CN105318666A - 一种真空喷雾冷冻干燥设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种真空喷雾冷冻干燥设备和方法。所述的真空喷雾冷冻干燥设备，其特征在于，包括：用于在真空喷雾冷冻干燥过程中容纳物料的密闭的容器；用于将待冻干液体雾化分散为液滴并喷入所述的容器中的雾化喷嘴；用于在真空喷雾冷冻造粒阶段在容器中形成真空环境使所述的液滴中的部分组分汽化吸热进而使液滴降温冻结形成颗粒，并在干燥阶段持续抽真空以维持所述的真空环境的真空系统；以及用于在真空喷雾冷冻造粒阶段制冷以避免所述的颗粒中的部分组分融化并在干燥阶段提供所述的颗粒中的部分组分的升华热量的调温夹套。本发明将物料速冻的过程中完全不使用冷媒与物料接触，完全杜绝物料被污染的风险，保证了冻干工艺的无菌性。

Description

一种真空喷雾冷冻干燥设备和方法

技术领域

本发明涉及一种真空喷雾冷冻干燥设备和方法，用于药厂无菌冻干车间，属于真空冷冻干燥技术领域。

背景技术

如图1所示，常规冷冻干燥工艺在常压下将待冻干液体盛放于容器内放置在水平摆放的板层100上，板层100先制冷将待冻干液体冻成冰块，液体从室温(25℃)降到-40℃通常超过30分钟，是一种慢冻技术，对于非溶液态分布的物料液体(例如混悬液、乳化液)，容易发生物质沉降、液体分层；而且慢冻易发生冰晶生长，都不利于冷冻干燥。液体预冻后，常规冻干机将容器抽成真空，再通过板层加热使冰块中的水通过升华的方式去除。因为干燥过程中物料始终是静置的，只有底部小范围区域与板层接触，传热效果差干燥时间长；静置的物料上表面最先干燥，干燥层逐渐向冻结层下降，在这一阶段，干燥层成为冻结层升华气体向外扩散的阻碍，传质效果差，进一步延长了干燥时间；此外，静置物料的干燥对板层温度均匀性也提出了很高的要求。

公开号为US20130118026A1的美国专利公开了一种喷雾冻干技术，其是将待冻干液体从容器上方用喷嘴喷下，另一组喷嘴喷射冷媒(液态氮气，沸点-196℃)，待冻干液滴下落过程中与冷媒接触换热，速冻后形成冰颗粒，制冷阶段容器内为常压或正压。干燥阶段通过搅拌器搅拌容器底部的物料，并通过容器底部的带夹套锥壁加热对物料进行干燥。

另有一种速冻技术是将液氮置于容器底部，待冻干液体从上方喷下或滴下，穿过液氮低温区进行速冻。冷冻干燥工艺被广泛应用在(但不限于)制药工业中，其制品对洁净的、无菌的制药工艺有着严格要求。以上两种速冻技术都使用冷媒(液氮)与物料直接接触制冷，其洁净度、无菌性难以保证，并且冷媒换热后汽化，重新制成液态需消耗极大能量，直接排放则容易造成浪费和污染。

综上所述，如何提高冷冻干燥中待冻干液体的冷冻及干燥的速率，更重的是如何在该工艺过程中保证制品的洁净度与无菌性，避免药品受污染的风险，并且降低能耗减少对环境的污染，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空喷雾冷冻干燥设备和方法，以解决的是传统冷冻干燥中待冻干液体慢冻效率低、影响冻干产品质量，静置干燥效率低，并避免速冻过程中使用冷媒接触物料易对其产生污染，而且能耗大造成浪费并污染环境的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种真空喷雾冷冻干燥设备，其特征在于，包括：用于在真空喷雾冷冻干燥过程中容纳物料的密闭的容器；用于将待冻干液体雾化分散为液滴并喷入所述的容器中的雾化喷嘴；用于在真空喷雾冷冻造粒阶段在容器中形成真空环境使所述的液滴中的部分组分汽化吸热进而使液滴降温冻结形成颗粒，并在干燥阶段维持所述的真空环境的真空系统；以及用于在真空喷雾冷冻造粒阶段制冷以避免所述的颗粒中的部分组分融化并在干燥阶段提供所述的颗粒中的部分组分的升华热量的调温夹套。

优选地，所述的液滴中的部分组分为水，所述的颗粒中的部分组分为冰。

优选地，所述的真空喷雾冷冻干燥设备还包括用于在真空喷雾冷冻造粒阶段将汽化后的所述的液滴的部分组分冷凝和/或在干燥阶段将升华后的所述的颗粒中的部分组分冷凝的冷凝装置；所述的容器内设有用于在真空喷雾冷冻造粒阶段转动以避免所述的冻结形成的颗粒团聚成冰块，以及在干燥阶段转动使所述的颗粒上下翻滚与所述的容器的内壁换热并使升华气体从颗粒之间的缝隙逸出的搅拌桨，所述的搅拌桨位于容器的下部。

更优选地，所述的搅拌桨通过连接轴和电机连接。

更优选地，所述的冷凝装置为制冷夹套和冷凝器中的一种或其组合，所述的制冷夹套设于所述的容器上部的外侧，制冷夹套的内部通有冷媒，所述的冷凝器设于所述的容器外，并与所述的容器连接。

进一步地，所述的真空系统包括真空泵，所述的容器设有连接口；当所述的冷凝装置为制冷夹套时，所述的真空泵通过管道连接所述的容器的连接口，所述的管道上设有阀门；当所述的冷凝装置为冷凝器或制冷夹套和冷凝器的组合时，所述的冷凝器通过管道连接所述的容器的连接口，所述的真空泵通过另一管道连接冷凝器，所述的冷凝器与所述的容器的连接口之间的管道上设有阀门。

更进一步地，所述的容器的连接口上设有过滤网。

进一步地，所述的制冷夹套具有冷媒入口和冷媒出口，所述的冷媒入口和冷媒出口分别连接冷媒循环管路的两端，所述的冷媒循环管路上设有流体泵和用于对冷媒进行降温的热交换器；所述的调温夹套内通有调温流体，所述的调温夹套具有调温流体入口和调温流体出口，所述的调温流体入口和调温流体出口分别连接调温流体循环管路的两端，所述的调温流体循环管路上设有流体泵和用于调节调温流体温度的热交换器和加热器。

更进一步地，所述的热交换器连接制冷系统。

更进一步地，所述的制冷系统为压缩机。

进一步地，所述的制冷夹套的截面为矩形，以环绕所述的容器的上部一圈的形式设置；或者，所述的制冷夹套的截面为半圆形，以螺旋状环绕所述的容器的上部若干圈的形式设置，所述的制冷夹套内的冷媒可以是硅油。

进一步地，所述的调温夹套的截面为矩形，以环绕所述容器的下部一圈的形式设置；或者，所述的调温夹套的截面为半圆形，以螺旋状环绕所述容器的下部若干圈的形式设置，所述的调温夹套内的调温流体可以是硅油。

优选地，所述的液滴在容器内不与冷媒直接接触。

优选地，所述的容器为密闭容器，上部为筒形，下部为锥形。

优选地，所述的雾化喷嘴连接密闭的配液管道，所述的配液管道上设有管道流量调节阀。

优选地，所述的容器的底部设有用于排出干燥物料的出料阀，所述的出料阀可与收料装置连接。

优选地，所述的容器的顶壁和上部侧壁的外侧设有至少一个用于震落物料的振动器。

更优选地，所述的振动器由气体活塞驱动振动或电机驱动振动。

优选地，所述真空喷雾冷冻干燥设备还包括将洁净水引入所述的密闭容器内进行清洗，及将消毒剂引入所述的密闭容器内进行灭菌的清洗灭菌系统，所述消毒剂可以是无菌纯蒸汽。

优选地，所述的真空喷雾冷冻干燥设备还包括用于对真空喷雾冷冻干燥过程进行程序自动控制的控制系统，所述的控制系统包括可编程逻辑控制器(PLC)和计算机(PC)中的至少一个。

本发明还提供了一种真空喷雾冷冻干燥方法，其特征在于，采用上述的真空喷雾冷冻干燥设备，包括：

步骤1：真空喷雾冷冻造粒阶段：先利用真空系统将所述的密闭的容器抽到一定的真空度，然后利用雾化喷嘴将待冻干液体雾化分散为液滴并喷入容器，所述的液滴中的部分组分在真空环境中汽化吸热使液滴温度下降，所述的冷凝装置将汽化后的所述的液滴中的部分组分凝结进而维持所述的容器内的真空度，液滴温度持续下降直至冻结形成颗粒，这一阶段所述的调温夹套制冷以避免所述的冻结形成的颗粒中的冰融化，所述的搅拌桨转动以避免所述的冻结形成的颗粒团聚成冰块；

步骤2：干燥阶段：喷雾冷冻造粒结束，所述的真空系统持续抽真空以维持容器中的真空度，随后所述的调温夹套升温提供所述的颗粒中的部分组分的升华热量，所述的搅拌桨持续转动使得所述的冻结形成的颗粒上下翻滚充分、均匀地与容器壁换热，并使升华气体从颗粒之间的缝隙逸出，随后被冷凝装置凝结，直至完成物料干燥；

步骤3：物料干燥后，向所述的密闭容器内通入干燥洁净无菌气体以平衡压力，收集干燥物料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明完全不同于传统冻干常压下液体静置的慢冻技术，通过真空冷冻造粒技术将液体预冻成冰颗粒，极大提高了冷冻速率；本发明提供的的真空冷冻造粒技术不设置冷媒喷嘴，设备内不具有液氮低温区，速冻过程中完全不使用冷媒与物料接触，完全杜绝物料被污染的风险，提高了冻干工艺的无菌性，降低了生产能耗。

2、又因真空喷雾冷冻造粒技术预先将物料分散为固态冰颗粒，使动态地加热干燥物料得以实现，改善了传统冻干过程中传热传质效果，大大提高了冷冻干燥的效率，减短冻干周期，进一步降低生产能耗。

附图说明

图1为传统冻干机结构示意图。

图2为实施例1中的真空喷雾冷冻干燥设备结构示意图。

图3为实施例2中的真空喷雾冷冻干燥设备结构示意图。

图4为实施例3中的真空喷雾冷冻干燥设备结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图2所示，为实施例1中的真空喷雾冷冻干燥设备结构示意图，所述的真空喷雾冷冻干燥设备包括：用于在真空喷雾冷冻干燥过程中容纳物料的密闭的容器1；用于将待冻干液体雾化分散为液滴并喷入所述的容器1中的雾化喷嘴2；用于在真空喷雾冷冻造粒阶段在容器1中形成真空环境使所述的液滴中的水汽化吸热进而使液滴降温冻结形成颗粒，并在干燥阶段持续抽真空以维持所述的真空环境的真空系统；以及用于在真空喷雾冷冻造粒阶段制冷以避免所述的颗粒中的冰融化并在干燥阶段提供所述的颗粒中的冰的升华热量的调温夹套6，以及在真空喷雾冷冻造粒阶段将汽化后的水蒸气冷凝和在干燥阶段将升华后的所述的颗粒中的水蒸气冷凝的冷凝装置，所述的容器1内设有用于在真空喷雾冷冻造粒阶段转动以避免所述的冻结形成的颗粒团聚成冰块，以及在干燥阶段转动使所述的颗粒上下翻滚与所述的容器1的内壁换热并使升华水蒸气从颗粒之间的缝隙逸出的搅拌桨16，所述的搅拌桨16位于容器1的下部，所述的搅拌桨16通过连接轴和电机7连接。

所述的容器1为密闭容器，上部为筒形，下部为锥形。所述的冷凝装置为制冷夹套3，所述的制冷夹套3设于所述的容器1上部的外侧，制冷夹套3的内部通有冷媒。所述的调温夹套6设于所述的容器1下部外侧。所述的液滴在容器1内不与冷媒直接接触。

所述的制冷夹套3具有冷媒入口和冷媒出口，所述的冷媒入口和冷媒出口分别连接冷媒循环管路的两端，所述的冷媒循环管路上设有流体泵4和用于对冷媒进行降温的热交换器5。所述的制冷夹套3的截面为矩形，以环绕所述的容器1的上部一圈的形式设置，所述的制冷夹套内的冷媒为硅油。所述的调温夹套6内通有调温流体，所述的调温夹套6具有调温流体入口和调温流体出口，所述的调温流体入口和调温流体出口分别连接调温流体循环管路的两端，所述的调温流体循环管路上设有流体泵4和用于调节调温流体温度的热交换器5和加热器17。所述的调温夹套6的截面为矩形，以环绕所述容器1的下部一圈的形式设置；所述的调温夹套6内的调温流体为硅油。所述的热交换器5连接制冷系统。所述的制冷系统为压缩机。所述的制冷夹套3和调温夹套6之间间隔设置。

所述的雾化喷嘴2连接待冻干液体的密闭的配液管道8，所述的配液管道8上设有管道流量调节阀9。所述的真空系统包括真空泵10，所述的容器1设有用于与真空泵10连接的连接口，所述的真空泵10通过管道11连接所述的容器1的连接口，所述的管道11上设有阀门12。所述的容器1的连接口上设有过滤网13。所述的容器1的底部设有用于排出干燥颗粒的出料阀14。所述的出料阀14可与收料装置连接。所述的容器1的顶壁和上部侧壁的外侧各设有一个用于震落物料的振动器15。所述的振动器15由电机驱动振动。所述真空喷雾冷冻干燥设备还包括将洁净水引入所述的容器内进行清洗，及将消毒剂引入所述的容器内进行灭菌的清洗灭菌系统，所述消毒剂可以是无菌纯蒸汽。

所述的待冻干液体可为药品的水溶液、混悬液、乳浊液等，包含或不包含辅料均可，以将125g常青藤粉末溶解于2L水中所得的常青藤粉末水溶液为例，所述的设备使用时，包括如下步骤：

步骤1：在真空喷雾冷冻造粒阶段，控制制冷夹套3中的硅油温度为-60℃，调温夹套6中硅油的温度为-20℃，先利用真空系统将所述的密闭的容器1抽到一定的真空度，真空度为300Pa，通过配液管道8将所述的常青藤粉末水溶液输送给雾化喷嘴2，喷雾压力为0.4MPa，喷嘴直径为1.0mm，利用雾化喷嘴2将常青藤粉末水溶液雾化分散为液滴并喷入容器1，液滴中的水在真空环境中汽化吸热使液滴温度下降，真空系统持续抽真空，所述的制冷夹套3将汽化后的水蒸气凝结在容器1内壁进而维持所述的容器1中的真空度，液滴温度持续下降直至冻结形成颗粒，该过程仅需数秒完成，所形成的颗粒下落到容器1的下部，调温夹套6对容器1的下部制冷以避免所述的冻结形成的颗粒中的冰融化，所述的搅拌桨16转动以避免所述的冻结形成的颗粒团聚成冰块；

步骤2：在干燥阶段，喷雾冷冻造粒结束，所述的真空系统持续抽真空以维持容器1中的真空度，此时，真空度为100Pa，随后所述的调温夹套6逐渐升温提供所述的颗粒中的冰的升华热量，加热温度为35℃，所述的搅拌桨16持续转动使得所述的冻结形成的颗粒上下翻滚充分、均匀地与容器1内壁换热，并使升华水蒸气从颗粒之间的缝隙逸出，随后被制冷夹套3凝结，干燥时间为4h，直至完成物料干燥，使得所述冻结形成的颗粒在所述的容器1内完全干燥。

步骤3：物料干燥后，向所述的容器1内通入干燥洁净无菌气体(例如空气或氮气)，使其与收料装置内外压差一致实现压力平衡，然后通过出料阀14将干燥物料放出并通过收料装置收集干燥物料。

所述的真空喷雾冷冻造粒阶段和干燥阶段依次进行，整个真空喷雾冷冻干燥过程可通过由可编程逻辑控制器和计算机组成的控制系统加以控制。

实施例2

如图3所示，为实施例2中的真空喷雾冷冻干燥设备结构示意图，所述的真空喷雾冷冻干燥设备类似于实施例1，区别在于：所述的冷凝装置为设于所述的容器1外并与所述的容器1连接的冷凝器30，所述的冷凝器30通过管道11连接所述的容器1的连接口，所述的真空泵10通过另一管道连接冷凝器30，所述的冷凝器30与所述的容器1的连接口之间的管道11上设有阀门12，容器1上部的外侧不设置制冷夹套3。

以将125g常青藤粉末溶解于2L水中所得的常青藤粉末水溶液为例，所述的设备使用时，实施步骤类似于实施例1，区别在于：

步骤1：在真空喷雾冷冻造粒阶段，使用冷凝器30将汽化后的水蒸气凝结进而维持所述的容器1中的真空度；

步骤2：在干燥阶段，使用冷凝器30将升华水蒸气凝结进而去除所述的冻结形成的颗粒中的水分。

实施例3

如图4所示，为实施例3中的真空喷雾冷冻干燥设备结构示意图，所述的真空喷雾冷冻干燥设备类似于实施例1，区别在于：所述的冷凝装置为制冷夹套3和冷凝器30中的组合，所述的制冷夹套3设于所述的容器1上部的外侧，所述的冷凝器30设于所述的容器1外，所述的冷凝器30通过管道11连接所述的容器1的连接口，所述的真空泵10通过另一管道连接冷凝器30，所述的冷凝器30与所述的容器1的连接口之间的管道11上设有阀门12。

以将125g常青藤粉末溶解于2L水中所得的常青藤粉末水溶液为例，所述的设备使用时，实施步骤类似于实施例1，区别在于：

步骤1：在真空喷雾冷冻造粒阶段，制冷夹套3、冷凝器30共同作用将汽化后的水蒸气凝结进而维持所述的容器1中的真空度；

步骤2：在干燥阶段，制冷夹套3、冷凝器30共同作用将升华水蒸气凝结进而去除所述的冻结形成的颗粒中的水分。

Claims (11)

1.一种真空喷雾冷冻干燥设备，其特征在于，包括：用于在真空喷雾冷冻干燥过程中容纳物料的密闭的容器(1)；用于将待冻干液体雾化分散为液滴并喷入所述的容器中的雾化喷嘴(2)；用于在真空喷雾冷冻造粒阶段在容器中形成真空环境使所述的液滴中的部分组分汽化吸热进而使液滴降温冻结形成颗粒，并在干燥阶段维持所述的真空环境的真空系统；以及用于在真空喷雾冷冻造粒阶段制冷以避免所述的颗粒中的部分组分融化并在干燥阶段提供所述的颗粒中的部分组分的升华热量的调温夹套(6)。

2.如权利要求1所述的真空喷雾冷冻干燥设备，其特征在于，还包括用于在真空喷雾冷冻造粒阶段将汽化后的所述的液滴的部分组分冷凝和/或在干燥阶段将升华后的所述的颗粒中的部分组分冷凝的冷凝装置；所述的容器内设有用于在真空喷雾冷冻造粒阶段转动以避免所述的冻结形成的颗粒团聚成冰块，以及在干燥阶段转动使所述的颗粒上下翻滚与所述的容器的内壁换热并使升华气体从颗粒之间的缝隙逸出的搅拌桨(16)，所述的搅拌桨(16)位于容器(1)的下部。

3.如权利要求2所述的真空喷雾冷冻干燥设备，其特征在于，所述的冷凝装置为制冷夹套(3)和冷凝器(30)中的一种或其组合，所述的制冷夹套(3)设于所述的容器(1)上部的外侧，制冷夹套(3)的内部通有冷媒，所述的冷凝器(30)设于所述的容器(1)外，并与所述的容器(1)连接。

4.如权利要求3所述的真空喷雾冷冻干燥设备，其特征在于，所述的真空系统包括真空泵(10)，所述的容器(1)设有连接口；当所述的冷凝装置为第一制冷夹套(3)时，所述的真空泵(10)通过管道(11)连接所述的容器(1)的连接口，所述的管道(11)上设有阀门(12)；当所述的冷凝装置为冷凝器(30)或第一制冷夹套(3)和冷凝器(30)的组合时，所述的冷凝器(30)通过管道(11)连接所述的容器(1)的连接口，所述的真空泵(10)通过另一管道连接冷凝器(30)，所述的冷凝器(30)与所述的容器(1)的连接口之间的管道(11)上设有阀门(12)。

5.如权利要求3所述的真空喷雾冷冻干燥设备，其特征在于，所述的制冷夹套(3)具有冷媒入口和冷媒出口，所述的冷媒入口和冷媒出口分别连接冷媒循环管路的两端，所述的冷媒循环管路上设有流体泵(4)和用于对冷媒进行降温的热交换器(5)；所述的调温夹套(6)内通有调温流体，所述的调温夹套(6)具有调温流体入口和调温流体出口，所述的调温流体入口和调温流体出口分别连接调温流体循环管路的两端，所述的调温流体循环管路上设有流体泵(4)和用于调节调温流体温度的热交换器(5)和加热器(17)。

6.如权利要求2所述的真空喷雾冷冻干燥设备，其特征在于，所述的搅拌桨(16)通过连接轴和电机(7)连接。

7.如权利要求1或2所述的真空喷雾冷冻干燥设备，其特征在于，所述的液滴中的部分组分为水，所述的颗粒中的部分组分为冰。

8.如权利要求1或2所述的真空喷雾冷冻干燥设备，其特征在于，所述的液滴在容器(1)内不与冷媒直接接触。

9.如权利要求1或2所述的真空喷雾冷冻干燥设备，其特征在于，所述的雾化喷嘴(2)连接密闭的配液管道(8)，所述的配液管道(8)上设有管道流量调节阀(9)。

10.如权利要求1或2所述的真空喷雾冷冻干燥设备，其特征在于，所述的容器(1)的底部设有用于排出干燥颗粒的出料阀(14)。

11.一种真空喷雾冷冻造粒方法，其特征在于，采用权利要求2-10中任一项所述的真空喷雾冷冻干燥设备，包括：

步骤1：真空喷雾冷冻造粒阶段：先利用真空系统将所述的密闭的容器抽到一定的真空度，然后利用雾化喷嘴将待冻干液体雾化分散为液滴并喷入容器，所述的液滴中的部分组分在真空环境中汽化吸热使液滴温度下降，所述的冷凝装置将汽化后的所述的液滴中的部分组分凝结进而维持所述的容器内的真空度，液滴温度持续下降直至冻结形成颗粒，这一阶段所述的调温夹套制冷以避免所述的冻结形成的颗粒中的冰融化，所述的搅拌桨转动以避免所述的冻结形成的颗粒团聚成冰块；

步骤2：干燥阶段：喷雾冷冻造粒结束，所述的真空系统持续抽真空以维持容器中的真空度，随后所述的调温夹套升温提供所述的颗粒中的部分组分的升华热量，所述的搅拌桨持续转动使得所述的冻结形成的颗粒上下翻滚充分、均匀地与容器壁换热，并使升华气体从颗粒之间的缝隙逸出，随后被冷凝装置凝结，直至完成物料干燥；

步骤3：物料干燥后，向所述的密闭容器内通入干燥洁净无菌气体以平衡压力，收集干燥物料。