最新真空冷凍干燥技術講解（四）

第五節  凍干保護劑

在冷凍干燥的液體制品中，除了那些有活性、有生命或有治療效果的組分之外，統稱為凍干保護劑。它不同于佐劑，佐劑具有治療效果，而保護劑則無治療效果。

有些液體制品能單獨地進行冷凍干燥，但也有些液體制品進行冷凍干燥往往不易成功。為了使某些制品能成功地進行冷凍干燥，改善凍干產品的溶解性和穩定性，或使凍干產品有美觀的外形，需要在制品中加入一些附加物質，它們就是保護劑，有時也稱保護劑為懸浮介質、填充劑、賦形劑、緩沖劑、基礎物等。保護劑對于凍干制品必須是化學隋性的。

保護劑的作用：

⒈細菌和病毒需要在特定的培養介質下生長繁殖，但有些培養介質與細菌和病毒往往難以分離，它們一般能成功地冷凍干燥在這些培養介質中。例如肉湯、脫脂、蛋白質等。

⒉有些活性物質濃度極小，干物質含量極少。在冷凍干燥時已經干燥的物質會被升華的氣流帶走。為了改善濃度，增加干物質含量，使凍干后的產品能形成較理想的團塊。因此需要加入填充物質，使固體物質的濃度在4～25％之間。這些填充物或賦形劑是：蔗糖、乳糖脫脂、蛋白質及水解物、聚乙烯吡咯烷酮、葡聚糖、山梨醇等。

⒊有些活性物質特別脆弱，在冷凍干燥時由于物理或化學原因會受到危害，因此加入一些保護劑或防凍劑，以減少冷凍干燥中的損害。例如，加入二甲亞礬、甘油、右旋糖苷（葡聚糖）、糖類、聚乙烯吡咯烷酮等。

⒋加入某些物質可以提高產品的崩解溫度，以得到良好的產品并容易凍干。它們是甘露醇、甘氨酸、右旋糖苷、木糖醇、聚乙烯吡咯烷酮等。

⒌為了改變凍干液體制劑的酸堿度，從而改變共熔點以利于凍干，它們是碳酸氫鈉、氫氧化鈉等。

⒍為了改變產品貯藏的穩定性、提高貯藏溫度，增加貯藏時間，它們是：抗氧化劑類如維生素C、維生素E、氨基酸、硫代硫酸鈉、硫尿等。

保護劑的范圍相當寬廣，品種繁多，但找不到十分理想的保護劑。對于不同的凍干制品也沒有一個保護劑的通用配方。每種產品的適宜保護劑需通過反復的試驗才能確定。

保護劑的種類按化學成份可分為以下幾類：

第六節  影響干燥過程的因素

冷凍干燥過程實際上是水的物態變化及其轉移過程。含有大量水分的生物制品首先凍結成固體，然后在真空狀態下由固態冰直接升華成水蒸汽，水蒸汽又在冷凝器內凝華成冰霜，干燥結束后冰霜熔化排出。在凍干箱內得到了需要的冷凍干燥產品，干燥過程如圖十七所示。

凍干過程有二個放熱過程和二個吸收過程：液體生物制品放出熱量凝固成固體生物制品為放熱過程；固體生物制品在真空下吸收熱量升華成水蒸汽為吸熱過程；水蒸汽在冷凝器中放出熱量凝華成冰霜為放熱過程；凍干結束后冰霜在冷凝器中吸收熱量熔化成水為吸熱過程。

整個凍干過程中進行著熱量和質量的傳遞現象。熱量的傳遞貫穿冷凍干燥的全過程中。預凍階段、干燥的第一階段和第二階段以及化霜階段均進行著熱量的傳遞；質量的傳遞僅在干燥階段進行，凍干箱制品中產生的水蒸汽到冷凝器內凝華成冰霜的過程，實際上也是質量傳遞的過程，只有發生了質量的傳遞,產品才能獲得干燥。在干燥階段，熱的傳遞是為了促進質的傳遞，改善熱的傳遞也能改善質的傳遞。

如果在產品的升華過程中不提供熱量，那么產品由于升華吸收自身的熱量使其自身的溫度下降，升華速率也逐漸下降，直到產品溫度相等于冷凝器的表面溫度，干燥便停止進行。這時從凍結產品到冷凝器表面的水蒸汽分子數與從冷凝器表面返回到凍結產品的水蒸汽分子數相等，凍干箱與冷凝器之間的水蒸汽壓力等于零，達到動態平衡狀態。

如果一個外界熱量加到凍結產品上，這個動態平衡狀態就被破壞，凍結產品的溫度就高于冷凝器表面的溫度，凍干箱和冷凝器之間便產生了水蒸汽壓力差，形成了從凍干箱流向冷凝器的水蒸汽流。由于冷凝器制冷的表面凝華水蒸汽為冰霜，使冷凝器內來自由凍干箱內的水蒸汽不斷地被吸附掉，冷凝器內便保持較低的蒸汽壓力；而凍干箱內流走的水蒸汽又不斷被產品中升華的水蒸汽得到補充，維持凍干箱內較高的水蒸汽壓力。這一過程的不斷進行，使產品逐步得到了干燥。

升華首先從產品的表面開始，在干燥進行了一段時間之后，在凍結產品上面形成了一層已干燥的產品，產生了干燥產品與凍結產品之間的交界面(也稱升華界面)。交界面隨著干燥的進行不斷下降，直到升華完畢交界面消失。當產生了交界面之后，水分子要穿越這層已干燥的產品才能進入空間；水分子跑出交界面之后，進入已經干燥產品的某一間隙內。以后可能還要穿過許多這樣的間隙后，才能從產品的縫隙進入空間。也可以經過一些轉折又回到凍結產品之中，干燥產品內的間隙有時象迷宮一樣。

當水分子跑出產品表面以后，它的運動路徑還很曲折。可能與玻璃瓶壁碰撞、可能與玻璃瓶上橡膠塞碰撞、可能與凍干箱的金屬板壁碰撞、也經常發生水分子之間的相互碰撞，然后進入冷凝器內。當水分子與冷凝器的制冷表面發生碰撞時，由于該表面的溫度很低，低溫表面吸收了水分子的能量，這樣水分子便失去了動能，使其沒有能量再離開冷凝器的制冷表面，于是水分子被“捕獲”了。大量水分子捕獲后在冷凝器表面形成一層冰霜，這樣冷凝器表面溫度就略有上升，但隨來自于凍干箱內的水蒸汽負荷的逐漸減少，冷凝器冰霜表面溫度就慢慢下降，從而也慢慢降低了系統內的水蒸汽壓力，使凍干箱內的水蒸汽不斷地流向冷凝器。隨著時間的延長，凍干箱內不斷對產品進行加熱以及冷凝器的持久工作，產品逐漸得到了干燥。

干燥的速率與凍干箱和冷凝器之間的水蒸汽壓力差成正比，與水蒸汽流動的阻力成反比。水蒸汽的壓力差越大，流動的阻力越小，則干燥的速率越快。水蒸汽的壓力差取決與冷凝器的有效溫度和產品溫度的溫度差。因此要盡可能地降低冷凝器的有效溫度和最大限度地提高產品的溫度。

水蒸汽的流動阻力來自以下幾個方面：

⑴產品內部的阻力：水分子通過已經干燥的產品層的阻力。這個阻力的大小與干燥物質層的結構與產品的種類、成份、濃度、保護劑等有關。

⑵容器的阻力：容器的阻力主來自瓶口之處。因為瓶口的截面較小，瓶口處可能還有某些物品。例如：帶槽的橡皮塞、紗布等，瓶口截面大，則阻力小。

③機器本身的阻力：主要是凍干箱與冷凝器之間的管道阻力，管道粗、短、直則阻力小。另外阻力還與凍干箱的結構和幾何形狀有關。

加快凍干產品的升華速率辦法如下：

①提高凍干箱內產品的溫度：能增加凍干箱內的水蒸汽壓力，加速水蒸汽流向冷凝器，加快質的傳遞，增加干燥速率。但是提高產品的溫度是有一定限度的，不能使產品溫度超過共熔點的溫度。

②降低冷凝器的溫度：也就降低了冷凝器內水蒸汽的壓力，也能加速水蒸汽從凍干箱流向冷凝器的速率。同樣能加快質的傳遞，提高干燥速率。但是更多的降低冷凝器的溫度需增加投資和運行費用。

減少水蒸汽的流動阻力也能加快質的傳遞，提高干燥速率。降低水蒸汽流動阻力辦法有：①減小產品的分裝厚度和增加凍結產品的升華面積；

②合理的設計瓶、塞、減少瓶口阻力；

③合理的設計凍干機，減少機器的管道阻力；

④選擇合適的濃度和保護劑，使干燥產品的結構疏松多孔，減少干燥層的阻力；

⑤試驗最優的預凍方法，造成有利于升華的冰晶結構等。這些方法均能促進質的傳遞，

提高干燥速率。