浓缩与干燥解析课件

第九章第九章 浓缩与干燥浓缩与干燥刘耀玺v 细胞破碎之后，目标产物一般存在于溶液中。细胞破碎之后，目标产物一般存在于溶液中。大部分的发酵产物，如细胞碎片和其他固体大部分的发酵产物，如细胞碎片和其他固体杂质，可通过沉淀、离心或其他各种分离手杂质，可通过沉淀、离心或其他各种分离手段除去。产物回收的下一道工序是除去大量段除去。产物回收的下一道工序是除去大量的溶剂。溶剂除去之后，目标产物以液体或的溶剂。溶剂除去之后，目标产物以液体或固体形式存在。发酵工业一般为液态产品，固体形式存在。发酵工业一般为液态产品，制药工业一般为固态产品。如果目的产物是制药工业一般为固态产品。如果目的产物是固态，溶剂去除后必须进行干燥。固态，溶剂去除后必须进行干燥。v通常通过通常通过提取、沉淀、结晶、蒸发和干燥提取、沉淀、结晶、蒸发和干燥来来去除溶剂从而得到最终的目的产物去除溶剂从而得到最终的目的产物。v 浓缩是低浓度溶液通过除去溶剂（包括水）浓缩是低浓度溶液通过除去溶剂（包括水）变为高浓度溶液的过程。变为高浓度溶液的过程。常在提取后和结晶常在提取后和结晶前进行，有时也贯彻在整个生化制药过程中。前进行，有时也贯彻在整个生化制药过程中。v干燥干燥是从湿的固体生化药物中除去水分或溶是从湿的固体生化药物中除去水分或溶剂而获得相对或绝对干燥制品的工艺过程。剂而获得相对或绝对干燥制品的工艺过程。通常包括原料药的干燥和制成的临床制剂的通常包括原料药的干燥和制成的临床制剂的干燥。干燥。第一节第一节 浓缩浓缩v一、基本原理与目的一、基本原理与目的v蒸发是溶液表面的溶剂分子获得的动能超过了溶液内溶蒸发是溶液表面的溶剂分子获得的动能超过了溶液内溶剂分子间的吸引力而脱离液面而逸向空间的过程。剂分子间的吸引力而脱离液面而逸向空间的过程。v液体在任何温度下都在蒸发。当溶液受热，溶剂分子动液体在任何温度下都在蒸发。当溶液受热，溶剂分子动能增加，蒸发过程加快；液体表面积越大，单位时间内能增加，蒸发过程加快；液体表面积越大，单位时间内气化的分子越多，蒸发越快。气化的分子越多，蒸发越快。v液面蒸气分子密度很小，经常处于不饱和的低压状态，液面蒸气分子密度很小，经常处于不饱和的低压状态，液相与气相的溶剂分子为了维持其分子密度的动态平衡液相与气相的溶剂分子为了维持其分子密度的动态平衡状态，溶液中的溶剂分子必然不断地气化逸向空间，以状态，溶液中的溶剂分子必然不断地气化逸向空间，以维持其一定的饱和蒸气压力。根据此原理，蒸发浓缩装维持其一定的饱和蒸气压力。根据此原理，蒸发浓缩装置常常按照置常常按照加热、扩大液体表面积、低压加热、扩大液体表面积、低压等因素设计。等因素设计。v浓缩的主要目的是使得生物制品体积减少，浓缩的主要目的是使得生物制品体积减少，但不影响其营养成分。其目的主要有以下几但不影响其营养成分。其目的主要有以下几点：点：v1、作为结晶或干燥的与处理；、作为结晶或干燥的与处理；v2、提高产品的质量；、提高产品的质量；v3、减少产品的体积和重量；、减少产品的体积和重量；v4、增加产品的储藏时间、增加产品的储藏时间。二、生物分离常用的浓缩方法二、生物分离常用的浓缩方法 1蒸发浓缩蒸发浓缩 （1）定义：蒸发浓缩就是将溶液的温度提高到沸点，使溶液）定义：蒸发浓缩就是将溶液的温度提高到沸点，使溶液中的溶剂蒸发。蒸发所需的时间和设备可有物质性质和所需中的溶剂蒸发。蒸发所需的时间和设备可有物质性质和所需要的最终浓度决定。要的最终浓度决定。v（2）分类）分类v根据蒸发面上的压力不同可分为：常压浓缩和真空浓缩；根据蒸发面上的压力不同可分为：常压浓缩和真空浓缩；v根据加热蒸汽被利用的次数可分为：单效浓缩、双效浓缩和根据加热蒸汽被利用的次数可分为：单效浓缩、双效浓缩和多效浓缩；多效浓缩；v按物料的流程分为：单程式和循环式；按物料的循环方式又按物料的流程分为：单程式和循环式；按物料的循环方式又可分为：自然循环式和强制循环式；可分为：自然循环式和强制循环式；v按加热器的结构形式可分为：盘管式、中央循环式、升膜式、按加热器的结构形式可分为：盘管式、中央循环式、升膜式、降膜式、刮板式等多种；降膜式、刮板式等多种；v按操作的连续性可以分为：间歇式和连续式。按操作的连续性可以分为：间歇式和连续式。v（1）薄膜蒸发浓缩）薄膜蒸发浓缩 即液体形成薄膜后蒸发，即液体形成薄膜后蒸发，变成浓溶液。成膜的液体有很大的气化面积，变成浓溶液。成膜的液体有很大的气化面积，热传导快，均匀，可避免药物受热时间过长。热传导快，均匀，可避免药物受热时间过长。直接用蒸气加热的薄膜浓缩器液体温度可直接用蒸气加热的薄膜浓缩器液体温度可达达60-80，适用于适用于一些耐热的酶和小分子生一些耐热的酶和小分子生化药物的制备；化药物的制备；对对温度敏感及容易受薄膜切温度敏感及容易受薄膜切力影响变性力影响变性的的核酸大分子及其他大分子不宜核酸大分子及其他大分子不宜使用使用；对某些；对某些黏度很大的、容易结晶析出黏度很大的、容易结晶析出的的生化药物也不宜使用。生化药物也不宜使用。图9-1 降膜蒸发器设备结构图 v（2）减压蒸发浓缩）减压蒸发浓缩v 减压浓缩是减压浓缩是根据降低液面压力使液体沸点降根据降低液面压力使液体沸点降低的原理来进行的。低的原理来进行的。由于要减压抽真空，有时也由于要减压抽真空，有时也叫真空浓缩。为加快其浓缩往往伴随加热使其蒸叫真空浓缩。为加快其浓缩往往伴随加热使其蒸发更快。发更快。适用于一些不耐热的生化药物和制品。适用于一些不耐热的生化药物和制品。v 减压浓缩就是在减压或真空条件下进行的蒸发减压浓缩就是在减压或真空条件下进行的蒸发过程，真空蒸发时冷凝器和蒸发器溶液面的操作过程，真空蒸发时冷凝器和蒸发器溶液面的操作压强低于大气压，此时系统中的不凝性气体必须压强低于大气压，此时系统中的不凝性气体必须用真空泵抽出。真空使蒸发器内溶液的沸点降低，用真空泵抽出。真空使蒸发器内溶液的沸点降低，其装置如图其装置如图9-2所示。所示。图9-2 真空蒸发装置 v采用减压或真空蒸发的优点采用减压或真空蒸发的优点：v由于减压，沸点降低，加大了传热温度差，使蒸由于减压，沸点降低，加大了传热温度差，使蒸发器的传热推动力增加，使过程强化；发器的传热推动力增加，使过程强化；v适用于热敏性溶液和不耐高温的溶液，即减少或适用于热敏性溶液和不耐高温的溶液，即减少或防止热敏性物质的分解。例如，中草药的浸出液在防止热敏性物质的分解。例如，中草药的浸出液在常压下、常压下、100时沸腾，当减压到时沸腾，当减压到8.0104-9.3104Pa时、在时、在40-60沸腾，有利于防止有效成沸腾，有利于防止有效成分分解；分分解；v可利用二次蒸气作为加热热源；可利用二次蒸气作为加热热源；v蒸发器的热损失减少。蒸发器的热损失减少。v真空蒸发的缺点是随着溶液沸点降低使黏度增大，真空蒸发的缺点是随着溶液沸点降低使黏度增大，对传热过程不利。另外，需要增设真空装置，并增对传热过程不利。另外，需要增设真空装置，并增加了能量的消耗。加了能量的消耗。v2吸收浓缩吸收浓缩v 吸收浓缩是通过吸收剂直接吸收除去溶液吸收浓缩是通过吸收剂直接吸收除去溶液中溶剂分子使溶液浓缩的方法。吸收剂与溶中溶剂分子使溶液浓缩的方法。吸收剂与溶液不起化学反应，对生化药物不起吸附作用，液不起化学反应，对生化药物不起吸附作用，容易与溶液分开。吸收剂除去溶剂后能重复容易与溶液分开。吸收剂除去溶剂后能重复使用。使用。v最常用的吸收剂有最常用的吸收剂有聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、蔗糖、凝胶酮、蔗糖、凝胶等。等。v使用使用凝胶凝胶时，先选择凝胶粒度，使其大小恰好让溶时，先选择凝胶粒度，使其大小恰好让溶剂及低分子物质能渗入凝胶内，而生化药物的分子剂及低分子物质能渗入凝胶内，而生化药物的分子完全排除于凝胶之外。完全排除于凝胶之外。v具体操作：具体操作：将洗净和干燥的凝胶直接投入待浓缩的将洗净和干燥的凝胶直接投入待浓缩的稀溶液中，凝胶亲水性强，在水中溶胀时，溶剂及稀溶液中，凝胶亲水性强，在水中溶胀时，溶剂及小分子被吸收到凝胶内，大的生化药物的分子留在小分子被吸收到凝胶内，大的生化药物的分子留在剩余的溶液中。离心或过滤除去凝胶颗粒，即得到剩余的溶液中。离心或过滤除去凝胶颗粒，即得到浓缩的生化药物溶液。凝胶溶胀时吸收水分及小分浓缩的生化药物溶液。凝胶溶胀时吸收水分及小分子物质，可同时起到浓缩和分离纯化两种作用。对子物质，可同时起到浓缩和分离纯化两种作用。对生化药物的结构和生物活性都没有影响，是生物化生化药物的结构和生物活性都没有影响，是生物化学和分子生物学日益广泛使用的浓缩和分离方法之学和分子生物学日益广泛使用的浓缩和分离方法之一。一。v 使用聚乙二醇等吸收剂时，先将含生化药物的溶液使用聚乙二醇等吸收剂时，先将含生化药物的溶液装入半透膜的袋里，扎紧袋口，外加聚乙二醇覆盖，装入半透膜的袋里，扎紧袋口，外加聚乙二醇覆盖，袋内溶剂渗出即被聚乙二醇迅速吸去，聚乙二醇被袋内溶剂渗出即被聚乙二醇迅速吸去，聚乙二醇被溶剂饱和后，可更换新的，直到浓缩至所需的浓度溶剂饱和后，可更换新的，直到浓缩至所需的浓度为止。为止。v例如，利用透析袋浓缩蛋白质溶液是应用最广的一例如，利用透析袋浓缩蛋白质溶液是应用最广的一种方法。将要浓缩的蛋白质溶液放人透析袋（无透种方法。将要浓缩的蛋白质溶液放人透析袋（无透析袋可用玻璃纸代替），结扎，把高分子（析袋可用玻璃纸代替），结扎，把高分子（(6000-12000)聚合物如聚乙二醇（炭蜡）、聚乙烯毗咯、聚合物如聚乙二醇（炭蜡）、聚乙烯毗咯、烷酮等或蔗糖撒在透析袋外即可。也可将吸水剂配烷酮等或蔗糖撒在透析袋外即可。也可将吸水剂配成成30%-40浓度的溶液，将装有蛋白质溶液的透析浓度的溶液，将装有蛋白质溶液的透析袋放入即可。吸水剂用过后，可放入温箱中烘干或袋放入即可。吸水剂用过后，可放入温箱中烘干或自然干燥后，仍可再用。自然干燥后，仍可再用。v浓缩胶是一种高分子网状结构的有机聚合物，具有浓缩胶是一种高分子网状结构的有机聚合物，具有很强的吸水性能。每克干胶可吸水很强的吸水性能。每克干胶可吸水120-150 mL。它它能吸收低相对分子质量的物质，如水、葡萄糖、蔗能吸收低相对分子质量的物质，如水、葡萄糖、蔗糖、无机盐等，适宜浓缩相对分子质量糖、无机盐等，适宜浓缩相对分子质量10000以上以上的生物大分子物质。的生物大分子物质。浓缩后，蛋白质的回收率可达浓缩后，蛋白质的回收率可达80%-90%。浓缩胶应用方便，直接加入被浓缩的溶。浓缩胶应用方便，直接加入被浓缩的溶液中即可。液中即可。v必须注意，浓缩溶液的必须注意，浓缩溶液的pH应大于被浓缩物质的等电应大于被浓缩物质的等电点；否则，在浓缩胶表面产生阳离子交换，影响浓点；否则，在浓缩胶表面产生阳离子交换，影响浓缩物质的回收率。缩物质的回收率。v 3吹干浓缩法吹干浓缩法v 将蛋白质溶液装人透析袋内，放在电风扇下吹。将蛋白质溶液装人透析袋内，放在电风扇下吹。此法简单，但速度慢。另外，温度不能过高，最好此法简单，但速度慢。另外，温度不能过高，最好不要超过不要超过15。v4超滤膜浓缩法超滤膜浓缩法v 超滤膜浓缩法是利用微孔纤维素膜通过高压将水超滤膜浓缩法是利用微孔纤维素膜通过高压将水分滤出，而蛋白质存留于膜上达到浓缩目的。有两分滤出，而蛋白质存留于膜上达到浓缩目的。有两种方法进行浓缩：一种是用醋酸纤维素膜装入高压种方法进行浓缩：一种是用醋酸纤维素膜装入高压过滤器内，在不断搅拌之下过滤；另一种是将蛋白过滤器内，在不断搅拌之下过滤；另一种是将蛋白质溶液装人透析袋内置于真空干燥器的通风口上，质溶液装人透析袋内置于真空干燥器的通风口上，负压抽气，而使袋内液体渗出。负压抽气，而使袋内液体渗出。v5.冷冻浓缩冷冻浓缩v冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间的固冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间的固-液相平衡的浓液相平衡的浓缩方法，将稀溶液中的水形成冰晶，然后进行固缩方法，将稀溶液中的水形成冰晶，然后进行固-液液分离，使溶液增浓。分离，使溶液增浓。v其前提条件是其前提条件是（1）必须在溶液中的溶质浓度低于低必须在溶液中的溶质浓度低于低共熔浓度情况下冷却。否则溶质会结晶析出。这也共熔浓度情况下冷却。否则溶质会结晶析出。这也就是结晶与冷冻浓缩的区别。就是结晶与冷冻浓缩的区别。v（2）冰晶必须与浓缩液尽快分离。因为冷冻浓缩作）冰晶必须与浓缩液尽快分离。因为冷冻浓缩作用的过程只能应用在溶液系统的晶点以下，由于冰用的过程只能应用在溶液系统的晶点以下，由于冰晶的形成使得溶质浓度相应增加，所以晶点是不断晶的形成使得溶质浓度相应增加，所以晶点是不断下降的，如不及时分离，溶质就会结晶析出，造成下降的，如不及时分离，溶质就会结晶析出，造成损失。损失。v优缺点：见教材优缺点：见教材p159.第二节第二节 成品干燥成品干燥v干燥往往是生物产品分离的最后一步。由于许多生干燥往往是生物产品分离的最后一步。由于许多生物产品，如酶制剂、单细胞蛋白、抗生素、氨基酸物产品，如酶制剂、单细胞蛋白、抗生素、氨基酸等均为固体产品，因此成品干燥是工业产品加工过等均为固体产品，因此成品干燥是工业产品加工过程中十分重要的单元操作。任何干燥过程的最终目程中十分重要的单元操作。任何干燥过程的最终目的是减少物质的最终含水量，使其达到所希望的水的是减少物质的最终含水量，使其达到所希望的水平。对于生化反应过程中所得到的培养液，一般含平。对于生化反应过程中所得到的培养液，一般含有有0.20.2一一0.50.5的干物质，接下来的任务是从中提的干物质，接下来的任务是从中提取有用的产物如抗生素、酶制剂、氨基酸、蛋白质取有用的产物如抗生素、酶制剂、氨基酸、蛋白质和其他生物活性物质，并将其转化为商品。通过蒸和其他生物活性物质，并将其转化为商品。通过蒸发只能使产品得到浓缩，不可能得到干态的最终产发只能使产品得到浓缩，不可能得到干态的最终产品。因此，品。因此，干燥是制取以固体形式存在、含水量在干燥是制取以固体形式存在、含水量在5%-125%-12的生物制品的主要工业方法。的生物制品的主要工业方法。v一、干燥工艺的操作流程一、干燥工艺的操作流程v 一个完整的干燥工艺过程，是由加热系统、原料供给系一个完整的干燥工艺过程，是由加热系统、原料供给系统、干燥系统、除尘系统、统、干燥系统、除尘系统、v气流输送系统和控制系统组成。其具体操作流程见图气流输送系统和控制系统组成。其具体操作流程见图9-5。v 固体物料的干燥包括两个基本过程，首先是使物料固体物料的干燥包括两个基本过程，首先是使物料加热以使湿分气化的传热过程，然后是气化后的湿加热以使湿分气化的传热过程，然后是气化后的湿分空气由于其蒸气分压较大而扩散进入气相的传质分空气由于其蒸气分压较大而扩散进入气相的传质过程，而湿分从固体物料内部借助扩散等的作用而过程，而湿分从固体物料内部借助扩散等的作用而缓缓被输送到固体表面，则是一个物料的内部传质缓缓被输送到固体表面，则是一个物料的内部传质过程。因此，过程。因此，干燥的特点是传热和传质同时并存，干燥的特点是传热和传质同时并存，两者相互影响又相互制约，有时加热可加速传质过两者相互影响又相互制约，有时加热可加速传质过程的进行，有时加热却减缓传质过程的进行。程的进行，有时加热却减缓传质过程的进行。在生在生产操作、设备选型和干燥过程的解析过程中，都应产操作、设备选型和干燥过程的解析过程中，都应该注意这一点。该注意这一点。v 要详细了解干燥的基本过程，需要确定物料干燥速要详细了解干燥的基本过程，需要确定物料干燥速率。率。v物料的干燥速率物料的干燥速率是指干燥时单位干燥面积，单位时是指干燥时单位干燥面积，单位时间内气化的水量，其影响因素如下：间内气化的水量，其影响因素如下：v （1）物料的性质、结构和形状）物料的性质、结构和形状 物料的性质和结物料的性质和结构不同，物料与水分的结合方式以及结合水与非结构不同，物料与水分的结合方式以及结合水与非结合水的界线不同，干燥速率也不同。物料的形状、合水的界线不同，干燥速率也不同。物料的形状、大小以及堆积方式不仅影响干燥面积，而且也影响大小以及堆积方式不仅影响干燥面积，而且也影响干燥速率。干燥速率。v （2）干燥介质的温度和湿度）干燥介质的温度和湿度 干燥介质的温度越干燥介质的温度越高，湿度越低，干燥速率越大。但干燥介质的温度高，湿度越低，干燥速率越大。但干燥介质的温度过高，最初干燥速率过快不仅会损坏物料，还会造过高，最初干燥速率过快不仅会损坏物料，还会造成临界含水量的增加，反而会使后期的干燥速率降成临界含水量的增加，反而会使后期的干燥速率降低。低。v(3)干燥操作条件干燥操作条件 干燥操作条件主要是干燥介质干燥操作条件主要是干燥介质与物料的接触方式，以及干燥介质与物料的相对运与物料的接触方式，以及干燥介质与物料的相对运动方向和流动状况。动方向和流动状况。v(4)干燥器的结构形式干燥器的结构形式 干燥器的结构形式不同，干燥器的结构形式不同，也会影响干燥速率。也会影响干燥速率。v在干燥生物原料的过程中，水分的去除和热的作用在干燥生物原料的过程中，水分的去除和热的作用会引起极重要的变化，影响成品的质量。例如，对会引起极重要的变化，影响成品的质量。例如，对热不稳定的物质如活的微生物或活性蛋白，在干燥热不稳定的物质如活的微生物或活性蛋白，在干燥的过程中，随着水分的脱除，物料的结构受到破坏，的过程中，随着水分的脱除，物料的结构受到破坏，电解质和有毒物的浓度会增加，使蛋白质变性和酶电解质和有毒物的浓度会增加，使蛋白质变性和酶钝化。因此，钝化。因此，生物制品干燥过程中采取必要的保护生物制品干燥过程中采取必要的保护措施是十分必要的。对于热稳定性不同的生物制品，措施是十分必要的。对于热稳定性不同的生物制品，加热时间的长短和强度也各不相同。加热时间的长短和强度也各不相同。v二、干燥过程分析二、干燥过程分析v 物料的干燥可分为恒速干燥和降速干燥两个阶段，其物料的干燥可分为恒速干燥和降速干燥两个阶段，其基本过程如下：基本过程如下：v (1)恒速干燥阶段恒速干燥阶段 在恒速干燥阶段，湿物料表面全在恒速干燥阶段，湿物料表面全部被非结合水润湿。由于非结合水与物料结合能力小，部被非结合水润湿。由于非结合水与物料结合能力小，故物料表面水分气化的速率与纯水气化的速率一致。从故物料表面水分气化的速率与纯水气化的速率一致。从质量传递的基本原理来看，由于非结合水的蒸气压与同质量传递的基本原理来看，由于非结合水的蒸气压与同温度下的纯水一致，在恒定干燥条件下，此蒸气压与空温度下的纯水一致，在恒定干燥条件下，此蒸气压与空气中的水蒸气分差之差，即传质推动力不变，故湿物料气中的水蒸气分差之差，即传质推动力不变，故湿物料能以恒定的速率向空气中气化水分。在上述条件下，在能以恒定的速率向空气中气化水分。在上述条件下，在物料表面水分气化的过程中，如果湿物料内部水分向表物料表面水分气化的过程中，如果湿物料内部水分向表面扩散速率等于或大于水分的表面气化速率，则物料表面扩散速率等于或大于水分的表面气化速率，则物料表面将为湿润状态，物料的干燥速率也将停留在恒速干燥面将为湿润状态，物料的干燥速率也将停留在恒速干燥阶段。阶段。v(2)降速干燥阶段降速干燥阶段 v当湿物料中的非结合水分被干燥除去以后，如果干燥过当湿物料中的非结合水分被干燥除去以后，如果干燥过程继续进行，则物料中的结合水分将被除去。由于结合程继续进行，则物料中的结合水分将被除去。由于结合水分所产生的蒸气压低于同湿度下的水分的饱和蒸气压，水分所产生的蒸气压低于同湿度下的水分的饱和蒸气压，所以，水蒸气自物料表面扩散至干燥介质主流中的传质所以，水蒸气自物料表面扩散至干燥介质主流中的传质推动力将变小，这样水蒸气的传质速率必将降低，干燥推动力将变小，这样水蒸气的传质速率必将降低，干燥速率也必将随之下降。在恒速干燥时，干燥介质传给物速率也必将随之下降。在恒速干燥时，干燥介质传给物料的热量全部用于气化水分，而在降速干燥阶段，这部料的热量全部用于气化水分，而在降速干燥阶段，这部分热量除供给已下降的气化水分所需的潜热外，剩余的分热量除供给已下降的气化水分所需的潜热外，剩余的热量将用于加热湿物料，故湿物料的温度将不再维持湿热量将用于加热湿物料，故湿物料的温度将不再维持湿球温度而不断上升。球温度而不断上升。干燥速率的下降和物料温度的上升干燥速率的下降和物料温度的上升是物料进入降速干燥阶段的标志。是物料进入降速干燥阶段的标志。v三、生物产品常用的干燥方法三、生物产品常用的干燥方法v 最常用的干燥方法有常压干燥、减压干燥、常压干燥、减压干燥、喷雾干燥和冷冻干燥喷雾干燥和冷冻干燥等，其干燥设备主要有厢式干燥器、真空干燥器、冷冻干燥器、管式气流干燥、沸腾干燥器、喷雾干燥器等。v 1气流干燥气流干燥v （1）气流干燥的操作原理）气流干燥的操作原理v 气流干燥器是连续的常压干燥器的一种。这种干气流干燥器是连续的常压干燥器的一种。这种干燥器将细粉或颗粒状的湿物料用空气、烟道气或惰燥器将细粉或颗粒状的湿物料用空气、烟道气或惰性气体将其分散于悬浮气流中，并和热气流作并流性气体将其分散于悬浮气流中，并和热气流作并流流动。干燥器可以在正压或负压下工作，取决于风流动。干燥器可以在正压或负压下工作，取决于风机在系统中的位置。如果物料为高温的膏糊状物料，机在系统中的位置。如果物料为高温的膏糊状物料，可以在干燥器底部串联一粉碎机，使物料边干燥边可以在干燥器底部串联一粉碎机，使物料边干燥边粉碎，而后再进入气流干燥管中进行干燥，从而解粉碎，而后再进入气流干燥管中进行干燥，从而解决了膏糊状物料难以连续操作的难题。决了膏糊状物料难以连续操作的难题。v气流干燥主要适用于气流干燥主要适用于颗粒状物料。颗粒状物料。v在气流干燥时，为了蒸发水分和除去水蒸气；在气流干燥时，为了蒸发水分和除去水蒸气；使用了空气、烟道气、惰性气体作为气体干使用了空气、烟道气、惰性气体作为气体干燥介质并借助于干燥介质实现脱水要求。这燥介质并借助于干燥介质实现脱水要求。这是一种古老的传统方法，常与通风、加热结是一种古老的传统方法，常与通风、加热结合起来。该法成本较低、干燥量大。但时间合起来。该法成本较低、干燥量大。但时间稍长，容易污染。阿司匹林、四环素、扑热稍长，容易污染。阿司匹林、四环素、扑热息痛、胃酶、胃黏膜素等常用气流干燥的方息痛、胃酶、胃黏膜素等常用气流干燥的方法进行干燥。法进行干燥。v2)气流干燥的工艺过程气流干燥的工艺过程v 在生物制品发展的初期，盘架式干燥器、转筒式在生物制品发展的初期，盘架式干燥器、转筒式干燥器和带式干燥器被广泛使用。干燥器和带式干燥器被广泛使用。v随着技术的发展，这些传统的干燥器几乎全部被较随着技术的发展，这些传统的干燥器几乎全部被较现代化的干燥器取代。例如，在抗生素生产过程中现代化的干燥器取代。例如，在抗生素生产过程中使用图使用图9-6所示的气流干燥器，效果很好。所示的气流干燥器，效果很好。v其基本流程如下：物料通过给料器送人干燥器，干其基本流程如下：物料通过给料器送人干燥器，干燥在竖管中进行，干燥物料和干燥介质（空气）在燥在竖管中进行，干燥物料和干燥介质（空气）在速度速度10-15 m/s下并流移动，空气在加热器中预热，下并流移动，空气在加热器中预热，干物料从旋风分离器中被分离出来，空气则在过滤干物料从旋风分离器中被分离出来，空气则在过滤器中最后净化，用风机排放到外面。当不要求徐去器中最后净化，用风机排放到外面。当不要求徐去结构水分时，气流干燥可被应用在单一粒度组成的结构水分时，气流干燥可被应用在单一粒度组成的细分散物料的干燥上。细分散物料的干燥上。v2喷雾干燥喷雾干燥v （1）喷雾干燥的原理和特点）喷雾干燥的原理和特点v 喷雾干燥是采用雾化器将料液分散成雾滴，并用喷雾干燥是采用雾化器将料液分散成雾滴，并用热干燥介质（通常为热空气）干燥雾滴而获得产品热干燥介质（通常为热空气）干燥雾滴而获得产品的一种干燥技术。料液可以是溶液、乳浊液和悬浮的一种干燥技术。料液可以是溶液、乳浊液和悬浮液，也可以是熔融液和膏糊液。干燥产品根据生产液，也可以是熔融液和膏糊液。干燥产品根据生产需要制成粉体、颗粒、空心球或团粒。喷雾干燥具需要制成粉体、颗粒、空心球或团粒。喷雾干燥具有快速高效、可在无菌条件下操作，应用广泛的优有快速高效、可在无菌条件下操作，应用广泛的优点。但有热利用率不高，设备投资费用大的缺点。点。但有热利用率不高，设备投资费用大的缺点。图图10-7是一个典型的喷雾干燥装置流程。是一个典型的喷雾干燥装置流程。图图9-7 喷雾干燥器操作流程图喷雾干燥器操作流程图 1过滤器；过滤器；2送风机；送风机；3加热器；加热器；4热风分配器；热风分配器；5离心雾化器；离心雾化器；6干燥塔；干燥塔；7收料装置；收料装置；8旋风分离器；旋风分离器；9引风机；引风机；10料液输送系统；料液输送系统；11过滤器；过滤器；12风送管道；风送管道；13除尘器；除尘器；14小引风机小引风机v喷雾干燥时，料液在有热空气流过的干燥室喷雾干燥时，料液在有热空气流过的干燥室中受到专门装置（转盘、喷嘴）的作用，形中受到专门装置（转盘、喷嘴）的作用，形成有较大表面积的分散微粒，与于燥介质成有较大表面积的分散微粒，与于燥介质（热空气）发生强烈的热交换和质交换，迅（热空气）发生强烈的热交换和质交换，迅速排除本身带有的水分。干燥成品以粉末状速排除本身带有的水分。干燥成品以粉末状态落于干燥室底部。采用机械刮粉器或气流态落于干燥室底部。采用机械刮粉器或气流输送等方法从干燥室中不断卸出，被气流带输送等方法从干燥室中不断卸出，被气流带走的微粉在后面的回收装置中（袋滤器、旋走的微粉在后面的回收装置中（袋滤器、旋风分离器等）分离，废气则排至大气。风分离器等）分离，废气则排至大气。v（2）喷雾干燥的工艺过程）喷雾干燥的工艺过程v 喷雾干燥过程可分为四个阶段：料液雾化；喷雾干燥过程可分为四个阶段：料液雾化；雾滴与空气接触；雾滴干燥；干燥产品与空雾滴与空气接触；雾滴干燥；干燥产品与空气分离。气分离。v（3）喷雾干燥的应用）喷雾干燥的应用v 对于干燥生物制品来说，喷雾干燥的主要对于干燥生物制品来说，喷雾干燥的主要优点不仅可以保证优点不仅可以保证“温和温和”的干燥条件，而的干燥条件，而且使干燥过程在无菌条件下进行，得到的产且使干燥过程在无菌条件下进行，得到的产品不容易被外来微生物污染。喷雾干燥主要品不容易被外来微生物污染。喷雾干燥主要用来生产各种抗生素、维生素、酶、无菌人用来生产各种抗生素、维生素、酶、无菌人血清、糊精、肝精以及其他医用制剂的干燥。血清、糊精、肝精以及其他医用制剂的干燥。v3冷冻干燥冷冻干燥v（1）冷冻干燥的基本原理）冷冻干燥的基本原理v由水的相图由水的相图(p171)可知：水的地三相点为：温度可知：水的地三相点为：温度0.01，压力为，压力为6.103 kPa。因此，。因此，当压力降为当压力降为613.3Pa时，时，不管温度如何变化，只有固态和气态。不管温度如何变化，只有固态和气态。如果压力和温度如果压力和温度低于三相点时，可由固相不经过液相，直接变为气相，低于三相点时，可由固相不经过液相，直接变为气相，该过程称为升华。所以，升高温度或降低压力，都可打该过程称为升华。所以，升高温度或降低压力，都可打破两相平衡，使整个系统朝着冰转变为水蒸气的方向进破两相平衡，使整个系统朝着冰转变为水蒸气的方向进行。行。v冷冻干燥就是根据这个原理，使冰不断生成水蒸气，再冷冻干燥就是根据这个原理，使冰不断生成水蒸气，再将水蒸气抽走，获得干燥制品。将含有大量水分的物质，将水蒸气抽走，获得干燥制品。将含有大量水分的物质，预先降温冻结成固体，然后在真空条件下使蒸汽直接从预先降温冻结成固体，然后在真空条件下使蒸汽直接从固体中升华出来，而物质本身则保留在冻结时由冰固定固体中升华出来，而物质本身则保留在冻结时由冰固定位置的骨架里，形成块状干燥制品。位置的骨架里，形成块状干燥制品。v 预冻预冻 v 冻干工艺过程的第一步为预冻，即将待处理冻干工艺过程的第一步为预冻，即将待处理样品完全冻结。在这个过程中，样品成为冰样品完全冻结。在这个过程中，样品成为冰晶和分散的溶质。为了提高干燥效率，应尽晶和分散的溶质。为了提高干燥效率，应尽可能提高制品升华的表面积，以加快冻干的可能提高制品升华的表面积，以加快冻干的速度。制品冻结速度的快慢，是影响制品质速度。制品冻结速度的快慢，是影响制品质量的重要因素。量的重要因素。v一般情况下，溶液速冻时（每分钟降温一般情况下，溶液速冻时（每分钟降温10-50)，形成在显微镜下可见的晶粒；慢冻时，形成在显微镜下可见的晶粒；慢冻时（每分钟降温（每分钟降温1)，形成肉眼可见的晶粒。，形成肉眼可见的晶粒。此过程中，冰的晶体逐步长大，溶质逐渐结此过程中，冰的晶体逐步长大，溶质逐渐结晶析出。晶析出。v同一体积的待处理液体，快速冷冻形成更多微小的冰晶同一体积的待处理液体，快速冷冻形成更多微小的冰晶体，其冻干升华的表面积较大，可加快制品升华干燥的体，其冻干升华的表面积较大，可加快制品升华干燥的过程。溶液慢冻时由于冻结体内冰晶体大，溶质晶核与过程。溶液慢冻时由于冻结体内冰晶体大，溶质晶核与冰之间的间隙较大，利于深层冻结体升华水分的排出，冰之间的间隙较大，利于深层冻结体升华水分的排出，也可缩短干燥时间。速冻生成细晶升华后留下的间隙较也可缩短干燥时间。速冻生成细晶升华后留下的间隙较小，使下层升华受阻。速冻成的成品粒子细腻、外观均小，使下层升华受阻。速冻成的成品粒子细腻、外观均匀、比表面积大、多孔结构好、溶解速度快，成品的引匀、比表面积大、多孔结构好、溶解速度快，成品的引湿相对强于慢冻成品。湿相对强于慢冻成品。v慢冻形成的粗晶在升华时留下较大的空隙，可提高冻干慢冻形成的粗晶在升华时留下较大的空隙，可提高冻干效率，适用于抗生素等制品的生产。溶液冷冻所形成的效率，适用于抗生素等制品的生产。溶液冷冻所形成的冰晶形态、大小、分布情况等直接影响成品的活性、构冰晶形态、大小、分布情况等直接影响成品的活性、构成、色泽以及溶解性能等。到底采用何种冻结方式进行成、色泽以及溶解性能等。到底采用何种冻结方式进行冷冻干燥，需要根据制品的特点来决定。冷冻干燥法的冷冻干燥，需要根据制品的特点来决定。冷冻干燥法的目的，就在于保持生物药品原有性质的长期稳定状态。目的，就在于保持生物药品原有性质的长期稳定状态。v原料液冷冻干燥时，需装入适当的容器才能预冻结原料液冷冻干燥时，需装入适当的容器才能预冻结成一定的形状进行冷冻干燥。成一定的形状进行冷冻干燥。为了保证冻结干燥后为了保证冻结干燥后的制品具有一定的形状，原料液溶质浓度应该在的制品具有一定的形状，原料液溶质浓度应该在4-25之间，之间，以以10%-15最佳最佳。生物制品尤其是。生物制品尤其是药品在容器中成形一般制品分装厚度不宜超过药品在容器中成形一般制品分装厚度不宜超过15 mm，并应有恰当的表面积和厚度之比，表面积要，并应有恰当的表面积和厚度之比，表面积要大且厚度应小。大且厚度应小。v 冻结温度应控制恰当。冻结温度应控制恰当。首先要保证样品冻结结实，首先要保证样品冻结结实，但冻结温度过低不仅会造成浪费能源，有时还会引但冻结温度过低不仅会造成浪费能源，有时还会引起过冷现象，即制品温度虽已达到溶液的共晶点，起过冷现象，即制品温度虽已达到溶液的共晶点，但溶质仍不结晶。为了避免过冷现象的发生，制品但溶质仍不结晶。为了避免过冷现象的发生，制品冻结的温度应低于共熔点以下的一个范围，并保持冻结的温度应低于共熔点以下的一个范围，并保持一定的时间，使其完全冻结。需冻干的产品，一般一定的时间，使其完全冻结。需冻干的产品，一般先配制成水溶液或悬浊液，其冰点低于溶剂的冰点，先配制成水溶液或悬浊液，其冰点低于溶剂的冰点，应在预冻之前确定制品的共熔点温度。应在预冻之前确定制品的共熔点温度。v一般情况下，在预冻之前，应选择以下三个工艺参数：一般情况下，在预冻之前，应选择以下三个工艺参数：v预冻的速率。预冻的速率。快速冷冻，会形成小冰晶，晶格之间的快速冷冻，会形成小冰晶，晶格之间的空隙也小，在升华时水蒸气就不容易排除，也就不利于空隙也小，在升华时水蒸气就不容易排除，也就不利于升华；反之，慢冻形成的冰晶大，晶格之间隙比较大，升华；反之，慢冻形成的冰晶大，晶格之间隙比较大，这样就有利于水蒸气的排除，也有利于升华速率的提高，这样就有利于水蒸气的排除，也有利于升华速率的提高，但冻干后样品的复原性较差，溶解速度也较慢。但冻干后样品的复原性较差，溶解速度也较慢。v预冻的最低温度。预冻的最低温度。最低温度应适当低于制品的共熔点最低温度应适当低于制品的共熔点10-15即可（一般生物制品的预冻温度控制在即可（一般生物制品的预冻温度控制在-35一一-30即可）。即可）。v预冻时间。预冻时间。通常情况下通常情况下2-3 h就可以完成预冻过程。就可以完成预冻过程。如果冻干设备性能较差，应该待制品温度达到设定温度如果冻干设备性能较差，应该待制品温度达到设定温度要求后适当延长要求后适当延长1-2h，使箱内所有制品都均匀达到所需，使箱内所有制品都均匀达到所需温度，冷冻结实后再抽真空进入干燥程序。温度，冷冻结实后再抽真空进入干燥程序。v(2)升华干燥升华干燥 升华干燥又称一级干燥或一次干燥。制品冻结升华干燥又称一级干燥或一次干燥。制品冻结温度通常为温度通常为-50一一-25。冰在该温度下的饱和蒸气压分别为。冰在该温度下的饱和蒸气压分别为63.3 Pa和和1.1 Pa，真空升华面和冷凝面之间便产生了相当，真空升华面和冷凝面之间便产生了相当大的压差，如忽略系统内的不凝气体分压，该压差将使升华大的压差，如忽略系统内的不凝气体分压，该压差将使升华的水蒸气以一定的流速定向地抵达凝结器表面结成冰霜。的水蒸气以一定的流速定向地抵达凝结器表面结成冰霜。v在升华干燥阶段必须时刻为制品提供恰当的热量。如果升华在升华干燥阶段必须时刻为制品提供恰当的热量。如果升华过程中不供给热量，制品便降低内能来补偿升华热，直至其过程中不供给热量，制品便降低内能来补偿升华热，直至其温度与冻结器温度平衡，升华停止。为了保持升华表面与冷温度与冻结器温度平衡，升华停止。为了保持升华表面与冷凝器的温差，冻干过程中必须对制品提供足够的热量。凝器的温差，冻干过程中必须对制品提供足够的热量。但要但要注意为制品提供热量有一定的限度，不能使制品的温度超过注意为制品提供热量有一定的限度，不能使制品的温度超过制品自身的共熔点温度；否则，会出现制品熔化、干燥后制制品自身的共熔点温度；否则，会出现制品熔化、干燥后制品体积缩小、颜色加深、溶解困难等问题。品体积缩小、颜色加深、溶解困难等问题。如果为制品提供如果为制品提供的热量太少，则升华的速率很慢，会延长升华干燥的时间。的热量太少，则升华的速率很慢，会延长升华干燥的时间。v对于生物制品来说，理想的升华干燥压力控对于生物制品来说，理想的升华干燥压力控制范围应在制范围应在20-40 Pa之间，温度应控制在低之间，温度应控制在低于共晶点的一个范围。在大量升华阶段，随于共晶点的一个范围。在大量升华阶段，随着制品的不断干燥，制品的温度也有小幅上着制品的不断干燥，制品的温度也有小幅上升，直至肉眼已见不到冰晶的存在。此时，升，直至肉眼已见不到冰晶的存在。此时，90以上的水分已被除去。以上的水分已被除去。v(3)解吸附干燥解吸附干燥 v 解吸附干燥又称二级干燥或二次干燥。制品在一级解吸附干燥又称二级干燥或二次干燥。制品在一级升华干燥过程中虽已去除了绝大部分水分，但如果升华干燥过程中虽已去除了绝大部分水分，但如果将制品置于室温下，残留的水分（吸附水）足以使将制品置于室温下，残留的水分（吸附水）足以使制品分解。因此，有必要继续进行真空干燥，即二制品分解。因此，有必要继续进行真空干燥，即二次干燥，以去除制品中以吸附方式存在的残留水分。次干燥，以去除制品中以吸附方式存在的残留水分。v制品中剩余的残留水分的理化性质与常态水不同。制品中剩余的残留水分的理化性质与常态水不同。残留水分包括化学结合水与物理结合水，残留水分包括化学结合水与物理结合水，如化合物如化合物的结晶水、蛋白质通过氢键结合的水以及固体表面的结晶水、蛋白质通过氢键结合的水以及固体表面或毛细管中的吸附水等。由于残留水分受到溶质分或毛细管中的吸附水等。由于残留水分受到溶质分子多种作用力的束缚，其饱和的蒸气压力被不同程子多种作用力的束缚，其饱和的蒸气压力被不同程度地降低，使其干燥速率明显下降。度地降低，使其干燥速率明显下降。v对于生物制品，如生物药品，其水分含量低于或接近对于生物制品，如生物药品，其水分含量低于或接近2较好，原则上不超过较好，原则上不超过3。二级干燥所需的温度和时。二级干燥所需的温度和时间由制品中水分的残留量来决定。一级干燥以后，样品间由制品中水分的残留量来决定。一级干燥以后，样品的温度已达到的温度已达到0以上，以上，90左右的水分已被除去。此左右的水分已被除去。此时，可直接加大供热量，将温度升高至制品的最高可耐时，可直接加大供热量，将温度升高至制品的最高可耐温度，以加快干燥速度。迅速提高制品温度，有利于降温度，以加快干燥速度。迅速提高制品温度，有利于降低制品中残余水分含量和缩短解吸干燥时间。低制品中残余水分含量和缩短解吸干燥时间。制品的最制品的最高许可温度视制品的品种而定。一般为高许可温度视制品的品种而定。一般为20-45。例如，例如，病毒性制品的最高许可温度为病毒性制品的最高许可温度为25；细菌性制品的最高；细菌性制品的最高许可温度为许可温度为30左右；血清、抗菌素等的最高许可温度左右；血清、抗菌素等的最高许可温度或提高到或提高到40以上甚至更高。以上甚至更高。实验表明，此阶段干燥箱实验表明，此阶段干燥箱内压强在内压强在10-30 Pa之间比较合适。之间比较合适。v四、干燥方法的选择依据四、干燥方法的选择依据v 加热干燥的方法与相应设备结构的选择取决于所处理原料加热干燥的方法与相应设备结构的选择取决于所处理原料的性质。物料的含水量、热稳定性、干灵敏性、组织结构和的性质。物料的含水量、热稳定性、干灵敏性、组织结构和热物理性质以及化学组成都是选择干燥方法的重要依据。热物理性质以及化学组成都是选择干燥方法的重要依据。1干燥器的选择干燥器的选择v 由于被干燥物料的种类繁多，要求各异，所以不能有一个由于被干燥物料的种类繁多，要求各异，所以不能有一个万能的干燥器，只能选用最佳的干燥器类型。万能的干燥器，只能选用最佳的干燥器类型。v 干燥按照水分的原始状态分为从液态的干燥到从固态的直干燥按照水分的原始状态分为从液态的干燥到从固态的直接蒸发即升华两种方式；按照供能特征即按照供热的方式可接蒸发即升华两种方式；按照供能特征即按照供热的方式可分为接触式、对流式和辐射式干燥。在接触干燥时，热通过分为接触式、对流式和辐射式干燥。在接触干燥时，热通过加热的导热性传给需要干燥的物料，水分被蒸发转移到物料加热的导热性传给需要干燥的物料，水分被蒸发转移到物料周围的空气中。例如，箱式干燥器就是一种适合干燥微生物周围的空气中。例如，箱式干燥器就是一种适合干燥微生物合成产品的干燥器。此外，气流干燥器、喷雾干燥器和沸腾合成产品的干燥器。此外，气流干燥器、喷雾干燥器和沸腾床于燥器也是广泛地应用于干燥微生物合成产品的干燥器。床于燥器也是广泛地应用于干燥微生物合成产品的干燥器。v干燥设备的选择是非常困难而复杂质问题，这是因干燥设备的选择是非常困难而复杂质问题，这是因为被干燥物料的特性、供热的方式和物料为被干燥物料的特性、供热的方式和物料-干燥介质干燥介质系统的流体动力学等必须全部考虑。系统的流体动力学等必须全部考虑。v选择干燥器类型：选择干燥器类型：v首先考虑被干燥物料的性质首先考虑被干燥物料的性质，如湿物料的物理特性，如湿物料的物理特性，干物料的物理性质、腐蚀性、毒性等；干物料的物理性质、腐蚀性、毒性等；v其次考虑物料的干燥特性，其次考虑物料的干燥特性，如湿物料中水分的性质，如湿物料中水分的性质，初始和最终的湿含量，允许的最高干燥温度，产品初始和最终的湿含量，允许的最高干燥温度，产品的颜色、光泽和气味等；的颜色、光泽和气味等；v再次要考虑粉尘和溶剂的回收再次要考虑粉尘和溶剂的回收；v最后要考虑用户干燥器安装地点的可行性。最后要考虑用户干燥器安装地点的可行性。v2干燥工艺的选择干燥工艺的选择v 到底采用什么样的干燥工艺，需要考虑被干燥物料的性质。到底采用什么样的干燥工艺，需要考虑被干燥物料的性质。对于活的菌体、酶和其他热敏性的生物制品，可使用冷冻干对于活的菌体、酶和其他热敏性的生物制品，可使用冷冻干燥技术。燥技术。v对于热敏性的生物物质的干燥，对于热敏性的生物物质的干燥，目前已开发的干燥操作单元目前已开发的干燥操作单元有：有：v瞬时快速干燥瞬时快速干燥接触时间短，气流温度高，而物料的温度接触时间短，气流温度高，而物料的温度可能不高；可能不高；v喷雾干燥喷雾干燥接触时间短，热效率低，造粒和干燥同时进行；接触时间短，热效率低，造粒和干燥同时进行；v气流干燥气流干燥接触时间长；接触时间长；v低温干燥低温干燥非常黏稠的物料，不能进行喷雾干燥，如某些非常黏稠的物料，不能进行喷雾干燥，如某些动物组织等。某些酶制剂对温度特别敏感，只能进行低温箱动物组织等。某些酶制剂对温度特别敏感，只能进行低温箱式干燥或真空冷冻干燥。对于生物黏稠物质的干燥，通常还式干燥或真空冷冻干燥。对于生物黏稠物质的干燥，通常还需要造粒与切丝等辅助手段。需要造粒与切丝等辅助手段。v总之，在决定干燥设备和干燥工艺时，在充总之，在决定干燥设备和干燥工艺时，在充分了解被干燥物料性质的基础上，还应结合分了解被干燥物料性质的基础上，还应结合所选干燥器的类型，进一步了解在干燥过程所选干燥器的类型，进一步了解在干燥过程中物料及干燥介质的变化情况。应充分注意中物料及干燥介质的变化情况。应充分注意干燥条件对物料品质和收率的影响，同时，干燥条件对物料品质和收率的影响，同时，干燥过程的热利用率和经济效益也是必须考干燥过程的热利用率和经济效益也是必须考虑的因素之一。虑的因素之一。v作业作业:v 1简述冷冻干燥的基本原理。简述冷冻干燥的基本原理。v 2在冻干食品加工时，为什么要进行在冻干食品加工时，为什么要进行预冻？预冻？