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四環凍干機—真空冷凍干燥技術概述(四)

更新時間:2022-07-12 點擊次數:730

1.5 真空冷凍干燥技術的發展趨勢


凍干加工成本雖然高,但產品的附加值也高。與其他高新技術一樣,隨著凍干技術的發展進步成本會有所降低,同時隨著社會生活水平的提高,人們對高品質干燥產品需求越來越強烈,凍干產品在市場上的潛力巨大,冷凍干燥技術應用會越來越廣泛。


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1.5.1 凍干機的發展趨勢


凍干機是實現真空冷凍干燥過程的主要設備,設計、制造凍干機涉及機械設計、機械制造、制冷、真空、液壓、流體、電氣、傳熱傳質等諸多學科的知識。目前國內外凍干機的發展較快,設備功能已經比較完備,其發展趨勢應該體現在三個方面。

發展連續式的凍干設備  連續式凍干設備可以實現大規模生產,在短時間內能生產出大量產品,對于藥品、血液制品的生產來說非常重要,特別適合有疫情發生或備戰情況下,滿足市場需求。連續式凍干設備可以節省凍干過程的輔助時間,節省人力,節省電能,實現節能、降耗、降低產品的生產成本和銷售價格。


進一步實現凍干設備的現代化  凍干設備的現代化,主要表現在程序化、自動化、可視化;安全性、可靠性、可以實現遠程控制、故障診斷、設備維修??蒲泻蛯嶒炗脙龈蓹C要求測試功能齊全,測試結果準確可信;生產用凍干機要求性能穩定,保證凍干產品質量。


完善凍干設備的優化設計  凍干設備優化的目的一是節省凍干機的制造成本,包括節省材料、加工工時、裝配工時、維修方便;二是提高設備性能,包括凍干箱內制冷、加熱擱板的溫度均勻性,凍干箱和捕水器(冷阱)內空間真空度的均勻性,捕水器內冷凝管外表面結霜的均勻性;三是凍干機整體結構緊湊、占地面積合理、外表美觀大方。


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 1.5.2 凍干工藝的發展趨勢


凍干工藝是很復雜的技術,不同物料的凍干工藝有很大區別,生物產品凍干主要要求保持產品的活性;藥品凍干主要要求保證化學成分穩定和保持純潔性;食品凍干主要要求營養成分基本不變,并獲得良好的口感和品相;納米材料凍干除了保持材料的原有特性之外,還要求納米顆粒的均勻性。到目前為止,對于同一種物料,不同生產廠家采用的凍干工藝也不*相同,生產成本也有區別,采用的凍干保護劑、添加劑、賦形劑等也不一樣,生產的產品質量也有區別。最近凍干工藝的研究還呈現出以下幾方面趨勢。

凍干技術與其他技術聯合  凍干技術與其他技術組合使用,是為了提高干燥效率,低加工成本。例如以高菜為試材,進行單一冷凍干燥和熱風—真空冷凍聯合干燥對比,究對產品品質和能耗的影響,結果表明,在產品無明顯品質差異的前提下,先進行20h冷干燥再進行1h熱風干燥的聯合干燥工藝,比單一冷凍干燥工藝能耗降低約 30%。在保證品品質滿足需求的前提下,熱風、微波、超聲、紅外等技術與冷凍干燥技術聯合使用,是縮短加工工期、降低加工成本的一個發展方向。


物料預處理技術不斷創新  冷凍干燥技術工期長、能耗高,其很大一部分原因是凍結物料中的冰升華過程耗時長、能耗高,升華干燥階段消耗的能量往往占總能耗的45%或看更多。所以在進行凍干前,對物料預處理,降低物料中含水量、增大蒸發表面積、減小蒸發阻力的技術都成為人們熱衷的手段,預處理技術也不斷創新。包括:將物料改型(粉碎、切片、穿孔等),從而增大蒸發面積并縮小干燥階段水分子在已干層的遷移路程;高壓脈沖電場預處理物料,將果蔬細胞可逆擊穿,從而增加細胞膜通透性,減小傳質阻力,在物料組織結構不會被破壞的前提下,提高水分子升華速度;將生物組織物料浸入高濃度溶液中,利用細胞膜的半透性進行滲透脫水預處理,以減少凍干時物料中的水分含量,縮短干燥間。實踐中可以根據不同的物料和對干燥產品品質的需求,選擇合適的預處理方法。


凍結和加熱方式多樣化  真空冷凍干燥技術主要由凍結物料和真空干燥(包括升華和解析干燥)兩部分構成,前者需要通過制冷將物料凍結成固體,后者需要加熱。凍干技術發展到今天,凍結方式早已不限于凍干箱內擱板制冷凍結和冷凍裝置內制冷介質制冷凍結。根據物料的性質和凍干工藝對凍干速度的需求,還可以選擇一些快速的凍結方式,如:噴霧凍結、液氮凍結、真空蒸發凍結等。同時加熱方式也不限于凍干箱內下擱板傳導加熱的方式,上擱板輻射加熱、微波和紅外輻射加熱等方式也常常被引入凍干技術中,更有循環壓力法中的氣體熱交換加熱方式。在實踐中宜根據物料的性質、凍干工藝的要求以及凍干設備的性能,綜合考慮選擇合適的凍結方法和加熱方式。


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1.5.3 凍干理論研究的發展趨勢


冷凍干燥過程包括冷凍、升華干燥和解吸干燥三個階段,這三個階段中每個階段都包含復雜的傳熱傳質過程。凍干理論研究實際上就是研究每個階段的傳熱傳質特性和控制、強化傳熱傳質速率的方法。理論研究不僅可以指導工藝試驗,優化凍干工藝,減少新產品的開發時間,而且還有助于提高產品質量,降低生產成本,改進凍干設備結構和性能。凍干過程傳熱傳質理論研究發展趨勢可以分為以下幾個方面。

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(1)由穩態向非穩態方向發展  凍干過程中,干燥箱中升華界面處的固氣相變和冷凝器上的氣固相變都是非穩態溫度場和流場,凍干機內氣體和水蒸氣的流動也是非穩態流動。假定它們是穩態過程建立的模型與實際情況可能會有很大的差別,要想建立精確的凍干模型,就必須考慮這些非穩態因素的影響。從國外研究進展可以看出,凍干模型已經由一維穩態向多維非穩態形式轉化,較傳統的穩態模型精確。但是這些模型還是假設物料內部是處于平衡狀態的。所以這些模型對于描述液態產品和均質的、尺寸單一的固態產品是比較精確的,對于細胞結構復雜,形狀尺寸復雜的生物材料來說,還是不適用的。目前研究生物材料凍干過程保存細胞活性傳熱傳質理論的人不多,鄒惠芬等建立的角膜在凍干過程的傳熱傳質模型是二維非穩態模型,也是假定角膜內部是均質的,有均一的熱導率、密度和比熱容,表面和界面溫度保持不變,沒有考慮角膜尺寸的變化。因此,以后的研究應該盡可能向多維非穩態方向發展,應該考慮到溫度場和流場的非穩態特性和相變問題,應使模型更精確,更符合實際情況。

為解決這些問題,可將一些研究非穩態傳熱傳質的先進理論引用到凍干過程的傳熱傳質理論研究中來。比如:2003年Lin提出非平衡相變統一理論證明,傳遞到相變界面處的熱量一部分作為相變潛熱引起相變,一部分轉變為水蒸氣和干燥混合氣體的動量和能量,在有些情況下,不用于相變的這部分熱量顯得非常重要。凍干過程中,升華界面和冷凝管上都有相變。要想建立準確的凍干模型,這些因素也應該考慮進去。另外,Bird等在20世紀60年代提出的直接模擬蒙特卡羅DSMC(direct simulation monte carlo)方法也是研究非穩態熱質傳遞的一種方法,1998年Nance 等證明,該方法對于研究稀薄氣體的流動傳熱問題是一種強有力的工具。2004年賀群武等用 DSMC方法在給定進出口壓力邊界條件下,計算研究了壁面溫度與流體入口溫度不同時,二維 Poiseume微通道內氣體壓力、溫度和分子數密度分布規律。當壁面溫度高于流體入口溫度時,氣體與壁面在通道進出口處均存在溫差,但其發生機理不同;氣體進入通道后壓力迅速上升到達峰值,然后再沿程降低,沿程壓力偏離線性分布最大值位于入口的x/L=0.05處;氣體可壓縮性與稀薄性均得到增強,但壓力沿程分布非線性程度增加。凍干過程正是稀薄氣體在各種通道內的流動傳熱問題,因此,可把DSMC法引用到凍干過程的研究中來,建立比較精確地描述凍干過程非穩態熱質傳遞的模型。

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(2)由宏觀向介觀方向發展 在宏觀領域與微觀領域之間,存在著一個近年來才引起人們較大興趣的介觀領域。在這個領域里出現了許多奇異的嶄新的物理性能。介觀領域的傳熱無法用宏觀領域的熱力學定律描述,也不能用微觀領域的統計熱力學描述。微尺度效應很快深入到科學技術的各個領域,凍干領域當然也不例外,再加上凍干物料種類的不斷增加,如人體組織器官需要保存保持活性,有必要研究細胞間的熱質傳遞,凍干法制備金屬化合物納米粉、藥用粉針制劑、粉霧吸入劑等,有必要研究凍干過程中微尺度熱質傳遞。

然而,目前已經建立的凍干模型大都是研究宏觀參數及生物材料凍干過程中保持細胞活性傳熱傳質模型的,還沒有考慮生物材料細胞之間熱質傳遞的復雜性以及生物細胞膜本身是半透膜這一特性,這很可能是保持細胞活性最關鍵的一個因素。不僅宏觀參數會影響凍干過程的熱質傳遞,產品的微觀結構及微尺度下的超常傳熱傳質也都有可能是影響凍干速率及凍干產品質量的重要因素。例如凍干生物材料(特別是要求保持生物細胞的活性時)凍結和干燥過程,生物體內已凍結層和未凍結層,已干層和未干層中的微尺度熱質傳遞過程常常會涉及一系列復雜因素,如細胞液組分、溶液飽和度及DNA鏈長、蛋白質性能、細胞周期、細胞熱耐受性、分子馬達的熱驅動、細胞膜的通透性等一系列化學和物理因素,這些因素都有可能影響細胞的活性。其中,最重要、也最易受到溫度影響(損害)的部位是細胞膜,其典型厚度為10nm。細胞膜的功能是將細胞內、外環境分開,并調節細胞內外環境之間的物質運輸。細胞的脂雙層膜主要是一個半透膜,它含有離子通道及其他用以輔助細胞內外溶液輸送的蛋白質。長期以來人們采用各種各樣的途徑,如低溫掃描電鏡、X射線衍射以及數學模擬等方法,對發生在細胞內外的傳熱傳質進行了研究,但迄今對此機制的認識仍嚴重匱乏。目前重要的是,需要發展一定的工程方法來評價和檢測細胞內物質和信息的傳輸過程,了解其傳輸機理,這樣才有可能真正揭示凍干過程的傳熱傳質機理,建立凍干過程微尺度生物傳熱傳質模型,各種生物組織和器官的凍干就會比較容易。凍干產品在質量和數量上都將會有非常大的飛躍。

要研究凍干過程微尺度生物傳熱傳質應該試圖從以下幾方面著手∶

     ①將先進的探索微觀世界的透射電鏡、掃描電鏡和原子力顯微鏡應用到凍干過程監控中來;

     ②從細胞和分子水平上揭示熱損傷和凍傷的物理機制;

     ③建立各類微尺度生物熱參數的測量方法并實現其儀器化;

     ④建立微尺度生物傳熱傳質模型;

     ⑤將上述微尺度傳熱傳質模型與凍干過程的宏觀熱質傳輸模型結合,建立凍干過程(即低溫低壓條件下)微尺度傳熱傳質模型。

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(3)由常規向超常規方向發展  劉登瀛等已用試驗驗證了在一定加熱條件下多孔材料內存在非Fourier導熱效應、非Fick擴散效應的存在,提出了對多數干燥過程均應考慮非Fourie效應,在凍干過程的升華干燥階段,已干層中的熱質傳遞正是多孔介質內的熱質傳遞過程,但就目前建立的凍干模型而言還沒有考慮產品內部結構的影響,更沒有考慮產品內部超常熱質傳遞。對于結構比較復雜的生物材料來說,其內部細胞與細胞之間的熱質傳遞本身是微尺度熱質傳遞過程,再加上又是在低溫低壓下,很可能存在一些奇異的非Fourier效應、非 Fick 效應等。若用常規的熱質傳遞規律建立這些物料凍干過程的傳熱傳質模型,很可能會與實際情況相差太遠。因此,有必要研究凍干過程超常傳熱傳質,建立凍干過程的超常傳熱傳質模型,這樣凍干生物材料保持細胞活性的研究才有一定的理論基礎。

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(4)由分立向協同方向發展   凍干過程實際上是低溫低壓條件下傳熱傳質耦合過程,是多種因素協同作用的結果??墒钱斍暗难芯空叽蠖荚谘芯磕骋灰蛩?,例如溫度或壓力對干燥過程的影響,或者研究它們的共同影響,卻沒有把各種因素協同起來研究,尋求*的凍干工藝。過增元院士提出的傳遞過程強化和控制的新理論—場協同理論指出∶在任何傳遞過程中至少有一種物理場(強度量或強度量梯度)存在,另一方面,任何傳遞過程都不可能是孤立進行的,不論在體系內部還是在體系和外界之間,必同時伴有其他變化的發生。也是說一種場可能引起多種傳遞過程,反之多種場也可能引起同一種傳遞過程。例如,對流換熱過程受溫度場和質流場相互作用的影響,而在萃取分離過程中至少存在有化學勢場、溫度場、重力場和質流場之間的相互作用。因此,對于任何一個傳遞過程,無論在體系內還是體系外,都可以人為地安排若干種“場"來影響它。通過不同場之間的恰當配合和相互作用目的過程得到強化,稱為"場協同"。凍干過程中至少存在有溫度場、壓力場、質流場之相互作用。1974年,Mellor 討論了凍干過程中壓力對熱質傳遞的影響,認為壓力的影是雙重的,循環壓力法可提高升華速率,這其實就是在用比較簡單的方法尋求壓力場、溫子和質流場之間的協同,但沒有建立描述這種過程的模型,無定量描述。利用場協同理論我壓力場、溫度場和質流場之間的更恰當的配合和相互作用,強化凍干過程中的熱質傳是。提高升華速率。

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