CN101126593A - 超声冷冻干燥方法及其设备 - Google Patents

Abstract

一种超声冻干工艺，涉及冻干制剂的技术领域，主要包括，物料溶解在适当溶剂后，对物料进行不间断的超声辅助，进行深冻成为固态，在真空、冷冻状态下，并不断进行热能供给，使物料中的溶剂由固态直接升华成气态，被真空系统抽走，完成干燥过程。本发明的设备包括：密闭容器、冷热系统、真空系统、超声装置及相关保温、密封装置。本发明的超声冻干工艺具有干燥速度快、生产效率高、劳动强度小的特点，该工艺和设备可用于医药、食品、化工等干燥领域。

Description

超声冷冻干燥方法及其设备

技术领域

本发明涉及冷冻干燥的技术领域，特别是一种在超声震动下完成冷冻干燥的工艺及其设备。

背景技术

物质存在固、液、气3种形态，在一定真空及温度条件下，物质可以直接由固态转变成气态，此过程为升华过程，利用升华技术对物质及其溶液进行冷冻后，并辅以真空，使物质中的溶剂在冷冻下的固态直接升华为气体，被真空系统夹带走，从而在保持物料稳定性的前提下，对物料进行干燥处理。采用冷冻干燥处理后的物料，具有更好的稳定性，储存期延长，再次进行溶解时，具有良好的溶解性。冷冻干燥技术在生物制品、制药及食品工业应用广泛，并不断向其他领域延伸。

现有冷冻干燥主要采取相对静止过程，即物料相对于供热层不存在相对运动，现有技术中的制冷、快速冻结、冷冻干燥及其它热交换设备，由于蒸发器为固定式结构，造成了蒸发器管内液体制冷剂与管壁间形成流动边界层(层流)，蒸发器管外与空气、水蒸气或其它液体载冷剂间形成流动边界层，这两个流动边界层(层流)使换热效率低，从而造成整体冻干时间延长。例如：将料液放置于托盘、安瓿瓶中，利用底部的热能，使物料中的溶剂升华。该过程时间长，能耗高，尤其在进行托盘的冷冻干燥时，物料层厚度不一，蒸发速度差别大，造成干燥时间延长，最终冻干粉结块，再次溶解时效果差，需粉碎后重新配液再次冻干。同时，托盘式冻干工艺需处理大量的托盘，包括托盘的刮铲、运输、清洗等，有较大的厂房空间需要，直接带来成本增加。

近年来，超声波在工业不同领域如焊接、加工、清洗、乳化、分散获得应用。其中在固体物料方面，超声能进行破碎及分散，超声分散的原理是利用超声波在介质中传播的超声空化效应及机械作用复合而实现的。空化效应主要表现为超声在液体介质中传播时由于产生疏密区，而负压力可在介质中产生很多空腔，这些空腔随振动的高频压力变化而膨胀、爆炸，真空腔爆炸时产生瞬时压力可达几千个乃至上万个大气压，如此大的冲击力，在真空腔局部爆炸时能把周围颗粒震碎。另一方面由于超声波在液体中传播时产生剧烈地扰动作用，使催化剂颗粒产生很大的速度，从而相互碰撞或与器壁互相碰撞而击碎。在超声波作用下，物料溶解速度加快。

超声均化器是超声分散的主要工具，其体积小，重量轻。均化器的工作原理：当超声波发生器输出高频电压加于超声振动子，经振动了变幅杆机械振幅放大后在分散工具作用下，在容器内进行强烈的分散处理，使物料混合均一。

发明内容

本发明的目的之一是克服现有技术的不足，提供一种在超声辅助前提下完成冷冻干燥的方法，从而得到干燥的粉状制品。

本发明的另一目的是提供实现该超声冷冻干燥方法的设备。

本发明是通过下面的技术方案予以实施的：

本发明的超声冷冻干燥方法包括如下步骤：

1.将溶解了待干燥物质的溶液放入超声冷冻干燥机中，开动超声冷冻干燥机的超声及冷冻装置，在超声作用下将物料深度冷却，使物料呈均匀固态颗粒；

2.停止制冷，开动真空装置，在真空及超声作用下，对物料进行热能供给，使物料中的溶剂升华，被真空系统抽走，最终除尽溶剂后获得冻干粉。

进行冻干操作之前需要从原料提取并精制所需物质，可将原料以适当溶剂提取、发酵、精制，提取方法选自但不限于下列方法：如浸泡、回流、微波、超声、超临界等提取技术；提取溶剂选自但不限于下列溶剂：可以是乙醇、丙酮等有机溶剂，也可以是水，还可以是水与有机溶剂的混合或是酸碱溶液；精制过程选自但不限于下列精制方法：如醇沉、水沉、酸沉、碱沉、树脂纯化、萃取、精馏、微滤等技术。

制备待超声冷冻干燥的物料通常是将经过精制的待干燥物质用适当的辅料及溶剂溶解后过滤，所述的辅料包括常规的冻干粉辅料，如助溶剂、增稠剂、混悬剂、等渗调节剂、支撑剂等；溶剂可采用水、甘油、乙醇及其一定比例的混合溶剂；过滤可采用超滤、微滤、纳滤等。

本发明的超声冷冻方法是利用超声波的粉碎、混合作用，使冻干物料形成均一的颗粒，并在加热升温过程中促进热量的传递。一般情况下，超声作用的频率2～20kHz为宜；物料冷却的温度至少低于其凝固点20℃，为防止在后续步骤的减压过程中物料发生爆沸，导致塌陷，从而影响最终产品的溶出和外观，优选控制在至少低于其凝固点40℃；上述真空度优选0.01～5mbar。所述步骤2对物料供热过程根据物料的不同性质采用不同的程序，分阶段进行升温，保证获得均匀、水溶性好的冻干粉。

本发明的超声冷冻干燥机(supersonic lyophilizer)包括：一个装放物料的密闭容器，该密闭容器具有可密封的投料口和出料口；与密闭容器相连通的真空装置和溶剂回收装置；对密闭容器供热的制热装置；冷却密闭容器的制冷装置；密闭容器的保温层及相关密封和连接部件；以及一个使密闭容器中的物料充分分散、均匀混合的超声装置，该超声装置包括多个超声器，超声器分为超声发生器和超声振动器两部分，至少一个超声振动器置于密闭容器中，其它的超声振动器分布在密闭容器外，与密闭容器的外壁直接接触。。

上述密闭容器可为圆锥形、槽形、桶形、梨形、球形，优选圆锥形、槽形、桶形，最佳制成圆锥形。

超声装置使物料沿着密闭容器内壁向上运动，到达顶部后，物料被移向中心，再向下方深层移动，通过此过程，不断破坏热量交换边界层，从而促进干燥过程。同时超声不断对物料进行粉碎，得到均匀的颗粒。优选的超声装置包括一个带棒状超声振动器的超声器和多个带块状超声振动器的超声器，棒状的超声振动器置于密闭容器的中心，其发生器在容器顶盖外部；而块状的超声振动器分布在密闭容器外，与密闭容器的外壁直接接触，通常至少分2层，每层至少3个，呈圆周状均匀排布于容器外壁上。

对于本发明所涉及的真空装置、制冷装置、溶剂回收装置、投料口、出料口、保温层、密封及连接管件及固定连接和活动连接结构等目前已有相当成熟的技术，本发明不加详细讨论及说明。

本发明采用超声技术对原有冷冻干燥工艺的弊端进行处理。在冷冻干燥过程中，利用超声波的粉碎、混合作用，使冻干物料形成均一的颗粒，易于最终能够冻干成粉。本发明解决了原有冷冻干燥的效率低、时间长、能源损耗大的缺点，采用对冷冻物料进行强制超声的方法，降低传热阻力，促进热量的转换，缩短冻干时间。本发明的超声冷冻干燥机具有加热速度快、节能安全、使用方便等特点。本发明可用于各种生物制品、中药、化学药及食品的冷冻干燥领域。

附图说明

图1是圆锥形超声冷冻干燥机的结构示意图。

其中：

1——密闭容器        2——真空装置            3——制冷装置接口

4——制热装置接口    5——溶剂回收装置接口    6——投料口

7——出料口  8——超声发生器  9——超声振动器

10——保温层

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图具体描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1

丹参加水回流提取，第一次5倍量水，1小时；第2次3倍量水，0.5小时；第3次3倍量水，0.5小时；合并提取液，放冷，稀盐酸调节pH为2，过滤，清液上聚酰胺，水冲洗之流出液无色；稀碱液洗脱，收集洗脱液，稀盐酸调节pH为5，酸液上大孔树脂，水冲洗，95％乙醇洗脱，收集醇洗脱液，减压浓缩至固含量10-30％(重量)，备用。加入甘露醇适量，转入超声冷冻干燥机。不断超声下，频率15kHz，对物料进行冷冻处理；深冷至温度-40℃，保持4小时，开启真空0.3mbar，开动冷凝器，进行程序升温：4h至温度-20℃，保持该温度6h；4h缓慢升温至-5℃；再至20℃，保持该温度4h；至温度40℃，保持该温度4h，最终获得冻干粉，粉碎，包装。

实施例2

黄芪加水提取三次，加水5、4、4倍量水，每次1小时，放冷，反渗透膜浓缩至相对密度为1.06(以20℃的水的密度为参比)，减压浓缩至相对密度1.1-1.15，加95％乙醇使醇浓度至70％(体积比)，静置12小时，过滤，上清液浓缩至相对密度1.15-1.20，加95％乙醇使醇浓度至85％，静置24小时，过滤，上清液浓缩至相对密度1.2-1.25，加8倍量水超声，15℃以下放置24小时，过滤，上清液减压浓缩至相对密度1.10-1.15，加入甘露醇适量，转入超声冷冻干燥机。不断超声下，频率5kHz，对物料进行冷冻处理；深冷至温度-50℃，保持4小时，开启真空0.03mbar，开动冷凝器，进行程序升温：10h缓慢将温度升至-20℃；升温至温度-5℃，保持该温度4h；至温度20℃，保持该温度4h；至温度40℃，保持该温度2h，最终获得冻干粉，粉碎，包装。

实施例3

三七加75％乙醇回流提取3次，第一次5倍量水，1小时；第2次4倍量水，0.5小时；第3次4倍量水，0.5小时；合并提取液，减压浓缩无醇味，上大孔吸附树脂，水冲洗，75％乙醇洗脱，收集洗脱液，备用；将洗脱液上941脱色树脂，收集流出液，减压浓缩成粉。将粉末用适量乙醇溶解，超声下缓慢滴入羟丙基β环糊精的水溶液中，减压浓缩至相对密度1.10-1.15，将药液导入超声冷冻干燥机中。不断超声下，频率10-15kHz，对物料进行冷冻处理；深冷至温度-50℃，保持4小时，开启真空3mbar，开动冷凝器，进行程序升温：10h至温度-20℃，保持该温度6h；至温度-5℃，保持该温度4h；至温度20℃，保持该温度4h；至温度40℃，保持该温度4h，最终获得冻干粉，粉碎，包装。

实施例4

圆锥形超声冷冻干燥机，包括圆锥形密闭容器1、真空装置2、超声装置、溶剂回收装置、制冷装置、制热装置、投料口6、出料口7、保温层10、密封部件及连接管件(如图1所示)。其中超声装置由超声发生器8和超声振荡器9组成。圆锥密闭容器上开投料口6、底部为出料口7，外被夹套，夹套有管路与制冷、制热装置连接，保温层覆盖夹套；密闭容器上盖接管道连通真空及溶剂回收装置，这里的溶剂回收装置为捕冰装置，套管距离外壁至少3cm，采用盘管式换热器；超声装置共2部分，一部分是棒状超声器，置于密闭容器中心，其上部与顶盖连接，棒状超声振动器位于容器内部，从顶部伸向底部；另一部分是位于容器外、直接接触外壁的块状超声器，共9个，其中8个分2层，每层4个沿着外圆周均匀分布，距离容器底部至少5cm，上下层之间距离20cm以上，另一个放置在容器底部出料口处。

实施例5

圆锥形超声冷冻干燥机，包括圆锥形密闭容器1、真空装置2、超声装置、捕冰装置、制冷装置、制热装置、投料口6、出料口7、保温层10、密封部件及连接管件。其中超声装置其中超声装置由超声发生器8和超声振荡器9组成。圆锥密闭容器上开投料口、底部为出料口，外被夹套，夹套通过管路连接制冷及制热装置，采用硅油作为传热介质，保温层覆盖夹套；密闭容器上盖接管道连通真空装置及捕冰装置，真空采用2级真空泵系统，捕冰装置的套管距离外壁至少3cm，采用板式换热器；超声装置共2部分：位于容器内部的从顶部伸向底部的棒状超声器，以及与容器外壁直接接触的块状超声器。外部超声器9个，为3层分布，每3个一层，沿着外圆均匀分布，距离容器底部至少5cm，上下超声器之间距离30cm。

Claims (9)

1.一种超声冷冻干燥方法，包括如下步骤：

(1)在超声作用下将溶解了待干燥物质的物料深度冷却，使物料呈均匀固态颗粒；

(2)停止制冷，在真空及超声作用下，对物料进行热能供给，使物料中的溶剂升华，被真空系统抽走，最终除尽溶剂后获得冻干粉。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声作用的频率为2～20kHz。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)冷却的温度至少低于物料凝固点20℃。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)的真空度为0.01～5mbar。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)对物料供热过程根据物料的不同性质采用不同的程序，分阶段进行升温。

6.一种冷冻干燥机，包括：一个装放物料的密闭容器，该密闭容器具有可密封的投料口和出料口；与密闭容器相连通的真空装置和溶剂回收装置；对密闭容器供热的制热装置；冷却密闭容器的制冷装置；密闭容器的保温层及相关密封和连接部件；其特征在于，还包括一个使密闭容器中的物料充分分散、均匀混合的超声装置，该超声装置包括多个超声器，超声器分为超声发生器和超声振动器两部分，至少一个超声振动器置于密闭容器中，其它的超声振动器分布在密闭容器外，与密闭容器的外壁直接接触。

7.如权利要求6所述的冷冻干燥机，其特征在于，所述超声装置包括一个带棒状超声振动器的超声器和多个带块状超声振动器的超声器，棒状超声振动器置于密闭容器的中心，其发生器在密闭容器顶盖外；块状超声振动器分布在密闭容器外，与密闭容器的外壁直接接触。

8.如权利要求7所述的冷冻干燥机，其特征在于，所述的块状超声振动器至少分2层，每层至少3个，呈圆周状均匀排布于容器外壁上。

9.如权利要求6-8任一权利要求所述的冷冻干燥机，其特征在于，所述密闭容器为圆锥形、槽形、桶形、梨形或球形。