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摘要：介紹了一種新的幹燥保存技術即真空冷凍幹燥技術。與其他幹燥方法相比凍幹技術具有的優勢。並論述了凍幹過程以及設備的基本結構及凍幹技術中的三個關鍵要素。 關鍵詞：凍幹；凍幹曲線；凍幹機 

一、 引言 

凍幹法是將含水的物質先凍結成固態，然後在一定的真空和加熱條件下，使其中的水分從固態直接升華成氣態，以除去水分而保存物質的方法。相比其它幹燥方法例如烘幹及真空幹燥等方法具有以下突出的優點：（1）由於物品在低溫下幹燥，使物品的活性不會受到損害。例如疫苗、菌類、病毒、血液製品等幹燥保存；（2）對於一些易揮發的物品宜采用凍幹方法；（3）物品幹燥後體積、形狀基本不變，物質呈海綿狀無幹縮。複水時能迅速還原成原來的形狀；（4）物品在真空下幹燥，使易氧化的物質得到保護；（5）除去了物品中95%以上的水分，能使物品長期保存。由於凍幹技術具有這些的優點，因此它在各個領域的應用十分廣泛。 

凍幹技術在藥品製備存儲方麵具有廣闊的天地[1]。在西藥製備方麵，如抗菌素、抗毒素、診斷用品和疫苗等，利用凍幹技術製造出的藥品特征結構穩定，生物活性基本不變。在藥品冷凍幹燥過程中*在計算機自動控製下，幹燥結束後在真空狀態下壓塞密封，避免了藥品汙染。藥品排除了95%~99%的水分，能在常溫下長期保存。在中藥製備方麵，利用凍幹技術能zui大限度地保存藥物的有效成分的活性，能夠較好地保持藥材的外觀品質、顏色、氣味。水分基本上被幹燥幹淨，能夠長期保存。例如人參、冬蟲夏草、山藥等。 

利用凍幹技術可以製作生物標本、保存活組織等[2]。例如用於動物異種移植或同種移植的皮層、角膜、骨骼、主動脈、心瓣膜等邊緣組織在低溫冷凍幹燥下保存能大大提高這些組織的複活率。 

采用凍幹技術進行製作的食品具有非常*的特點。基本保持了食品原有的色、香、味、形，維生素和蛋白質等營養物質損失少，而且不用冷藏，在密封包裝後可在常溫下長期儲存。在食用或加工前複水快，可直接食用或烹調。例如咖啡、茶葉、魚肉蛋類、海藻、水果、蔬菜、調料、豆腐、方便食品等。在營養品的保存方麵采用真空冷凍幹燥，例如蜂王漿、蜂蜜等。 

二、 凍幹技術的原理 

凍幹法是將含水物料凍結後，在真空環境下升華，使物料中水分直接除去，從而使物料脫水獲得幹燥製品的過程。凍幹法屬於物理脫水，其工作原理主要依據水的三相平衡圖。水的狀態有固態、液態、氣態等三種狀態，在不同的氣壓、溫度下水的三種狀態不同，如圖一所示。 

水的三種聚集態隨溫度和壓強的不同而變化，以壓強為縱標，溫度為橫坐標來表示水的聚集態，稱為水的相平衡圖。由圖可以看出，曲線把相圖分成三個區域，即氣相、液相、固相。OS曲線為氣固兩相平衡共存的狀態稱為升華線，這時的水蒸氣壓強為水的飽和蒸汽壓；OL曲線為液固兩相平衡共存的狀態稱為融化線；OK曲線為氣液兩相平衡共存的狀態稱為沸騰線。K為水的臨界點，在此點以下不存在液態水。水的臨界點的溫度為374℃，壓強為2.11×107 Pa。若水蒸汽的溫度高於其臨界溫度374℃時，無論怎樣加大壓力，水蒸汽也不能變成水。三條曲線的交點O溫度為0.01℃，壓強為610.5Pa，是水的三相平衡共存的狀態，稱為水的三相點。若將冰麵的壓強保持610.5Pa並給冰加熱，冰直接由固態變成氣態，這個過程叫升華。凍幹就是在低溫下抽真空，使冰麵壓強降低，水直接由固態變成氣態從物質中升華出去，從而達到除去水分的目的。 

三、 

凍幹的一般過程 

1、 預凍 

預凍是把製品冷凍，目的是為了固定產品，以便在一定的真空度下進行升華。預凍的好壞對物品以後幹燥升華的質量和效率具有非常重要的作用。如果產品沒有凍實，則抽真空時產品會沸騰並冒出瓶外；如果產品溫度冷凍過低，則不僅浪費了能源和時間，而且還會降低某些產品的存活率。預凍之前應該確定三個因素：一是預凍的速度，二是預凍的zui低溫度，三是預凍的時間。凍幹製品升華前，必須凍結到一定的溫度。這個溫度應設在製品的共晶點以下10~20℃左右。共晶點是指物品內部所有成分都同時凍結的溫度，它是產品在冷卻過程中從液態結束轉向固態的zui高溫度。一般製品在預凍到達zui低溫度1~2個小時之後就可以進行抽真空。 

製品的凍結方法有兩種：（1）低溫快凍，低溫快凍（10~15℃/分）對於保證質量有利，形成微結晶，得到的製品外觀好，溶解速度也快，但形成微結晶則不利於加快凍幹速度。（2）低溫慢凍，低溫慢凍（1℃/分）形成粗晶粒，對提高凍幹效率有利，但慢凍一般對製品質量，特別是含活性的酶類或活菌病毒等的存活率極為不利。對於采取哪一種預凍的方法應根據具體實驗來定。 2、升華幹燥 

升華幹燥階段也叫*幹燥階段，物品中的水分大部分都是在這一階段中除去的。凍結後的製品置於密閉的真空容器中加熱，其冰晶就會升華成水蒸氣逸出而使產品脫水幹燥。幹

圖一 水的三相平衡圖 

燥是從外表麵開始逐步向內推移的，冰晶升華後殘留下的空隙變成以後升華水蒸汽的逸出通道。已幹燥層和凍結部分的分界麵稱為升華界麵。當全部冰晶除去時，*階段就完成了，此時除去全部水分的90%左右。製品在升溫融化過程中，當達到某一溫度時，固體中開始出現液態，此是的溫度稱為溶液的共熔點。凍幹層的溫度和升華界麵的溫度必須控製在產品共熔點以下，才不致使冰晶溶化。為了使升華出來的水蒸氣具有足夠的推動力逸出產品，必須使產品內外形成較大的蒸氣壓差，因此在此階段中箱內必須維持高真空。水蒸氣在冷凝器中凝結成冰。 3、 解析幹燥 

解析幹燥也叫第二次幹燥階段。在*階段幹燥中除去的大部分是遊離狀態的水，而在幹燥製品的毛細管壁和極性基因上還吸附有一部分水分，這些水分是靠極性鍵結合在製品中的。當它們達到一定含量時，就為微生物的生長繁殖和某些化學反應提供了條件。實驗證明，即使是單分子層吸附的低含水量，也可能成為某些化合物的溶液，產生與水溶液相同的移動性和反應性。為了改善產品的儲存穩定性，延長其保存期，需要除去這些水分。這就是解吸幹燥的目的。二次幹燥時間由製品中的水分的殘留量來決定。二次幹燥過程中，在確保製品熱力學穩定性的條件下，應盡量提高產品的溫度，為了增強擱板的熱傳遞能力應適當控製凍幹箱的真空度，以縮短二次幹燥的時間。製品已幹燥部分構成“骨架"，當溫度上升一定的數值時，其剛度降低，變的有粘性而塌陷，封閉了已幹部分的海綿狀微孔，阻止升華的進行，升華速度減慢。此時的溫度稱為崩解溫度，也稱塌陷溫度。因此在第二次幹燥階段產品溫度不能超過崩解溫度，否則就會造成製品融化報廢。在第二階段幹燥後，產品內殘餘水分的含量視產品的種類和要求而定。一般在0.5%~4%之間。 4、 凍幹曲線的製定 

凍幹技術的關鍵是要對製品冷凍幹燥過程的每一個階段各個參數進行全麵的控製，才能得到的幹燥製品。凍幹曲線就是冷凍幹燥過程的基本依據，表示凍幹過程中產品的溫度、壓力隨時間變化的關係曲線。由於製品的溫度與擱板溫度或箱內溫度有一定的依從關係，而且設備很難控製產品表麵的壓力，所以實踐中凍幹曲線用擱板的溫度與時間的溫度曲線來表示。為了檢測凍幹過程的主要參數，配自動記錄儀的凍幹機會自動記下擱板的溫度、製品溫度、水汽凝結器溫度、凍幹箱壓力等四個參數和時間的曲線，這些均為凍幹曲線。凍幹曲線的形狀與製品的性能、裝量的多少、分裝容器的種類、凍幹機的性能等諸多因素有關。即使同一製品，生產廠家不同，其凍幹曲線亦不*一樣。因此應根據各自的具體條件，用實驗定出*的凍幹曲線。 

凍幹曲線製定過程是，根據所獲取製品的共熔點溫度、崩解溫度、*預凍速率和殘水含量等參數，和所用凍幹機的性能，初步擬訂出擱板溫度曲線和凍幹箱的壓力曲線，用此曲線在實驗凍幹機上試驗。根據測量並記錄的擱板溫度、製品凍層溫度、製品幹層溫度、凍幹箱壓力、冷阱溫度等參數，隨時修改凍幹曲線中不合理部分。由檢測和觀察確定升華階段結束和解吸幹燥結束的時間，凍幹結束後，對產品質量和含水量進行檢測。根據所得凍幹過程參數的數據，重新擬訂凍幹曲線並進行試驗，直到得到較為滿意的曲線為止。結合生產用凍幹機的性能，將上述曲線修改不合理部分，直到獲得成熟的凍幹曲線 。 

四、 凍幹設備的結構 

凍幹設備是凍幹技術實現的物質基礎。根據凍幹製品的物質、要求、用途等不同，相應的凍幹設備也不同。凍幹設備的結構形式是多種多樣的，但無論何種凍幹設備均由幹燥箱、冷凝器、製冷係統、真空係統、循環係統、控製係統等組成。有的凍幹設備中幹燥箱和冷凝器做成一體，這種凍幹機的優點是節省能源，成本低。缺點是水蒸氣會返回到幹燥箱內，影響幹燥的效率。大部分凍幹機都是幹燥箱和冷凝器分離的，它們之間由一個隔離閥進行分開。這種類型的凍幹機設備成本高，但捕水效果好。 1、幹燥箱 

幹燥箱是凍幹機中重要的部件之一，它的性能好壞，直接影響到整個凍幹機的性能。箱體外部有加強筋增加了箱體的強度，以防抽真空時箱體變形。箱體應具有良好的密封性能，以減少箱體的真空泄露。箱體是由不鏽鋼製造的焊接機構，所有的內部焊接點是圓滑形的並和表麵的材料齊平。箱體上提供了許多進入箱體的管道元件，其內表麵被拋光。為了方便清洗，所有箱體的內部角落是圓形的。 

在箱體的內部有放置製品的擱板，擱板通過液壓係統能上下移動，在移動時不能傾斜以防擱板卡死。在幹燥結束後，通過擱板實現自動加塞。箱內零部件布置應盡量少，以減少升華水蒸汽流向冷凝器的流動阻力。擱板要有一定的冷卻和加熱速率，冷卻速率一般要求為0.1-1.5℃/min，加熱速率為0.1-0.2℃/min。擱板要求平整、光滑、傳熱性能好，以減少傳熱熱阻和傳熱溫差。擱板各部分的溫度應均勻一致，這樣才能使製品在凍結和升華時的溫度均勻一致。擱板要有一定的強度，以便能夠承受加塞壓力而不至於產生擱板彎曲。 

箱體的底部被設計成傾斜的是為了方便排水。為了防止小瓶或者塞子掉到排水口並阻塞排水閥，箱體排水口用可移動的不鏽鋼護蓋蓋住。兩個視窗被安裝在箱體的側邊，以觀察凍幹產品。箱體的外表麵是絕熱的並用一個拋光處理的不鏽鋼蓋進行覆蓋。 

箱體有主門和小門，主門的大小能允許安裝和移動板層，由不鏽鋼製造，帶有圓滑焊點，建在潔淨室內。箱門能夠被打開超過100度以方便裝載和卸載產品。箱門的內表麵被拋光到小於0.4微米Ra的粗糙度。箱門的周邊有一個溝槽來安置適合真空應用的矽橡膠墊圈，箱門采用矽酮密封，適合蒸汽滅菌應用。主門安裝在機房裏並且僅僅被用來維修用。 

小門被安裝在箱體主門的對麵並用伺服電機驅動。凍幹機的裝料可以通過小門來執行。小門的形狀是矩形的以允許擱板無障礙的進入。小門的凸緣采用一個雙重的矽橡膠墊圈係統進行密封，分別應用在真空（內部密封）和蒸汽（外部密封）的場合。 

擱板包含產品支架、補償板、壓板、反壓板等等。板層通過帶有機架的一係列導向杆懸掛在壓板上。補償板和其它的板層具有相同的尺寸並被安裝在頂部放置產品的板層上麵，為了維持同其它板層有相同的熱環境。 

板層由不鏽鋼製造並帶有中空結構，內部是穿過板層的矽油傳熱通道擋板。每個放置產品的板層都帶有柵欄，以防止在手動裝載時製品從板層上被推掉。 2、冷凝器 

在冷凍幹燥時須不斷地排除製品中的水蒸氣，既利用被冷卻的表麵來使水蒸氣凝結成冰，這種容器稱為冷凝器或冷阱。水蒸氣凝結器安裝在幹燥箱與真空泵之間，水蒸氣的流通是靠箱體與水蒸氣凝結器之間的溫差熱形成的壓力差作為推動力，故水蒸氣凝結器製冷表麵的溫度要比幹燥箱的低。冷凝器應有足夠的強度以致抽真空的時候不會發生形變，而且其密封應滿足真空密封的要求。 

冷凝器的結構形式有很多種，按放置的方式分有立式與臥式，按圓筒內凝結麵的形狀分單螺旋管式、多層螺旋管式、蛇管式和板式等。冷凝器和箱體是分離的，由主隔離閥進行隔離。冷凝器在箱體的後麵，豎直放置。冷凝器內部有一組冷凝盤管，通過製冷劑直接膨脹來冷卻。冷凝器的溫度由溫度探測器來監視，冷卻的極限溫度是-75攝氏度。 

3、製冷係統 

製冷係統在凍幹設備中zui為重要，被稱為“凍幹機的心髒"。製冷係統由製冷壓縮機、冷凝器、蒸發器和熱力膨脹閥所構成，主要是為幹燥箱內製品前期預凍供給冷量，以及為後期冷阱盤管捕集升華水蒸氣供給冷量。冷凍幹燥過程中常常要求溫度達到-50℃以下，因此在中、大型樱桃AV成人片中通常采用兩級壓縮進行製冷。主機選用活塞式單機雙級壓縮機，每套壓縮機都有獨立的製冷循環係統，通過板式交換器或冷凝盤管，分別服務於板層和冷凝器。根據控製係統的運行邏輯和閥門控製，壓縮機可以獨立製冷板層或製冷冷凝器。在製冷係統中，除裝有顯示的高、中、低壓、油壓力表外，還裝有各種壓力控製器。當壓力出現時，相應壓力繼電器及時動作，保護壓縮機。當控製電源接通後，低壓壓力超過低壓壓力控製器的設定值時，壓縮機自動收液。電磁閥是在壓縮機停車時切斷高壓液體之用，以免壓縮機停車後大量液體進入蒸發器，當壓縮機再次啟動時避免液擊，起到壓縮機的保護作用。 

冷凝器冷卻靠製冷劑直接膨脹獲得，每組冷凝器盤管配備一台壓縮機製冷係統，一個測溫探頭分別對一組盤管進行測試。 

4、 真空係統 

 製品中的水分隻有在真空狀態下才能很快升華，達到幹燥的目的。凍幹機的真空係統由凍幹箱、冷凝器、真空閥門、真空泵、真空管路、真空測量元件等部分組成。 

係統采用真空泵組，組成強大的抽吸能力，在幹燥腔室和冷凝器形成真空。一方麵促使幹燥腔室內的水份在真空狀態下升華；另一方麵該真空係統在冷凝器和幹燥腔室之間形成一個真空度梯度（壓力差），使前箱水分升華後被冷凝器捕獲。 

真空係統的真空度應與製品的升華溫度和冷凝器的溫度相匹配，真空度過高或過低都不利於升華。幹燥箱的真空度應控製在設定的範圍之內，其作用是可縮短製品的升華周期，對真空度控製的前提是真空係統本身必須具有很少的泄漏率。真空泵有足夠大的功率儲備，以確保達到極限真空度。 5、 循環係統 

     冷凍幹燥本質上是依靠溫差引起物質傳遞的一種工藝技術。物品首先在板層上凍結，升華過程開始時，水蒸汽從凍結狀態的製品中升華出來，到冷阱捕捉麵上重新凝結為冰。為獲得穩定的升華和凝結，需要通過板層向製品提供熱量，並從冷凝器的捕捉表麵去除水分。擱板的製冷和加熱都是通過導熱矽油的傳熱來進行，為了使導熱矽油不斷地在整個係統中循環，在管路中要增加一個循環泵，使得導熱矽油強製循環。循環泵一般是一個泵體兩個電機，平時工作時，隻有一台電機運轉，假使有一台電機工作不正常時，另外一台會及時切換上去。這樣係統就有良好的備份功能，適用性寬。在泵的出口處，一般要安裝一個反映出口壓力的壓力表和一隻壓力繼電器，同時在電加熱管上麵加配一隻超溫報警繼電器。 

6、控製係統 

在凍幹設備上，人們經常要按照一定的要求啟動製冷機、真空係統、打開或關閉各種控製閥門，或者使真空室中的壓力按預定值進行操作，這就是所謂的凍幹機控製。控製係統采用PC作為上位機進行與設備進行通信，PLC作為下位機來時時監控設備的運行狀態，執行冷凍幹燥的運行邏輯順序。當操作者通過鼠標和鍵盤使用PC時，PLC在後台執行操作。利用程序控製儀編製程序，與其它儀表相配合，控製整個凍幹過程，直到凍幹結束自動停車，這樣的凍幹機控製係統稱為微處理控製係統。微處理機控製係統由可編程序控製器PLC、觸摸屏、記錄儀、PC機、打印機、外圍繼電器，傳感器等設備組成（如圖二所示）。

總之凍幹機不是各種零部件的簡單的組合，而使和真空凍凍幹燥技術和各種工藝結

合為一體的一個係統。而且凍幹機*在無菌隔離的狀態下運行，使製品不會受到汙染。在物品保存方麵具有廣闊的應用前景。

 五、  總結  凍幹技術是一門新興的技術，在食品和醫藥行業具有非常好的應用前景。隨著人們的生活水平的提高，對凍幹的製品的需求很大。但是好的凍幹技術應具備一下三個條件:（1）處方。真空冷凍趕幹燥技術處方決定了製品的好壞和品質。處方的組成直接關係到以後冷凍、升華等步驟的實施。處方應包括活性成分、賦形劑、工藝用水等等。活性成分是冷凍幹燥後留下的製品。賦形劑必須是化學惰性的，目的是使某些製劑能夠成功地進行凍幹，改善凍幹產品的溶解性和穩定性，或者使動感產品有美觀的形狀等。工藝用水作為製品的溶解劑，在凍幹過程中需要除去的部分。（2）好的凍幹曲線。凍幹曲線是凍幹機進行控製的依據，因此凍幹曲線的好壞直接影響冷凍幹燥的質量。凍幹曲線主要包括擱板的溫度、冷凝器的溫度、和凍幹箱的真空度。（3）的凍幹設備。一台好的凍幹設備應滿足GMP、cGMP、FDA等的要求，穩定性好，可以進行手動或者自動控製，在線調節參數，具有很強的重演性。  

 參考文獻：  [1] 倪春：醫用生物製品的真空冷凍幹燥技術.廣西機械[J].1999.1 15-18. [2] 肖宏偉，黃傳偉，馮雁峰等.真空冷凍幹燥技術的研究現狀和發展.醫療衛生設備[J].2010.7 vol.31.7  30-32.