞之間的熱質(zhì)傳遞本身是微尺度熱質(zhì)傳遞過(guò)程，再加上又是在低溫低壓下，很可能存在一些奇異的非Fourier效應、非 Fick 效應等。若用常規的熱質(zhì)傳遞規律建立這些物料凍干過(guò)程的傳熱傳質(zhì)模型，很可能會(huì )與實(shí)際情況相差太遠。因此，有必要研究?jì)龈蛇^(guò)程超常傳熱傳質(zhì)，建立凍干過(guò)程的超常傳熱傳質(zhì)模型，這樣凍干生物材料保持細胞活性的研究才有一定的理論基礎。

（4）由分立向協(xié)同方向發(fā)展   凍干過(guò)程實(shí)際上是低溫低壓條件下傳熱傳質(zhì)耦合過(guò)程，是多種因素協(xié)同作用的結果?？墒钱斍暗难芯空叽蠖荚谘芯磕骋灰蛩?，例如溫度或壓力對干燥過(guò)程的影響，或者研究它們的共同影響，卻沒(méi)有把各種因素協(xié)同起來(lái)研究，尋求*的凍干工藝。過(guò)增元院士提出的傳遞過(guò)程強化和控制的新理論—場(chǎng)協(xié)同理論指出∶在任何傳遞過(guò)程中至少有一種物理場(chǎng)（強度量或強度量梯度）存在，另一方面，任何傳遞過(guò)程都不可能是孤立進(jìn)行的，不論在體系內部還是在體系和外界之間，必同時(shí)伴有其他變化的發(fā)生。也是說(shuō)一種場(chǎng)可能引起多種傳遞過(guò)程，反之多種場(chǎng)也可能引起同一種傳遞過(guò)程。例如，對流換熱過(guò)程受溫度場(chǎng)和質(zhì)流場(chǎng)相互作用的影響，而在萃取分離過(guò)程中至少存在有化學(xué)勢場(chǎng)、溫度場(chǎng)、重力場(chǎng)和質(zhì)流場(chǎng)之間的相互作用。因此，對于任何一個(gè)傳遞過(guò)程，無(wú)論在體系內還是體系外，都可以人為地安排若干種“場(chǎng)"來(lái)影響它。通過(guò)不同場(chǎng)之間的恰當配合和相互作用目的過(guò)程得到強化，稱(chēng)為"場(chǎng)協(xié)同"。凍干過(guò)程中至少存在有溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、質(zhì)流場(chǎng)之相互作用。1974年，Mellor 討論了凍干過(guò)程中壓力對熱質(zhì)傳遞的影響，認為壓力的影是雙重的，循環(huán)壓力法可提高升華速率，這其實(shí)就是在用比較簡(jiǎn)單的方法尋求壓力場(chǎng)、溫子和質(zhì)流場(chǎng)之間的協(xié)同，但沒(méi)有建立描述這種過(guò)程的模型，無(wú)定量描述。利用場(chǎng)協(xié)同理論我壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和質(zhì)流場(chǎng)之間的更恰當的配合和相互作用，強化凍干過(guò)程中的熱質(zhì)傳是。提高升華速率。

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