必看幹貨|詳解冷凍幹燥第二步升華幹燥

真空冷凍幹燥中的加熱方式

醫藥凍幹機一般均采用電加熱，常用的加熱方式包括輻射加熱、接觸加熱和微波加熱。一般輻射加熱隨幹燥中升華表麵逐漸向內(nei) 退縮，已幹層的厚度越來越厚，傳(chuan) 熱和傳(chuan) 質阻力都增加;接觸加熱隨升華表麵不斷向內(nei) 退縮，已千層越來越厚，凍結層越來越薄，相應的傳(chuan) 質限力越來越大，傳(chuan) 熱阻力愈來愈小;微波加熱可以克服常規幹燥熱傳(chuan) 導率低的缺點，從(cong) 物料內(nei) 部開始升溫，並由於(yu) 熱發作用使冰塊內(nei) 層溫度高於(yu) 外層、對升華的排濕通道無1阻礙作用。它還可以有選擇性地針對冰塊加熱，麵已幹燥部分卻很少吸收微波能量，從(cong) 而幹燥速率大大增加，幹燥時間可比常規幹燥縮短一倍以上。此外，因微波真空冷凍幹燥物料速度快，物料內(nei) 冰塊迅速升華，因而使得物料呈多孔性結構，更易複水和壓縮，而且可更好地保留揮發性組分。

溶液類產(chan) 品凍結後形成的冰塊導熱性能好，用擱板、玻璃瓶壁到產(chan) 品的接觸供熱效果更佳。擱板用循環介質間接加熱，其板溫均勻，所以醫藥凍幹機廣泛采用擱板接觸供熱的加熱方式，輻射加熱應用也較多。微波加熱更適合於(yu) 較厚的物料和具有較低的熱降解溫度或高附加值的物料，可使加熱周期大大縮短，加工成本低。

升華過程中水蒸氣的流動阻力

物質在幹燥層中的轉運有兩(liang) 個(ge) 基本機理:即主流量(物質的運動隨著壓力梯度方向，可能是分子運動或是黏性運動)或是分散流量(物質沿著濃度梯度或局部壓力的分子運動)。隨著已幹物質層的厚度增加，物質轉運阻力增大，且在一次幹燥階段，凍幹箱也會(hui) 影響幹燥物料對物質轉運的阻力大小。

幹燥過程中水蒸氣的傳(chuan) 質阻力主要取決(jue) 於(yu) 凍結產(chan) 品的內(nei) 部結構，升華過程中水氣流動阻力的分布情況如圖

首先，表麵致密層(濃縮層)給水蒸汽的傳(chuan) 遞造成很大的阻力，在產(chan) 品未發生崩解的前提下，水蒸汽以擴散的方式通過表麵致密層。在結晶和濃縮溶質層，曾被冰晶充滿的空間成為(wei) 水蒸氣的主要通道。

另外，水蒸汽分子也可通過表麵擴散被通道表麵吸附。在幹燥過程中水氣的擴散係數主要取決(jue) 於(yu) 產(chan) 品凍結界麵的形狀和產(chan) 品的內(nei) 部結構。概括地講，水蒸氣的流動阻力主要來源於(yu) 以下幾個(ge) 方麵：

(1)來自產(chan) 品內(nei) 部的阻力：即水分子通過已經幹燥層的阻力，是水蒸氣升華的主要阻力，約占總阻力的90%。該阻力的大小與(yu) 幹燥層的結構、產(chan) 品的種類、成分、濃度、保護劑等有關(guan) 。

(2)來自容器的阻力：主要來自瓶口，因為(wei) 瓶口的截麵較小，瓶口處可能還有某些物品，如帶槽的橡皮塞、紗布等，瓶口截麵大，則阻力小。

(3)來自機器本身的阻力：主要是凍幹箱與(yu) 冷凝器之間管道的阻力，管道粗、短、直，則阻力相對較小。 

此外，水蒸氣的流動阻力還與(yu) 凍幹箱的結構和幾何形狀有關(guan) 。

升華過程的熱量傳(chuan) 遞

在升華幹燥過程中，熱量首先通過托盤及小瓶從(cong) 擱板轉換到凍結產(chan) 品上，再傳(chuan) 導至升華麵;冰的升華以及形成的水蒸氣通過產(chan) 品的幹燥部分傳(chuan) 到表麵層;從(cong) 產(chan) 品表麵逸出的水蒸氣通過容器進人水氣凝結器，然後在冷凝器中冷凝。

(1)熱量傳(chuan) 至藥品凍結塊的升華表麵

產(chan) 品中冰的升華是在升華界麵處進行的，升華時所需的熱量由擱板提供。擱板將熱量傳(chuan) 至產(chan) 品的升華界麵的途徑主要有以下幾種。

(a)固體(ti) 傳(chuan) 導：由玻璃瓶底與(yu) 擱板接觸部位傳(chuan) 到玻璃瓶底，穿過瓶底和產(chan) 品的凍結部分到達升華界麵。

(b)輻射：上擱板的下表麵和下擱板的上表麵向玻璃瓶及產(chan) 品幹燥層上表麵輻射，再通過玻璃瓶壁及凍結層或已幹燥層的導熱到達升華界麵。

(c)通過擱板與(yu) 玻璃瓶外表麵間殘存的氣體(ti) 對流;由於(yu) 傳(chuan) 熱過程中必然存在傳(chuan) 熱溫差，各段傳(chuan) 熱溫差與(yu) 其相應熱阻成正比，於(yu) 是形成明顯的產(chan) 品溫度分布。例如擱板表麵溫度為(wei) +50℃，到升華界麵的溫度可能約為(wei) -25℃，冰層最高溫度約 -20℃，幹燥層上表麵溫度可能為(wei) +25℃。

(2)冰的升華及水蒸氣通過幹燥層的通路

冰的升華過程取決(jue) 於(yu) 產(chan) 品的溫度以及水蒸氣通過產(chan) 品的幹燥部分所遇到的阻力。冰的蒸汽壓力隨溫度而變化，產(chan) 品到冷凝器之間的水蒸氣的轉換可通過產(chan) 品和冷凝器之間冰的蒸汽壓力梯度來反映。所以在給定冷凝溫度下，產(chan) 品溫度越高(即冰的蒸汽壓力越高)，壓力差越大，幹燥速率也就越快。這也是冷凍溶液通常在不引起中間體(ti) 的熔化狀態下盡可能地接近始熔溫度條件下完成幹燥的原因。對於(yu) 一些產(chan) 品，產(chan) 品的已幹燥部分會(hui) 導致壓力大幅度衰減，使水蒸氣通路的固態到氣態界麵的阻力增大，采用“循環壓力冷凍幹燥"方法可以解決(jue) 這個(ge) 問題。另外，如果能夠不停地移去已幹燥部分，事實上就消除了對蒸汽流的阻礙。但這種方式不適用於(yu) 瓶裝溶液的凍幹。

(3)固、汽態界麵來的水蒸氣轉換到水氣凝結器

由於(yu) 升華，在產(chan) 品表麵存在的氣體(ti) 分子以及因此產(chan) 生與(yu) 水分子的碰撞，可能導致已升華的水分子又產(chan) 生回潮現象，因此必須除去產(chan) 品上麵的氣體(ti) 分子。在藥劑生產(chan) 中，常通過控製產(chan) 品上的局部水分壓力使水分子轉移到冷凝器，使升華一直持續到產(chan) 品表麵上水分的局部壓力等於(yu) 產(chan) 品內(nei) 部冰的蒸汽壓力時為(wei) 止。在真空冷凍幹燥中，產(chan) 品表麵上的局部水蒸氣壓是通過總壓力來進行控製，幹燥室的總壓力低於(yu) 產(chan) 品中冰的蒸氣壓力時，幹燥速率會(hui) 顯著地增強。

升華時的溫度限製

產(chan) 品升華受下列幾種溫度限製:

(1)產(chan) 品凍結部分的溫度應低於(yu) 產(chan) 品共晶(熔)點溫度;

(2) 產(chan) 品幹燥部分的溫度必須低於(yu) 其崩解溫度或允許的最高溫度(不燒焦或變形);

(3)最高擱板溫度:在凍幹過程中應控製擱板溫度，使產(chan) 品溫度維持在共晶點以下10℃左右。產(chan) 品溫度與(yu) 許多因素有關(guan) ，如產(chan) 品本身的性質、冷凝器製冷量與(yu) 製冷麵積、係統真空度等，因此擱板溫度控製在怎樣的水平，需根據實際情況定。

產(chan) 品溫度是冷凍幹燥的一個(ge) 重要參數，需采用直接或間接方法對其進行連續不斷的顯示、記錄和控製。直接控製即通過直接測量產(chan) 品的溫度來控製加熱，但這種方法由於(yu) 溫度測量存在過衝(chong) 或滯後現象會(hui) 造成控製狀態周期性變化;間接控製是通過檢測、控製凍幹過程中擱板溫度並利用時間、溫度程序獲得所需的產(chan) 品溫度，該法是一種取平均值的統計方法，重複運行的一致性程度高。

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