CN108885057B - 冷冻干燥方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷冻干燥装置，包括：‑包括加热装置(15,16)的蒸发室(5)，‑与所述蒸发室连通的冷凝室(10)，‑所述蒸发室(5)和所述冷凝室(10)彼此围绕能够旋转的轴(30)固定安装，其特征在于，所述装置还包括：‑通过挠性连接器连接到所述蒸发室(5)的产品入口和出口(1,8)，产品入口和出口(1,8)相对于蒸发室固定安装，以及‑驱动所述轴(30)的马达(12)，其自身具有以下往复运动：‑沿第一旋转方向以5°至90°之间的旋转角(α1)驱动所述轴(30)的第一运动，以及‑沿与第一旋转角度相反的第二旋转方向以‑5°至‑90°之间的旋转角(α2)驱动所述轴(30)的第二运动。

Description

冷冻干燥方法和装置

技术领域

本发明涉及通过冷冻干燥加工产品的装置领域。更具体地，本发明涉及进行大量冷冻干燥的装置。本发明还涉及一种大量冷冻干燥的方法。

本发明在药物制备和食品制备领域具有特别有利的应用，并且更普遍地适用于需要通过冷冻干燥的保存方法的所有高附加值工业。例如，本发明可以在生物技术领域实施，用于考虑到生物产量发酵的接种物生产；在食品领域实施，用于冷冻干燥水果、蔬菜、饮料和食品制剂；在健康领域实施，用于冷冻干燥蛋白质、肽、酶、细菌、病毒、活细胞、抗体或敏感分子的敏感制剂、血浆成分或敏感聚合物制剂。

现有技术

冷冻干燥是一种低温脱水操作，其包括通过升华消除产品中含有的大部分水。冷冻干燥使得可以获得高质量的最终产品而不降低结构，同时保留微生物或细胞的大部分活性。由于产品中水的活性降低，冷冻干燥的产品能够长时间保存。

实际上，通过降低产品中水的活性，没有生物体可以生长，并且不会发生在水中发生的所有化学反应。水的活性非常低也可以阻止任何微生物生长活性。因此，冷冻干燥产品的形式和外观得到很好的保存，其芳香性质远远优于通过雾化、流化床或具有多种效果的蒸发器简单干燥的方法干燥的产品性质。

此外，在缺少高比例的液态水的情况下，产品从冷冻状态到脱水状态的转变降低了改变反应发展的可能性。冷冻干燥的另一个主要技术优势在于，由于在水的升华过程中由蒸气形成的微孔，冷冻干燥产品能够瞬间再水化。

然而，冷冻干燥的使用受到其成本的限制，并且仍然比干燥使用少得多。冷冻干燥的低生产率是由于在真空和非常低的温度下的不连续操作模式，这导致10小时和几天之间的显著处理时间。在这些极端条件下，热传递效率非常低。相比之下，干燥通常在大气压下，在中等温度(通常在50至100℃之间)进行，并且热传递具有更好的效率。因此，冷冻干燥装置的投资和运营费用很高。例如，冷冻干燥装置的能量消耗通常约为每吨待消除水2500至6000kWh。

因此，冷冻干燥仅适用于具有高附加值的产品。在食品工业中，可以提到咖啡、以及草药和香料、煮熟的菜肴、或对受热脱水敏感的成分(蔬菜、水果、海鲜等)。基于雾化或流化床的干燥方法目前用于即时脱水汤粉、烹饪制剂和早餐谷物，因为它们便宜得多。制药工业(疫苗、血清、药物)和生物工业(酵母)对冷冻干燥方法有更大的兴趣，这使得它们能够获得该技术最具特色的性质，即保存产品中的活性成分(生物和/或药物活性)，其将以接近环境温度的温度下储存。

冷冻干燥需要使用一装置，其由连接到冷却装置的冷冻室、连接到加热装置的蒸发室和连接到蒸发室的冷凝室组成。冷凝室配置为将从蒸发室产生的水蒸气收集到冰阱上。在药学领域，出于无菌的原因，蒸发室也在蒸发之前冷冻产品。相反，在食品领域，冷冻通常在独立的装置中进行，因此冷冻干燥装置本身仅包括蒸发室和冷凝室。

冷却装置设置在冷凝室中以冷冻来自蒸发室的水蒸气。然后在冷凝室中将蒸汽形式的水转化为冰，并将冰储存在冷凝室中在冰阱上。在某些情况下，冷冻和升华可以在同一外壳内进行。在这种情况下，冷冻室和蒸发室由连接到冷却装置和加热装置的单个室组成。优选地，室也通过真空泵置于真空下，以便低于水的三相点通过并使水能够从固相转变为气相。

冷冻干燥方法的第一步包括在冷冻和蒸发室中冷冻产品，使其能够在低温下干燥。需要快速冷冻以形成小冰晶。过慢的冷冻导致有助于可能通过撕裂其细胞壁(例如酵母、病毒和动物或植物细胞)而损害产品结构的大晶体的形成。第二步包括在蒸发室中产生真空，低压(通常远低于6.1hPa)，因此冰形式的水可以转化成蒸汽而不会解冻产品。产品接收热量供应以提供使冰升华成蒸汽潜热所需的能量。蒸汽进入冷凝室，其习惯于通过使用保持在非常低的温度(通常为-60℃)的冰阱将水蒸气转化为冰。

因此，这种冷冻干燥方法可以取出产品中含有的高达95％的水。冷冻干燥可以使产品的水分含量降至极低水平，即产品体积重量的1％至10％，并防止细菌和霉菌增殖，防止酶引发可能分解产品的化学反应。因此，冷冻干燥的产品可以保存很长时间。当密封地包装，免受湿气，光和氧气的影响时，冷冻干燥的产品可以在环境温度下保存多年。此外，高质量的灭菌产品还需要对灭菌链进行灭菌。

然而，冷冻干燥过程具有许多与所需的加热和冷却的重要输入、将蒸发室和冷凝室置于真空、以及确保这些室的无菌的需要的相关的缺点。加热和冷却的必要输入需要使用高效元件，例如用液氮作用。将室置于真空下以及无菌要求需要使用密封外壳和真空泵。此外，在升华过程中存在产品结块的风险，这会降低冷冻干燥产品的质量。

另外，冷冻干燥时间取决于待冷冻干燥的产品的颗粒尺寸和与热源接触的产品的表面积。传统的解决方案包括将待冷冻干燥的产品分配到小瓶中。热源配置为加热小瓶的底部，以便通过传导和辐射将热量传递给存储在小瓶中的所有产品。冷冻干燥后，产品呈小瓶形状的多孔块状形式。由于在小瓶中用传导和辐射的热量迁移时间，因此冷冻干燥的平均时间在两到三天之间。然而，要在大量小瓶中待冷冻干燥的产品的分布需要非常大尺寸的蒸发室。因此，必须增加加热装置、冷却装置和真空产生装置的功率。

申请号为2012/018320的国际专利申请提出通过增加产品和热源之间的接触表面来实施批量冷冻干燥来减少冷冻干燥时间。更具体地，该专利申请公开了一种具有推进器的旋风室，该推进器配置为在冷冻干燥期间以气旋运动驱动产品。尽管该装置可以冷冻干燥大量产品，但其在真空下实施尤其复杂。

通过大量冷冻干燥，可以实现5至50小时之间的平均冷冻干燥时间。冷冻干燥时间的减少使得可以减少消耗，生产时间并因此降低生产成本。此外，限制冷冻干燥时间减少了产品受热暴露。这样可以提高冷冻干燥产品的质量。

文献WO 82/02246和EP 1,236,962描述了其蒸发室可旋转的冷冻干燥室。然而，这些装置需要完全停止蒸发室以便添加和取出产品。实际上，这些文件中的蒸发室在冷冻干燥期间置于真空下，并且添加和取出产品需要恢复到大气压并打开密封壁。因此，添加和取出产品的方法时间特别长且复杂。

文献EP 2,578,975和EP 2,578,976也提出通过实施大量冷冻干燥来减少冷冻干燥时间。为此，将蒸发室安装在冷冻干燥期间旋转的轴上。蒸发室安装在无菌外壳中，并且室的轴从外壳延伸穿过开口，以便由马达驱动。在外壳的开口处围绕轴放置密封件，以保证外壳的真空而不会损失开口处的压力。密封件配置为在-60和120℃之间变化的温度下承受2.5巴(bars)的压力。

为了进行冷冻干燥，操作者将无菌入口连接到蒸发室，穿过无菌外壳以便到达容器。然后将待冷冻干燥的产品通过无菌入口和无菌外壳置于容器中。然后操作员断开入口，注意保持外壳无菌。然后在马达旋转容器的同时进行冷冻干燥，以搅拌产品以防止其结块。蒸发室和冷凝室是连通的，但不转动。当冷冻干燥完成时，操作者通过无菌外壳将无菌出口连接到蒸发室，以便从容器中取出冷冻干燥的产品。

由于所使用的压力和温度的差异，轴周围的密封迅速降低，这可能导致密封或无菌的损失。此外，该冷冻干燥装置还需要操作者非常精确地操作以确保产品的无菌性。

此外，冷冻干燥装置需要操作者在两次冷冻干燥之间进行处理的步骤。结果是冷冻干燥是大部分非自动的过程，因此增加了生产时间并因此增加了冷冻干燥产品的成本。

因此，本发明的问题在于开发一种用于批量生产冷冻干燥的装置，其弥补现有技术装置的缺点。

发明内容

本发明试图通过将蒸发室的入口和出口安装在挠性连接器上并通过根据往复运动搅动蒸发室和冷凝室来解决该问题。因此，入口和出口永久地连接到蒸发室，并且不再需要将两个室安装在无菌外壳中。此外，通过使用挠性连接器连接所述流体的入口和出口，往复运动使得可以在围绕蒸发室和冷凝室的双层壁中使用传热流体。因此，可以通过在蒸发室中的产品的支撑表面处的传导和通过在蒸发室的表面的其余部分上的辐射来实现加热和冷却。

相比之下，在文献EP 2,578,975和EP 2,578,976中，传热只能通过蒸发和冷凝室周围的辐射来实现。通过本发明允许的传导进行的热传递提高了热传递的精度并减少了消耗。

为此，根据第一方面，本发明涉及一种冷冻干燥装置，包括：

-蒸发室，所述蒸发室包括加热蒸发室的装置，所述装置配置为升华包含在将要放置在蒸发室中的冷冻产品中的水，

-冷凝室，所述冷凝室与蒸发室连通，并包括冷却冷凝室的装置，所述装置配置成将来自蒸发室的蒸汽转化为冰，

-蒸发室和冷凝室围绕可旋转轴彼此固定安装。

本发明的特征在于该装置还包括：

-产品入口和/或出口，所述产品入口和/或出口通过挠性连接器连接到蒸发室，产品入口和出口相对于蒸发室固定安装，

-马达，所述马达通过以下往复运动驱动所述轴绕其自身旋转：

-沿第一旋转方向小于180°的旋转角度驱动所述轴的第一运动；以及

-沿与第一旋转角度相反的第二旋转方向以小于180°的旋转角度驱动所述轴的第二运动。

产品入口和出口固定连接到蒸发室。因此，不再需要将蒸发室和冷凝室安装在无菌外壳中，并且不再存在无菌外壳密封的问题。外壳的消除限制了装置的整体尺寸和加热装置、冷却装置和真空装置所需的功率。结果是，对于相同数量的产品，冷冻干燥装置的能量消耗比现有技术的装置低20％至40％。

该装置可以进行不连续的冷冻干燥。

根据另一个特征，本发明涉及一种由前述装置实施的冷冻干燥方法，包括以下步骤：

-通过打开产品入口，向蒸发室填充冷冻或未冷冻的产品，

-当产品未冷冻时，通过冷却装置冷却蒸发室直至产品冷冻，

-一旦产品冷冻，将蒸发室和冷凝室置于真空下，

-通过加热装置加热蒸发室，直到获得容纳在蒸发室中的产品的水的升华，

-通过冷却装置冷却冷凝室，以便捕获进入冷凝室的蒸汽，

-在整个升华时间内以两次重复的互补运动的绕轴自转来搅动蒸发室：

-在第一旋转方向以小于180°的旋转角使所述轴绕其自身旋转的第一运动；以及

-沿与所述第一旋转方向相反的第二方向以小于-180°的旋转角使所述轴绕其自身旋转的第二运动，以及

-从蒸发室中取出产品。

优选地，操作者通过设置在蒸发室和冷凝室中的温度传感器监测这些生产步骤。

作为变型，冷冻干燥可以通过布置在蒸发室中的隔室连续进行。轴的第三大幅度旋转运动允许待冷冻干燥的产品在蒸发室的隔室之间转移，从而在蒸发室内形成冷冻干燥路径。

该实施例与先前描述的装置的不同之处在于它还包括：

-通过仅在蒸发室的高度的一部分上延伸的隔板在蒸发室中形成的隔室，并且在隔室中

-根据至少三个互补的运动，电机驱动轴绕其自身旋转：

-沿第一旋转方向以5°至90°之间的旋转角驱动轴的第一运动；

-沿与第一旋转角度相反的第二旋转方向以-5°至-90°之间的旋转角驱动轴的第二运动；以及

-以90°至180°之间的旋转角驱动轴的第三运动，所述第三运动联接到蒸发室的倾斜位置，以便通过重力在所述蒸发室的两个连续部分之间移动产品。

在该变型中，本发明使得可以连续进行冷冻干燥，即可以随时间定期添加产品而无需完全停止冷冻干燥过程。因此，产品可以通过蒸发室的第一隔室中的入口添加，而设置在蒸发室和其他隔室中的其他产品仍然处于冷冻干燥的过程中。以相同的方式，可以从蒸发室中取出冷冻干燥的产品，而其他产品仍然处于冷冻干燥的过程中。

根据一个实施例，入口包括由两个锁隔开的装载室，并且出口包括由两个锁隔开的卸载室。该实施例使得可以保证在蒸发室中添加和取出产品的密封和无菌，同时考虑到进入产品的真空或取出产品的大气压力。

根据一个实施例，将入口与蒸发室隔开的锁的打开和将出口与蒸发室隔开的锁的打开与所述电机的第三运动同步。该实施方案允许在向蒸发室添加产品或从蒸发室取出产品时不中断冷冻干燥循环。

根据一个实施例，该装置包括通过两个不同的气闸连接到蒸发室的两个冷凝室，第一冷凝室通过打开第一气闸并关闭第二气闸连接到蒸发室，以便利用第一冷凝室来捕获来自蒸发室的蒸汽，然后第二冷凝室在第一冷凝室的使用期间再生，反之亦然。

该实施例使得可以在不中断连续冷冻干燥过程的情况下清空在冷凝室一个或另一个中捕获的冰。

根据一个实施例，该装置包括两个真空泵，连接到第一冷凝室的第一真空泵和连接到第二冷凝室的第二真空泵。该实施例使得当冷凝室连接到蒸发室时可以确保冷凝室的排空以及当它们处于再生阶段时所述室的负压。

根据一个实施例，蒸发室在入口[和]出口之间倾斜。该实施例允许将设置在一个隔间中的产品沿出口方向引向下一隔间。作为变型，轴仅在旨在在两个隔室之间转移产品的大幅度运动期间倾斜。

根据一个实施例，蒸发室的隔板具有交替地安装在蒸发室中的两个不同的形状，这两个形状具有轴向偏移的开口旨在待冷冻干燥产品在两个隔室之间的通过。两个连续隔板的轴向偏移使得在旨在两个隔室之间转移产品的大幅度运动期间可以限制产品在几个隔室之间移位的风险。

根据一个实施例，马达配置为以与三个运动互补的第四运动驱动轴，第四运动使轴沿与第三运动的方向相反的方向以90°至180°之间的旋转角在绕其自身旋转，以便在蒸发室的两个连续隔室之间移动产品。该实施例还可以改善产品在两个连续隔室之间的转移。

本发明还涉及由前述装置实施的冷冻干燥方法，该方法包括以下步骤：

-通过打开产品入口，向蒸发室填充冷冻或未冷冻的产品，

-当产品未冷冻时，通过冷却装置冷却蒸发室直至产品冷冻，

-一旦产品冷冻，将蒸发室和冷凝室置于真空下，

-通过加热装置加热蒸发室，直到容纳在蒸发室隔室中的产品中的水获得升华，

-通过冷却装置冷却冷凝室，以固化进入冷凝室的蒸汽，

-通过在每个隔室中的整个停留长度内以两次重复的互补运动使轴绕其自身旋转来搅动蒸发室；

-在第一旋转方向以5°至90°之间的旋转角驱动轴的第一运动；

-沿与所述第一旋转方向相反的第二方向以5°至90°之间的旋转角驱动轴的第二运动；

-通过轴根据以90°至180°之间的旋转角的位移的第三运动，在两个连续隔室之间移动产品，所述第三运动联接到蒸发室(5)的倾斜位置，以及

-从蒸发室中取出产品。

优选地，操作者通过设置在蒸发室和冷凝室中的温度传感器监测这些生产步骤。

无论所实施的装置适于连续或不连续的冷冻干燥，都可进一步具有以下特征。

根据一个实施例，蒸发室相对于一个或多个冷凝室横向设置。有利地，蒸汽传感器可以设置在蒸发室和冷凝室之间，例如在升华期间通过由蒸发室和冷凝室之间的蒸汽流驱动推进器。在实践中，蒸发室和冷凝室是容器的形式，其具有大致圆柱形的形状。有利地，蒸发室具有0.01至1m³至多达10m³之间的容量。

根据特定实施例，将已经冷冻的产品添加到蒸发室中。在这种情况下，产品入口配置为添加冷冻产品。该实施例使冷冻步骤与蒸发步骤分离。因此，独立地实现冷冻，并且优选地冷冻产品以冷冻准流体、颗粒或微粒的形式存在。

根据另一个实施例，该装置还包括用于冷却蒸发室的装置。该实施例使得可以使用蒸发室来用升华步骤冷冻产品。因此，可以在环境温度下将产物添加到蒸发室中，并且第一步包括在进行升华之前直接在蒸发室中将产品冷冻。而且，在冷冻期间可以实施蒸发室的往复运动。

为了加热蒸发室，所述室包括外部双壁，加热装置配置为在蒸发室的两个壁之间形成的空间中循环传热流体。该实施例限制了装置的整体尺寸和加热装置的消耗。

根据一个实施例，冷却冷凝室的装置和加热蒸发室的装置通过挠性连接器连接到它们各自的室。该实施例使得可以将能量产生装置与由两个室形成的可移动结构分开。因此，可以通过在产品表面与壁接触的室的壁处的传导和通过辐射来同时实现加热和冷却。这提高了热传递的精度并减少了消耗。

根据一个实施例，挠性连接器具有多个不锈钢圈。该实施例使得可以避免形成挠性连接器的金属的应变硬化。作为变型，连接器可以由塑料材料或经过处理以避免应变硬化的材料制成。

根据一个实施例，蒸发室包括设置在蒸发室内部的挡板，以便在蒸发室运动期间有利于产品的混合。因此，挡板确保了在冷冻干燥过程中产品的混合。

根据一个实施例，该装置还包括设置在蒸发室中的第一温度传感器和压力传感器以及设置在冷凝室中的第二温度传感器。该实施例使得可以监测温度和压力以评估冷冻干燥过程的进展。

附图的简要说明

从附图所支持的以下实施例的描述中将清楚地看出实现本发明的方式以及由此产生的优点，其中：

-图1是代表根据本发明第一实施例的冷冻干燥装置的结构示意图；

-图2a至2d是图1的冷冻干燥装置的四个不同位置中隔板相对于蒸发室的位置的剖视图；

-图3是代表根据本发明第二实施例的冷冻干燥装置的结构示意图；

-图4a至4d是图3的冷冻干燥装置的四个不同位置中隔板相对于蒸发室的位置的剖视图；

-图5是代表根据本发明第三实施例的冷冻干燥装置的结构示意图；以及

-图6a至6e是图5的冷冻干燥装置的五个不同位置中两个连续隔板相对于蒸发室的位置的剖视图。

具体实施方式

图1示出了一种冷冻干燥装置，其包括蒸发室5和冷凝室10。漏斗形式的入口1通过挠性连接器连接到蒸发室5。漏斗还配备有第一锁2，以便在锁2打开时添加待冷冻干燥的产品。漏斗形式的出口8也通过挠性连接器连接到蒸发室5。漏斗还配备有第二锁9，以便在打开锁9时取出冷冻干燥了的产品。锁2和锁9也使得有可能保证室5和室10的密封和无菌。例如，可以使用安捷伦科技(Agilent Technologies)品牌或者格里克(Gericke)品牌的锁2和锁9。作为变型，本发明可以通过完成添加产品和取出产品的功能的单个入口/出口来实现。

蒸发室5和冷凝室10设置在彼此的延伸部中并且彼此独立，即两个室形成两个轴向偏移的空间。作为变型，冷凝室10可以围绕在蒸发室5设置，使得两个室在这种情况下是同心的。

蒸发室5具有双外壁，传热流体在该双外壁中循环以加热蒸发室5。优选地，蒸发室5的内表面具有镜面抛光，以便有利于负载的滑动以及使倾斜角最小化。

传热流体由通过流体入口15和流体出口16连接到双壁的外部装置加热。蒸汽入口31也连接到蒸发室5，以对蒸发室5进行灭菌。

所述加热装置15、16使有可能升华布置在蒸发室中的冷冻产品。作为变型，传热流体可以通过联接到外部热源的热交换器加热。

可以通过入口1以添加冷冻形式产品。作为变型，产品可以在蒸发室5中直接冷冻。在该实施例中，产品在环境温度下加入，并且在外部双壁中循环的传热流体被冷却至非常低的温度，例如约-60℃，以在蒸发步骤之前产生产品的冷冻。也可以在入口1中进行冷冻。例如，通过落入氮气流中的重力滴可直接在准流体(pellets)中实现冷冻。

冷凝室10通过气闸4连接到蒸发室5。气闸4配置为允许蒸汽在蒸发室5和冷凝室10之间通过。此外，气闸4可包括允许蒸汽通过，同时保留可由水蒸气携带的产品颗粒的筛网(screen)或过滤器。优选地，过滤器由

(Gore-Tex)(注册商标)制成。

冷凝室10包括盘管形状的冰阱(ice trap)11，传热流体(例如液氮)在其中循环。传热流体由外部装置产生，并流入管道通过入口17至出口18。作为变型，传热流体可以通过联接到外部冷源的热交换器来冷却。

当气闸4打开且蒸汽渗入冷凝室中时，执行冷却装置17、18。然后蒸汽在冰阱11的管上冻结。形成冰阱11的圈的数量和管的横截面被确定为待回收的蒸汽量的函数。

蒸汽入口32也连接到冷凝室10，以便在开始冷冻干燥过程本身之前对冷凝室10和蒸发室进行消毒。要做到这一点，在冷冻干燥前的步骤中，打开气闸4，并且将蒸汽添加到两个室5、10。

在该过程期间，由蒸汽喷射喷嘴32喷射的蒸汽导致冰阱11上的冰融化。排水管33抽出喷射以蒸发容纳在冷凝室10中的冰的蒸汽以及为消毒产生的蒸汽。

冷凝室10还通过装有阀7的管连接到真空泵6上。所述真空泵6配置为在气闸4打开时抽空冷凝室10和蒸发室5。当在所述两个室中产生真空时，阀7保持打开，并且通过在冰阱11上冷凝蒸汽来保持真空。

入口漏斗和出口漏斗的入口1和出口8通过无菌挠性套管连接到蒸发室5。有利地，两个室5、10的加热装置和冷却装置以及真空泵6也通过挠性连接器连接到相应的室。优选地，挠性连接器由不锈钢制成，以满足无菌要求。有利地，挠性连接器具有线圈，以便限制不锈钢的应变硬化。作为变型，不改变本发明的情况下可以使用其他材料。

在供给漏斗和排出漏斗的情况下，挠性连接器的功能是将一个固定的外部元件连接至室5、10，以确保当所述室通过马达12围绕其自转时，所述元件与室5、10的连接。因此,所述连接器的抗弯能力使其能够将室5、10在相对于外部元件的位置吸引。还选择连接器的长度，以确保在室5、10的旋转过程中保持连接。例如，可以使用

牌挠性连接器。

两个室5、10固定地安装在轴30上。优选地，两个室是圆柱形的，并且轴30穿过气缸的两个平面的中心，以便将室5、10的质量均匀分布在轴30周围。在图1中，轴30连接并固定到冷凝室10的端部，其与蒸发室5连接的端部相对。

作为变型，轴30可以连接并固定到蒸发室5。此外，轴30可以通过支撑件保持可自由旋转。轴30通过马达12旋转。

根据本发明，相对于它们的中心轴线的两个相反的旋转运动由被马达12驱动的轴30引起，并且在幅度上受到限制以便产生往复运动。图2示出了在所述往复运动期间轴30的位置。在图2a中所示的第一位置，轴30不被马达12旋转。如图2b所示，马达12的第一运动驱动轴30绕其自身旋转并因此驱动蒸发室和冷凝室沿角位移α1(小于180°)的第一旋转方向旋转。

如图2c所示，马达12的第二运动沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向驱动轴30绕其自身旋转并因此驱动蒸发室和冷凝室，第二旋转方向具有基本上等于第一运动角位移的角位移α2。因此，往复运动对应于轴30的摆动，即轴30以一个方向绕其自身旋转然后以另一个方向绕其自身旋转。因此，轴30不能进行完全旋转，从而限制了将外部装置连接到室5、10的挠性连接器缠绕的风险。相反，挠性连接器被构造为在旋转过程中变形并吸引室5、10的位移，以保持密封和无菌连接。

因此，旋转运动使得可以避免在冷冻干燥期间产品在蒸发室5中结块，同时限制冷冻干燥过程的时间。有利地，蒸发室5还包括设置在蒸发室5内部的挡板。

挡板径向朝向蒸发室5的内部延伸，并且能够改善冷冻干燥过程中产品的混合。例如，可以使用

犁头混合器。

轴30可相对于室5、10的圆柱形主体水平安装。在该实施例中，装置有利地包括以垂直平面中的轴为枢轴的装置，其允许设置在蒸发室5中的产品在冷冻干燥完成时引向出口8。

作为变型，轴30可以以偏置方式安装，即在垂直平面中倾斜，以便在冷冻干燥过程中将产品引向出口8。在该实施例中，出口8低于入口1，以便利用重力将冷冻干燥的产品向出口8移动。

而且，因为冷冻干燥方法特别依赖于温度差和压力差，室5、10优选地配备有诸如温度传感器20、24和压力传感器21的仪器。

两个传感器20、21布置在蒸发室5中，以监测蒸发室5中的温度和压力。第三传感器24被设置在冷凝室10中来监测冷凝室的温度。然后操作者可通过传感器装置20、21、24跟踪冷冻干燥过程并估计随着时间的推移从产品去除的水量。因此，可以确定达到所需浓度的水的精确时刻，以便停止冷冻干燥。

为了通过前述装置进行冷冻干燥，操作者打开锁2，同时关闭锁4、阀7和锁9。因此将待冷冻干燥的产品添加到蒸发室5中，例如预先冷冻的产品。然后锁2关闭并且打开气闸的阀4以使两个室5、10连通。

然后通过打开阀7并启动真空泵6产生真空。当产生真空时，通过冰11上的蒸汽冷凝基本上保持真空。下一步包括进行冷冻产品中所含水的升华。为此，通过致动蒸发室5的加热装置15、16和致动冷凝室10的冷却装置17、18加热冷冻的产品。例如，蒸发室5中的产品温度在6.1hPa的真空下从-30℃变化到-25℃。

然后来自冷冻产品的水升华并以蒸汽形式渗透到冷凝室10中，在冷凝室10中，其被冷凝并被冰阱11捕集在冷凝室10中，其温度优选在-50℃至-60℃之间。例如，如果蒸发速度高，则在气闸4处的筛网或膜(优选地由

制成)可以防止产品颗粒的分散。

在此期间，马达12使轴30在前面描述的两个运动中围绕其自身旋转。在整个升华期间，交替重复所述运动。例如，马达可以是无刷式电动机。优选地，马达是具有多个操作位置的电动机，对此，定子的磁场对应于转子的角位置。本发明不是循环移动定子的磁场以驱动马达循环运动，而是旨在使用马达进行“往复”运动。例如，具有四对磁极的电马达通常通过相继地提供连续的极对来旋转：第一极对、第二极对、第三极对、第四极对、第一极对等。可以通过提供第一极对、然后第二极对、然后第一极对、然后第四极对、然后第一极对、然后第二极对等来产生“往复”运动。

为了减小由马达的转子产生的重量，蒸发室5和冷凝室10可以安装在可沿旋转方向移动并配置为支撑室的重量的轮子上。

当达到获得水的所需浓度的冷冻干燥的持续时间，关闭气闸4的阀并且停止加热装置15、16和冷却装置17、18。打开锁9，并通过出口8从蒸发室5中取出冷冻干燥的产品。为取出在冷凝室10捕获的冰以及消毒整个设备，通过蒸汽喷射喷嘴31、32将蒸汽添加到冷凝室10，以融化冰并杀菌两个室5、10。因此当产品从冷凝室10取出时，容纳在两个室5、10中的蒸汽通过排水管33取出或通过出口8取出。为完成，再次关闭锁9，通过连接器15-18来冷却两个室5、10，并且可以执行新的冷冻干燥。

图3示出了第二实施例，其中蒸发室5包括隔板40，隔板40仅在隔板40之间形成隔室的蒸发室5的高度的一部分上延伸。

优选地，因为蒸发室5是圆柱形的，所以隔板40相对于蒸发室5径向延伸。每个隔板40的顶部设有开口39，用于允许产品在两个连续隔室之间通过。图4示出了在隔板40的上部存在开口的这些隔板的示例实施例。

该装置还包括入口1，入口1通过装载室41连接到蒸发室5，以便添加待冷冻干燥的产品。为此，装载室41由两个锁2a、2b隔开。当第一锁2a打开时，产品从入口1添加到装载室41中。然后关闭第一锁2a并打开第二锁2b，以便将产品添加到蒸发室5中。出口8借助于也在两个锁9a、9b之间隔开的卸载室42也连接到蒸发室5。

在该变型中，马达12引起轴30绕其自身的至少三个旋转运动，其中两个运动的幅度受到限制，以便产生往复运动。在图4a中所示的第一位置，轴30不被马达12旋转，蒸发室5是直立的。隔板40的开口39位于蒸发室5的上部，并且产品包含在由隔板40界定的隔室中。

如图4b所示，马达12的第一运动绕其自身并且以在5°至90°之间的角位移α1的第一旋转方向上驱动轴30。所述小幅度旋转不允许设置在隔室中的产品朝相邻隔室迁移，因为隔板40的高度足以容纳产品。

如图4c所示，马达12的第二运动绕其自身并且以角位移α2德第一旋转方向相反的第二旋转方向上驱动轴30，角位移α2基本上等于第一运动的角位移。

所述小幅度旋转不允许设置在隔室中的产品朝相邻隔室迁移，因为隔板40的高度足以容纳产品。因此，往复运动对应于轴30的摆动，即轴30以一个方向上绕其自身旋转，然后以另一个方向上绕其自身旋转。

如图4d所示，马达12的第三运动绕其自身以90°至180°之间的旋转角α3驱动轴30。这种大幅度运动是为了允许产品在两个连续隔间之间移位，因为隔板40的开口39向下设置。

轴30可相对于室5、10的圆柱形主体水平布置。在该实施例中，装置有利地包括使轴在垂直平面内枢转的装置，以便在第三运动期间将设置在蒸发室5中的产品引导到两个连续隔室之间。作为变型，轴30可以以偏置方式安装，即在垂直平面中倾斜，以便在往复运动期间引导产品抵靠隔板40以及在大幅度运动期间引导产品两个连续隔室之间。

优选地，隔板40由金属制成，以便将热量传导到蒸发室5的中心。此外，由于冷冻干燥过程是特别依赖于温度差和压力差，室5、10优选地配备有诸如温度传感器20、24和压力传感器21的仪器。

为了通过前述装置进行冷冻干燥，操作者或可编程逻辑控制器打开锁2a，并且将锁2a和锁2b之间的隔室置于真空下。当达到真空时，打开锁2b，从而将待冷冻干燥的产品添加到蒸发室5的第一隔室中，例如预先冷冻过的产品。然后一旦在锁中建立真空就关闭锁2b，并且打开锁2a，以便再次将产品添加到装载室41中。

首先通过打开阀7并启动真空泵6来产生真空。当产生真空时，阀7保持打开并且真空泵6继续操作，但是通过阱11上蒸汽冷凝基本上确保了真空。

下一步包括进行来自冷冻产品的水的升华。

为此，通过致动蒸发室5的加热装置15、16加热冷冻的产品以及致动冷凝室10的冷却装置17、18。

例如，蒸发室5中的产品温度在6.1hPa的真空下从-30℃变化到-25℃。然后来自冷冻产品的水升华并以蒸汽形式进入冷凝室10，其在冷凝室10中冻结，并通过冰阱11捕集在冷凝室10中，其温度优选在-50℃至-60℃之间。例如，如果蒸发速度高，则气闸4处的筛网可以防止产品颗粒的分散。

在此期间，马达12使轴30以前述的三个运动旋转。在第一循环期间交替重复两个往复运动。当第一隔室中的产品达到保持时间时，马达12使轴30以第三大幅度运动旋转，以便将产品从第一隔室移向第二隔室。当产品已转移到第二隔室时，打开锁2b，并根据前述过程将新产品添加到第一隔室中。

当达到获得所需的水浓度的冷冻干燥时间并且第一产品已经在所有隔室之间移动时，锁9a和锁9b之间的隔室处于真空下，打开锁9a并且冷冻干燥产品通过卸载室42从蒸发室5中取出。然后重新关闭锁9a并打开锁9b以通过出口8取出产品。以与进料相同的方式，在真空下将产品添加到锁中，然后一但锁9a关闭，真空破坏并在打开锁9b之前使用无菌氮气恢复到大气压。一旦室42被清空，锁9b关闭，并且在等待下一次装载时，在室42中重新建立真空。

当所有的产品已冷冻干燥，气闸4的阀关闭，并且停止加热装置15、16和冷却装置17、18。为取出在冷凝室10中捕集的冰，通过蒸汽喷射喷嘴31、32将蒸汽添加到冷凝室10，以融化冰以及消毒两个室5、10。

因此容纳在两个室5、10的蒸汽通过排水管33取出。为完成，再次关闭锁9并且可以执行新的冷冻干燥装载。

图5示出了本发明的第三实施例，其中两个冷凝室10a、10b通过两个不同的气闸4a、4b连接到蒸发室5。

两个冷凝室10a、10b基本相同，并且每个冷凝室具有由冷却装置17a、17b、18a、18b供应的冰阱11a、11b，如本发明第一实施例所述。使用两个冷凝室10a、10b使得可以再生(regenerate)其中一个室同时另一个室起作用以便取出以水形式储存的冰。为此，通过打开气闸4a，第一室10a连接到室5，同时通过关闭气闸4b，第二室10b不与室5连接。在冷冻干燥过程中，冰形式的水被捕集在第一室10a中。

当第一室10a的冰阱11a基本上满时，气闸4b打开，然后气闸4a关闭，以便使用第二室10b捕获水蒸气。在使用第二室10b期间，第一室10a减压，然后通过喷嘴32a注入蒸汽，以便抽空以冰形式捕集的水。然后，当第二室10b的冰阱11b基本满时，可以重新使用第一室10a。

优选地，当在真空下进行冷冻干燥时，每个回收室10a、10b通过阀7a、7b连接到真空泵6a、6b。因此，在打开将回收室10a、10b连接到蒸发室5的气闸4a、4b之前，将回收室10a、10b置于真空下。

此外，在冰阱11a、11b的再生期间，阀7a、7b打开而不致动相应的真空泵6a、6b，以使冷凝室10a、10b减压。在冷凝室10a、10b的再生期间注入蒸汽也使得可以消毒所述冷凝室10a、10b。

此外，如图6所示，隔板40a、40b具有两个不同的形状，交替地安装在蒸发室5中。优选地，因为蒸发室5是圆柱形的，所以隔板40a、40b相对于蒸发室5径向延伸。

每个隔板40a，40b是盘形的，移除其中一部分(基本上形成盘的四分之一)，以便形成开口39a、39b。每个开口39a、39b旨在允许产品在两个连续隔室之间通过。如图6a所示，当马达12不旋转蒸发室5时，两个连续隔板40a、40b的开口39a、39b相对于形成蒸发室5的圆筒的旋转轴线轴向偏移。两个连续隔板40a、40b的两个开口39a、39b之间的轴向偏移基本上为90°。

以与第二实施例相同的方式，当马达12施加小幅度的往复运动时，如图6b和6c所示，两个隔板40a、40b的开口39a、39b不位于蒸发室5的底部以及产品包含在它们各自的隔室中。

如图6d所示的第一大幅度运动引起向右的90°至180°之间的轴向偏移α3。第一隔板40a的第一开口39a设置在左侧，而第二隔板40b的第二开口39b设置在蒸发室5的下部。结果是第二隔板40b允许产品通过，而第一隔板40a保留产品。

如图6e所示，第二大幅度运动引起向左的90°至180°之间的轴向偏移α4。第一隔板40a的第一开口39a设置在蒸发室5的下部，而第二隔板40b的第二开口39b设置在左侧。结果是第一隔板40a允许产品通过，而第二隔板40a保留产品。

这两个大幅度运动使得可以管理隔室之间的产品位移。

优选地，大幅度运动与锁2b和9a的打开同步，旨在允许从蒸发室5添加和取出产品。

因此，本发明使得可以连续地冷冻干燥大量设置在蒸发室5的产品，即不停止两个待冷冻干燥产品之间的加热装置15、16和冷却装置17、18。

对于相同数量的产品，本发明的冷冻干燥装置的能耗比现有技术的装置低20％至40％。

此外，由于传热和材料的改进，以及通过温度传感器更好地控制冷冻干燥过程，现在可以更快地运行循环。因为产品是混合的，因此产品更均相并且由传感器20、21、24收集的信息使产品具有更好表征。

隔间的数量不受限制。这有可能建立产品输出频率。由于使用每两个隔间中的一个使得不在两个连续隔间中混合，产品的输出频率以这种方式计算：如果产品的保持时间为10小时，用20个隔间可以每小时排出一个产品负载。用40个隔间，保持时间为10小时，排出频率可降至每半小时。

来自蒸发器的输出频率变为取决于隔室数量和蒸发室5中的总保持时间的变量。产品在冷冻干燥器中的保持时间还可取决于其他因素，例如引入的准流体或颗粒的尺寸，以及搅拌运动的频率。

本发明还使得可以以自动且无菌的方式冷冻干燥产品，因为操作者在蒸发室5的入口1和出口8处没有要执行的物理连接。此外，可以改变两个连续隔室之间的加热条件，以改善冷冻干燥过程。

利用一个容量在0.01至1m³之间的蒸发室5有效地实施了本发明。作为变型，在不将室5、10置于真空下，可以通过使用沸石技术(zeodration technique)进行冷冻干燥。以这种方式，可以省去真空泵6和阀7。作为变型，冷冻干燥装置可以取出除水之外的溶剂，例如酒精。

Claims (14)

1.冷冻干燥装置包括：

- 蒸发室（5），所述蒸发室（5）包括加热所述蒸发室（5）的加热装置（15,16），所述装置配置为升华包含在将要放置在蒸发室（5）中的冷冻产品中的水，

-冷凝室（10），所述冷凝室（10）与所述蒸发室连通，并包括冷却所述冷凝室（10）的装置（17,18），所述装置配置为将来自所述蒸发室（5）的蒸汽转化为冰，

- 所述蒸发室（5）和所述冷凝室（10）围绕可旋转轴（30）彼此固定安装；

其特征在于，该装置还包括：

- 产品入口（1）和出口（8），所述产品入口（1）和出口（8）通过挠性连接器连接到所述蒸发室（5），所述产品入口（1）和出口（8）相对于所述蒸发室固定安装，以及

- 马达（12），所述马达（12）通过以下往复运动驱动所述轴（30）绕其自身旋转：

- 沿第一旋转方向以5°至90°之间的旋转角度（α1）驱动所述轴（30）的第一运动；以及

- 沿与第一旋转角度相反的第二旋转方向以-5°至-90°之间的旋转角度（α2）驱动所述轴（30）的第二运动。

2.根据权利要求1所述的冷冻干燥装置，其特征在于，所述蒸发室（5）包括由隔板（40）形成的隔室，所述隔板仅在所述蒸发室（5）的高度的一部分上延伸，所述马达（12）根据90°至180°之间的旋转角度的第三运动驱动所述轴（30）围绕其自身旋转，所述第三运动联接到所述蒸发室（5）的倾斜位置，以便通过重力将产品在两个连续的隔间之间移动。

3.根据权利要求2所述的冷冻干燥装置，其特征在于，所述入口（1）包括由两个锁（2a，2b）隔开的装载室（41），并且所述出口（8）包括由两个锁（9a，9b）隔开的卸载室（42）。

4.根据权利要求3所述的冷冻干燥装置，其特征在于，将所述入口（1）与所述蒸发室（5）分开的所述锁（2b）的打开，并且将所述出口（8）与所述蒸发室（5）分开的所述锁（9a）的打开与所述马达（12）的所述第三运动同步。

5.根据权利要求2所述的冷冻干燥装置，其特征在于，所述冷冻干燥装置包括两个冷凝室（10a，10b），所述冷凝室通过两个不同的气闸（4a，4b）连接到所述蒸发室（5），通过打开第一气闸（4a）并关闭第二气闸（4b）将第一冷凝室（10a）连接到所述蒸发室（5），以便使用所述第一冷凝室（10a）捕获来自所述蒸发室（5）的蒸汽，然后在使用所述第一冷凝室（10a）期间再生第二冷凝室（10b），反之亦然。

6.根据权利要求5所述的冷冻干燥装置，其特征在于，所述冷冻干燥装置包括两个真空泵（6a，6b），连接到所述第一冷凝室（10a）的第一真空泵（6a）和连接到所述第二冷凝室（10b）第二真空泵（6b）。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的冷冻干燥装置，其特征在于，所述蒸发室（5）在所述入口（1）和所述出口（8）之间倾斜。

8.根据权利要求2至6中任一项所述的冷冻干燥装置，其特征在于，所述蒸发室（5）的隔板（40）具有交替安装在所述蒸发室（5）中的两种不同形状，这两种形状具有轴向偏移的开口（39）旨在待冷冻干燥的产品在两个隔室之间通过。

9.根据权利要求2至6中任一项所述的冷冻干燥装置，其特征在于，所述马达（12）配置为根据与所述三个运动互补的第四运动来驱动所述轴（30），所述第四运动在与所述第三运动方向相反的方向上，以-90°至-180°之间的旋转角（α4）驱动所述轴（30），以便在所述蒸发室（5）的两个连续隔室之间移动所述产品。

10.根据权利要求2-6中任一项所述的冷冻干燥装置，其特征在于，所述蒸发室相对于一个或多个所述冷凝室横向设置。

11.根据权利要求2-6中任一项所述的冷冻干燥装置，其特征在于，所述蒸发室（5）包括双外壁，所述加热装置（15,16）配置为在所述蒸发室（5）的两个壁之间形成的空间中移动传热流体。

12.根据权利要求2-6中任一项所述的冷冻干燥装置，其特征在于，所述挠性连接器具有多个不锈钢圈。

13.通过根据权利要求1和10至12中任一项所述的装置实施的冷冻干燥方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

- 通过打开所述产品入口（1），向所述蒸发室（5）填充冷冻或未冷冻的产品，

- 当所述产品未冷冻时，通过冷却装置冷却所述蒸发室直至所述产品冷冻，

- 一旦所述产品冷冻，将所述蒸发室（5）和所述冷凝室（10）置于真空下，

- 通过所述加热装置（15,16）加热所述蒸发室（5），直到容纳在所述蒸发室（5）的所述冷冻产品中的水获得升华，

- 通过所述冷却装置（17,18）冷却所述冷凝室（10），以便捕获进入所述冷凝室（10）的蒸汽，

-在整个升华时间内所述轴（30）围绕其自身以两次重复的互补运动绕轴自转来搅动所述蒸发室（5）和所述冷凝室（10）：

- 在第一旋转方向以小于180°的旋转角（α1）驱动所述轴（30）的第一运动；以及

- 沿与所述第一旋转方向相反的第二方向以小于-180°的旋转角（α2）驱动所述轴（30）的第二运动，以及

- 从所述蒸发室（5）中取出所述产品。

14.通过根据权利要求2至12中任一项所述的装置实施的冷冻干燥方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

- 通过打开所述产品入口，向所述蒸发室填充冷冻或未冷冻的产品，

- 当所述产品未冷冻时，冷却所述蒸发室直至所述产品冷冻，

- 将所述蒸发室（5）和所述冷凝室（10）置于真空下，

- 通过所述加热装置（15,16）加热所述蒸发室（5），直到容纳在所述蒸发室（5）的隔室中的所述冷冻产品中的水获得升华，

- 通过所述冷却装置（17,18）冷却所述冷凝室（10），以使进入所述冷凝室（10）的蒸汽凝固，

- 通过在每个隔室中的整个停留时间所述轴（30）围绕其自身以两次重复的互补运动的旋转来搅动所述蒸发室（5）；

- 在第一旋转方向以5°至90°之间的旋转角（α1）驱动所述轴（30）的第一运动，

- 沿与所述第一旋转方向相反的第二方向以5°至90°之间的旋转角（α2）驱动所述轴（30）的第二运动，

- 通过所述轴（30）根据具有90°至180°之间旋转角（α3）的第三运动的移位，使得所述产品在两个连续隔间之间移位，

- 所述第三运动联接到所述蒸发室（5）的倾斜位置，以及

- 从所述蒸发室（5）中取出所述产品。

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