冷冻干燥技术PPT资料.ppt
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作为一种先进的低温化学制备方法,可以应用于材料制备领域中,用来制备金属超微粉体,合成金属氧化物、复合氧化物等精细陶瓷粉末。
生物行业的应用：
动物的器官、组织；
鲜花等植物类的等亦用此法干燥保存。
3,基本原理,纯水的三相图,冻干通常以水为溶剂，其所处状态与温度和压力有关。
降低压力，冰点变化不大，可沸点却会大大降低。
当压力降到某一值时，沸点即与冰点重合，固态冰就可以不经液态而直接转化为气态。
这时的压力称为三相点压力，相应的温度为三相点温度。
纯水的相平衡图,a,b,d,c,冻结,升华,温度/T,压力/P,0.01,610Pa,从理论上讲，OC先可以延伸到绝对零度，升高温度或者是降低压力均可以打破气、固两相平衡，使整个系统朝冰转化为气的方向进行，这即是真空冷冻干燥最基本的原理。
物料中的水分,按物料中水的结合方式分类机械结合水：
包括表面湿润水分、孔隙中的水分和毛细管中水分等。
这类水分与物料的组织结合强度较弱，完全满足纯水升华的条件。
物化结合水：
包括吸附、渗透在物料的细胞或纤维皮壁及生物胶体纤维毛细管中的结合水。
它们与物料的结合强度较大，一般蒸发可除掉一部分，但升华则较难达到干燥要求。
化学结合水：
指结晶形态的水，如葡萄糖钙（C6HO6Ca（OH）2H2O）、石膏（CaSO42H2O）等，这种结合形态的水不能用冻干法去除。
4,基本过程,基本过程：
制品的制备（前处理）：
如药物的培养、灭菌、分装、洗瓶、半加塞等，食品原料的挑选、清洗、切分、灭酶、分装等。
制品的冻结（预冻）：
将制品冻结成固态。
第一阶段干燥（升华干燥）：
将制品中的冰晶以升华方式除去。
第二阶段干燥（解析干燥）：
将残留于制品的水分在较高温度下蒸发一部分，使残余水分达到预定要求。
密封包装：
已干制品一般应在真空或充惰性气体条件下密封包装，以利于储存。
最简单的冷冻干燥曲线,预冻,升华干燥,解析干燥,基本概念预冻冷源冻结参数预冻方式退火冻干保护剂,一、冻结过程,一、冻结过程,药品冻干之前，把需要冻干的药液定量分装在容器内，一般是玻璃瓶或安瓿，装量要均匀，蒸发表面尽量大而厚度尽量薄些，然后放入冻干箱内进行冻干。
冻结：
容器与冷表面接触后，产品底部温度最低，最易产生冰核，溶液各位置的温度分布不同，因而形成了不同的结构。
一般完全冻结的溶液产品内部存在三个部分：
第一部分为底部均匀的冰晶层，晶核主要在此区形成，溶质较少；
第二部分为柱状区，为冰晶生长区，溶质主要存在于冰晶间隙，并且随冰晶向上推进和温度梯度的存在，溶质产生由下至上的迁移；
第三部分为表面浓缩层，在这部分由于预冻过程中溶质的迁移而形成高浓度的表层区。
冰晶区域,冰柱区域,表面浓缩区域,共晶点（共熔点）,多组分的冻干溶液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，固体的数量不断增加，最后才全部凝结的。
冷却时开始析出晶体的温度称为冰点温度溶液全部凝结的温度叫做溶液的凝固点。
由于凝固点就是融化的开始点（熔点），对于溶液来说也就是溶质和溶剂共同融化的点，所以又叫做共晶点或共熔点。
共晶点（共熔点）才是溶液真正全部凝成固体的温度。
在冷冻干燥过程中，如果产品温度超过最低共晶点，部分溶质或全部溶质处于液体中，冰晶升华就会被液体蒸发取代，干燥后的产品易发生萎缩，溶解度下降，故最低共晶点温度是获得最佳冻干效果的临界温度。
共晶点（共熔点）,共晶点（共熔点）测定方法,电导（或电阻）测定法：
纯水几乎是不导电的，当物料中的水分被完全冻结，带电离子也随之被固定下来，不能自由移动，物料的导电能力因而显著下降，而少量液体存在时，电导会显著增加。
电容测定法：
在冷冻与加热过程中，随着水分的结晶与熔化，电容量将发生显著变化，利用给这一性质，可以测定共晶点并探测产品是否冻结完全。
热分析法（DSC）：
DSC是基于冻结的药品在升温过程中温度达到共熔点时会有能量的吸收，用热分析仪来测定该能量吸收峰，可计算得到共晶点温度。
玻璃化转变温度（Tg）,许多溶质在冷冻过程中不能形成共熔相，当温度降低时，冷冻浓缩液会变得更浓更粘稠，同时有冰产生；
当温度降低到某一温度时，很小的温度变化就可能引起冷冻浓缩液粘度显著增加，同时冰的结晶停止，此时的温度叫做玻璃化转变温度（Tg）。
Tg是一个重要的参数，冻干过程中物料温度必须控制在Tg以下，否则冷冻浓缩液将发生流动，从而破坏了冷冻建立起来的微细结构，就会发生塌陷。
目前，DSC是测量Tg最有力的工具之一。
预冻冷源,干冰和乙醚混合：
最低可达-72；
液氮：
最低可达-196压缩式制冷机：
单级压缩机-30，双级压缩机可达-40-60。
两级单级压缩机组成的复叠式循环可达-60-80，一个单级一个双级-100。
最经济最方便的冷源，几乎所有生产用的冻干机均用此种冷源。
抽真空冷冻机：
利用真空时，产品中水分吸收产品本身的热量而蒸发，此时降低产品本身的温度而冻结。
冻结方式：
箱内预冻法:
直接把产品放置在冻干箱内的多层隔板上，由冻干机的冷冻机进行冷冻。
箱外预冻法：
低温冰箱进行预冻。
反复预冻：
蜂蜜、蜂王浆等共熔点温度较低或结构比较复杂的粘稠产品在升华过程中，冻块会发生软化，并产生气泡，在产品表面形成粘稠状的网状结构，影响升华干燥和产品外观。
Eg.某产品共熔点为-25，可先将产品速冻到-45左右，再升温至共熔点附近，维持3040min，然后再将温度降至-40左右，如此反复处理，使产品晶体结构改变，产品表层外壳由致密变为疏松，有利于水分的升华逸出。
这种方法可缩短冷冻干燥的周期。
分层冻结：
多组分的冻干产品，为防止产品间的互相干扰，可在特殊的装置中进行分层冻结，即在瓶中先装一种溶液进行冻结，待冻结后再加入另一种溶液冻结。
如果加入第二种溶液会使已冻的第一种溶液熔化，需在两种溶液之间加一层惰性材料，以将两种溶液分隔开。
离心式预冻:
离心式冻干机就采用此方法。
利用在真空下液体迅速蒸发，吸收本身的热量而冻结。
旋转的离心力可防止产品中的气体溢出，是产品能“平静地”冻结成一定的形状。
转速一般为800rpm左右。
预冻参数：
预冻最终温度预冻时间预冻速率,预冻最终温度,预冻温度应根据产品的共熔点来决定，多数产品的共熔点在-15-30之间，预冻的最终温度应低于产品的共熔点温度，通常要比共熔点低510。
对无条件检测共熔点时，一般将最终温度定为-40-50。
瓶装产品还应考虑冻干小瓶对冻干过程中温度剧烈变化的承受能力。
有试验证明：
在其他条件完全相同的前提下，冻干过程中倒锅底形凹底小瓶（a）几乎无掉底现象，圆弧凹底小瓶（b）掉底现象明显增多，而平底小瓶（c）则掉底严重。
预冻时间,适宜的预冻时间应确保抽真空之前所有的产品均已冻实，即保证抽真空时不致喷瓶，通常根据冻干机的情况来决定。
冻干箱内存在温度差，一般在达到规定的预冻温度以后，还需要保温一定时间，通常为24h左右。
预冻速率,预冻时形成的冰晶大小会影响干燥速率和干燥后产品的溶解度，所以应根据产品不同而试验出一个最佳冷冻速率。
快速冻结法：
一种是先将干燥箱隔板冷却到-40左右，再将产品放入，称为速冻。
缓慢冻结法：
将产品放进干燥箱中后再开始对隔板降温，这样的冷冻过程稍长，温度的变化比较缓慢，称为慢冻。
冷冻速率对制品干燥速率和溶解度的影响：
快速冻结产生的冰晶较小，冰晶不规则，间隙小，升华时阻力大，不利于升华干燥。
但干燥后则基本反映了制品的原有结构，溶解速度较快。
缓慢冻结过程中，溶液逐渐被浓缩，冰晶体逐渐长大，缓慢冷冻产生的冰晶较大，冰晶呈六角对称形，有利于升华过程中水分的排出，但是溶解缓慢。
冷冻速率对细胞和生物产品的影响,机械效应：
机械效应是由细胞内外冰晶生长而产生机械力量引起的。
特别是对有细胞膜的生命体影响较大，一般冰晶越大，细胞膜越易破裂，从而造成细胞死亡；
冰晶小，对细胞膜的机械损伤较小。
缓慢冻结产生的冰晶较大，快速冻结产生的冰晶较小，所以快速冷冻对细胞的影响较小，缓慢冷冻容易引起细胞的死亡。
溶质效应：
溶质效应是由于水的冻结使间隙液体逐渐浓缩，从而使电解质浓度增加。
蛋白质对电解质是较敏感的，电解质浓度的增加引起蛋白质的变性而使细胞死亡；
另外电解质浓度的增加会使细胞脱水而死亡。
溶质效应在某一温度范围最为明显。
若能以较高的速度越过这一温度范围，就能减弱溶质效应。
退火,在实际冻结过程中，形成的冰晶形态各异而且大小分布不均匀，导致升华干燥过程水蒸气的流动阻力很大，降低了干燥效率。
同时在非晶态区域内也会有多余的未冻结水存在，即没有现实真正意义上的最大冻结浓缩状态，增加了解析干燥的解析量。
针对上述问题，研究者发现在升华干燥之前引入退火操作。
退火是指以一定的升温速率把冻结产品温度升至低于其熔点温度的某一特定温度，保持一段时间，然后再以一定速率降温到冻结温度的过程。
退火是一个等温过程，一般在Tg以上的温度进行。
退火的效果：
强化结晶提高非晶相的最大浓缩液玻璃化转变温度改变冰晶形态和大小分布，提高干燥效率为了达到目的，在退火操作中，必须考虑加热速率、退火温度、退火时间等参数。
目前理论知识比较缺乏，对退火机理尚有疑问，退火参数的选取仍然没有依据。
冻干保护剂,为了保护药品的活性，通常在药品配方中添加适当的活性物质作为保护剂。
这些保护剂通常需要具备四个特性：
玻璃化转变温度高、吸水性差、结晶率低和不含还原基。
常用的冻干保护剂有：
糖类与多醇类：
蔗糖、甘露醇等；
聚合物：
PVP、PEG等；
无水溶剂：
甘油、DMSO等；
表面活性剂：
吐温80等；
氨基酸：
丙氨酸、甘氨酸等；
盐和胺：
磷酸盐、醋酸盐、枸橼酸盐等。
最简单的冷冻干燥曲线,预冻,升华干燥,解析干燥,二、升华干燥,
（一）崩解温度（collapsetemperature）产品发生塌陷的的临界温度，即冻干制品所能承受的最高温度。
冻干产品在升华干燥阶段，已干层产品结构应该是疏松多孔的，以便冻结层升华出来的水蒸汽顺利通过，使全部产品都能干燥。
但有时当温度上升到一定数值时，已干层构成的“骨架”刚性会降低而出现类似“塌陷”的现象，干燥产品出现发黏、比重增加等现象，导致堵塞了冻结层水蒸汽升华逸出的通路，阻止升华的进行，并引起冻结层产品温度上升，当温度上升至共晶点温度以上时，产品会发生熔化或发泡现象，使冻干失败，这个临界温度叫做崩解温度。
崩解温度,产品的崩解温度由溶液的成分决定，即取决于产品本身的理化性质和保护剂种类，过低的崩解温度会延长干燥时间。
一般混合物的崩解温度取决于各组分的崩解温度，因此应选择具有较高崩解温度的冻干保护剂以提高药液的崩解温度，使升华干燥能在不太低的温度下进行，可节省冻干时间和能耗，提高生产效率，降低成本。
产品的崩解温度一般由试验来确定，通过冻干显微镜，直接观察到崩解现象，从而确定崩解温度。
下表为一些物质崩解温度。
崩解温度,升华干燥首先是恒温减压过程，然后再抽气的条件下，恒压升温，使固态水升华出去。
升华干燥法分两种：
一次升华法和反复冷冻升华法。
一次升华法：
适合于共熔点为-10-20的制品，且溶液粘度不大。
它首先将预冻后的制品减压，待真空度达到要求时，启动加热系统缓缓加热，使得制品中的冰升华，此时约除去全部水分的90左右。
反复冷冻升华法：
该法的减压和加热升华过程与一次升华发相同，只是预冻过程须在共熔点与共熔点一下20之间反复升降预冻，而不是一次降温完成。
本法适合于结构复杂、稠度大及熔点较低的产品，如：
蜂蜜、蜂王浆等,真空冷冻干燥中的加热方式接触供热：
溶液类产品冻结后形成的冰块导热性能好，采用搁板、玻璃瓶壁到产品的接触供热效果好；
搁板用循环介质间接加热，其板温均匀，所以医药冻干机广泛采用搁板接触供热的加热方式辐射加热：
应用也较多。
微波加热：
更适合于较厚的物料和具有较低的热降解温度或高附加值的物料，可使加热周期大大缩短，加工成本低。
升华时的温度限制：
（1）产品冻结部分的温度应低于产品共熔点温度；
（2）产品干燥部分的温度必须低于其崩解温度或允许的最高温度（不烧焦或变性）；
（3）最高搁板温度：
在冻干过程中应控制搁板温度，使产品温度维持在共晶点以下10左右。
产品温度与许多因素有关，如产品本身的性质、冷凝器制冷量与制冷面积、系统真空度等，因此搁板温度控制在怎样的水平，需根据实际情况定。
升华速率整个冻干过程中的一个重要参数，它直接影响整个冻干过程的时间。
通常提高升华速率的措施主要有：
（1）提高已干层的导热性能；
（2）减小已干层的厚度；
（3）改变干燥室的压力；
（4）尽可能提高升华温度；
（5）改进低温冷凝的方法。
升华时产品温度测定方法
（1）接触式测温
（2）压力测温法（3）电阻测量法,
（1）接触式测温这是冻干生产过程中常用的测温方法，测温元件一般为热电偶或热敏电阻，它只能准确反应所处局部位置的温度状况，若不插入冻干物品内部，它不能测量出该物品内部的温度状况；
但插入冻干物品内部，测温元件附近的冻干物品的结构就被破坏，换句话说，导致在测温元件局部的结构与冻干物品整体结构不同。
（2）压力测温法它是基于在平衡状态下，冰晶温度与其饱和蒸汽压为单值函数这一基本规律，在升华干燥过程中，突然中断从冻干室流向冷阱的水蒸气流，通过测量冻干室内压力回升情况去推算升华界面的温度。
这种方法是一种非接触式测温方法，既不破坏冻干样品的结构，又能较准确的反应冻干移动升华界面的温度，并可用于确定升华干燥终点。
（3）电阻测量法如果测得产品的电阻大于共熔点时的电阻数值，则说明产品的温度低于共熔点的温度；
如果测得的电阻接近共熔点时的电阻数值，则说明产品温度已接近或达到共熔点的温度。
影响升华干燥过程的主要因素:
升华界面的温度（或供热量）和水蒸气逸出产品的能力。
前者主要由搁板温度和干燥箱的压力（真空度）控制，后者主要由升华界面的温度所对应的水蒸气饱和压力和箱内空间的水蒸气分压差来决定。
故为提高冻干产品的质量和重现性，需控制搁板温度、干燥箱的真空度和水蒸气分压,搁板温度在升华干燥阶段，产品热量主要来源于冻干箱的搁板。
搁板温度的高低应根据产品温度、冻干箱的压强（即冻干箱的真空度）、冷凝器温度三个因素来确定。
在升华干燥的时，如果产品的温度远低于该产品的共熔点温度和崩解温度，冻干箱内的压强远小于真空报警设定的压强，冷凝器温度也远低于一40，则搁板的加热温度还可以继续提高；
但如果搁板温度提高至某一温度后，产品的温度已接近共熔点温度，或者冻干箱的压强上升到接近真空报警的数值，或者冷凝器温度回升到一40，则搁板温度不可再继续提高。
冻干箱内的压强升华阶段冻干箱内的压强应控制在一定的范围之内。
尽管压强低有利于产品内冰的升华，但压强太低不利于传热，反而降低升华速率。
对于生物产品冻干，冻干室内的压强一般认为是在1030Pa之间较合适，在这个压强范围内，既利于热量的传递又利于升华的进行。
冻干箱内的压强是由空气的分压强和水蒸气的分压强组成的，因此要使用能测量全压的热真空计来测量真空度，而不宜使用压缩式真空计。
决定升华时间长短的因素产品的品种冻干溶液的分装厚度升华时提供的热量瓶口阻力冻干机本身的性能,三、解析干燥,解析干燥是在一次干燥结束后，还残存一部分吸附水和结合水，这些水分是未被冻结的，在一次干燥中不能被除去。
这部分水达到一定量时会为微生物的生长繁殖和某些化学反应提供了条件。
因此为了改善产品的贮存稳定性，延长保存期，需要除去这些水分。
这也是解析干燥的目的。
升华完成后，温度继续升高至0或者室温，并保持一段时间，可使已经升华的水蒸汽或残留的水分被抽尽，二次干燥后，产品内残余水分的含量视产品种类和要求而定，一般在1一3之间。
解析干燥,解析干燥时间与下列因素有关：
（1）产品的品种：
产品不同，干燥的难易程度不同，最高允许温度也不同。
最高允许温度较高的产品，由于可维持的温度更高，解析干燥的时间可相应缩短。
（2）产品的含水量：
含水量要求低的产品，干燥时间较长。
产品的残余水分的含量应有利于该产品的长期存放，太高太低均不适合。
应根据试验来确定。
（3）冻干机的性能：
在解析阶段后期能达到的真空度高、冷凝器的温度低、搁板温差较小的冻干机，其解析干燥的时间可相对短些。
（4）是否采用压力控制法：
如果采用压力控制法，可改进传热，使产品达到最高允许温度的时间缩短，解析干燥的时间也缩短，通常此时控制冻干箱内的真空度为2030Pa。
确定干燥终点的方法,1、温度趋近法：
产品温度常常用作确定干燥结束的指示器，它是一种间接测量方法。
2、真空度法：
真空度法是利用压力升高的快慢与残余水分多少之问的相关关系来确定冻干终点的。
3、称重法：
称重法是利用产品失重率与产品的含水量之间的关系来测定的。
4、湿度法：
在常规产品温度响应法不能给出准确信息时，可采用这种方法。
5,冻干机简介,冻干机简介,技术要求,1、板层降温速率（202在60min内降至-40）2、板层升温速率（-40升温至20在1h内完成）3、板层最低温度（小于-60）4、板层最高温度（一般大于60）5、冷凝器降温速度（202在30min内降至-40）6、冷凝器最低温度（一般小于-75）7、真空速率（从大气压降至10Pa在30min内完成）8、冻干箱极限真空（0.5Pa）9、负载运行时冻干箱真空度（不大于10Pa）10、板层温差和板内温差（板层1.5，板内1）,第一节：
冷冻干燥机的基本组成,冷冻干燥机分类,按系统分类，由制冷系统、真空系统、加热系统、加盖系统和控制系统几部分组成。
此外，大中型冷冻干燥机还常有蒸汽灭菌系统和在位清洗系统。
冷冻干燥机示意图,制冷系统,制冷系统由制冷压缩机及冻干箱、冷凝器内部管道等其辅助设施构成，为冷冻干燥箱和冷阱提供冷源，以产生和维持它们工作时所需的低温。
冻干机常用制冷形式有：
1、直接膨胀式制冷的真空冷凝器2、载冷剂间接冷却单一制冷方式的真空冷凝器3、三重热交换系统制冷的冻干机,真空系统,真空系统由冻干箱、冷凝器、真空管道和阀门、真空泵构成。
（一）冻干箱,冻干箱是冻干机的主要部分，是产品冷冻及干燥的场所。
一般小型冻干设备使用圆筒形箱体，大中型设备多采用方形箱体，并在箱外采用加强筋以解决承压能力问题。
干燥箱体的主要作用是形成一个密封的空间，制品在干燥室中，在一定的温度、压力等条件下完成冷冻、真空干燥、全压塞等操作。
（二）冷凝器,冷凝器又称水汽凝结器或捕水器，其内部有一个较大表面积的金属吸附面，吸附面温度能降到-40以下，并且能恒定维持这个低温。
冻干机常用的冷凝器可分为管式换热和板式换热两种，前者主要用于小型冻干机，后者主要用于大型冻干机。
目前真空冷凝器多采用垂直和水平卧式两种方式，一般小型冻干机多采用垂直式冷凝器，大型冻干机多采用卧式。
（三）真空泵,真空泵是真空系统建立真空的重要部件，其作用是用来减少产品表面上的压力，保证水蒸气顺利到达冷凝器。
常用真空泵主要有液体泵、油封机械真空泵、无油机械真空泵。
加热系统,加热系统是提供制品水分两次升华干燥所需热能的装置，其作用是对冻干箱内的产品进行加热，以使产品内的水分不断升华，并达到规定的残余水分要求。
冷冻干燥中采用的传热方式主要有热传导和辐射，近年来也有在干燥箱内采用循环压力法来实现强制对流加热，可极大地提高干燥的效率。
不同的冻干机也有不同的加热方式，如采用直接电加热法；
或利用中间媒介来进行加热，通过一台泵使中间媒介不断循环来加热，热源有电、媒、天然气等。
医药冻干机多采用直接电加热。
控制系统,控制系统由各种控制开关，指示调节仪表及一些自动装置等组成。
根据自动化程度的不同，可分为手动控制、半自动控制、全自动控制及微电脑控制等几大类。
冷冻干燥机的控制主要是对制冷机、真空机组、加热系统的起停及温度的控制，对真空度、温度的测定、监控，以及自动保护、报警装置等。
在线自动清洗装置,在箱体和冷阱、捕水器内配置的机械清洗装置，主要用于洗涤箱体和真空冷凝器内表面残留物。
整个CIP系统一般分为机内和机外两部分，机外部分由清洗用水贮罐、多级泵及一套自动控制阀组成。
机内部分由冷凝器和箱内的喷嘴及喷淋球组成。
对可进行在线蒸汽灭菌操作的冻干机，CIP极为方便，其利用通过冷冻，使大量蒸汽凝结在冷冻的待清洗表面上，故在蒸汽灭菌过程中冰面融化，产生足够的水流带走污物，完成在线清洗。
在线蒸汽灭菌,制药过程中的灭菌方法主要有加热灭菌、气体杀菌及辐射灭菌等三类。
其中真空冷冻干燥机首选加热灭菌中的蒸汽灭菌法。
蒸汽灭菌系统包括：
（1）蒸汽进气阀和排气阀，多用球阀；
（2）搁板升降系统液压或气动杆有保护套；
（3）安全阀；
（4）蒸汽疏水阀；
（5）水环式真空泵。
基本步骤：
关闭干燥室室门及门锁抽空系统空气引入蒸汽加热到灭菌温度保持温度释放压力，冷却真空冷凝器启动真空泵使系统排放干燥开启制冷系统冷却导热搁板,安全保障系统,
（1）真空故障：
压力超过设定警戒线，机器应自动停止加热和进气，并自动回复到冷冻制品的状态，保证制品不受破坏。
（2）冻干周期内停电对策：
设有USP不间断电源保证控制系统在一定时间内保持运行过程信息；
自动关闭真空隔离阀和箱体与冷凝器之间的隔离阀；
自动关闭空气或氮气导入阀。
（3）制冷压缩机保护措施：
设压力自动调节、油压过高自动保护、缺油保护、人工复位、电机设定温度和过载保护等。
加盖系统,制药用冷冻干燥机还具有自动加压瓶盖功能，即在干燥箱上装置有液压油缸，使搁板能上下移动，用搁板实现加压瓶盖。
冷冻干燥中存在的问题及处理办法,1、含水量偏高装入容器的
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