生物制药工程原理与设备 电子教材 单元十三 冷冻干燥.doc

单元十三 冷冻干燥 由于冷冻干燥处理温度低，能保持生物药品物理、化学、生物活性和表面色泽不变，干燥后颗粒内部呈多孔结构，具有极佳的速溶性和快速复水性，因而广泛应用于生物药品的干燥。 项目一 冷冻干燥设备 能提供低温和真空便于升华干燥的装置叫做真空冷冻干燥机，简称冻干机。 一、冻干机的结构 冻干机主要由制冷系统、真空系统、循环系统、液压系统、控制系统、清洗灭菌系统及箱体等组成，见图13-1、2所示。 图13-1 真空冷冻干燥机实物图1.制冷系统 制冷系统是 “冻干机的心脏”，由制冷机、冷凝器、蒸发器和热力膨胀阀等构成，主要是为干燥箱内制品前期预冻供给冷量；以及为后期冷阱盘管捕集升华水汽供给冷量。真空冷冻干燥机的制冷机可产生-50 图13-1 真空冷冻干燥机实物图 为满足冷冻干燥过程中对低温的要求，大中型冷冻干燥机中常采用两级压缩进行制冷。制冷机采用活塞式单机双级压缩方式，每套制冷机的制冷循环系统为独立设计，通过板式或盘管交换器进行热交换，分别向干燥箱搁物板层和蒸汽冷井提供冷量。 制冷工作介质为低沸点易蒸发的液体，称为制冷剂。制冷剂汽化时大量吸收环境热量使环境降温，制冷剂汽化成的蒸汽被压缩成液体时释放热量，通常是水或空气将放出的热带走排出，如此循环不断，便可对指定部位进行降温冷冻。常用的制冷剂有：氨（R717）、氟利昂12（R12）、氟利昂13（R13）、氟利昂22（R22）、共沸混合制冷剂R500、共沸制冷剂R502、共沸制冷剂R503等。 载冷剂亦称第二制冷剂，储存于冻干箱内置搁物板的夹层中，起着冷却和加热搁板温度的作用。载冷剂吸收制冷剂冷量后传给搁物板使之降温，当载冷剂吸收热油的热量后传给搁板可使之升温。常用的载冷剂有：低黏度硅油、三氯乙烯、三元混合溶液、8号仪表油、丁基二乙二醇等。 图13-3 冻干箱的结构图13-2 真空冷冻干燥机的组成2.箱体 冻干箱是干燥生物药品得出场所，冻干箱密封性能好坏直接影响到冻干效果。冻干箱呈矩形或圆桶形，内置搁物板。搁物板为中空夹层结构，载冷剂导管则分布在中空夹层中。搁物板之间通过支架安装在冻干箱内，由液压活塞杆带动升降，便于进瓶、出瓶和清洗。顶层搁物板为温度补偿加强板，维持箱内所有制品处于均匀的热环境中。如图13-3所示。 图13-3 冻干箱的结构 图13-2 真空冷冻干燥机的组成 冻干箱是高真空密封箱体，箱体内温度在-50℃到+50 3.冷阱 又称冷凝器，是一个密闭真空容器。内有高效盘管换热器，制冷剂走管程，水蒸气在盘管表面凝固结冰，通过升温化冰去除水蒸气。冷阱的安装位置可分为内置式和外置式两大类，内置式的冷阱安装在冻干箱内，外置式冷阱安装在冻干箱外，两种安装各有利弊。 3.真空系统 冷冻干燥是在低温下使制品中的水分升华而移除水分。制冷机是真空冷冻干燥机的核心部件。真空冷冻干燥剂的真空系统由旋片式真空泵、罗茨真空泵、冻干箱、冷阱、真空阀门、真空管路、真空测量元件等部分组成。 图13-4 压塞工作原理示意图4.循环系统 为获得稳定的冻干效果，需通过板层向制品提供热量加热搁物板，向搁物板夹层管道通入导热油可实现加热。为了使导热油不断地循环，在管路中安装了油箱和屏蔽式双体泵，使导热油强制循环。 图13-4 压塞工作原理示意图 5.液压系统 液压系统是在冷冻干燥结束时将瓶塞压入瓶口的专用设备。液压系统位于干燥箱顶部，主要由电动机、油泵、单向阀、溢流阀、电磁阀、油箱、油缸及管道等组成。冻干结束，液压加塞系统开始工作，在真空条件下，使上层搁板缓缓向下移动完成制品瓶加塞任务。真空冷冻干燥机压塞工艺原理如图13-4所示。 6.控制系统 真空冷冻干燥工艺控制部位包括制冷机、真空泵和循环泵的起、停，加热功率的控制，温度、真空度和时间的测试与控制，自动保护和报警装置的控制等。根据要求自动化程度不同，对控制要求也不相同，可分为手动控制、半自动控制、全自动控制三类，图13-5所示的是控制部位。 图13-5冻干工艺控制部位 7.在线清洗系统（CIP） 在线清洗又称原位清洗，是向生产线设备输送高压清洗剂的设备。在线清洗系统由酸罐、碱罐、泵、喷头、电磁阀、循环水真空泵等部件组成。喷头可360°旋转，其上设计有多个异向喷嘴，以保证各方位各角度均能得到清洗不留死角，循环水真空泵起着抽吸洗涤废水的作用，如图13-6所示。 图13-6喷头及布置 8.在线灭菌系统（SIP） 在线灭菌又称原位灭菌。真空冷冻干燥机一般采用蒸汽消毒灭菌。真空冷冻干燥机的冻干箱和冷阱设计有蒸汽管道、放气阀、安全阀和冷却水夹套，箱门采用辐射杆式锁紧装置，并装有压力预警装置。通入蒸汽可高压灭菌，灭菌完毕后通入冷却水可降温。 二、影响冷冻干操的因素 1.冷冻干燥的原理 冷冻干燥是将可冻干的物质在低温下冻结成固态，在高真空度下将水分