冷冻真空干燥技术

第六章冷冻真空干燥技术

【知识目标】

·熟悉冷冻真空干燥的基本原理；

·理解冷冻真空干燥技术在兽医生物制品生产中的应用；

·掌握共熔点、冻干曲线的概念，

·了解冻干程序。

【能力目标】

·能操作冻干机组；

·会应用冻干曲线。

第一节概述

冷冻真空干燥技术能够有效地保存生命物质的生物活性，特别是对热敏物质尤为适用，目的在于贮藏、保存和延长活性。兽医生物制品经冷冻真空干燥后，应符合一定的物理形态和色泽、残余水分含量及生物活性标准。

一、冷冻真空干燥的原理与特点

冷冻真空干燥又称冷冻干燥或冻干，是进行物质干燥的方法之一。通常将含有大量水分的生物活性物质先行降温预冻成固体，再在真空和适度加温(一般不超过40℃)条件下使固体分子直接升华成水汽抽出，最后使生物活性物质形成疏松多孔、体积不变的干燥物的过程，称为冷冻真空干燥。

由于冷冻真空干燥全过程都在低温真空条件下进行，所以能有效地保护热敏性物质的生物活性。如酶、微生物、激素等经冷冻干燥后对生物活性影响甚微，有效地降低了氧分子对微生物、酶等活性物质的作用，从而保护了物质的性状。物质在冻结状态下升华干燥后呈海绵状结构，体积几乎不变，加水后能迅速溶解并且恢复原来状态。通过冷冻干燥可将物质中95％以上的水分除去，有利于冻干物的长期保藏而不致变质。因此，冷冻真空干燥技术在生物医学上具有其他干燥方法无法比拟的优点。

二、冷冻真空干燥技术的应用

鉴于冷冻真空干燥技术具有其他干燥法无法比拟的优点，除已广泛应用于生物制品方面，如疫苗、诊断制剂、血清制品等的冻干外，在医药工业方面，如抗生素、维生素、酶制剂、血液制品等冻干；在食品和化学工业方面，如速溶咖啡、果汁、催化剂等的冻干也有广泛的应用。

第二节冻干机组与冻干程序

一、冻干机组

生物制品的冻干过程在冷冻真空干燥系统中进行。这种装置称为真空冷冻干燥机，

简称冻干机(图6-1)。根据其在冷冻真空干燥过程中的作用，可将冷冻真空干燥系统分为制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统四部分。

(一)、制冷系统

由冷冻机、冻干箱和冷凝器及内部管道等组成，冷冻机可以是相互独立的几套或合用一套。

冷冻机是使制冷剂蒸发而吸热．压缩而又冷凝成液体的一个封闭的机械系统。主要由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器四部分组成(图6-2)。冷冻机的功用是使冻干箱和冷凝器进行制冷，以维持冻干过程中的低温环境。

冻干箱是一个能制冷到-40℃左右，加热到+50℃左右的高低温箱，同时也是一个能抽成

真空的密闭容器。冻干箱是冻干机的主要部分，内有分层的金属板层，制品放置其上进行冷冻，并在真空下加温，使制品内的水分升华凝结在冷凝器内，从而达到干燥。

冷凝器也是真空密封容器，其内部有一个较大表面积的金属吸附面，通过大口径真空阀门与冻干箱连接，吸附面的温度能降低到-40℃以下，并能恒定地维持这种状态。冷凝器的主要作用是把冻干箱内的制品升华出的水蒸气以冰霜的形式凝结在金属表面，待冻干结束，冰霜融化后排出。

(二)、真空系统

冻干机组的真空系统由冻干箱、冷凝器、真空泵、真空管道和阀门所构成。真空系统必须具有严洛的密封性能，对制品水分子升华十分重要，而真空泵则是真空系统建立真空的重要部件。冻干时使用的真空度范围约为0.13～66.66Pa，要求在30min左右达到要求的真空度。

(三)、加热系统

不同冻干机组有不同的加热方式，有的利用直接加热祛，也有的利用中间介质(传热流体)通过循环泵进行循环加热。加热系统可使冻干箱加热至+50℃，使物质中的水分不断升华而达到规定的残余水分要求。

(四)、控制系统

由各种控制开关、指示和记录仪表、自动化元件等组成，有的较为简单，有的很复杂。一般自动化程度高的冻干机组的控制系统较为复杂。控制系统的功能是对冻干机组进行手动或自动控制，使其正常运行，保证冻干制品的质量。

二、冻干程序

(一)、共熔点的概念

生物制品在冻干前多配成溶液或混悬液。溶液随温度降低而发生凝固冻结，达到全部凝固冻结的温度称为凝固点或称共晶点。不同物质的凝固点不同。实质上物质的凝固点也就是该物质的熔化点，故又称此温度为共熔点。由于冻干是在真空状态下进行的，只有制品全部冻结后才能在真空下进行升华。否则，有部分液体存在时，在真空下不仅不会使液体迅速蒸发浓缩，使冻干制品的体积缩小，而且溶解在水中的气体在真空下会迅速逸出，造成冻干制品鼓泡，甚至溢出瓶外。因此，准备冻干的制品在升华之前，必须冷到共熔点以下，否则产品的质量将受到严重影响。

生物制品的共熔点依其组成成分而异，不同生物制品的共熔点也不同。因此，必须精确测定每种生物制品的共熔点后才有可能按此共熔点进行冻干。从外表和温度测定无法确定制品是否完全冻结成固体，必须通过测定制品溶液的电阻率来确定制品的共熔点。

当温度降低时电阻增大，当降到共熔点时电阻即出现突然增大现象，此时的温度即是该溶液物质的共熔点。

共熔点的测定是将一对铂金丝电极插入制品溶液中，同时插入一支热电阻温度计，将电极、温度计、记录仪连接起来，电桥采用交流电供电，然后将溶液冷冻到-40℃以下低温，直至电阻达无穷大，随后缓慢升温至电阻突然降低的温度即为该溶液的共熔点温度。也可按图6-3所示的简单方法进行共熔点的测量。

共熔点的数值与制品的品种、保护剂种类及浓度有直接关系，浓度高共熔点则低(表6.1)。

(二)、冻干程序

1．预冻

冷冻干燥之前，先将制品溶液分装入适宜的容器，然后在低温(-40℃以下)下冻结称为预冻。预冻不仅是为了保护制品的主要性能，而且要使制品冻结后有合理的结构，有利于水分的升华。

预冻分冻干箱内预冻和冻干箱外预冻两种。箱内预冻是将制品溶液分装于小瓶或安瓿等小容器中，置冻干箱的分层隔板上后密闭，在-40℃以下进行预冻。箱外预冻是指制品分装后置-40℃以下低温冰箱冻结后再移入冻干箱内进行冻干。此外，如大装量的血浆制剂等则在箱外采用旋转冻结法预冻后再移入冻干箱内冻干。

预冻的主要目的是为了固定制品，以便在真空下进行升华。如果没有冻实，则抽真空时制品会溢出瓶外，失去一定形状；如果温度过低，则不仅浪费能源和时间，而且会降低某此制品的生物活性。因此，预冻对冻干制品的质量至关重要，影响预冻效果的因素有下列几方面。

(1) 溶液物质的组分与浓度

生物制品通常由水、生物活性物质和保护剂组成，为了保证制品干燥后有一定形状，其中除水以外的物质都应含有一定比例，通常在4％～25％，以10％～15％最佳。

(2) 装量

制品在冻干时，分装到容器中后存在一定的表面积与物质厚度之比，亦即冻干与装量有关。表面积大、厚度小有利于水分升华，容易冻干且质量理想。通常装量为容器容量的1/4～1/5，一般厚度不宜超过15 mm。