人参冻干的工艺人参直空冷冻干燥的工艺流程包括前处理、预冻、升华干燥、解析干燥、后处理。0 1人参冻干前处理在人参冻干前，将人参洗净、整形，选直径相当的人参、在人参上用银针穿孔。实验表明，这样处理的人参干燥彻底，外形美观，干燥时间短，节省能源。0 2预冻根据测得的人参共晶点温度为-15℃、搁板温度控制在0~-25℃，安验证明，当温度高于此值时，冻干人参的表面有鼓泡、抽沟、收缩等不可逆现象。预冻时间与人参直径大小有关，与冻干机性能有关。实验中选用的是直径 30mm 左右六年生圆参，经多次实验观察，将人参从室温(约为15℃)降到-20℃左右，人参的预冻时间为 3~4h，效果较好。0 3升华干燥人参在升华干燥过程中，由于需要不断补充升华潜热，在保持升华界面温度低于共晶点温度的条件下，不断供给热量。随着干燥层的增厚，热阻增加，供给的热量也应有所增加。这时应注意人参的已冻干部分的温度必须低于人参的崩解温度，否则，产品将会熔化报废。实验认为人参的崩解温度在+50℃左右。人参的升华干燥时间受许多因素的影响，是一个传热、传质同时进行的复杂过程。在此过程中，传热处于控制地位，干燥时，人参冻干过程的状态模型如图6-2所示。热量从加热器传至人参表面以对流和辐射为主，因此，压强对传热量有影响。从人参表面到升华界面热量以热传导形式传入。干燥过程中的传热传质具有相似的物理机理，热传导的推动力是温度差，传质的驱动力是压强差传质符合Fick 定律：式中，G为扩散速率；D 为扩散系数；M 为冰晶的摩尔质量；Tm为人参的升华界面温度；R为普适气体常数。干燥过程中的传热、传质过程是相互影响的，随着升华的进行，多孔干燥层的增长，不仅要降低传质的效率，而且也延缓了冰界面上升华水蒸气逸出的速率。根据上述分析，可建立起人参真空冷冻干燥的数学模型，再经数学推导，可整理出升华阶段所需要的时间t为19.2h，经实验测得，升华干燥时间为 20~22h 比较合适。0 4解析干燥在升华干燥结束后，人参内部的毛细管壁还吸附了一部分水，这些水分是没冻结的，这些吸附水的吸附能量高，如果不给予足够的热量，它们不能解吸出来，因此这个阶段的物料温度应足够高，人参的最高温度是 50℃。为使水蒸气有足够的推动力逸出，应在人参内外形成较大的压差。因此，这阶段箱内应该有较高真空度。解吸干燥时间控制在8h左右较好。0 5后处理干燥结束后，应立即进行充氮或真空包装，因干燥后的人参吸水性强，应防止产品吸潮而变质。根据以上的分析、计算、实验，得出人参冷冻真空干燥的工艺曲线如图6-3 所示。上述冻干曲线是直径约为 30mm 的六年生人参的典型工艺曲线。对于不同大小的人参和不同性能的冻干机，冻干工艺曲线是有变化的，不能生搬硬套，应根据具体情况修正。为提高人参的冻干速率，还常采用预冻前用银针穿孔法。这里进一步研究一下影响人参冻干的因素。0 7传热方式的影响人参经过前处理后，分别放在冻干室的搁板与搁板上的竹帘之上，然后进行冻结、干燥处理。在干燥相同时间后取出观察，直接放在搁板上的人参，在靠近搁板侧抽缩已干，另一侧则未干透，折之不易断，断面上有糊精存在。放于竹帘上的人参干燥彻底，外形完美，和鲜参相差不大，折断有脆声，断面蜂窝状且洁白。造成这种现象的原因是人参的热导率近于绝热材料，直接放于搁板上，与搁板接触侧受热量大，热量传不上去，造成这部分冰晶融化，产生抽沟现象，而人参上部受热少，整个人参的热量分布不均匀，干燥速率亦不均匀。放于竹帘上靠对流和辐射供热量，四周热流均匀，分布在人参上的温度均匀，传热传质都比较均匀，所以干燥效果好。0 8人参直径的影响不同直径大小的人参，干燥时所需升华时间不同，随着半径的增大，时间呈平方曲线上升，因为人参的直径越大，所含冰的体积越大，不考虑人参长度影响，体积与半径r的平方成正比，由此可见，进行人参冷冻干燥时，需要选择直径相当的人参同时干燥，不然在相同的升华时间内，有的已干燥完毕，有的升华还未完成，造成质量差异或不必要的能耗升高。因此，干燥不同直径的人参时，应调整升华阶段时间，选用不同的冻干曲线。0 9冻干室内真空度的影响人参冻干时的传质过程是水蒸气从冰表面升华，通过已干燥层的孔道，向真空室内逸出的过程。因此，冷冻界面与真空室内压差△P越大，则水蒸气的逸出速率越快。但真空室内压强太低，对于空间热对流不利，传给人参的热量减少，升华速率下降。如果真空室内的压强太高，△P减小，传给人参的热量增多，会造成界面融化，干燥失败。权衡传热、传质的平衡关系，经过实验，冻干人参时冻干箱内的压强选择在 13~133Pa 之间为好。采用循环压力法可提高人参的冻干速率。10水汽冷凝器表面温度的影响升华过程中产生的大量水蒸气是由水汽冷凝器排出的，水汽冷凝器的表面温度直接影响着冻干室内的真空度，影响人参的干燥速率。实验发现，水汽冷凝器的表面温度与升华界面的温度有关。水蒸气的流动取决于这两个温所对应的饱和蒸汽压力之差，降低水汽冷凝器表面的温度可以提高水蒸气的凝结速率，但是会增大设备的能耗和成本。实践证明水汽冷凝器表面温度取一30℃是经济可行的。采用冷冻真空干燥技术加工的活性人参，经鉴定，活性参无论在质量和外形上都优于用传统方法加工的红参、生晒参、糖参等制品。在低温条件下加工而成的活性参，其组织细胞内含物保留较完整，可利用度较高。将活性参用低浓度醇白酒或蒸留水浸泡，待具活性的细胞吸收水分后，可恢复鲜参状。由于活性参是在冷冻真空低温条件下脱水干燥的，鲜参所含酶未遭破坏，服用后易于消化吸收，可发挥更大的药效。采用冷冻真空干燥加工的活性参与烘干参成分对比见表 6-1.

人参的冻干人参为五加科多年生草本植物人参的根。人参古人曾称为“神草”，因为它功能神奇。主产于吉林、辽宁、黑龙江、朝鲜半岛等地，而以吉林抚松县产量大，质量好，因而称为吉林参。目前，人参有野生和裁培两种。野生人参以支大、浆足、纹细、芦（根茎）长、碗密，有圆芦及珍珠点者为佳。这种人参功效好，但生长时期长，价格也昂贵。人工裁培的人参，一般也要 6~9 年才能采收。比起野山参来，作用虽较弱，但价格要便宜得多。深受广大群众的喜爱。现代研究表明，人参含有人参皂苷Ⅰ~Ⅵ，人参根部含有人参酸 (系软脂酸、硬脂酸、油酸和亚油酸的混合物)，植物甾醇，胆碱（0.1%~0.2%，是人参中降低血压的成分），名种氨基酸和肽类、葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖，几种人参三糖，果胶等糖类，维生素 B、烟酸、泛酸等。对于经常服用人参的人来说，人参的贮藏方法是个难题。因人参含有较多的糖类，容易受潮，久放易生霉变和虫蛀，从而影响其药用价值，给食者带来诸多的麻烦。因此，科学地贮藏人参十分重要。人参的品种与加工方法:红参：以优质鲜人参为原料，经刷洗、蒸制、烘干而成。全须生晒参：以鲜人参为原料，刷洗后晒干或 40~50℃烘干。保鲜参：以优质鲜人参为原料，洗刷后经过保鲜剂处理而成。活性参：以优质鲜人参为原料，采用冷冻真空干燥技术加工而成。除了活性参之外，其他传统的加工方法干燥的人参，药效受到影响，外观不好。红参用水蒸气蒸煮，人参中的挥发性物质一人参萜烯类等物质有70%挥发掉。用冷冻真空干燥技术干燥人参，可使人参中的人参萜烯等其他挥发性成分不受损失，从而保全人参的全部有效成分。采用冷冻真空干燥方法加工人参，其成品参不仅形、色、气味优于生晒参和红参，而且可使生物性状和组织中内含物保持完整，有效成分含量高，因此，冷冻真空干燥法加工的人参有“活性参”之称。东北大学徐成海教授开展了人参冷冻干燥研究。人参的共晶点温度测定根据阿伦尼乌斯 (S.A.Arrhenius) 的溶液电离学说，自制的共晶点温度测量装置。测量的方法是：将人参切去芦头和须根，切成长 100mm、直径22mm的试件，将两块大小相等的铜电极插入人参中，插入的深度相同，在其附近插入电阻温度计探头，放入低温箱冻结温度为-30℃，数字电阻表不断显示电阻值的变化，温度显示仪给出同时的温度。经数据处理，可得出阻值随温度的变化曲线图6-1。根据图中曲线，取人参的共晶点温度为-10~-15℃。

纳豆激酶的冻干脉管栓塞、脑血栓中风、急性心肌梗死等心血管疾病，是当今社会中严重危害人们身体健康的主要疾病之一。纳豆激酶有很好的溶解血栓的作用，且在体内的半衰期长达8天，比目前盛行的纤溶酶类药品的半衰期长。此外，它还具有天然、无毒、无副作用，口服与注射同样有效，且作用迅速，可由细菌发酵生产等优点，故而可望开发成为新型的防治血栓病的药物和保健品。纳豆激酶是纳豆菌经由大豆发酵制造出来的生物酶，是由275个氨基酸残基组成的单链多肽，在低于40℃时活性相对稳定，高温时会失去活性。冻干法是目前保存生物活性材料最方便有效的一种干燥方法。通过开展纳豆激酶冻干研究，优化冻干工艺参数，可以减小冻干过程中纳豆激酶活性的损失，提高生产效率。西安工业大学的彭润玲博士完成了纳豆激酶的冷冻干燥研究。一、纳豆激酶物性参数的测定含水率的测定     利用OHAUS公司生产的MB45型水分测定仪测定纳豆激酶的含水率，取3次测量结果的平均值，确定实验用纳豆激酶溶液的含水率为95.57%。共晶点和共熔点温度的测定用电阻测定法，测量曲线见图4-6～图4-9，确定纳豆激酶溶液的共晶点和共熔点温度为-23℃。二、纳豆激酶冻干的实验             纳豆激酶溶液的冻结 采用真空蒸发冻结的方法，将装有纳豆激酶溶液的料盘放在冻干箱的搁板上，只给捕水器制冷到-40℃之后，开启真空泵直接抽真空。随着压力降低，纳豆激酶溶液内的自由水分蒸发加剧，外界不提供蒸发潜热，吸收物料本身的热量自然降温而实现冻结。生物酶溶液装量厚度不同时，真空蒸发冻结过程中温度随时间的变化如图5-29所示，厚度小时，降温速率比较快，厚度较大时，降温速率较慢，但对最终冻结温度的影响不大，均低于-34℃的共晶点温度。纳豆激酶溶液的厚度与降温速率之间的关系如图5-30所示，图中离散点为实测值，实线为回归方程曲线。回归方程为C=11.41608-0.50899h。式中，c为降温速率，℃/min；h为物料厚度，mm。相关系数R=0.99691，拟合效果显著。根据回归方程可求出物料不同厚度(3～15mm)时的降温速率。 真空度降到500Pa左右时，物料温度迅速下降，同时可观察到物料会起泡，甚至产生飞溅现象。另外在物料厚度超过10mm时，还会有二次沸腾现象。这是因为在500Pa左右，物料表面蒸发速率非常快，物料上层会先冻结，物料下层来不及冻结，但之后冻结层上空压力还在继续减小，冻结层上下压差产生的压力大于冻结层的强度极限时，会引起二次沸腾，蒸发加速，造成降温速率又一次突然增加，这一点从图5-29中也可以看出来。实验过程中还发现若将搁板温度预先降到-10℃，可大大减小因沸腾导致的飞溅现象。纳豆激酶溶液冻结物的干燥上述纳豆激酶溶液采用真空蒸发冻结方法冻结后，继续抽真空，并用隔板加热，以补充升华热。图5-31中为装料厚度为6mm时，纳豆激酶溶液的抽真空冻结干燥过程典型的工艺曲线。在纳豆激酶含水量为95.57%的条件下，采用表5-14所示因素三水平的正交实验，得出的综合结果列于表5-15中。干燥后的纳豆激酶含水量最高为4.64%。从表5-15极差R1可看出，冻干过程中几个影响纳豆激酶活力的因素主次顺序是：控制温度、冻结方式、真空室压力、物料厚度。试验4酶活力最高，工艺参数为控制温度-5℃，装料厚度6mm, 真空蒸发冻结，真空室压力10Pa,干燥时间730min。从表5-15极差R1可看出，冻干过程中几个影响冻干总时间的因素主次顺序是：物料厚度、冻结方式、控制温度、真空室压力，实验3时间最短，但酶的活性不高，且一次加载的干燥量少，综合考虑试验4工艺最好。纳豆激酶物料厚度较小时，适合抽真空冻结干燥，抽真空冻结速率快，不仅酶活率高，还节省了预冻时间，且预冻时纳豆激酶溶液内的自由水开始蒸发，干燥（浓缩）即已开始，缩短了总的干燥时间，提高了生产效率。研发合理的冻干添加剂，如添加甘油、丙二醇、牛血清蛋白、明胶、海藻酸钠等有利于缩短了总的干燥时间，提高了生产效率。提高酶的热稳定性，可进一步提高酶的存活率，升高控制温度，减少干燥时间。

心脏瓣膜的冻干ALAIN C进行了心脏瓣膜的冻干研究。ALAIN提出瓣膜冻干应具备三项功能：第一，应该能够提供多孔结构，以便当使用瓣膜将其悬在介质中复水时，能允许纤维原细胞迅速进入瓣膜内部；第二，杀死异源细胞；第三，保持胶原质结构以保证瓣膜的机械强度。ALAIN的实验研究中用的是猪的瓣膜，来自屠宰场。猪的平均年龄和重量分别是18周和80kg。心脏瓣膜是在猪死后2h以内从心脏上切下来的，瓣膜片在磷酸盐缓冲液里洗涤三次。叶片在4℃下存储超过24h。实验中总共用到了76个叶片。心脏瓣膜玻璃化温度的测定：将质量为20～30mg的一块瓣膜叶片密封在铝制器皿中，使用装配有液氮低温附件的Perkin-Elmer DSC2仪器测量。以1.25K/min的速度冷却到173K，在以40K/min的加热速度过程中，记录温度，得到温度-热流图如图5-22所示。由图中数据得出，玻璃化转变温度Tg为-83℃。冻干工艺对冻干心脏瓣膜形状的影响：心脏瓣膜的冻干实验是在一种实验型快速冻干仪器中进行的，其结构如图5-23所示。 将冷阱浸在硅树脂油的冷浴中冷却到-70℃，用旋片泵维持真空度，用麦氏计来测量真空度，可以达到0.005mmHg。三个瓣膜叶片用一种单纤维尼龙丝系在一小块PVC塑料网上，装在一个Falcon塑料管中。大多数实验中，Falcon塑料管浸在液氨或控制了温度的硅树脂油中，瓣膜叶片在冷空气环境下冷冻。冷却Falcon塑料管的冷浴的温度为-15℃、-40℃、-80℃或者-196℃。然后，将Falcon塑料管从低温液体中取出，快速地放入冻干机的冻干箱里；少数实验中瓣膜叶片被直接浸入-60℃或者-80℃的酒精浴冷冻。样品的冻结速率数据列于表5-13中。在叶片角落里粘有一个与图表记录器相连接0.12mm的铜镍合金，用于测量温度。冻干室初始温度为室温22℃，然后通过浸在-20℃或-30℃的恒温浴里控制温度。之后，自然升温，此为非控制冻干。真空干燥连续进行3h，这时叶片温度稳定在室温(22℃)。通过SEM对这些叶片的部分进行检查显示出预期的多孔结构，如图5-24所示。孔是由冷冻中形成和干燥中驱除的冰晶体产生的。而且有一个规律，冷却速度越低孔越大[对比图5-24(a)和(b)]，但不连续，每个样品也不一样[如图5-24(b)的例子]。叶片的厚度与冷却速度有直接联系。因为大多数孔的尺寸显得比预期的要小得多，可以尝试着在干燥前对叶片熔化和再冷冻，这样可以提高冰孔的尺寸。其他更多的叶片以6℃/min的速度冷却，在温度为37℃的水浴里熔化，然后以相同的速度再冷冻，三个以上再以72℃/min的速度冷却，但是它们产生了与仅仅经过一次冷冻的叶片相似的SEM外形。另一个问题就是稠密层的出现，许多样品表面很显然没有孔[见图5-24(b)]；SEM图片显示叶片表面是压实的，内部孔和外部很少连通[见图5-24（c）]；在叶片物质内部同样出现了紧凑层[见图5-24(d)]。这些现象显示了在干燥过程中发生了广泛的坍塌，可能是在干燥过程中温升较快造成的。在处理结束，叶片的含水量很少，很可能是发生了熔化和蒸发，而不是升华。因此后面进行了严格的控制冷冻干燥实验。在控制冷冻干燥过程中，选择了两种冷冻方法：将Falcon试管放在-40℃的冷浴里(平均冷却速度为6.7℃/min)，或者是放在196℃的液氮里（平均冷却速度为51℃/min)。将干燥烧瓶放在设定温度的冷浴里6h，它的温度就被控制在-20℃或-30℃；6h后关掉冷藏室，让浴温自动上升。测量的温升速度是0.06～0.08℃/min，从-20℃达到0℃需要5h，从-30℃到达0℃需要6.3h。总的真空干燥时间需要16h，最终温度为5～11℃。每个实验方案冻干了三个叶片，然后经过SEM检验。从8个瓣膜里得到的24个叶片都经过相同的处理，在干燥处理过程中或结束后和再水化后测量水的含量。结果显示在-30℃时的干燥速度是很慢的，20℃时尽管在那个阶段的最后将干燥时间从6h延长到12h可以保证水的含量很低，但是它对最后剩余水气没有影响。更多的研究是在为-20℃或-30℃温度下干燥6h的初始干燥后，再以0.06℃/min的加热速度进行第二次干燥，整个过程需要16h。SEM照片（见图5-25）显示，-20℃干燥的叶片有更好的外观，多孔基体更统一，没有坍塌的区域和厚的、稠密的边界层。孔的尺度比非控制冷冻干燥的叶片看上去大很多[比较图5-24(a)和图5-24(b)与图5-25(a)和图5-25(b)]。冻结速率为7℃/min的叶片孔显得比50℃/min的叶片的孔稍大而且更均匀。-30℃干燥的叶片表面外壳更厚一些，显示了在第二个干燥阶段中已经发生了坍塌。这是由于在最初的温度为-30℃干燥6h后，有更高的水含量。所以，起初干燥的温度最好是-20℃。但是，在两种情况下，表面都缺乏明显的与内部多孔基体相连通的孔。为了确定从SEM检查得到的压痕数量，测量了冻干叶片的厚度和孔的尺寸。图5-26显示了对两种冷却速度的数据比较，一种是非控制快速干燥，另一种是-20℃的控制干燥。不考虑干燥方法的影响，快速冷冻后叶片变得更厚了；同样，不考虑冷却速度的影响，控制干燥的叶片也更厚了。假如避免了崩塌，对于两种冷却速度，沿着垂线方向从内流到外流表面的冰孔数量相似。对分别经过1℃/min、5℃/min、25℃/min冷却速度的冷冻，然后进行初始干燥温度为-20℃的冷冻干燥的叶片，通过SEM测量了其孔的截面积的分布。在两个垂直方向上进行了表面观察，第一个是半径方向，即从容器表面指向容器中心；第二个指定的切线方向与第一个方向成90°，即它与容器表面的切线平行。结果如图5-27所示。可以看出冷却速度(1℃/min)低，冻干样品冰孔尺度分布广，而且在断面的两个方向上没有显著的差别；冷却速度快则冻干样品冰孔尺度分布窄，而且切线方向上比半径方向上孔径更大，也就是说，冰晶体形成于切线方向。经测量，在两种冷却速度下，大多数冰孔半径方向上面积为100～350μm2，但是冷却速度为5℃/min的比25℃/min孔径稍长，样本的横断面积分别为400μm2和200μm2。冻干工艺为：以5℃/min的冷却速度，然后在-20℃真空干燥6h，接着在缓慢的加热过程中进行二次干燥，得到的冻干多孔叶片残余水分为8%～9%，内部孔的测量尺寸为100～350μm2。这对横断面积为150-200μm2的纤维原细胞提供了足够的通道。因此，在后来的所有研究中都采用了上述叶片冻干工艺。SEM未能回答的问题：“内部冰孔与孔之间是互相连通，还是它们是独立封闭的？”为了回答这个问题，干燥前对叶片涂上荧光素，然后再用甲基安息香酸盐进行清洗后对它进行显微镜共焦扫描(CSM)，结果显示它的结构与开放的塑料泡沫相似。不过，SEM和CSM都暗示内部的多孔结构很少与表面联通。图5-28(a)和(b)显示了SEM的外观，流入表面上的凹陷很小(10~20μm),显得与内部的多孔结构不连通。CSM同样揭示了表面的口袋状结构，尽管横向连通的可能性不能被完全排除，但是它们似乎是封闭。然而，当叶片被放置在玻璃皿上，大部分流人表面朝上，用1根8×20号手术针就可以创造出三角形的穿孔，直径尺寸为75~100μm[见图5-28(c)和(d)]，穿透了流出表面，孔径小于10μm。ALAN的这项研究主要针对的是他提出的冻干瓣膜应具备的第一项功能：提供多孔结构，以便当使用瓣膜将其悬在介质中复水时，能允许纤维原细胞迅速进入瓣膜内部。

5.5.3 冻结眼角膜的干燥过程角膜干燥前，先开启制冷机，分别对冻干室、捕集器制冷，当冻干室内温度降到-20℃以下，捕集器内的温度降到-35℃时，迅速地把经过梯度降温的角膜放到冻干室，立即启动真空泵。在干燥过程中根据需要，调节充气阀，向冻干室内充入氯气以调节冻干室内的压力，同时根据需要调节制冷阀保证角膜冻干过程中所需要的热量供给，在干燥初期，不需开启加热器，此阶段角膜干燥所需要的热量靠外部传入即可得到满足，当冻干室内温度达到0℃时，开启加热器供给热量，但保证冻干室的温度不超过9℃，冻干结束，关闭真空泵，对冻干角膜进行充氮包装。实验中发现，角膜在磨口玻璃瓶中的放置方式（图5-14）对冻干角膜质量有一定的影响，试验表明，角膜悬于磨口玻璃瓶中，内皮细胞层朝下为最佳放置方式。如图5-14(b)所示。角膜冻干过程热量的供给很容易满足，整个冻干过程可以视为传质控制过程，传质速率由细胞膜固有通导能力决定。干燥过程中，应根据干燥的不同程度，来确定冻干室内压力的高低以及所持续的时间，保证水蒸气由细胞膜孔隙溢出，且细胞膜内外压差始终很小，以减小对细胞的伤害。由于角膜细胞很脆弱，在冻干过程中极易受到干燥应力、机械应力的损伤，冻干过程中低压时间过长或细胞膜内外压差过大，都会大大降低冻干角膜的成活率。变幅值、变周期的循环压力法应用于角膜的冻干，有利于角膜活性的提高。其根本原因是在整个干燥过程中，角膜细胞内外压差小，对角膜的损伤小。这主要源于两方面原因：一是通过控制冻干室内真空度的高低，以及循环时间的长短，使细胞内的蒸汽及时扩散到冻干室中，避免了细胞内饱和蒸气压过高，膜内外压差过大，造成细胞的损伤。当细胞内蒸气压较高时，开启充气阀向冻干室内充入氮气，在细胞膜外施加一压力，虽然此时传入细胞内的热量增多，使细胞内的蒸气压进一步升高，但此蒸气压的升高较细胞膜外压力的升高小得多，结果是细胞膜内外的净压差减小。然后，渐渐关闭充气阀，使冻于室内的真空度逐渐升高，这样角膜细胞内的蒸汽较平缓的通过细胞膜扩散到冻干室，减小了压差对细胞膜的损伤。当冻干室内真空度升高到一定程度，再逐渐充入氨气，传人的热量增多，开始了下一个周期。二是强化传热并促进外部传质，缩短冻干时间，从而减少了角膜内皮细胞受干燥应力损伤程度，具体工艺是读干室内温度到-25℃，真空度为50Pa时，开始第-次循环，温度每升高5℃循环一次，循环5个周期，温度达到0℃时，循环停止。压力时间关系曲线见图5-15，角腹的冻干工艺曲线如图5-16所示。图5-17、图5-18分别为按上述工艺冻干角膜透射电镜检测结果、扫描电镜检测结果。从图5-17、图5-18可以看出，冻干角膜的内皮细胞间连接紧密，细胞轮廓接近于六边形。细胞膜完整，细胞核膜完整，内皮细胞层与后弹力层连接紧密。这是因为整个冻干过程中，根据干燥的不同程度，来确定高室压、低室压以及所持续的时间，保证了水蒸气由细胞膜的孔隙溢出，即传质速率由细胞膜的固有通导能力决定，保证了细胞内外压差始终很小，减小了对细胞的伤害。

-邀请函-INVITATION诚挚邀请慕尼黑上海分析生化展（analytica China）是亚洲较大的分析和生化技术领域的国际性博览会，是业内优秀企业全面展示新技术、产品和解决方案的平台。展会同期举办的analytica China国际研讨会与研习班也是业内人士关注的焦点，其聚焦整个行业的发展，是科学技术和行业技术相互传递的理想平台。2023年7月11日，慕尼黑上海分析生化展，展会为期三天（7.11-13），我们受邀参展，正在火热筹备展会中。2023年慕尼黑上海分析生化展届时您将能在展位号8.2A518看到我们的展位盛况！现诚挚邀请各位莅临指导！-INTRODUCE-公司简介四环福瑞科仪科技发展（北京）有限公司为用户提供完整的冻干工艺和设备交互式技术、保障、管理服务。我们秉承“以客户为中心，追求更高的客户满意度”的服务理念，将冷冻干燥行业积累的经验与不断发展的进步科技相结合，为中国冷冻干燥行业用户提供解决方案与优质服务，让您的冷冻干燥工作更便捷，高效。-INFORMATION-展馆地址国家会展中心（上海）北门：上海市崧泽大道 333 号；西门：上海市诸光路 1888 号南门：上海市盈港东路 168 号；东门：上海市涞港路 111 号我们的展位号： 8.2A518 -DESIGN-展厅设计北京四环福瑞将携多款产品亮相本次展会，期待与您8.2A518展位相聚，共谋创新与发展、共议合作与商机，届时我们不见不散。我们的展位号：8.2A518 -PRODUCTS-特色产品冷冻干燥机LGJ-10C冷冻干燥机LGJ-12G冷冻干燥机LGJ-30G冷冻干燥机LGJ-50H-CONTACT-联系关注扫一扫关注我们~

5.4.2 动物眼角膜的冻干理想的角膜保存方法要满足技术简单、最大限度地保持角膜组织的活性、保持生理状态下角膜厚度和结构、有利于手术操作等要求。现有的角膜保存技术中，除了最有代表性的4℃湿房短期保存法外，还有受者血清保存法、器官培养保存法、甘油冷冻保存法、深低温冷冻保存法和无水氯化钙干燥保存法，这些方法都没能满足上述理想保存方法的要求。角膜冷冻真空干燥的目的是保持其活性，便于较长时间的贮存，使需求者能及时得到活性角膜，以便再植。 5.5.1 眼角膜的冻干工艺流程                  冻干角膜保持活性的关键是冻干工艺，角膜的冻干工艺是一个复杂的过程，如图5-12所示。影响冻干效果的因素很多，如保护剂的配制、角膜的冷平衡、梯度降温、冻干室内压力变化、温度变化，冻干角膜复水等。东北大学的王德喜对角膜的冻干进行了系列研究。研究中使用的是中国医科大学临床医院动物室提供的大耳白家兔，体重为2～3kg。 5.5.2 眼角膜冻结过程中的冷平衡            角膜在梯度降温过程中，要经受-150℃以下的低温损伤，在干燥过程中，要经受干燥应力的损伤，在没有保护剂保护情况下，经历如此损伤，角膜细胞很难保持活性。合理的选择和配制保护剂对角膜的保存至关重要。实验研究表明角膜由蔗糖、二甲基亚砜(DMSO)、20%安普莱士（人血白蛋白）作为保护剂，冻干效果良好。为了防止角膜在冻结过程中损伤，还要对角膜进行冷平衡处理。冷平衡保护剂的具体配比见表5-12。具体操作过程：将无菌的角膜片先放入1号液，移入4℃冰箱冷平衡10min，然后用无菌镊子夹住巩膜边，将其移人2号液平衡10min，依次在3号液、4号液中各平衡10min。冷平衡工艺如图5-13所示。在冷平衡过程中，保护剂中的DMSO通过角膜的细胞膜进入到细胞中，置换出其中部分水分，在达到动态平衡前，保护剂中DMSO浓度要高于细胞中DMSO浓度。角膜依次在不同浓度的保护剂中进行冷平衡，这样角膜中的水分就会不停地与保护剂中的DMSO进行置换，经过一段时间的传质，细胞中的水分将大量减少。由于细胞内水分溢出速度与DMSO的浓度有关，为防止细胞内水分溢出速度过快造成细胞的损伤，使角膜细胞有个适应过程，角膜冷平衡采取逐步递增DMSO浓度进行平衡。冷平衡处理后兔角膜内皮细胞经联合染色检测，结果与新鲜角膜无区别，说明冷平衡对角膜内皮细胞的活性无损伤，该冷平衡工艺可行。待角膜在4号液平衡结束后，立即取出放入磨口玻璃瓶里，在降温仪中进行梯度降温。梯度降温目的是使细胞内的溶液冻结成玻璃态，以使角膜迅速越过对细胞冻伤最严重温度区（-30～-60℃）时，细胞不受伤害。采用两步法进行梯度降温，第一步角膜距液氮面9cm，停留l0min，使角膜内部温度稳定在-16～-20℃范围内，此阶段角膜的降温速率为2～2.4℃/min;第二步角膜距液氮面1.5cm，停留10min，使角膜内部温度稳定在-130～-150℃范围内，此阶段角膜的降温速率为11～14℃/min。慢速降温时，细胞外的水易冻结成冰，电解质浓度升高，细胞内的水渗出细胞外，使细胞暴露在高浓度的溶质中，导致细胞膜蛋白复合体的破坏和膜的分解，造成溶质损伤。快速降温时，细胞内的水来不及渗出便结成冰，细胞内外同时有冰晶形成，容易刺破细胞造成机械损伤。这样必须快速慢速相结合，方可达到目的。由于冷平衡时，二甲基亚砜已经将细胞内的水分多数置换出去，在缓慢降温时，细胞内的溶质易形成玻璃态，可以避免溶质损伤。故可以先慢速降温，然后快速降温。两步法降温中，第一步慢速冷冻，将角膜温度慢速降至-20℃，可以避免过快冷冻时角膜内冰晶形成所造成的损伤和过慢冷冻时细胞置于高浓度溶液下时间过长所造成的溶液损伤。第二步快速冷冻，角膜以很快的降温速率降至-130℃以下，细胞内未冻溶液实现了非晶态固化，使细胞少受或不受损伤。

四环福瑞科仪科技发展（北京）有限公司于2023年5月28日-30日在南昌绿地国际博览中心参展第二十届中国国际检验医学暨输血仪器试剂博览会（CACLP），第三届中国国际IVD上游原材料制造暨流通供应链博览会（CISCE），此次展会圆满成功。  5月27日，参会同事齐心协力完成展位布置。参展产品分别为LGJ-10C及多歧管、LGJ-12G、LGJ-40G、LGJ50H，另外展位上同时通过电视机循环播放冷冻干燥过程四个阶段的讲解视频。 本次展览展出机型吸引了广大参观者的目光，前来展位咨询的新老客户络绎不绝。来访人员包括高校教师及研究生、企业采购及技术人员、经销商等。部分参观者在工作人员的细致讲解中逐渐完善行业知识，更是对进一步合作表达了期待与展望。合作伙伴等更是直奔展位，与现场同事洽谈购机事宜。四环冻干感谢新老客户一直以来的支持与信任，并坚持用十分的热情与专业回馈客户。 任经理及叶经理向客户介绍LGJ-10C及多歧管毛经理及肖经理向客户介绍LGJ-12G 王经理及丁经理向客户介绍LGJ-30G  叶经理向客户介绍LGJ-50H 通过循环播放冷冻干燥过程四阶段的讲解视频，吸引众多参观者驻足观看，其中以高校教师、研究生、企业技术等人员尤甚。四环冻干不仅致力于为客户提供设备、保障售后，更专注在冻干工艺方面为客户提供定制化服务方案。  欢迎关注腾讯视频、优酷视频等官方账号——北京四环冻干，冷冻干燥过程四阶段讲解视频已全网上传，期待您的关注。请认准四环冻干商标（注册号：16960724）  关于四环福瑞四环福瑞科仪科技发展（北京）有限公司为用户提供完整的冻干工艺和设备交互式技术、保障、管理服务。有一支专业高效、响应及时的客户服务和技术支持团队，设立了北京、上海、广州、武汉、长春、成都、西安等区域服务中心，建立了辐射全国的客户服务体系，可协助用户按照国家和行业相关标准要求构建技术资料体系，提升产品使用和维护水平。

2023年5月28日-30日，第二十届中国国际检验医学暨输血仪器试剂博览会（CACLP），第三届中国国际IVD上游原材料制造暨流通供应链博览会（CISCE）将在南昌绿地国际博览中心举行。北京四环福瑞科仪受邀参展，与您相约，共赴盛会。CACLP是全国卫生产业企业管理协会医学检验产业分会领衔主办，集产业、学术、展览于一体的IVD高峰会议，代表了我国以及亚太地区IVD行业的最高水平，被誉为“中国的AACC”。本届CACLP博览会展览面积7万平方米，汇聚了1000多家企业参展。四环福瑞展位号：B4-0313北京四环福瑞将携多款产品亮相本次展会，我们秉承“以客户为中心，追求更高的客户满意度”的服务理念，个性服务、创新设计、高效处理、品质保障，为客户提供专业冻干设备及实验方案的全方位服务。产品简介：1.控制软件系统为LINUX系统，冻干过程均有可编程程序自动控制，可随时切换为人工操作；2.连续记录实时数据，绘制冻干曲线，每分钟存储一次数据；3.产品生产通过ISO质量管理体系认证，通过欧盟CE认证，控制系统人机界面符合NEMA（国际电气制造业协会）防护规定；关于四环福瑞四环福瑞科仪科技发展（北京）有限公司为用户提供完整的冻干工艺和设备交互式技术、保障、管理服务。有一支专业高效、响应及时的客户服务和技术支持团队，设立了北京、上海、广州、武汉、长春、成都、西安等区域服务中心，建立了辐射全国的客户服务体系，可协助用户按照国家和行业相关标准要求构建技术资料体系，提升产品使用和维护水平。

5.4 骨骼和骨髓干细胞的冻干骨病和创伤引起的骨缺损或功能障碍是危害人类健康的主要原因之一。骨组织工程的提出、建立和发展为从根本上解决骨缺损的修复、结构以及功能重建提供了新的途径，但目前的组织工程骨构建需要较长的时间且保存条件苛刻，不能达到“随取随用”的最终要求。1942年古巴医生Inclan提出骨库概念，1950年美国首先在马里兰州建立海军组织库。骨库的建立使临床异体骨移植成为可能。      5.4.1 冻干骨的生物性能                    早期保存异体骨的方法主要是冷冻和冻干处理，而冻干骨更被看好，来源包括肋骨、髂骨、下颌骨。这一点在后来Malinin等的动物实验得到了证实。他们以9只狒狒为实验对象，将冷冻骨与冻干骨分别植于动物胫骨近端对称部位并做了组织学观察，结果发现冻干骨不仅可以诱导成骨，且成骨速度优于冷冻骨。Sewell等分别在猴子下颌骨下缘两侧造成17mm×5mm的缺损，结果一侧接受异体冻干骨移植的6只猴子其下颌骨块处均获得愈合。Pike和Boyne采用大段冻干骨和自体骨髓复合进行了狗和猴子下颌骨重建，证明异体冻干骨易于被宿主接受，但是6例实验中有2例与口腔穿通将自体骨冻干后植入狗的节段性骨缺损获得了成功，结果经统计学分析显示自体骨冻干前后的孔隙率、植入骨与宿主骨的愈合时间、新骨骨痂形成量、成骨后的力学强度等均无显著差异。1990年后，大段同种冻干异体骨移植研究继续发展，国内外众多学者分别进行了冷冻骨移植的临床实践，但整体来说大段异体骨移植还面临动物实验过少、临床工作不系统的问题，目前自体骨移植在矫形外科依然占据绝对主导地位。同时，随着骨库的蓬勃发展，以Stevenson、Enneking等为代表的一批学者做了大量基础和临床研究，大段同种异体骨移植在骨科得到了广泛和成功的应用。1993年Ellis等采用冻干异体骨结合自体松质骨进行了10例下颌骨重建，随访3.5年8例获得成功，2人出现并发症经过手术处理恢复良好。通过对西南医院数百例冻干异体脱钙骨基质(FDBM)使用患者的随访观察，使用冷冻和冻干处理三个月以上的异体骨降低了原本的免疫活性，虽有抗原残留但可以忽略其不良作用。自1965年Urist率先研究同种异体冻干骨的成骨功能以来，冻干脱钙骨基质(FDBM)在临床应用逐渐广泛。FDBM有良好的孔隙率及孔隙间连通率，同时还保留了一定的骨诱导能力，其表面拥有矿物沉淀的位点，能与启动和控制矿化的非胶原基质蛋白结合，因此还能促进矿物质的沉淀，促进骨生成。FDBM是应用特殊工艺制备的生物骨替代材料，由于精细的骨小梁结构和内部孔隙被保存下来，同传统骨替代材料羟基磷灰石等相比具有较好的生物活性，近年被引入国内并很快应用于种植外科。Iwata等总结了FDBM的优点：保留部分骨诱导成分，能常温贮存而基本不变质，可快速降解并被宿主骨替代，能长距离发挥骨传导作用。我国解放军总医院口腔颌面外科许亦权等的研究表明，冷冻干燥骨具有骨抗原性更低、保存条件宽松的优点，是骨库另一常用异体骨保存方法。但有人提出冷冻干燥处理将异体骨中的水分在短时间内降低到6%以下，造成骨胶原纤维发生微小裂隙，因此可以导致力学性能降低，也有人认为使用之前充分水化可以改善这一缺点。目前冷冻干燥法较多用于处理松质骨块，四肢大段承重部位骨不进行冷冻干燥处理，关于皮质骨接受冷冻干燥处理后力学性能特点的报道较少。许亦权的研究中采用的冷冻干燥骨试件测试前经过了6h水化，结果发现：与新鲜组相比，冷冻干燥组在抗压缩测试中最大载荷、最大位移降低，刚度升高，但是配对检验均无显著性意义，方差分析最大位移显著降低；在抗弯曲测试中冷冻干燥组的最大载荷降低30%，刚度升高41%，统计学差异显著。这一结果与冷冻组表现出的特点相似，统计结果也显示冷冻干燥组与冷冻组相比最大载荷、最大位移和刚度均无显著性差异。这说明经过冷冻干燥处理的犬下颌骨硬而脆，抗弯曲能力下降比抗压缩能力下降明显。像冷冻组一样，经过水化的冷冻干燥犬下颌骨仍然可以保持良好的外形并能提供较好的支持能力。侯天勇进行了冻干组织工程骨(FTEB)与组织工程骨(TEB)活性比较研究。取志愿者捐献的骨髓和骨组织分别培养(hBMSCs)和制备脱钙骨基质(DBM)，取第3代hBMSCs与DBM复合构建TEB，分别于体外孵育3d、5d、7d、9d、12d、15d经过低温干燥后得到冻干组织工程骨。将FTEB、TEB和DBM分别移植于30只6周龄BALB/C裸鼠皮下进行异位成骨实验。移植术后4周各种移植物未见明显钙化；术后8周、12周，TEB和FTEB移植裸鼠皮下可以实现较好的异位成骨。通过X线片评分、CT值比较移植物钙化程度，TEB和FTEB差异无统计学意义，而DBM未见明显钙化。HE染色显示TEB和FTEB出现钙化，DBM降解吸收。可见，FTEB与TEB具有相似的成骨活性。

5.3.2  大鼠皮肤吹干与冻干比较研究10年后，西北大学的杨维也进行了大鼠皮肤的冷冻干燥实验。他首先重点研究了浓度、孵育时间、孵育温度对大鼠皮肤冻干保护剂海藻糖负载量的影响。实验结果表明，大鼠皮肤对海藻糖的载入量的优化条件为：海藻糖浓度800mmo1/L,孵育温度37℃，孵育时间为7h。之后，皮肤组织分别进行冻干和吹干。(1)冻干  皮肤组织在37℃加载海藻糖，4℃加载DMSO，将负载了海藻糖和DMS0的皮肤块放入冻存管内，冻存管放入程序冻存盒，置于-80℃冰箱冷冻。12h后将冷冻的皮肤组织连同冻存管转入预冷的冻干机，去掉冻存管盖子。冷冻干燥机运行状态参数为：冷阱中温度-45℃，冷阱上方温度0℃左右，真空度10Pa,冻干时间设置30h。先将皮肤样品置于冷阱中冻干24h，然后在冷阱上方冻干6h。先在冷阱中冻干是为了防止皮肤组织中固态的水分回融再结晶对组织产生冰晶损伤，组织中大部分游离水升华后转冷阱上方冻干，此时温度稍高可以进一步除去组织内部水分。(2)吹干  皮肤组织在37℃、800mmol/L海藻糖培养液中孵育7h加载海藻糖，负载了海藻糖的皮肤用滤纸拭去表面残留液体，表皮朝下平展于玻璃培养皿中，培养皿敞口置于生物安全柜（打开送风开关）吹干。大鼠皮肤的吹干时间设置为20～30h可以将皮肤中水分去除较彻底，玻璃化状态良好。经检测得知，刚冻干皮肤活性比刚吹干皮肤活性高1/3，保存时间延长到28d，冻干组皮肤活性与刚吹干组相当。冻干过程中，皮肤组织内水分先在DMSO保护下逐渐冻结，放入冻干机后固态水升华，由于海藻糖取代水分子的作用，干燥过程组织形态结构和活性不会发生变化，但在吹干过程中皮肤组织内水分由液态直接蒸发，原来包绕在细胞外的水膜以及和蛋白质等生物大分子结合的水分子可能还未完全被海藻糖取代就已蒸发。上述原因可能导致未保存的冻干皮肤活性高于吹干皮肤。干燥保存的皮肤活性开始降低速率较快，降到一定程度后降低速率减慢，所以保存一周后冻干组和吹干组皮肤活性没有统计学差异。干燥保存的皮肤置于饱和湿度的恒温培养箱37℃预水化15min后，皮肤依次用含800mmol/L和400mmol/L海藻糖的DMEM培养液室温下孵育15min，用不含海藻糖的无血清DMEM培养液漂洗3次以上，清除皮肤组织中残留的DMSO和海藻糖，最后转入无海藻糖的DMEM培养液中孵育2h，进行形态观察。如图5-10所示。冻干皮肤玻璃化状态良好，呈半透明状。复水后能够恢复到新鲜皮肤的大小和色泽。冻干皮肤角质层局部受损，而组织结构和细胞形态与新鲜皮肤组织没有差异。将冻干后复水的皮肤移植回自体大鼠，可存活13d。自体移植后冻干组皮肤存活时间较吹干组长，可能是由于吹干过程对皮肤组织产生的损伤较大。冻干组皮肤在6d皮下出现血红色区域可能是自体动物在移植皮下发生血管化，但后来有两处变成暗红色，而其他区域血红色减弱消失可能是血管化失败，而吹干组未出现血红色，可能根本就没有发生血管化。通过HE染色和透射电镜对比分析新鲜皮肤和干燥皮肤组织结构和细胞结构。HE染色结果显示干燥保存过程没有明显改变皮肤组织结构，也未影响皮肤组织的结构完整性。透射电镜结果说明干燥皮肤具有与新鲜皮肤无差别的细胞结构和胞外胶原结构，同时可观察到干燥皮肤细胞中结构正常的线粒体和平滑的核膜等细胞器。结构学观察结果证明干燥保存未对皮肤组织结构和细胞结构产生明显影响。通过荧光标记和MTT活性分析研究干燥过程对皮肤活性影响。荧光标记结果表明，除毛囊处明显受损外冻干皮肤组织大部分区域在水化后能恢复活性。MTT活性分析结果显示冻干和吹干皮肤仍能分别保持58%和48%的活性。

5.3皮肤的冻干   冻干皮肤在医学上的临床应用研究始于20世纪50年代。动物皮肤的冻干目的是用于对药物经皮肤渗透性的研究。由于透皮吸收给药新型的问世，药物经皮渗透性的研究正成为开发这类新型筛选药物的重要手段，由于大量长时间动物皮的需求，实际应用时常将待用皮放在冰箱里，可保存1周左右。时间再长，不但影响药理实验的稳定性，而且皮肤将变质。为增长皮肤保存期，可将动物皮肤冻干保存；人类皮肤冻干的目的是用于再植，为烧伤或外伤皮肤的病人植皮。5.3.1 大鼠皮肤冻干工艺及药物渗透性实验东北大学的郑文利博士早在20世纪末就进行了大鼠皮肤冻干的实验研究。取活大鼠脱颈处死后，立即用电动去毛刀去其腹部鼠毛，剥离皮肤，除去皮下脂肪层、血管及残留物，用蒸馏水冲洗干净，制成不同尺寸的皮片，再用生理盐水冲洗数次备用。将制备好的大鼠皮放在速率降温仪中，以-5℃/min、-l5℃/min、-30℃/min三种不同速率降温至-30℃。将三种不同降温速率预冻的大鼠皮，分别放入小型冻干机中抽真空，30min后压力稳定在120Pa,不主动加热，连续干燥34h后关机，充氮气后取出，用无菌塑料袋封装后，放在干燥器内保存。将以不同预冻速率冻干的大鼠皮肤，经10%福尔马林固定，石蜡包埋制片，进行病理切片，切片厚度4～5μm,HE染色，再显微镜观察。新鲜大鼠皮组织切片如图5-8所示，以5℃/min速率预冻并冻干大鼠皮组织切片如图5-9所示。从图中可以看出冻干皮组织与新鲜皮组织相本相同，未见细胞破裂、上皮脱离、组织褶皱、细胞变性和细胞间隙增宽等异常，说明冻干皮组织结构未发生变化。其他速率预冻并冻干后的结果基本一致。冻干大鼠皮角质细胞间隙脂流动性的电子自旋共振(ESR)测定：选  用5-噁唑氮氧自由基硬质酸(5-DSA)作为自旋转标记物，将新鲜的和  三种不同预冻速率的冻干大鼠皮角质层样品泡在浓度为1×10-4mol/L  的5-DSA缓冲液(pH=7.4)中12h，保温20℃，然后取出淋洗干净，37℃烘箱干燥1h，分别放进电子自旋共振波谱仪样品管内，再置于腔中。ESR测定条件：扫描宽度200G，接收增益3.2×104，时间常数20.48ms，微波功率5.02mW，扫描时间83.888s，调制频率  25.000kHz，调制幅度0.947G。经ESR波谱分析得知，三种不同冻  结速率预冻的冻干大鼠皮与新鲜大鼠皮各系数相比无显著差异，说明  冻干大鼠皮肤未引起表皮细胞间脂质结构的变化，大鼠表皮角质细胞  间脂质排列的有序性没有改变，流动性没有增加。实验采用尼莫地平为模型药物（一种脑血管扩张药），选用预冻速  率为l5℃/min的冻干大鼠皮和新鲜大鼠皮做药物渗透性实验，考察其  组织结构有无变化。实验采用装置为V-lia-chien水平扩散池。它是由  两个等容积的玻璃半池组成，半池内径为l.35cm，有效扩散面积为  1.43cm2，容积为10mL。半池上方开口为取样口，池底有凹陷平  台，起到固定搅拌的作用。实验时将皮肤固定在扩散池的两个半池之  间，角质层面向供体池。水化1h后，供体池加入10mL尼莫地平的  30%丙二醇水过饱和溶液，接受池中加入10mL的30%丙二醇水，置  于32℃温水浴中，磁力搅拌，定时取样并更换全部接收介质。样品经  徽孔滤膜(0.45nm)过滤，续滤液，样品进人高效液相测定。尼莫地平  外含量测定采用高效液相色谱法紫外检测。色谱条件：色谱柱  Spherisorb46mm×25cm，检测波长237nm，流动相是甲醇/水  (64/36)，流速为1.1mL/min，进样量10μL。实验结果如表5-11所  示。表5-11正常皮肤和冻干皮肤对尼莫地平渗透量比较表5-11中的数据表明，在渗透9、10h、12h时，冻干皮肤与正常皮肤对药物尼莫地的渗透量无显若性差异。可见，冻干的大鼠皮肤能够满足药理的实验要求，可用做透皮制的实验研究，可以长期贮存备用。

5.2.6 猪丹毒疫苗冻干 猪丹毒疫苗主要用于生猪生产中防疫。早在20世纪50年代，就有兽医药企业对猪丹毒疫苗的冻干进行了生产试验，给出了冻干工艺。之后又不断对猪丹毒疫苗的冻干工艺进行改进。南京兽医生物药品厂在70年代给出的冻干工艺为：-35℃开始升华，1.5h升至35℃保持14.5h，20mL瓶装7.5mL，干后菌存活率高达89.8%。制品共融点在-12℃左右，升华干燥7h后结束，疫苗温度约-12℃。苗内大部分水分在-10℃以下排除。14h后苗温和箱温接近一致，冻干曲线如图5-5所示。升华干燥期间，苗温与箱温有很大温差（约55℃），是制品在低温升华过程中排除大量的汽化热所致。解析干燥期间，供热主要用于排除菌苗中所含的少量水分，这一阶段供应相当多的热量，仅能排除有限的水分，是因为细胞内水分比细胞间的水分较难排除。研究表明，供热速度和温度的适应比装量多少、升华时间的长短具有更重要的意义。  5.2.7 猫泛白细胞减少症疫苗和“犬四联”弱毒疫苗冻干 猫泛白细胞减少症是猫细小病毒引起的猫的一种急性、致死性传染病，乳发病猫死亡率最高，目前尚无特效治疗药物，需靠疫苗预防。李六金等研究了冻干猫泛白细胞减少症弱毒疫苗的冻干工艺。将疫苗按表5-9配方配制，经100℃恒温处理10min, 冷却到4～8℃，分装1mL/瓶，然后进行冻干。冻干工艺如图5-6所示。通过上述工艺制备的猫泛白细胞减少症弱毒疫苗产品，为乳白色海绵状疏松团块，易于脱壁，残余含水量为3.0%～3.2%。加稀释液后迅速溶解，溶解后呈淡粉红色液体。经检测对比，冻干前后配苗毒液效价大致相同。肌肉注射给小白鼠和幼猫进行安全检验，结果被试动物全部键活。冻干技术也可以用作混合疫苗的制备。李六金等还研究了“犬四联”弱毒疫苗的冻干。犬四联疫苗的配制按表5-10配方完成。毒液配制好后，与稳定剂按1：1比例混合并分装成2mL/瓶。分装后的疫苗在LGJ型医用冷冻干燥机中冻干。产品进箱后让冻干箱降温慢冻。预冻的最低温度-40℃，到达预定的-40℃后再保持1.5h。预冻结束减压，并在30min左右使真空度达到l0Pa，直至冻干结束为止。当真空度达到10Pa之后开始加热。总的冻干时间为20h。冻干曲线见图5-7。冻干后的犬四联疫苗产品呈微黄白色海绵状疏松团块，易与瓶壁脱离。加稀释液后迅速溶解成粉红色澄清液体。经检测，冻干后疫苗效价滴度比冻干前降低约0.5～1.0个滴度，属于正常范围。5.2.8  甲型肝炎减毒活疫苗冻干 液体剂型的甲型肝炎减毒活疫苗在市场上已经应用多年，并取得了较好的免疫保护效果，但疫苗需低温冻结保存，冷链运输。冻干的甲肝减毒疫苗，可方便于储运和使用。李光谱等研究了甲型肝炎减毒活疫苗的冻干。甲型肝炎病毒L-A-1株第23代，在人胚肺二倍体细胞ZBS株上大量培养后，分别制成纯化苗（经冻融、高速离心、PEG6000浓缩、氯仿抽提、Sephacryl S-400柱色谱等提纯，PBS缓冲液稀释，加适宜保护剂制成冻干疫苗)和未纯化苗（经冻融、超声、过滤等，加适宜保护剂制成冻干疫苗）。疫苗在ALPHA1-6冻干机中冻干。-50℃预冻，-50～30℃抽真空干燥6h，-30～-20℃抽真空干燥9h，-20～-5℃抽真空干燥5h，-5～28℃抽真空干燥10h。甲型肝炎病毒属小RNA病毒，无脂蛋白包膜，一般不耐受冷冻干燥，解决无脂蛋白病毒冷冻干燥的问题需加入冻干保护剂。从实验结果看出，不同保护剂配方对冻干甲型肝炎减毒活疫苗冻干前后的病毒滴度影响较大，以山梨醇、蔗糖、脂肪酸盐(3%山梨醇、2%蔗糖、1%脂肪酸盐)配方为主的保护剂，保护效果最好，冻干前后疫苗病毒滴度下降均在1.0以内，放置37℃ 1周下降0.5以内，符合规程要求。未纯化疫苗中可能含有各种破坏性的酶（蛋白酶、脂肪酶等），冻干后37℃放置1周可能有一部分酶被激活，对病毒外壳结构和核酸RNA有破坏作用，纯化后无酶的影响，热稳定性较好。

5.2.3 冰核菌种冻干 20世纪90年代初，朱红等发表了冰核菌种冻干的研究。冰核细菌大量附生于植物表面，并在-2～-5℃以下具有很强的冰核作用，在人工降雨降雪、人工制冰和生物免疫学检测方法中有很高的应用价值。朱红等人对冰核菌种的5种保存方法进行了比较研究。其中IHM4菌株的实验结果列于表5-6。表5-6数据表明，对于IHM4冰核菌种，考虑存活力和冰核活力两个因素，冷冻干燥保存与灭菌水保存效果相当。但冻干后更方便储运，而灭菌水保存更为经济。该项研究没有给出具体的冻干工艺参数。5.2.4 鼠疫菌种冻干 为长期有效保存鼠疫菌种，使其不失原有的生物学特性，郑星铭等早在1997年就进行了鼠疫菌种的冻干研究，给出冻干工艺。活化的菌种接种于溶血赫氏琼脂斜面，28℃培养40h。将培养后的菌种研磨分散于1.5mL灭菌脱脂牛乳中，再分装在10支安甑中，每支约0.2mL、3~4mm高。为确保鼠疫菌种不被抽出，防止污染环境，每支安瓿的管口用灭菌脱脂棉松塞。将安瓿竖立在专用铝盒内，送入已经降温至-30℃的冻干箱内预冻。预冻1h后，继续降温2h后达-55℃。开启真空泵，升华干燥。干燥后加热升温至30℃，维持4～6h。工艺曲线见图5-4。菌种冻干后，放入带有吸湿剂的干燥罐内，抽真空后封口保存。郑星铭的研究报告中强调，冻结温度要低于牛乳的共晶点（-16℃）5～10℃，保证冻实。降温速率为10～15℃/h。第一干燥阶段除去90%以上的水分。第二干燥阶段除去结合水，温度相对要高，但不可高于30℃，以免影响制品的稳定性和活性。5.2.5  麻疹减毒疫苗冻干 麻疹病毒在液态下不稳定。多年的研究表明，麻疹病毒加入保护剂冻干后，稳定性明显改善。徐斌等通过正交实验研究了麻疹减毒活疫苗的冻干工艺。首先用电阻法测定麻疹减毒活疫苗的共晶点温度为-26℃。设计的正交实验因素水平见表5-7。注：升华干燥E2过程，制品的温度始终控制在31℃以下。实验研究中每次分装1800支、0.6mL/支麻疹减毒活疫苗进行冻干实验，然后对冻干制品进行水分、滴度、热稳定性检测，并计算干损率。实验研究的结果表明，优化的麻疹减毒活疫苗冻干工艺参数列于表5-8。以优化的麻疹减毒活疫苗冻干工艺冻干的制品成型良好，干损率平均为1.36%，稳定性好，残余水分在1.62%～1.67%之间。优化的麻疹减毒活疫苗冻干工艺适合麻疹疫苗大规模生产。

5.2.2 乳酸菌菌种冻干能从葡萄糖或乳糖的发酵过程中产生乳酸的细菌统称为乳酸菌，共有200多种。目前已被国内外生物学家所证实，肠内乳酸菌与健康长寿有着非常密切的直接关系。乳酸菌种在酸奶生产中是非常关键的物质，可以利用乳酸菌提高酿造和发酵食品的风味。乳酸菌冻干是将菌种速冻，然后在真空条件下升华，可以保持菌种的稳定结构和营养。冻干后，菌种酶化作用减弱，生物活性不变，常温下可贮存3～5年。加水后极易复原，复水率达90%以上。冷冻真空干燥乳酸菌发酵剂，具有活力强、用量少、污染低、品种多、方便储运等特点，已在欧美等发达国家得到广泛应用。影响乳酸菌冻干效果的因素包括菌株、细胞大小形状、初始细胞浓度、降温速率、pH值、保护剂、预冻温度、干燥条件、复水条件等，其中冻干保护剂系统的影响较突出。研究表明，乳酸菌冻干前加入适当的保护剂，可影响乳酸菌在冻干过程中的细胞存活率和保藏期间的细胞稳定性。乳酸菌冻干保护剂的保护效果与其化学结构有着密切的关系，其特征是具备三个以上的氢键，而且具有以适当方式存在的游离基团。5.2.2.1预冻方式对乳酸菌菌种冻干的影响朱东升研究了预冻方式对冻干乳酸菌菌种活菌数的影响。实验中分别研究了嗜酸乳杆菌、保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌采用慢冻和液氮快冻后，冻干菌种活菌数与预冻方式的关系。具体实验方案为：将菌悬液盛入冷冻平皿中，将其先置4℃冰箱平衡30min后，移入-30℃冰箱60min,然后置-80℃冰箱60min,进行普通预冻，再在冷冻真空千燥机上冷冻千燥12h,密封保存于4℃冰箱中。其余菌悬液先置于冰箱保存30min后，用5mL、1mL、200uL、100uL枪头滴定于盛有液氮的冷冻平皿中10min,再在冷冻真空干燥机上冷冻干燥12h,密封保存于4℃冰箱中。实验设计冷冻真空干燥条件为：冻干室温度为-60～70℃，压力为6mPa。研究结果表明，三种菌种用液氮快冻都比普通慢冻存活率高，如图5-3所示。分析原因为，液氮预冻的速度比普通预冻的速度快很多，这样可以使细胞内部的水渗出到细胞外面，而水在细胞内部凝结正是细胞死亡的致命原因。此外，同样是用液氯快冻，菌种液滴大小不同，其活菌数也不同，液滴小者活菌数高。当一定体积的菌液，由不同大小的液滴进行滴定，随总表面积增大，其存活率也增大。因为单位体积的菌液，其总表面积增大以后，水分的渗出速度也加快，所以存活率可以提高。5.2.2.2冷冻干燥保护剂对乳杆菌冻干的影响刘丹等研究了瑞士乳杆菌的冻干。将经过脱脂乳活化、培养基扩培并离心收集的瑞士乳杆菌菌泥与配制好的保护剂按1：1的比例混合，确定冻干前的活菌数后，注入冻干管中。冻干管在-75℃预冻2h,然后在60～120Pa下冷冻干燥32h，干燥后取出在4℃下保藏。用无菌生理盐水使冻干菌复水，确定冻干后活菌数，计算活菌率。实验研究中分别使用了单一保护剂和复合保护剂，实验结果列于表5-4和表5-5。表5-4的数据表明，与对照组相比，加入保护剂后乳酸菌的存活率均有不同程度的提高，可见所选保护剂对乳酸菌都有一定的保护作用。其中以海藻糖的效果最为显著。与其他糖类相比，海藻糖的玻璃化相变温度高，更容易以玻璃态存在，对生物材料的稳定有很重要的意义。另外，生物体中的大分子均处于一层水膜包围保护中，这层水膜是维持其结构和功能必不可少的物质。干燥时水膜被除去，可导致这些大分子物质发生不可逆转的变化。若有海藻糖做保护剂，海藻糖可在生物分子的失水部位与这些分子形成氢键，使其在缺水条件下仍能保持其原有结构，保持活性。表5-5中的数据表明，与单一保护剂相比，使用复合保护剂冻干乳酸菌存活率更高。实验数据还表明，保护剂中海藻糖的在10.4%左右时效果更好，海藻糖浓度过高可能会抑制菌的生长。经过优化，最佳的复合保护剂配比为10.4%海藻糖、11.2%脱脂乳和4%谷氨酸钠。

5.2菌种和疫苗的冻干在众多的菌种保藏方法中，冷冻真空干燥法所提供的低温、真空条件，可使所保藏的菌种保藏更长的时间。例如，王永成等人对布氏菌株的冻干进行了研究，将冻干保存了14～19年的11株布氏菌株接种、培养后，对其进行观察，全部存活。另有报道称冻干保存鼠疫菌25年。而且在冻干菌株被使用时，只需提供水分使之复水即可再生，方便实际应用。冻干菌株保藏效果也较其他方法优越。5.2.1醋酸菌菌种冻干邵伟等人研究了醋酸菌菌种的冻干。将30℃培养2～3天的醋酸菌斜面，分别用3mL的5%、10%和20%的无菌脱脂牛奶洗下，制成菌悬液，充分混匀，用无菌吸管加入无菌安瓿管中。并将它们分2组分别置于-30℃或-60℃预冻2h,然后取出进行冷冻干燥。冷冻干燥机接通电源后，在温度降至-40℃时，放入装有菌体的安瓿管，开启真空泵，冻干机经过3～5min温度降至-55℃，待真空表读数稳定不变后，保持4～8h,然后，将安瓿管封口保存。将经不同方式处理的醋酸菌保藏种置于4~10℃保藏一年后取出，用无菌生理盐水溶解制成菌悬液，稀释成不同浓度，再分别涂布于3个培养皿，培养72h观察计数，取其平均值。预冻温度对冻干菌的影响见图5-1。图5-1表明，从细胞存活数的计数统计来看，-60℃预冻的效果相对要好。这是因为菌悬液在-30℃预冻时，其温度已降到冰点以下，但结冰不够坚实，真空干燥时易使菌悬液沸腾，菌体细胞受损失较多。而在-60℃预冻时，结冰速率大且坚实，细胞损伤较少。图5-2是-60℃预冻并冻干的醋酸杆菌，经不同保藏方式，在不同保藏时间后的活菌数比较。图5-2表明，醋酸菌在一年的保藏期内，冻干保藏的菌种其产酸能力下降较少，基本能保持稳定，而斜面保藏和液体保藏的菌种其产酸能力下降梯度大。可见，用冷冻干燥法保藏的醋酸菌在保持产酸能力方面有明显的优势。

5.1     概述    真空冷冻干燥制品在升华干燥过程中，其物理结构不变，化学结构变化也很小，制品仍然保持原有的固体结构和形态，在升华干操过程中，固体冰晶升华成水蒸气后在制品中留下孔隙，形成特有的海绵状多孔性结构，具有理想的速溶性和近乎完全的复水性，冷冻真空干燥过程在极低的温度和高真空的条件下进行的干燥加工，生物材料的热变性小，可以最大限度地保证材料的生物活性。制品在升华过程中温度保持在较低温度状态下（一般低于-25℃)，因而对于那些不耐热者，诸如酶、抗生素、激素、核酸、血液和免疫制品等热敏性生物制品和生物组织的干燥尤为适宜。干燥的结果能排出97%～99%以上的水分，有利于生物物质的长期保存。物质干燥过程是在真空条件下进行的，故不易氧化。实践证明，由于部分生物制品有特殊的化学、物理、生物不稳定性，冻干技术用于对它们的加工非常适合。生物制品（如疫苗、菌种、病毒等）和生物组织（人体、动物体的器官等）的冻干与其他物品冻干工艺不同之处在于，它们在冻干过程中除了要达到一般物品冻干的指标要求外，在冻干过程中还要求不染菌、不变性，保留其生命力，保持生命活性，所以它们是所有冻干物品中工艺要求最为严格的。疫苗、菌种、病毒等生物制品冻干后一般要制成注射剂，因此，总是先配成液态制剂，经冻干后封存，使用时加水还原成液态，供注射用。冻干生物制品注射剂是直接注射到人、畜血液循环系统中的。药剂若有污染，轻者造成感染，重者危及生命。因此，生产的各个环节都要特别注意消毒灭菌，保证产品的“无菌”要求。因此要对包括从盛装容器（安瓿、瓶塞等)到分装机、冻干箱、操作环境等所有可能与制品接触者进行灭菌消毒。对生物组织的低温冷冻，可能引起细胞损伤，造成细胞损害的主要因素是冷冻引起的细胞内脱水，其次是机械性挤压作用。显微镜下观察红细胞在盐水和水溶液内冷冻时，可见到透明的网状冰结晶内有暗红色的红细胞聚积物。冰结晶开始呈网状，然后形成管状，最后形成一大片冰结晶。这样，细胞就可能被冰结晶挤压而受损伤。将细胞组织在冷冻过程中所受损害减低到最低限度，使细胞处于“生机暂停状态”主要的方法是应用冷冻保护剂、控制冷却速度和复温速度，以提高细胞在低温保存后的活力。除人血浆等少数含干物质多的原料可以直接冻干外，大多数生物制品在冻干时都需要添加某种物质，制成混合液后才能进行冻干。这种物质在干燥后起支撑作用，在冻干过程中起保护作用，因此称为保护剂。有时也称填充剂、赋形剂、缓冲剂等。冷冻保护剂能防止冰结晶对细胞的损害，可能是冷冻保护剂使最低共熔点降低，从而减轻或避免冷却或复温过程中冰结晶对细胞的损伤。冷冻保护剂依据其能否通过细胞膜而分为穿透性保护剂与非穿透性保护剂。穿透性保护剂，如二甲基亚砜(DMSO)的作用是：①使细胞外液溶质浓度降低，冷却时细胞摄取溶质量减少，为DMSO所取代：②DMSO进入细胞内，改变细胞内的过冷状态，使细胞内蒸发压接近细胞外，从而减轻细胞内脱水和细胞皱缩的速度与程度；③减少进入细胞内的阳离子量；④由于DMSO容易进出细胞，在复温时很少发生渗透性细胞肿胀。此外，业已证实DMSO是经皮肤真皮层断面穿透至皮肤内部，尤以在4℃下5～15min穿透量最多。非穿透性保护剂，如羟乙基淀粉由于不能穿透细胞膜，仅使细胞外环境保持过冷状态，在特定温度下减低细胞外溶质浓度，延缓细胞破裂；或者在冷却前使细胞内脱水，减轻细胞内结晶。冻干人用生物制品活菌菌苗、冻干活毒以及冻干其他生物制品通常所用的保护剂依次见表5-1～表5-3。

4.6 冻干产品的贮藏与复水4.6.1 真空或充气包装已干燥产品是一种疏松的多孔物质，有很大的内表面积。如果暴露于空气之中，就会吸收空气中的水分而潮解，增加产品的残余水分含量。其次，空气中的氧、二氧化碳与产品接触，一些活性基团就会很快与氧结合产生不可逆的氧化作用。此外，空气中如含有杂菌，还会污染产品。因此，在产品干燥后，最好能直接在真空箱内密封，使之不与外界空气接触。现在比较先进的冻干机都具有这种功能。因此，冻干产品的贮藏应该从第二阶段干燥结束以后开始。由解吸等温线可知，在平衡条件下，产品中吸附水分的量在给定温度下是水蒸气压力的函数，如图4-53所示。在给定温度下，在很短的时间内可近似认为是平衡状态，在第二阶段的工作压力应该小于平衡蒸气压，例如，当温度为+40℃，预期残余水分小于1%时，pch应该为几帕。如果产品（血浆）的温度只有+20℃，则工作压力应该比1Pa还小。通常情况，延长干燥时间不能降低残余含水量——只有升高温度才能降低残余含水量。要想得到较低的含水量，吸湿性的产品应防止在干燥室中再次吸入已被干燥除去的水分。如果使用小瓶，应在干燥室中密封。如果是散装的物料或食品，干燥后应该往干燥室中充入干燥空气或惰性气体。在+20℃，相对湿度为70%时，空气中的水分约为1.3×10-2gH20/L。往体积为200L的干燥室充入该气体时，将引入2.6g的水蒸气。如果干燥室中有300个小瓶，每个小瓶装有固体含量为10%的1cm3的物料，则残余含水量将增加约9%。如果固体含量只有1%，则残余含水量增加到90%。充入气体的露点应该与第二阶段的最终压力相对应，例如，最终压力为2Pa,气体的露点应为-55℃，最小应为-50℃。 因此，冻干产品应在二次干燥结束后采用真空或充氮气包装，包装材料的渗透性差，贮藏运输过程应避光。4.6.2 冻干产品的复水理论上，冻干制品复水后能恢复原有的性质和形状。实际上要让冻干后的产品完全恢复原有的特性，不仅受冷冻干燥过程影响，复水条件也是很重要的，比如复水液，复水速率，复水温度，复水率等都会影响复水后制品的特性。如人红细胞、角膜等在冻干过程中，大部分水分都被除去，要恢复其基本生理功能，必须进行复水，为细胞创造一个与体内细胞生存环境基本相符的条件。牛肉，方便米饭，牡蛎、海参等冻干的食品在食用的时候应复水恢复其原有的形状，色泽及口感等。咖啡、青霉素等药品在使用的时候应能速溶。不同的物料复水条件和过程都不一样，通常用实验的方法确定。

4.5.2 冻干产品的质量及其变化假设冻干本身是在最优条件下进行的，而且在冻干过程结束时产品达到了预期的质量，冻干产品在存储过程，其质量变化至少受三个因素的影响：残余水分，存储温度及混合在包装袋里的气体。与其中一种因素有关的或在更多情况下与三种因素都有关的变化可分成以下四种情况：①在与水分子的重组过程发生的变化和/或溶解性；②干燥产品的化学反应；③产品生物-医学活性的恶化；④产品物理结构的变化，例如：由非晶形转变为部分或全部晶体结构的形式。通常发生的变化可由这几种变化中的某几种解释。下面给出了几个典型例子。Liu和Langer证明BSA，卵清蛋白、葡萄糖、氧化酶和β—乳球蛋白在37℃时溶解性迅速减小，并且如果在已干产品中加入了30%（质量分数）生理盐水缓冲液，则在24h内97%的产品将变为非溶解性的。由于水分而引起的聚集归因于分子间的S一S键。对于给定的白蛋白，如果RM为最优值则可减少聚集。Zhang等人研究了在keratonocyte增长因子(KGF)重组过程重组介质对形成聚集的影响。若干添加剂可使聚集明显地减小，调节重组介质离子的强度发现也有类似的作用。优化重组条件可增加蛋白质可溶性的恢复；对于KGF，蛋白质溶解性的恢复与本身的、单节显性的组成有关。此外，Zhang等人还发现当用纯水重组时，白细胞素-2(Ⅰ)和核糖核酸酶（Ⅱ）在+45℃的温度下存储时聚集相当大。如果在重组水中加入肝磷脂或磷酸盐可明显减少聚集的长度。Shalaev等人研究了在RMYoshika等人利用ONMR光错学研究了在存储过程中β-牛乳糖间的反应和水的迁移率有关。水分的增加也使自旋-晶格弛缓时间T₁增加，相互之间的反应与T₁的关系比pH值的关系还要紧密。设想可能是水的增加使酶周围的水的迁移增加，从而使酶的反应增加。带有少量水的冻干样品，也表现出比根据pH值和水的迁移率估计的还要快的反应速度，这可能是由冻干时所用的添加剂盐引起的。Yoshika等人也使用了NMR光谱学，但用的是¹H自旋-自旋独缓时间T₂。测得BSA和γ-血球素的T₂是随水合程度而变化的。冻干的BSA和BGG如果水分超过大约0.2%(g/g)蛋白质，则对聚集变得敏感。蛋白质质子的T₂在水分较低时就开始增加，且随水分的增加聚集也紧跟着增加。对于冻干的BGG，在水分>0.5g/g蛋白质时蛋白质质子的聚集和T₂都将减小。Vromans和Schalks利用非晶形维库溴铵研究了水敏性药品的稳定性。在制剂中其分解主要取决于水的活度αW，而不是水分的多少。赋形剂的玻璃化不仅有低温保护作用，而且起稳定作用。Cleland等人发现当蔗糖和蛋白质具有适当的分子比率时，在40℃可稳定保存人类单克隆抗体重组细胞(ruhMAb HER2)33个月。360：1的摩尔比率可成功地稳定蛋白质。这比通常的制剂中所用的等渗浓度低3～4倍。Souillac等人比较了冻干和物理混合的h-Dnase、rh-GH和rH-IGF-1和甘露醇、蔗糖、海藻糖和右旋糖苷的焓。对物理混合物，发现焓与蛋白质的百分含量呈线性关系；对冻干的混合物此关系是非线性的。作者得出的结论是在冻干的混合物中蛋白质和碳水混合物之间会直接发生反应。Hsu等人发现已包装的产品也有可能发生分解。设想冻干结束时只具有单分子层的水，且不是均匀分布的，但是在有些位置分子可能连成串。在干燥和存储过程这些水提供最好的保护以防止变性。这点是由基因技术产生的两种产品证明的：太少的水，比单分子层还少，造成tPA和高铁血红蛋白在物理上的不稳定，然而较高含量的水却导致存储过程生物上的不稳定。To和Flink以及van Scoik和Carstensen阐述了四种变化的例子：依To和FIink的观点，非晶形到晶体的转变或者是因为存储温度T(T>TC)太高，或者是因为吸收了水。（注：较多的水增加了非晶形固体的流动性，促进了晶体的成核和增长）。Van Scoik和Carstensen交流了他们关于蔗糖晶体成核和增长的经验。讨论了温度和残余水分这两个成核参数，建议用添加剂可停止、延缓或加速成核。用来清洗装有小瓶的干燥室的气体和加入产品的包装袋里的气体的影响尚且不清楚。只是氧气在多数情况下被排除。Spiess建议用干空气存储花椰菜和蓝莓，然而胡萝卜和辣椒粉应该存储在氧气含量所有气体的纯度也应该做详细说明，由于一定量的杂质对存储特性有可能起决定性的作用，例如从瓶塞中解吸出的气体。Greiff和Rightsel证明流行性感冒病毒在没有CPA的情况下当RM为1.6%时在氨中的传染性保持得非常好。如果使用通常的存储温度，在氩中，传染性减小大约10倍，在氧气中减小20多倍。Corveleyn和Remon冻干了两种不同的包含25mg二氢氯噻的药片制剂。药品用PVC/铝塑包装、聚偏二氯乙烯(PVDC)/铝塑包装、带干燥剂的密闭容器和非密闭容器在60℃以三种RH，45、60和85%存储。一个月后，除了包装在PVDC/铝塑包装中的药片以外，其余药RM都由2.7%增加到6.8%。水分为7.2%的制剂崩塌。PVDC/铝塑包装中药片的水分的增加或减少非常慢。用于包装冻干药片的材料没有一种能阻止水分的吸收和结构的崩塌。

4.5.1.3 热重分析法热重分析法(TG，TG/MS)是在程序控温下，测量物质的质量随温度（或时间）的变化关系，用来研究材料的热稳定性和组分。检测质量最常用的办法就是天平。热重分析仪如图4-47所示。May等人描述了在称量过程中，如何区分质谱仪的读数是解吸出来的水的还是挥发性物质的，挥发性物质有可能来自残余溶剂或部分产品的分解。当前卤素快速水分测定仪是一种新型快速的水分检测仪器，其原理就是利用热重分析法。May等人用TG，TG/MS，KF法和一种命名为“蒸气压湿度测量法”(VPM)的新型测量方法研究了α-干扰素和美国标准百日咳疫苗的残余水分(RM)。VPM测量密闭小瓶中物料上面的空间中水的蒸气压。来自红外二极管的光线穿过小瓶到达图像探测器。小瓶的温度从室温以固定的速率冷却到一55℃。当水蒸气冷凝的时候，由于凝结物使光束变暗，从而改变图像探测器的信号。凝结温度可转化为压力，从而可计算出顶部空间中水的微观图。图4-48表示α-干扰素的TG值。抽取的三种不同样品中，发现RM的平均值为1.15%土0.15%。利用KF法发现一种样品中的RM为1.28%。图4-49表示百日咳疫苗样品9的相应数据。水的最终解吸温度和开始分解的温度由重量随时间变化的函数的导数曲线确定(%/mi)；当导数曲线偏离水平线时可认为水的解吸结束。在表4-1总结了不同方法我得的结果，VMP不能提供关于产品RM的值息。该方法可重复测量同样的小瓶在一段时间内产品上空的水分，从而确定水分的变化量。4.5.1.4 红外光谱学Lin和Hsu描述了用近红外线(NIR)光谱学确定密封的玻璃瓶中蛋白质类药品的残余水分的方法。研究了五种蛋白质：人类单克隆抗体重组细胞(ruhMAb)E25、ru- hMAb HER2、rubMAb CDI1a、TNKase和rt-PA，在小瓶壁的水平位置上加入适量的MilliQ水可使残余水分的量增加，使水蒸气扩散到已干产品。一般情况下，1～2天后可达到平衡状态。利用常用的三种数学工具来确定复杂光谱（不同成分的重合部分或它们之间的化学反应)。研究了下列因素对IR标准的影响结果：赋形剂的浓缩，块状产品的疏松度，厚度和直径以及赋形剂和蛋白质的比率，Karl Fischer滴定数（也叫RF)被用来作为与NIR数相比较的标准。图4-50中(a)～(e)表示5种产品RF和RNIF之间的关系。Karl Fischer滴定法依每日的操作者的不同其波动范围为士0.5%。因此，RF和RNIR之间的差别≤0.5%认为是较好的。在30～100mg/mL之间疏松度的变化≤0.5%。块状物的尺寸必须超过NIR的透深，否则测得的RNIR太小。制剂成分允许有小的变化，然而变化较大时，例如，蔗糖由42.5mmo/L变为170mmol//L，随着浓度的增加吸收率增加（图4-51）。因此对85mmol/L的RNIR的标准不能用于蔗糖的浓度较低(42.5mmo/L)或较高(>120mm0l/L)的情况；在520cm-1时水的信号随着产品信号的改变而变化。通常情况下，对于给定的制剂和产品尺寸RNIR标准是一定的，只有在NIR测量对于充足的被反射光线具有足够长的光程以及校准产品的光谱随组分浓度的改变没有被改变的情况下，变化才是允许的。4.5.1.5 残余水分测量方法的比较干燥产品中的水以多种形式结合：如存在于表面的水，或多或少与干物质结合的水或以结晶水的形式存在着的水。因此，对于不同的物质，各种方法有可能会产生不同的结果。利用重量分析法和Karl Fischer滴定法测得的有些物质的RM值几乎是没什么不同的。May等人提供了四种这类物质的例子，但是如表4-2所示，利用重量分析法得到的RM值比Karl Fischer滴定法得到的小0.3%～0.6%，然而，用热重分析方法得到的RM值在误差范围内与Karl Fischer滴定法得到的值是非常接近的。在图4-52中比较了在第二阶段干燥过程，利用KF测得的RM和利用DR值计算得到的dW值。用于KF测量的小瓶当时是封闭的，上面的图表示出了平均值以及误差条。同样的药品在同一台设备上，在相同的工艺条件和相同的装载量的情况下进行了三次试验过程。利用KF测得的RM值在MD转变为SD后以士1%改变，约21h后减少为土0.5%。三次试验过程dW值都在SD阶段开始后以士0.5%改变，在21h后小于0.05%。上下曲线表明，到达最终温度后，进一步的干燥不可能再降低RM的值0.5%。根据dW也可得到相同的信息：在21h后水的解吸可忽略，由于其小于0.02%/h。此产品在所选的工艺条件下，用KF法测得1.5%的水分在此温度下及可接受的时间内不能用解吸法除去。

4.3 冻干过程中物料含水量的测量(1)称重法   这是一种古老的方法，也是直接测量法。在冻干箱内设置称重机构，小冻干机内可以设置天平，大型冻干机内可以设置地秤或吊秤，实现边抽真空边观察重量的变化。这种方法的优点是简单易学；缺点是不够准确。(2)取样法   在抽真空干燥过程中，通过设置在冻干机上的装置，取出样品，在大气环境下测量产品的含水量这种方法比较麻烦，但是比较准确。取出的样品可以用直接称重法，也可以用水分测量仪测量。图4-44是一种常用的水分测量仪，称为卤素快速水分测定仪，它是一种新型快速的水分检测仪器，其原理为利用热重分析法。图4-44为OHAUS MB45型卤素水分测定仪，其测量精度可达0.001g/0.01%。(3)在线测量法冻干过程水分在线测量是一种最准确、快速、经济的测量方法，只可惜目前还没有上市的产品。4.4 冻干终点的判断冻干过程结束的判断很重要，它涉及冻干产品的质量、产量和经济效益。但是，到目前为止，还没有科学的仪器和方法，现有的判断方法还是经验法，不够准确。（1）温度判断法   在冻干过程中通常都需要测量搁板温度和物料温度，并且绘出温度曲线。当测出的搁板温度与物料温度相接近时，即可以认为干燥过程接近结束。（2）压力判断法   在冻干过程中应该不断的测量冻干箱内的压力（真空度），当测得的压力长时间稳定不变（根据冻干产品的品种、数量不同，通常在1~2个小时即可），认为冻干过程可以结束。（3）湿度判断法   这是一种理论上可行，但实际操作比较困难的方法。这种方法需要在冻干箱内装上湿度计，测出冻干箱内气氛的湿度，进而判断干燥工艺是否可以结束。4.5 冻干产品的质量分析      4.5.1 残余水分的测量                       产品残余水分的测量应除去从周围环境中吸收的水分。将干燥产品装入其他容器时，或称量的时候都应该在充满干燥气体的箱子或隔离器中进行。箱子应该能容纳P2O5，或可用干燥气体清洗。在隔离器中进行的时候应带上固定在隔离器上的手套。干燥气体中用来称量的天平需要做一些调整以避免静电荷，这有可能导致相当大的错误。      4.5.1.1 重量分析法                          正如美国食品和药品操作规范第21项610.13条中所说的，在前几年，这种方法成为强制性的规范。被称的样品存储在温度在十20～十30℃之间的干燥室中，连同P2O5被反复称量直到质量不变为止。样品的最小量应该大于100mg，若有必要可取自多个小瓶。较高的温度可使达到质量不变的时间缩短，但是会引起更多的结合水解吸甚至使产品变质。利用这种方法，在+20～+30℃时，发现水很少被凝固到固体上。      4.5.1.2 Karl Fischer(KF)法             利用这种方法被称量的干产品被溶解在甲醇中，用Karl Fischer溶液滴定直到颜色由棕色变为黄色。视觉观察可由电流计代替，当滴定结束时，电流突然增加，这种方法样品的重量可比重量分析法减小2一4倍。为了完全地避免视觉观察产生的误差，利用电解可产生碘，用库仑定律计算水的含量，这种仪器（见图4-45）在商业上是可得到的。用这种方法可测得的水的最小量为l0μg。Wckx和DeKlejin说明了如何使Karl Fisher法被直接使用于小瓶装的已干产品。Karl Fischer法不能直接用于在Karl Fischer试剂中能和碘起反应或不能溶于甲醇或水分无法被甲醇吸取的产品。Karl Fischer仪器如图4-46所示。

4.2.4 热力学分析Carrington等人利用热力学分析(TMA)研究了30%质量分数果糖、蔗糖和葡萄糖在有和没有羧甲基纤维素钠(CMC)存在时冰的结晶温度。TMA被用来测量冷冻和复温过程样品的膨胀，利用DSC也做了类似的研究。用TMA测得果糖在有和没有CMC存在，以5℃/min的速率冷冻时的具有代表性的结果如图4-39所示。图4-40表示的是由TMA确定的30%蔗糖溶液慢速冷冻和热处理后的加热曲线。图4-41表示的是由DSC确定的30%蔗糖溶液慢速冷冻和热处理后的加热曲线。比较由两种方法测得的关于蔗糖的两个温度Tr1和Tr2(如图4-40和图4-41所示)，Tr1≈-60℃(TMA)和-41.2℃(DSC),Tr2≈-35℃(TMA)和-32.6℃(DSC),很明显，正如作者所讨论的那样，有很多因素影响最后所得的数据。TMA测量对解释在加热冷冻的甘露醇和其他立体异构体溶液过程中，小玻璃瓶的破裂是很有用的。例如，甘露醇在-25℃以上体积比标准1型无色玻璃扩大30倍。小玻璃瓶是否破坏主要取决于填充物的体积及浓度，例如，当装满3%的甘露醇时，10%-40%的玻璃瓶子被破坏。4.2.5 介电分析Pearson Smith通过三个例子解释了介电分析（DEA）的优点是可提供最优的冻干工艺。结合水（两个氢键）和吸附水（一个氢健）的弛豫特性不同可用来确定冻干的结束，当吸附水解吸和结合水仍然存在时认为冻干结束。物质的介质响应与晶体的尺寸和水合程度有关。赋形剂的玻璃体形成特性和它的分子的流动性（黏性）与温度和水合密切相关。电介质的研究表明了糖溶液玻璃体形成的非阿伦尼乌斯(non-Arrhennius)行为，在温度或水合有微小变化时，黏性的变化将达好几个数量级。Morris等人建议利用介电分析法可预测双组分物质的崩塌温度。DEA的基本情况已解释清楚了。“发射颜率”(TOF)是确定崩塌温度最好的分析方法。图4-42表示介质损耗因子与频率之间的函数关系曲线。作者称此曲线最低点的频率为TOF。如图4-43所示TOF随着温度的变化而变化。两直线的交叉点可确定崩塌温度。用TOF预测的10%的蔗糖、10%海藻糖、10%山梨糖醇以及11%的Azactam TM溶液的崩塌温度稍低于冻干显微镜观察得的崩塌温度，偏差分别为-3℃，-1.4℃，2.2℃和0.7℃。Smith等人认为介电弛缓频谱学提供了一种研究聚合物和蛋白质结构特性的方法，其中，还提供了含水量和水的状态信息。4.2.6 X射线衍射学-拉曼光谱学            Cavatur和Suryanarayanant研制了一种低温X射线粉末衍射(XRD)技术，用于研究冻结水溶液中溶质的固体状态。在冻结的乙氧萘青霉素钠溶液（质量分数22%）中，未发现共晶结晶。在-4℃热处理可引起溶液的结晶，且随热处理时间而增加，另外两种产品的研究表明，XRD在不干涉其他事件的情况下，可提供结晶程度的信息。Sane等人利用拉曼光谱学用数量表示了冷冻干燥和喷射干燥过程结构的变化。单克隆抗体类（例如RhuMAbVEGF)在没有低温保护剂的情况下，经历二次结构变化。增加低温保护剂的摩尔比率可完全保护其结构。利用拉曼光谱学观察到干燥蛋白质的长期稳定性是与结构变化相关的。

4.2冻干过程的分析与观察4.2.1 低温显微镜Hsu等将重组CD4-IgG(CD4-免疫球蛋白G)用四级串联的帕耳帖组件冷却至-60℃，用一架低温显微镜观察到了它的再结晶过程。他的观察室也可以被抽成真空而用于冷冻干燥研究。Willemer将多次由低温显微镜获得的照片与电阻测量的结果进行了比较，低温显微镜的结构如图4-14所示。复杂产品的电阻测量有时很难解释清楚。图4-15所示的是某种病毒的低温保护溶液的电阻-温度曲线。冷却到-10℃，部分溶液冻结，然后过冷到约-46℃，在-65℃左右时溶液结晶。在溶液复温过程中，在-32.5℃左右时，电阻值变化迅速。用低温显微镜获得的照片显示出，在-40℃时，已被干燥和冷冻的两部分都呈现出均匀的组织结构（如图4-16）。而在-30℃时，这两部分都呈现出了黑色和灰色混合的区域，这表明，一些冰已经融化，并且扩散到了已干燥的部分。在这种情况下，通过改变CPA的浓度以及选择一个最佳的冷却速度，电阻测量可以认为是一种比较迅速的研究不同CPA的影响的方法。最终选择的浓度和冷却速度的组合可以用低温显微镜来测试。图4-17所示的是在冷冻、热处理过程中以及在干燥前，一种药品在低温显微镜下的结构变化。图4-17~图4-19所示的是来自同一实验中，同一样品的不同部分以及在不同的实验阶段的细节照片。图4-17中，(a)是快速冷却过程中，约在-24℃时样品的照片，(b)是第一次从-54℃加热到约-36℃的照片，(c)是再次被冷却到-54℃时的照片。在图(a)中，大部分晶体（颜色较深处）均匀地分布在浓缩的非晶固体（颜色较亮处）中间。在图(b)中，晶体有所生长，浓缩物中的水分也已经结晶。在图（c）中，晶体与玻璃状杂质的边界清晰可见，特别是在图中右上角更明显。图4-18所示的是在一些具有可比性的温度下，样品另外的一个部分，即靠近样品边界的显微照片：(a)约在-23℃，(b)第一次加热时，约在-30℃，(c)再次冷却到-60℃。图(b)中，晶体已有所生长，但其大致结构没有太大的变化，特别是在图的左上角部分。在图(c)中，晶体与玻璃状物质的边界更加清晰。图4-18所示的是样品的第三部分：(a)冷却到一65℃之后的照片，(b)热处理后，再次冷却到-60℃，然后在-40℃开始冻干。同样，热处理并未使整体结构有所改变，但是晶体结构更加清晰，这表明玻璃相和晶体之间的水分子已经迁移到晶体中。图4-17~图4-19中的照片说明，快速冷却不能使整个样品的各个部分形成均匀的组织结构，因为它会受到边界效应的影响。但是，在样品的所有部分都观察到了热处理的影响。图4-20所示的是，从冷却结束温度（-60℃)上升到开始干燥温度（-42℃）时，不经热处理对晶体生长的影响。值得注意的是，在自动向低温搁板上装载产品时出现的现象。第一次装载药瓶中的产品与后来装载的，例如2~3h后装载的，产品有不同的结构。低温显微镜研究的优点是有可以显示样品组织结构变化过程的照片，而且，冻结的产品可以在大多数的设备中被冷冻干燥。产品层很薄，因此可以被迅速冷冻。所以，产品在复温和干燥过程中所表现出的性状特征与快速冷冻过程的相一致。因为产品层很薄，故模拟热处理的过程很困难。然而，实验表明，从此项研究中获得的临界温度是有价值的，特别是获得冷冻速率相对缓慢时产品的电阻值。Nunnerf使用一台特殊的低温显微镜拍摄到了0.9%的NaCl溶液在360s内直接冷冻到稳定树枝状冰晶结构的过程中冰晶边界面变化的照片（如图421）。在冰晶的表面可见因浓缩而集中起来的NaCI(黑色边界)。Cosman等人描述了一台可以定量评价照片的低温显微镜，该装置有如下四个显著特点：①温度的产生、测量和控制是由程序控制的;②显微照片可以存档，以备后用；③文档可部分地用于自动图像识别;④如果冷冻过程可以用数学的方法描述，而且细胞的行为可以预测，则用上述方法可以减少数据量。图4-22表示的低温显微镜系统的布置图。通过使用热传导性非常优良的蓝宝石观察窗和使用液氮冷却系统，作者实现了以每分钟几百度的冷却速率冷却到一60℃，而且在温度为0℃时，样品内的温度梯度达到了0.1℃/mm。下面用三个例子来说明使用这种显微镜系统如何进行冷冻过程的定量研究和存档。图4-23表示的是被分离的老鼠胰岛细胞的体积与温度的函数关系曲线。如图4-24所示，细胞膜对水和CPA的渗透性的不同对细胞的冷冻是非常重要的。将猕猴卵母细胞置入体积分数10%的二甲基亚砜溶液(DMSO)后其体积几乎减少到原来的三分之一，这是因为水能从细胞里扩散到周围环境中去，而二甲基亚砜却不能扩散到细胞内（测量温度为23℃）。细胞损坏的原因在于细胞内冰晶成核。图4-25表示在不同冷却速率下，有多少老鼠卵母细胞内发现胞内冰与温度之间的函数关系曲线。老鼠肝细胞在以大约40℃/min的速率冷却到-21℃的过程中没有发现胞内冰，然而，当以140℃/min速率冷却时几乎所有的细胞内都存在冰，这是因为水没有足够的时间扩散到周围环境就被冻结在细胞内。图4-25也说明细胞内冰晶成核是由绝对温度和冷却速率决定的：在大约-25℃，以5℃/min速率冷却几乎所有的细胞内都有冰，然而，以3.5℃/min速率冷却，大约20%的细胞内没有冰。Dawson和Hockley利用扫描电子显微镜(SEM)表明了海藻糖和甘露醇溶液的快速冷冻(150℃/min)和慢速冷冻(1℃/min)时结构上的差异。图4-26表示1%海藻糖溶液被(a)慢速和(b)快速冷冻时中心部位的表面结构。慢速冷冻样品（c）浓缩的固体表面上产生裂缝，然而，快速冷冻的样品的结构却是均匀的纤维状。图4-27表示慢速和快速冷冻1%乳糖时其中心部位粗糙的(a)和精细的(b)结构。在图4-28(a)中可发现海藻糖溶流崩塌的部分，图（b)表示干燥后产品在潮湿的环境下贮存6个月以后的结构，图片表明不同的冷冻速率导致不同的结构，且有可能使固体浓缩在表面上，在干操过程使干燥速率降低，残余水分含量增加。

4.1共晶点和熔融点温度的测量溶液的导电是靠带电离子在溶液中定向移动来进行的。在溶液冻结过程中，离子的漂移率随温度的下降而逐渐降低，使电阻增大。只要还有液体存在，电流就可流动。但一旦全部冻结成固体，带电离子不能移动，电阻就会突然增大。根据电阻由小突然变大这一现象，就可测出溶液的共晶点。反之，当冻结物料的温度升高时，物料的电阻值会突然减小，这一过程可用于测定物料的熔融点温度。4.1.1 简易自制测量装置东北大学自制的共晶点和熔融点测试装置如图4-1所示。物料的制冷和加热在冻干机搁板上进行。不锈钢电极直径为2.5mm，长度为20mm。两电极间的距离为15mm，插入物料的深度l0mm，电极间需要夹紧装置，以避免电极与物料接触不良。测温热电偶的测量端位于两电极的中间部位。电极和热电偶装配后，将物料置于冷冻干燥机内的搁板上，降低搁板温度，冻结物料，测量物料的电阻与温度间的变化关系，用相应软件如Origin处理测得的数据，求出其一阶导数曲线，可找出电阻突变点，从而确定物料共晶点温度。升高搁板温度，测量物料升温过程电阻和温度的变化关系，用相应软件如Origin处理测得的数据，求出其一阶导数曲线，找出电阻突变点，确定物料的熔融点温度。用上述自制测量装置测得降温过程中螺旋藻电阻R随温度T的变化如图4-2所示，为使电阻突变的点显得更明显，对图4-2求一阶导数，得图4-3，由图4-3可知，在-18℃左右电阻的变化最快，由此可知螺旋藻的共晶点温度在-18℃左右。升温过程中螺旋藻的电阻R随温度T的变化如图4-4所示，图44一阶导数曲线如图4-5。由图4-5可知，在-19~-7℃左右电阻的变化最快，由此可知螺旋藻的熔融点温度在-19℃左右。降温过程纳豆激酶溶液的电阻R与温度T之间的关系如图4-6所示，图4-6的一阶导数曲线如图4-7所示，分析图4-6和图4-7可知纳豆激酶溶液的共晶点温度在-23℃左右。升温过程中纳豆激酶的电阻R随温度T的变化如图4-8所示，图4一8一阶导数曲线如图4-9所示，由图4-9可知，在-23~-15℃左右电阻的变化较大，由此可知纳豆激酶溶液的熔融点温度在-23℃左右。降温过程鲜海参肉的电阻R与温度T之间的关系如图4-10所示，图4-10的一阶导数曲线如图4-11所示，由图4-11可知鲜海参肉在-30℃以后电阻增加非常快，分析图4-11，在-35℃以后，电阻值增量非常大，由此可知，鲜海参肉的共晶点在-35℃左右。4.1.2一种典型液态物料共晶点测试仪由四环福瑞科仪科技发展（北京）有限公司生产的液态物料的共晶点测试仪如图4-12所示，图4-13是共晶点测试仪测量探头工作示意图。如图4-12和图4-13所示，该共晶点测试仪主要由以下几个部分构成。1、开关  开关打到“开”位置，即开始正常工作，随着物料的冷冻或升温测试仪自动测量判断共晶点或熔融点；打到“关”位置，系统断电，设备停止运行。2、LCD显示屏  LCD显示屏实时显示物料的当前温度以及共晶点和熔融点，其第一行显示的Tnow为温度探头测量得到的当前温度，第二行显示的为测量得到的共晶点和熔融点，其中Tj为共晶点，Tr为熔融点。3、测量探头及支座  共晶点测试仪的温度探头采用加长的P1000温度探头，阻抗探头采用特殊定制的不锈钢探针。为了实现探头的固定以及确保其相对位置，探头支座采用聚四氟乙烯材料加工装配而成，探头测量高度可通过高度调节旋钮进行调节，以适应不同高度的西林瓶和物料液面。4、探头接口  用于测量探头与测试仪主体连接，开始测量前，须确保探头插头与测试仪主体可靠对接。其使用操作步骤为：1、将待测试的物料装入西林瓶中，调节支架高度，使共晶点测试仪的探头能浸入物料液面下，再锁紧调节螺钉。2、将测试仪探头、支架以及装有物料的西林瓶放入冻干机内，关闭冻干机门。3、将共晶点测试仪的电源插头插入220V交流电源插座中。4、打开电源开关，共晶点测试仪即自动进入共晶点、共熔点测定程序。此时开启冻干机进行相应冷冻与加热操作即可。此共晶点测试仪的主要特点是，智能化自动判断物料共晶点和共熔点，采用两行式液晶显示屏，直接显示物料的共晶点和熔融点，能实时显示当前物料温度，仪器性能稳定、可靠，操作简单。

3.4.6控制系统设计冻干机的控制系统是控制工艺参数准确运行，保证冻干工艺过程按时完成的核心部分。常用的控制系统有手动控制、半自动控制、全自动控制、网络控制和智能控制等。前两种控制方式已经逐渐被淘汰，现阶段国内外生产的冻干机均已实现全自动控制、远程监控和智能控制。控制系统一般由可编程控制器、人机界面设备、传感器、终端继电器、数模转换等模块组成，智能控制软件直观显示设备工艺流程、系统运行状态、报警点和操作情况等。例如我国北京某科技发展公司生产的冻干机的控制系统可实现如下功能：①按照管理权限调整冻干参数，把成熟安全的冻干工艺程序存储在控制系统中，客户只需对冻干工艺数据进行调整即可组成适合不同物料的冻干工艺；②控制系统可实现自动对物料反复预冻、速冻和慢冻；③手动或一键智能控制冻干全过程；④系统显示可用中文、英文等多种语言界面，操作控制系统实现三级管理，密码时间可以定时失效重置；⑤自动监控检测并记录储存冻干过程相关数据，每分钟存储记录一次数据（存储记录间隔时间可调)，具备USB数据存储器串口，系统可远程监控和检测维护，上位机控制；⑥冻干全过程编程自动控制，审计溯源，可储存多个固定或自定义程序进行冻干工艺管理，储存程序≥100，每个程序步骤≥32；⑦在运行过程中设备部件运行出现异常时系统即时报警并主动保护运行，具有真空失压，设备报警并自动运行保护物料功能，具有真空泵维护提示功能；⑧实时显示设备部件及物料温度和真空度，自动生成冻干曲线；⑨设备温度和真空度均采用PID控制；⑩真空度和温度维护校准功能；⑪冻干终点测试功能；⑫手动或自动进行真空度调节。实现上述功能可采用不同的控制方式，包括不同的硬件配置和不同的软件程序，但其基本结构是大体相同的，图3-29给出一种控制系统原理结构图。上位机采用几台智能控制仪表和可编程控制器(PLC)和应急手操控制台组成，上、下位机之间用工业RS-485总线连接。PLC本身具有独立的连锁保护和部分程控、定时功能，可配合手操台实现应急操作。目前，国内冷冻干燥机的控制系统采用的硬件一般有以下几种：继电器控制，单片机控制，可编程控制器及工业计算机控制。计算机控制系统的出现和发展是工业生产发展的需要，是工业自动化技术发展的趋势。它是以电子计算机为核心的测量和控制系统。整个计算机控制系统通常是由传感器、过程输入/输出设备、计算机以及执行机构等部分组成的。由系统对设备的各种工作状态进行实时数据采集、处理并对其实施控制，从而完成自动测控任务。计算机控制系统的典型结构如图330所示。计算机控制系统分为操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统、分散控制系统，最常用的是直接数字控制系统，如图3-31所示。直接数字控制(Direet Digital Contro,DDC)系统的构成如图3-31所示。计算机首先通过模拟量输人通道(A/D)和开关量输人通道(DI)实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量通道(D/A)和开关量输出通道(DO)直接控制生产过程。DDC系统属于计算机闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。DDC系统中的计算机完成闭环控制，它不但能完全取代模拟调节器，实现多回路的控制调节，而且不需改变硬件，只通过改变程序就能实现各种复杂的控制。计算机控制系统具有结构紧凑，功能强，维护简单，应变能力强和程序可移植等特点。这样的系统需要设计者有很好的编程能力。除此之外，很多控制功能都是由计算机、单片机或PLC共同完成的。有的控制系统是由计算机作为上位机监视生产过程，单片机或PLC作为下位机采集数据、进行PID控制等。无论采用哪种控制方式，冻干机控制系统的硬件均大同小异。图3-32是一种大型冻干机的硬件结构。从图中可以看出硬件组成都包括计算机、打印机、数据采集元件（包括真空计、温度传感器、变送器等)等。对于不同的控制系统，可选用不同规格、型号、容量和精度的硬件。

3.4.5加热系统的设计加热系统是提供第一阶段升华干燥的升华潜热和第二阶段干燥蒸发热能量的装置。被冻结的制品，不论其冻结体为大块、小块、颗粒、片状或其他任何形状，开始升华时总是在表面上进行的，这时升华的表面积就是冻结体的外表面。在升华进行过程中，水分逐渐逸出，留下不能升华的多孔固体状的基体，于是升华表面逐渐向内部退缩。在升华表面的外部形成已干层，内部为冻结层。冻结层内部的冰晶是不可能升华的，故升华表面是升华前沿。升华前沿所需供给的热能，相当于冰晶升华潜热。不论采用什么热源，也不论这些热量以什么样的方式传递，要达到水分升华的目的，这些热量最终必须不断地传递到升华表面上来。供给升华热的热源应能保证传热速率满足冻结层表面既达到尽可能高的蒸气压，又不致使其熔化。冷冻干燥中所采用的传热方式主要是传导和辐射。近年来在真空系统中也有采用循环压力法来实现强制对流传热的研究。在冻干机中，热量都是从搁板上传出来的，一般分直热式和间热式两种。直热式以电源为主；间热式用载热流体，热源有电、煤、天然气等。常用的辐射热源有近红外线、远红外线、微波等。利用传导或辐射加热时，在被干燥的物料层中传热和传质的相对方向有所不同。从图3-26可见，辐射加热时被干燥物料的加热是通过外部辐射源向已干层表面照射来进行的。传到表面上的热量，以传导的方式通过已干层到达升华前沿，然后被正在升华的冰晶所吸收。升华出来的水蒸气通过已干层向外传递，达到外部空间。传热和传质的方向是相反的，内部冻结层的温度决定于传热和传质的平衡。一般辐射加热的特点是：随着干燥过程中升华表面向内退缩，已干层的厚度愈来愈厚，传热和传质阻力两者都同时增加，如图3-26(a)所示。图3-26(b)是接触加热时所发生的情况。在干燥进行中，热量通过冻结层的传导到达升华前沿，而升华了的水蒸气则透过已干层逸出到外部空间。因此，传热和传质的途径不一，而传递的方向是相同的。界面的温度也决定于传热和传质的平衡。随升华表面不断向内退缩，已干层就愈来愈厚，冻结层愈来愈薄，因而相应的传质阻力愈来愈大，传热的阻力愈来愈小。图3-26(c)是微波加热的情形。微波加热时热量是在整个物料层内部发生的，冻结层要发热，已干层也要加热。但由于这两层的介电常数和介质损耗不同，发生在冻干层内的热量要多得多。内部发生的热量被升华中的水吸收，故所供之热量不需传递，传质是在已干层内，方向是相反的。把热量从热源传递到物料的升华前沿，热量必须经过已干层或冻结层，同时升华出的水蒸气也要通过已干层才能排到外部空间：在真空条件下，经过这样的物料层供送大量的升华潜热，阻力是很大的，同时，经过这样的物料层排除升华的水蒸气，阻力也是很大的。因此需采取多种方式提高传热和传质效率。升华热的供应，原则上以在维持物品预定升华温度下，使升华表面即具有尽可能高的水蒸气饱和压力而又不致有冰晶融化现象为最好。这时干燥速度最快.(1)常用的加热板   间热式加热板的热量是由载热体从热源传递来的，加热板传递给制品所需的加热功率大致需要0.1W/g。载热体多用水、蒸汽、矿物油和有机溶剂等。有些间冷间热式冻干机上，常用R-11和三氯乙烯等作为冷和热的载体。图3-27给出加热板热媒循环系统示意图。热媒在热交换器中加热，用循环泵将热媒送到冻干箱的搁板内对物料加热。为使冻干结束后物料能及时冷却，利用阀门控制冷却水，适时冷却水通入搁板内实现调控温度。(2)加热技术的改进 通常在真空状态下传热主要靠辐射和传导，传热效率低。近来出现了调压升压法，其基本原理是降低真空度以增加对流传热的效能。据研究，在压强大于65Pa时，对流的效能就明显了。所以在保证产品质量的条件下，降低真空度以增加对流传热，使升华面上温度提高得快些，升华速度增加。调节气压有多种方式，英国爱德华公司采用充入干燥无菌氮的方法；德国用真空泵间断运转法；日本用真空管道截面变化法。这些方法的共同特点是使冻干室气体压强处于不稳定状态，所以又叫改变真空度升华法和循环压力法。改变料盘的形状，增加物料与料盘之间的传热面积也是改进传热方法的一种。图3-28中装制品容器上有伸出的薄壁，其目的就在于增加传热面积。改变传热的另一种方法是从根本上改变加热方式，取消加热板。据资料报道，美国陆军Natick实验室采用微波热进行升华加工制作升华食品压缩的新工艺，可使能耗降低到常规工艺的50%。美国某公司在升华干燥牛肉时，使用915MHz微波加热装置，将干燥周期由22h减到2h。但介质加热（如微波加热）的方法一般不用于生物制品的冻干，以防止制品失去生命活力，降低制品质量。(3)几种典型的供热方式   应用在食品工业真空冷冻干燥设备中的加热方法较多，大致可分为：辐射加热与吹冷空气相结合的方法，微波加热法；应用涂层输送带的辐射加热法；辐射和传导传热相串联的供热法；膨胀加热板的接触供热法等。图3-28是辐射传热和传导传热相串联的供热装置示意图。这种传热方法的主要特点是辐射热先传给导热元件（物料容器壁），再传给被加热的物料。传导元件屏蔽直接来自辐射热能的热源。水、有机物和高分子物质具有很强的吸收红外辐射的能力，食品冻干采用红外辐射加热方式是合适的。可以把高辐射红外线材料涂敷到加热板表面上。在产品升华阶段要提供升华热，使产品中的水分不断从被冻结的冰晶中升华直到干燥完毕。升华分两个阶段：第一阶段是指大量水分从冰晶升华的过程，这时升华温度低于其晶点温度。第二阶段是结晶水的扩散过程，其温度高于共晶点温度。通常按第一阶段热负荷确定加热功率。

3.4.3真空系统设计一个完整的真空系统包括真空容器、真空泵、真空仪表、真空阀门和真空管道。冻干箱和捕水器是冻干机真空系统的大容器，真空泵通过抽空阀抽捕水器，再通过主阀抽冻干箱；在真空泵头和冻干箱及捕水器上均装有真空测量装置，以便测量系统的真空。冻干机对真空系统有如下要求：1、容器耐压    冻干机的真空容器（冻干箱和捕水器）必须能抵抗大气的压力，带蒸汽灭菌的冻干箱和捕水器还需能承受蒸汽灭菌时的高压和高温。2、抽空时间    在0.5h左右的时间使冻干箱抽空到10Pa。这是对真空泵抽空能力求，需根据冻干箱和捕水器容积的大小选择真空泵的排气量。3、根限真空    冻干箱的最高真空应能达到0.5～10P。这是对容器直空度的要求，一般选用双级旋片式真空泵，或油封式旋转泵再加罗茨泵。4、体干箱的漏率    冻干箱的漏率应能达到5X10²Pa•L/s。系统密封性的要求：要求设计先进，焊接可靠，加工精密，装配仔细，选用高性能的真空阀门和部件等，符合GMP的要求，真空系统中冻干箱和捕水器及关联的部件需使用不锈钢制造；密封材料要使用聚四氯乙烯、硅橡胶或医用橡胶；希望是洁净的抽空系统，不对冻干箱的产品产生任何污染。对于冻干设备，真空系统设计计算的目的就是依据干燥室的实际需要，设计配置出能够满足冻干工艺要求的真空系统。计算的内容包括：按照干燥室所要求的极限真空、工作真空和气体负荷，确定选取主泵的类型和规格型号；依据气体连续性原理为主泵配置合适规格型号的前级泵；在初步设计出捕水器和连接管道、阀门等附件组成的系统具体结构之后，校核验算系统所能达到的极限真空度和工作真空度，以及达到某一指定压力所需要的抽气时间，是否满足设计要求，这其中又涉及气体在管路中的流动状态判别、管路的流导计算和有效抽速计算等内容。目前冷冻真空干燥设备中常用的真空机组主要有罗茨泵机组、水环-大气真空泵机组等多种。从真空角度考虑，在设计抽气系统的具体结构时应满足如下基本要求：1、为提高抽气系统的通导能力，系统中各元件间的管道应短而粗、少弯曲，主泵和真空室间的管道直径不应小于主泵吸气口的直径。2、系统应本着串联可以提高极限真空度、并联可以提高抽气速率的原则，组合各泵间的抽气程序。3、为了保证系统的密封性能，被抽系统的总漏气率须限制在允许漏气率范围之内，尽量提高设备的制造水平。4、为了防止机械泵振动和返油，在机械泵人口处应设置缓振软管和放气阀，为节省能源、缩短工作周期，对大型真空系统应配置维持泵。5、为实现系统的自动操作和安全运转，在抽气系统和水冷系统上应分别设置真空继电器和水压继电器，真空系统也可考虑选用微机程序控制。6、真空系统建成后应便于测量和检漏，为迅速找到漏孔，应进行分段检漏，因此每个用阀门封闭的空间至少应设置一个测量点，以便于测量和检漏。真空计测量规管的位置应选在没有水套的位置上，而且应使规管直立，不要横放。真空系统一般的设计计算程序为：1、计算真空室内的总放气量；2、确定真空室的有效抽气速率；3、对复杂真空系统首先粗选主泵和粗配主泵的前级泵；4、按要求配置阀门、捕集器、除尘器等相关元件；5、绘制真空系统草图，确定真空系统各部位尺寸，为精算系统创造条件；6、精算各真空泵，包括真空度和抽气时间的计算，确认是否满足给定的参数要求，如果达不到要求应重新选泵和配泵，直到满足已定的参数要求为止；7、绘制真空系统装配图并拆出零件图；                                                                                                   8、绘制施工图纸。3.4.4制冷系统设计制冷系统是冻干机上提供冷量的装置。冻干机上需冷量的地方主要是冻干箱和水汽凝结器。两者既可以用一套制冷系统，也可以用各自独立的两套制冷系统。通常，较大的冻干机都用两套各自独立的制冷系统，冻干箱上多用间冷式循环，水汽凝结器多用直冷式循环。制冷系统所用制冷机的大小，按冻干箱耗冷量和水汽凝结器的耗冷量的计算值确定。制冷系统所用的制冷剂种类和制冷循环方式，应根据冻干物料所需的温度选择。冻干箱只有在降温和保温两阶段需要冷量。降温阶段指搁板和被干燥的产品从室温降到冻结所需的最低温度的时间；保温阶段指搁板保持在上述最低温度下使产品冻牢所需的时间。由于后者的冷负荷远小于前者，在设计中可按前者的冷负荷选择制冷机。降温时间的选定直接影响到制冷机大小的选配，所定的降温时间越短，需配制冷机的制冷能力越大。确定降温时间主要考虑以下几个因素：1、应满足产品降温速率的要求。因降温速率对产品晶格的大小、活菌率、干燥速率等有直接影响。降温速度快，结晶细，干燥速率慢，细菌成活率高；反之则相反。在箱内搁板冻结时，所设计的冷冻干燥机必须首先满足产品冻干工艺的要求，才能生产优质产品。2、冻干周期包括产品进箱、箱体降温、保温、升华、产品出箱等阶段，还有箱体清洗消毒、水汽凝结器化霜等辅助时间。因此降温时间也受整个冻干周期的限制。而冻干周期的确定应有利于组织生产。3、箱体降温与水汽凝结器所需的制冷机容量应综合考虑，使之可以共用或相互备用，以提高机器的安全可靠性。一般搁板温度比产品的共晶点温度低5一10℃。降温阶段的耗冷量一般包括：1、产品降温的冷负荷；                                                                                                                          2、箱内零件降温的冷负荷；3、载冷介质降温的冷负荷；4、箱壁降温的冷负荷；5、 通过箱壁传入的冷损；6、开门冷损耗；7、载冷介质循环泵所消耗的冷量；          8、其他冷损耗。                                                                                                                                    捕水器耗冷量的计算包括：1、捕水器材料降温耗冷量；                                                    2、保温层传热耗冷量；                                                                                                                          3、水蒸气凝结耗冷量。                                                                                                                          冻干设备上一般按制冷温度选制冷剂和制冷循环。一般单级压缩可制取-20～-40℃的低温，双级压缩可制取-40～-70℃的低温，复叠式制冷循环可得到-50～-80℃的低温。

3.3冻干机的主要性能指标中国制药装备行业协会发布过《冷冻真空干燥机医药行业标准》。2001年国家机械工业联合会发布《真空冷冻干燥机机械行业标准（征求意见稿）》，在全国范围内推行JB/T10285-2001食品冷冻干燥机标准。至今尚无完善统一的国家标准，这里介绍几项主要性能指标。①干燥箱空载极限压力：医药用冻干机为2~3Pa，食品用冻干机为5~15Pa。②干燥箱空载抽空时间：从大气压抽到10Pa，医药用冻干机应小于等于0.5h，食品用冻干机应小于等于0.75h。③干燥箱空载降温率：医药用冻干机从3Pa开始、食品用冻干机从10Pa开始观测，观测0.5h，其静态漏气率不大于0.025Pa•m³/s。④干燥箱空载降温速率：搁板温度20℃士2℃降至-40℃的时间应不大于2h。⑤捕水器降温速率：从20℃士2℃降至-50℃的时间应不大于1h。⑥冻干箱内板层温差与板内温差：医药用冻干机板层温度应控制在士1.5℃，板内温差为士1℃，食品冻干机可适当放宽。⑦捕水器捕水能力：应不小于10kg/㎡。⑧冻干机噪声，声压级噪声小型冻干机应不大于83dB(A)，中型≤85dB(A)，大型≤90dB(A)。⑨冻干机的控制系统应符合以下要求：应能显示各主要部件的工作状态，显示干燥箱内搁板和制品的温度和真空度，捕水器温度；应能进行参数设定、修改和实时显示；应能显示断水、断电、超温、超压报警。⑩冻干机的安全性能：整机绝缘电阻应不小于1MΩ。医药用冻干机还要有自动加塞功能，加塞抽样合格率应大于99%；蒸汽消毒灭菌的蒸汽气压为0.11MPa，温度为121℃，灭菌时间为20min；冻干箱内表面保证能全部洗清，无死角积液。3.4冻干机的设计简介3.4.1冻干箱的设计冻干箱或称冻干仓、冻干室，它是冻干机的核心部件。医药用冻干机的物料冷冻和干燥都在冻干箱内完成；食品用冻干机的物料预冻后也在冻干箱内完成真空干燥。为完成上述功能，冻干箱内需要有加热和（或）制冷的搁板，需要有热或冷液体的导入，有电极引入部件，有观察窗等部件。还有些冻干机的捕水器也布置在冻干箱内。冻干箱的设计包括冻干箱的箱体设计、箱门设计、搁板设计以及其他部件（观察窗、压盖装置、电极引入结构、真空规管接头)的设计。冻干箱的箱体是严格要求密封的外压容器，如果是带有消毒灭菌功能的冻干机，箱体还必须能承受内压。箱体有圆筒形和长方盒形两种。圆筒形省料，容易加工，承受内、外压能力强，但有效空间利用率低，大型食品冻干机多采用这种形状的箱体，特别是捕水器设置在箱体内，解决了空间利用率低的缺点。方形箱体外形美观，有效空间利用率高，在长方形盒式箱体外边采用加强筋，能解决承压能力问题，医药用冻干机多采用这种形状的箱体。无论哪种形状，在箱体设计时都要进行强度和稳定性计算，防止箱体变形。冻干箱内温度场、压力场的均匀性也很重要，设计冻干箱时需要研究如何保证温度场的均匀性；研究抽真空系统的开口位置，以保证压力场的均匀性。最好要做温度场、压力场和气体流场的数学模拟。在冻干箱的箱门设计，医药用冻干箱的箱门与箱体应采用同种材料，表面粗糙度要求相同。箱体与箱门之间采用有转动和平动两个自由度的饺链连接，0形或唇形硅橡胶圈密封，硅橡胶圈应能耐一50~150℃的温度变化。箱门锁紧机构从老式设计的滑动机械装置逐渐过渡为全自动机械插销锁。食品用冻干机的箱门结构种类较多，圆形箱门以椭圆形封头为好，直径小的箱门也可采用平板；方形箱门也应设计成外突结构，小尺寸平板结构需设计加强筋。大型冻干机箱体与箱门分成两体，箱门可设计成落地式和吊挂式各种结构。图3-21为两种落地式箱门结构，图(a)为两侧均可移动的箱门结构，装、卸料时将两侧箱门打开，用外部运送物料的吊车，将装有待干物料的托盘运送到干燥箱口，然后再把托盘插入干燥箱的搁板上，从干燥箱的另一侧顶出已干物料盘至吊车上运走；图(b)为箱体移动式（箱门与搁板组件固定不动），箱体靠电动拉开，物料从搁板两侧装卸，因搁板全部裸露在外，便于清洗，适合于少量，多品种多样化的物料干燥。在冻干箱内要设置搁板。医药用冻干机的搁板上放置被冻干物料，搁板既是冷冻器又是加热器；有些食品用冻干机的搁板上放置被冻干物料，大部分食品冻干机搁板上不放物料，而只是用作为辐射加热的加热器。无论哪种冻干机，都要求搁板表面加工平整，温度分布均匀，结构设计合理，便于加工制造。搁板设计的关键技术是搁板内流体流道的位置、尺寸和搁板强度等的计算；制造的关键技术是加工流道的沟槽、焊接工艺、保证平整不变形、保证密封性能的方法等，这些内容都需要认真研究。医药用冻干机搁板结构要根据降温和加热方式而定，通常有四种形式：直冷直热式、间冷间热式、直冷间热式和间冷直热式。现代大型食品冻干机的搁板多为轧制的铝型材，板内为长方形通道。为保证板面温度均匀，应使各流道内加热液体的流量一致。因此，在搁板端部焊接的集管中必须设置导流板，在导流板上打孔，通过改变导流板上的孔距来调节各流道中的流量，具体数据需要由实验决定。食品用冻干机多采用辐射加热，传热效率和温度均匀性与板面辐射率大小有关，一般对板面进行阳极氧化处理，使板面辐射率达0.9以上。搁板间距在80～120mm范围内。间距太大影响加热效率和均匀性；间距太小影响抽真空。图3-22(a)为几种不同的搁板结构，上图为直冷直热式，中间为直冷间热式，下图为间冷间热式。搁板的加工工艺在不断改革，现在的搁板多用AIS316L不锈钢材料制造，采用特殊空心夹板，强度高、密封性好。板层在长期热胀冷缩的工作条件下，不变形，不善漏。其焊接工艺如图3-22(b)所示。搁板表面要求平整、光滑，符合GMP要求，表面平整度士1mm/m，粗糙度Ra为减少冻干箱的冷热损失，冻干箱外需要设计绝热结构。冻干箱壁外应有保温层和防潮层，最外侧是包皮。保温层厚度通过热计算确定。保温材料通常用聚氨酯泡沫塑料，现场发泡。3.4.2捕水器的设计捕水器又称水汽凝结器，是专抽水蒸气的低温冷凝泵。捕水器的性能应该包括捕水速率(kg/h)，捕水能力(kg/㎡)，永久性气体的流导能力(L/s)，功率消耗(kW/kg)，冷凝面上结冰或霜的均匀性，制造成本和运转费用等。这些性能与制冷温度、结构和安装位置等因素有关。捕水器是真空容器，因此，要满足外压容器的强度要求，筒体多设计成圆筒形；若长径比满足表3-1的要求，则可不做计算，若超出了表3-1中的长径比规定，则要另做计算。筒体和各连接部位的泄漏应满足真空密封的要求。通常与冻干箱的要求一样，静态漏气率应低于0.025Pa•m³/s。捕水器是带气固相变的换热器。因此，要求换热效率高，用导热性能好的材料做冷凝表面，以减少换热损失。冰和霜都是热的不良导体，要求结冰层不能太厚，一般在5~10mm，以免因冰导热性能差而造成能源浪费。捕水器是专抽水蒸气的冷凝泵，因此，要有足够的捕水面积，以保证实现冻干要求的捕水量。要有足够低的温度，以形成水蒸气从升华表面到冷凝表面间的压力差，两表面的温度差最好在10℃左右。这样，既能保证使水蒸汽从冻干箱流向捕水器的动力，造成水蒸气流动，又能使冻干箱内有合理的真空度，实现良好的传热传质过程。捕水器内要有足够的空间，以使水蒸气在其中流动速度减慢，增加与冷凝面的碰撞概率，提高捕水能力。大型捕水器要设置折流板，以防气体短路，水蒸气被真空泵抽走。冷凝表面之间应有足够距离，以保证不可凝气体的流导，便于抽真空。冻干机上常用的捕水器可分为两大类，一类是管式换热器，另一类是板式换热器。图3-23是一种管式换热捕水器的典型结构。图3-24是其内部照片，图3-25为圆筒形板式捕水器结构。A-连接到冻干箱的口径；B-由D移动的圆柱面孔；C-阀板和冷凝器之间的通道；D-阀板；E-冷冻蛇形管的凝结表面；F-冷冻机的人口和出口；G-连接到真空泵的管；H-水蒸气凝结器融霜期间的放水孔；pch和pco分别是干燥箱和冷凝器中的压力1-由制冷剂直接冷却的冷凝器管；2-由液氨直接蒸发冷却的板式蒸发器；3-蘑菇阀的阀板管式又可分为盘管（或螺旋管、去真空泵蛇管式）和壳管 （列管）式两种，前者主要用于小型冻干机，后者主要用于大型冻干机。板式又可分为平板和圆简形组合板两种，后者结构复杂，但冷凝效率高。无论是管式还是板式，按捕水器外壳放置方式又可以有立式和卧式两类，小型冻干机多采用立式捕水器，大型冻干机多采用卧式捕水器。按捕水器是否安放在冻干箱内，又可分成内置式和外置式。

3.2.2按冻干机的用途分类按冻干机的用途可以分成食品用冻干机、药品用冻干机、实验用冻干机等。(1)食品用冻干机   图3-11该系列冷冻干燥设备是集热力、真空、制冷、压力容器制造和自动控制技术等领域所积累的经验基础上，消化吸收了国际上同类设备领先技术而研制的。它采用了内置式交替工作的水汽捕集器、满液式循环供冷系统、按加速升华理论设计的加热和水汽捕集系统以及负压蒸汽融冰等先进技术。国产冻干设备中，只有ZDG160型冻干机给出了能耗指标：单位面积上最大热负荷1.5kW/㎡；单位脱水能耗：制冷系统1.2kW/kg,真空系统0.3kW/kg。图3-12为大型冻干机的结构。该设备采用水蒸气喷射泵为真空抽气系统，可以直接抽出水蒸气。1-物料盘；2-前级抽气机组；3-液压操作台；4-水蒸气喷射泵；5-门移动小车；6-门；7-加热板；8-门预紧装置；9-液压系统；10-干燥室；11-物料车(2)医药用冻干机      医药用冷冻真空干燥必须符合GMP(Good Manufacturing Practice)的有关要求，其目的是要保证药品生产质量整批均匀一致，冻干设备还必须达到可以在线清洗(Cleaning in place,CIP)、在线灭菌(Sterilizing in place,SIP)的要求，其目的是保证药品清洁卫生，不染杂菌。对直接接触药品的设备材质和加工精度也有要求，一般要求采取304或316不锈钢；进入干燥系统的热空气须精密过滤，1m³空气中≥0.5μm的尘埃粒子不得超过3500个，活微生物数≤1；冻干箱内表面及搁板表面粗糙度Ra中国制药装备行业协会曾在2004年发布《冷冻真空干燥机》医药行业标准，并在2012年进行了修改。标准中规定：①产品形式   冷凝器有立式或卧式，板层制冷应为间冷式，整机分手动和自动程序粒制，搁板分固定式或移动式，机内可用蒸汽灭菌或无灭菌装置，采用水冷冷却。②基本参数    冻干箱内搁板总面积③冻干机的工作条件    环境温度5~35℃，冷却水温度不高于20℃，相对湿度不大于80%，供电电源380V士5%或220V士10%，频率50Hz士2%，周围空气无导电尘埃及爆炸性气体和腐蚀性气体存在。④灭菌系统工作条件   蒸汽表压力0.11MPa，温度121℃，保持20min。⑤操作要求：a.空载运行时，搁板温度从室温降至一40℃时间不大于2h，冷凝器从室温降至-50℃时间不大于1.5h；搁板从-50℃升温至+60℃的时间不应大于3h，板层温差不超过士1.5℃；空载极限真空度高于5Pa；干燥箱内达到5Pa后，保压0.5h，静态漏气率不大于0.025Pa·m3/s。b.满载运行时，制品升华全过程中冷凝器温度≤一40℃，此时，干燥箱内的压力应≤30Pa。⑥冻干机的其他要求   自动控制程序正确无误，准确执行设定的冻干曲线；自动加塞功能正常，不合格率≤0.3%；冻干机的水电、温度、真空度故障报警系统工作正常；冻干机安全可靠，绝缘电阻不小于1.0MΩ，电气设备必须经受频率为50Hz，正弦交流电压1500V，历时1min的耐压试验。新标准还增加了保温材料的要求，无菌过滤器的要求，控制系统的权限设置，控制系统工艺参数的要求，在位清洗的要求，在位灭菌的要求和水汽捕集器的真空泄漏率。生产型药用冻干机都有清洗系统(CIP)、消毒灭菌系统(SIP)，其原理分别如图3-13和图3-14所示。1-干燥室；2-冷凝器；3-干燥室与冷凝器间的阀门；4-液压制动系统；5-硅油回路；6-冷却系统；7-真空系统；8-冷却水；9-废水；10-排气真空泵；11-CP液体进口；12-CIP液体容器1-干燥箱；2-冷凝器；3-干燥箱冷凝器阀门；4-液力加塞系统；5-硅油回路；6-冷却系统；7-真空系统；8-冷却水；9-废水；10-排气；11-蒸汽进口图3-15中，表示一个带有机玻璃门的圆柱形干燥箱和一个对药瓶加塞的液压系统。3.2.3按冻干机的生产方式分类按生产方式可以分成间歇式、周期式、连续式。(1)间歇式冻干机   目前国内还很少有连续式冻干设备，仍然以周期（间歇）式为主，图3-16所示为丹麦生产的RAY系列间歇式冻干设备的布置情况，可作为间歇式冻干机整体设计时参考。1-小车装料；2-冻结隧道；3-冻料贮存；4-控制室；5-机房；6-小车卸料(2)连续式冻干机   为提高冻干产品的产量，节约能源，国外发展连续式冻干设备的速度快，医药和食品冻干领域都有应用。图3-17为隧道式连续冻干机，其结构简单，运转过程一目了然，难点是料车通过真空闸阀时容易产生振动，致使物料从料车上跌落，影响闸阀密封。图3-18所示为一种连续生产的医药用冻干机，其冷凝器、制冷系统、真空系统安装在楼下机房内，其上一层楼是无菌室，分装料、进料和卸料室，冻干机内能自动压盖，实现无菌化、自动化生产，保证产品质量。1-干燥室；2-观察窗；3-自动小门通道；4-全开大门；5-加塞装置；6-密封装置；7-加强筋和灭菌后的冷却水管；8-蝶阀；9-捕水器；10-加料装置；11-卸料装置；12-搁板3.2.4按补水器的安放位置分类按捕水器安放的位置可以分为在冻干箱内还是箱外两种结构。(1)捕水器按放在箱外   捕水器放在箱外的典型结构如图3-19所示。为提高产量，有时将两个冻干箱和两个捕水器共用一套制冷和真空系统。为提高可靠性，有时冻干箱和捕水器分用两套制冷系统和两套真空系统，各有优缺点。1-无菌室墙壁；2-真空计；3-冻干箱；4-搁板；5-蝶阀；6-除霜水进口；7-电磁放气阀；8-真空泵；9-排水口；10-水汽凝结器；11-制冷系统，12-加热系统(2)捕水器放在箱内   图3-20为一台拥有20㎡冻干面积，液态氨冷冻的冻干机。其干燥箱和冷凝器在同一个真空室里，用阀板隔开，为水蒸气流动提供了最短的路径，冷凝器温度可达-100℃，搁板温度在-70～+50℃之间，用运输车装卸料。1-运输车；2-托盘中的产品；3-无菌室；4-GIP系统；5-水出口；6-液环泵；7-用液氨冷却的盐水热交换器；8-用20℃水冷却热交换液体的热交换器；9-电加热热交换液体的热交换器；10-热交换流体循环；11-液氨人口；12-氨气出口；13-除霜用的水；14-罗茨真空泵；15-3个二机泵组；16-干燥箱；17-冷凝器；18-冷凝器的金属板；19-干燥箱与冷凝器间的水力操作阀3.2.5其他分类方式(1)按被冻干物料的冷冻方式可以分成：静态、动态、离心、滚动、旋转、喷雾、气流等；(2)按采用的真空系统可以分成水环泵为主泵、旋片泵为主泵、水蒸气喷射泵为主泵等；(3)按冻干箱内搁板上的加热方式可以分成传导加热、辐射加热；(4)按加热用的工质可以分成采用蒸汽、油、水、氟利昂等；(5)按被冻干物料冷冻地点可以分成冻干箱内还是冻干箱外。

真空冷冻干燥设备简称冷干机，它是实现冻干艺术必备的装置。冻干工艺对冻干机的要求主要有：实用性、安全性、可靠性和先进性。设计和制造冻干机时需要考虑节能、环保、降低成本、维修容易、使用方便。生物制品和医药用冻干机所生产的产品价值很高，在冻干过程中一旦出现放障，造成的损失严重，因此要求冻干机有很好的可靠性。冻干过程的监控非常重要，为保证冻干产品的质量，测量和控制元件需要有较高的精度。3.1冻干机的组成冻干机的组成如图3-1所示，主要包括真空冷冻干燥箱（简称冻干箱）1，真空系统（包括2、7、8、21、23、24、25、26、27、28、34），制冷系统（包括3、5、6、9、14、16、17、18、19、32A、32B、33），加热系统（包括4、10、11、12、13、15、20、22、29、30、31），还有在图中没有画出来的液压系统，自动控制系统，气动系统，清洗系统和消毒灭菌系统、化霜系统取样系统、称重系统、水分在线测量系统、观察照相系统等几大部分组成。1-冻干箱；2-真空规管；3-制冷循环管；4-加温油循环管；5-电避阀；6-膨张阀；7-ф200续阀；8-水汽凝结器；9-冷凝管；10-油箱；11-油泵；12-出油管；13-进油管；14-冷却水管；15-油温控制铂电阻；16-制冷压缩机；17-油分离器；18-出液阀；19-过滤器；20-加热器；21-ф50蝶阀；22-热风机；23-电磁真空阀；24-罗茨泵；25-旋转真空泵；26-电磁带放气截止阀；27-ф25隔膜阀；28-ф10隔膜阀；29-放油阀；30-放水阀；31-冷却水电磁阀；32A-手阀；32B-不锈钢针型阀；33-贮液器；34-化霜喷水管；A、B、C-制冷机组；D、E、F-真空泵组3.2冻干机的分类冻干机有许多种，根据不同分类方法，冻干机大致可以分成以下几大类：3.2.1按冻干面积的大小分类按冻干面积大小可以分成(㎡)0.1、0.2、0.3、0.5、1、3、5、10、15、20、25、30、50、75、100等多种。通常0.1～0.3㎡为小型实验用冻干机：0.5～5㎡为中型实验用冻干机；50㎡以上为大型冻干设备。（1）实验用冻干机   实验用冻干机追求的性能指标是体积小、重量轻、功能多、性能稳定、测试系统准确度高、最好是一机多用，能适应多种物料的冻干实验。小型实验室冻干机由一个带真空泵和小型冷阱的基本单元及一些附件组成，在带保温的冷阱圆筒体内有制冷管道，圆简体有一个透明的聚丙烯盖，圆简体做成真空密封并与真空泵相连，基本单元安装有真空仪表和温度仪表，并有控制开关、放水阀和放气阀等。基本单元可与其他附件进行不同的组合，以适应不同产品的冻干，例如与带钟罩的多歧管组合可冻干盛放在烧瓶内的产品，与带压塞机构的板层和钟罩组合可冻干小瓶，与离心附件和钟罩组合可冻干安瓿等。图3-2给出的是4种不同结构的台式实验用冻干机示意图。图3-2中（a)和（b）为单腔结构，在无菌条件下，预冻和干燥均在冷凝腔中进行；(c)和(d)双腔结构，预冻在低温冰箱或旋冻器中进行，干燥在冷凝腔的上方干燥室内进行，下腔只用做捕水器。（a）和（c）结构适于盘装物料的干燥；(b)和(d)结构适合西林瓶装物料的干燥，并带有压盖机构；（c）和（d）结构还可以收在干燥室外部接装烧瓶，对旋冻在瓶内壁的物料进行干燥，这时烧瓶作为容器接在干燥箱外的歧管上，烧瓶中的物料靠室温加热，很难控制加热温度。1-真空泵；2-冷凝腔；3-冷凝器；4-有机玻璃盖；5-有机玻璃干燥室；6-电加热搁板；7-真空测控器；8-化霜放水阀；9-机动中间阀；10-密封压盖装置；11-压力控制阀；12-微通气阀；13-橡胶阀；14-绝缘层德国生产了一种可以观察和拍照冻结与干燥过程的实验用冻干机，如图3-3所示。英国Biopharma科技有限公司推出了最新版的紧凑型冷冻干燥显微镜系统LYOSTAT 2，该显微镜系统允许用户通过一个RS232串口连接到PC机上，在观测上可以采用显微镜，或拥有PC用相机和影像撷取程式与制度，冻干系统采用的是液氨制冷，冷却速度较快，工作温度范围-196～+125℃，并且已经达到400倍的放大倍数，采用100Ω铂电阻传感器的温度监测/控制（德国工业标准A级0.1℃)，在显微镜的选择上采用的是奥林巴斯-51显微镜，能将实时图像、样品温度和箱内的压力显示在屏幕上，图3-4为LYOSTAT2整体图形。国内东北大学过程装备与环境工程研究所张世伟等人研制的实验型冻干显微镜的组成如图3-5所示，整个显微观测仪器包括观测室、制冷系统、真空系统、计算机控制及测试记录系统等组成。该冻干显微镜（图3-6）能够实现对被观测物料的显微图像观察，载物托盘中央开设有速光小孔，可以使下部照射上来的透射光通过，用于对物料的透射显微观察。冻干显微镜能对物料进行宽量程的温度控制。在显微镜载物台上方，设置有冷冻和加热部件，包括上下两层加热制冷板状部件和一个气体喷嘴，均绝热地与载物台相连接。冷冻和加热部件的作用是对被观测物料施降温冻结。加热升温或为物料提供相变潜热，通过改变供热、制冷速率，反馈控制物料温度变化速率。控制与测试系统全部采用计算机数据传输与控制技术。整个仪器的操作可以全部实现自动控制。测试的温度、压力和图像数据可以全部在计算机上显示和存储。1-真空（观测）室；2-显微镜；3-物镜镜头；4-被观测物料及容器；5-测温热电偶；6-载物托盘；7-温度数据处理器；8-显微镜载物台；9-支架；10-显微镜下光源；11-下层加热制冷板；12-上层加热制冷板；13-显微镜上光源；14-真空阀；15-真空泵；16-常规制冷机系统；17-卷绕式屏蔽机构；18-真空规管；19-CCD图像采集器；20-观测室门；21-压力（真空度）数据处理器；22-图像数据处理器；23-计算机控制与测试系统；24-板内制冷液通道；25-被观测物料及容器；26-显微镜载物台玻璃(2)中型试验用冻干机    用于工艺研究的试验设备和中试型设备，应支持共晶点测试系统、冻干曲线记录软件、称重系统等工艺研究工具，是进行工程化条件探索、冻干质量控制探索的有力工具。图3-7所示为中试或小批量生产用冻干机，适合于从实验室向大批量生产的过渡，做工艺研究用。这种冻干机多设计成整体式，采用积木块式结构，将所有部件安装轮轴，搬运方便。冻干机的性能与自动化的程度，可根据用户需要确定。图3-8所示的冻干机有手动和自动控制两套系统，可以按设定冻干曲线自动运行，并能记录和打印运行情况。搁板温度达-60℃，冷阱温度达-70℃，预冻和干燥都能在冻干机中完成。1-过程材料；2-带搁板的干燥箱；3-控制部分；4-冷凝器；5-带有废气过滤器的真泵；6-冷凝器制冷的制冷机；7-搁板制冷的制冷机；8-盐水循环泵；9-换热器有些产品需要在冻干过程中取样分析化验，提供干燥过程中的各种信息。图3-8所示为一种对瓶装物料取样的机械手。为了在冻干过程中能准确地掌握产品的含水量，有些实验用冻干机设置了样品称重装置。典型结构如图3-9所示。1-塞瓶工具；2-机械手臂；3-推瓶杆；4-球阀旋杆；5-出口通道；6-小瓶的出口容器；7-放气阀；8-真空阀；9-真空泵1-带有可调搁板的真空室；2-带有探针的容器；3-搁板升降架；4-冷凝器；5-闸门；6-隔离室内的天平；7-为隔离室抽真空的真空泵；8-手套箱；9-Karl Fishcher测量系统；l0-控制压力的真空泵；11-控制器；12-调节的介质图3-10为实验室工艺型冻干机，采用LSC操作面板，支持搁板加热，支持30个冻干程序，每个程序可15步控制。还可支持LC-1共晶点测试系统、LL-1冻干曲线记录软件、称重系统等工艺研究工具，是进行工程化条件探索、冻干质量控制探索的有力工具。LSC型冻干机支持冻干量4~24kg，不仅可满足实验室需求，还可提供小型中试研究。