專利名稱：超聲冷凍干燥方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冷凍干燥的技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種在超聲震動(dòng)下完成冷凍千燥的工藝及其 設(shè)備。
背景技術(shù)：
物質(zhì)存在固、液、氣3種形態(tài)，在一定真空及溫度條件下，物質(zhì)可以直接由固態(tài)轉(zhuǎn)變 成氣態(tài)，此過(guò)程為升華過(guò)程，利用升華技術(shù)對(duì)物質(zhì)及其溶液進(jìn)行冷凍后，并輔以真空，使 物質(zhì)中的溶劑在冷凍下的固態(tài)直接升華為氣體，被真空系統(tǒng)夾帶走，從而在保持物料穩(wěn)定 性的前提下，對(duì)物料進(jìn)行干燥處理。采用冷凍干燥處理后的物料，具有更好的穩(wěn)定性，儲(chǔ) 存期延長(zhǎng)，再次進(jìn)行溶解時(shí)，具有良好的溶解性。冷凍干燥技術(shù)在生物制品、制藥及食品 工業(yè)應(yīng)用廣泛，并不斷向其他領(lǐng)域延伸?，F(xiàn)有冷凍干燥主要采取相對(duì)靜止過(guò)程，即物料相對(duì)于供熱層不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)有技 術(shù)中的制冷、快速凍結(jié)、冷凍干燥及其它熱交換設(shè)備，由于蒸發(fā)器為固定式結(jié)構(gòu)，造成了 蒸發(fā)器管內(nèi)液體制冷劑與管壁間形成流動(dòng)邊界層(層流)，蒸發(fā)器管外與空氣、水蒸氣或 其它液體載冷劑間形成流動(dòng)邊界層，這兩個(gè)流動(dòng)邊界層(層流)使換熱效率低，從而造成整體凍干時(shí)間延長(zhǎng)。例如將料液放置于托盤、安瓿瓶中，利用底部的熱能，使物料中的 溶劑升華。該過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，能耗高，尤其在進(jìn)行托盤的冷凍干燥時(shí)，物料層厚度不一，蒸 發(fā)速度差別大，造成干燥時(shí)間延長(zhǎng)，最終凍干粉結(jié)塊，再次溶解時(shí)效果差，需粉碎后重新 配液再次凍干。同時(shí)，托盤式凍干工藝需處理大量的托盤，包括托盤的刮鏟、運(yùn)輸、清洗 等，有較大的廠房空間需要，直接帶來(lái)成本增加。近年來(lái)，超聲波在工業(yè)不同領(lǐng)域如焊接、加工、清洗、乳化、分散獲得應(yīng)用。其中在 固體物料方面，超聲能迸行破碎及分散，超聲分散的原理是利用超聲波在介質(zhì)中傳播的超 聲空化效應(yīng)及機(jī)械作用復(fù)合而實(shí)現(xiàn)的?？栈?yīng)主要表現(xiàn)為超聲在液體介質(zhì)中傳播時(shí)由于 產(chǎn)生疏密區(qū)，而負(fù)壓力可在介質(zhì)中產(chǎn)生很多空腔，這些空腔隨振動(dòng)的高頻壓力變化而膨脹、 爆炸，真空腔爆炸時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)壓力可達(dá)幾千個(gè)乃至上萬(wàn)個(gè)大氣壓，如此大的沖擊力，在真 空腔局部爆炸時(shí)能把周圍顆粒震碎。另一方面由于超聲波在液體中傳播時(shí)產(chǎn)生劇烈地?cái)_動(dòng) 作用，使催化劑顆粒產(chǎn)生很大的速度，從而相互碰撞或與器壁互相碰撞而擊碎。在超聲波 作用下，物料溶解速度加快。
超聲均化器是超聲分散的主要工具，其體積小，重量輕。均化器的工作原理當(dāng)超聲 波發(fā)生器輸出高頻電壓加于超聲振動(dòng)子，經(jīng)振動(dòng)了變幅桿機(jī)械振幅放大后在分散工具作用 下，在容器內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)烈的分散處理，使物料混合均一。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的之一是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在超聲輔助前提下完成冷凍干燥 的方法，從而得到干燥的粉狀制品。本發(fā)明的另一目的是提供實(shí)現(xiàn)該超聲冷凍干燥方法的設(shè)備。本發(fā)明是通過(guò)下面的技術(shù)方案予以實(shí)施的本發(fā)明的超聲冷凍千燥方法包括如下步驟1. 將溶解了待干燥物質(zhì)的溶液放入超聲冷凍干燥機(jī)中，開動(dòng)超聲冷凍干燥機(jī)的超聲 及冷凍裝置，在超聲作用下將物料深度冷卻，使物料呈均勻固態(tài)顆粒；2. 停止制冷，開動(dòng)真空裝置，在真空及超聲作用下，對(duì)物料進(jìn)行熱能供給，使物料 中的溶劑升華，被真空系統(tǒng)抽走，最終除盡溶劑后獲得凍干粉。進(jìn)行凍干操作之前需要從原料提取并精制所需物質(zhì)，可將原料以適當(dāng)溶劑提取、發(fā)酵、 精制，提取方法選自但不限于下列方法如浸泡、回流、微波、超聲、超臨界等提取技術(shù)； 提取溶劑選自但不限于下列溶劑可以是乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑，也可以是水，還可以是 水與有機(jī)溶劑的混合或是酸堿溶液；精制過(guò)程選自但不限于下列精制方法如醇沉、水沉、酸沉、堿沉、樹脂純化、萃取、精餾、微濾等技術(shù)。制備待超聲冷凍干燥的物料通常是將經(jīng)過(guò)精制的待干燥物質(zhì)用適當(dāng)?shù)妮o料及溶劑溶 解后過(guò)濾，所述的輔料包括常規(guī)的凍干粉輔料，如助溶劑、增稠劑、混懸劑、等滲調(diào)節(jié)劑、 支撐劑等；溶劑可采用水、甘油、乙醇及其一定比例的混合溶劑；過(guò)濾可采用超濾、微濾、 納濾等。本發(fā)明的超聲冷凍方法是利用超聲波的粉碎、混合作用，使凍干物料形成均一的顆粒， 并在加熱升溫過(guò)程中促進(jìn)熱量的傳遞。 一般情況下，超聲作用的頻率2 20kHz為宜；物料 冷卻的溫度至少低于其凝固點(diǎn)20'C，為防止在后續(xù)步驟的減壓過(guò)程中物料發(fā)生爆沸，導(dǎo)致 塌陷，從而影響最終產(chǎn)品的溶出和外觀，優(yōu)選控制在至少低于其凝固點(diǎn)40'C;上述真空度 優(yōu)選0.01 5mbar。所述步驟2對(duì)物料供熱過(guò)程根據(jù)物料的不同性質(zhì)采用不同的程序，分階 段進(jìn)行升溫，保證獲得均勻、水溶性好的凍干粉。 本發(fā)明的超聲冷凍干燥機(jī)(supersonic lyophilizer)包括 一個(gè)裝放物料的密閉容器， 該密閉容器具有可密封的投料口和出料口；與密閉容器相連通的真空裝置和溶劑回收裝 置；對(duì)密閉容器供熱的制熱裝置；冷卻密閉容器的制冷裝置；密閉容器的保溫層及相關(guān)密 封和連接部件；以及一個(gè)使密閉容器中的物料充分分散、均勻混合的超聲裝置，該超聲裝 置包括多個(gè)超聲器，超聲器分為超聲發(fā)生器和超聲振動(dòng)器兩部分，至少一個(gè)超聲振動(dòng)器置 于密閉容器中，其它的超聲振動(dòng)器分布在密閉容器外，與密閉容器的外壁直接接觸。。上述密閉容器可為圓錐形、槽形、桶形、梨形、球形，優(yōu)選圓錐形、槽形、桶形，最 佳制成圓錐形。超聲裝置使物料沿著密閉容器內(nèi)壁向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)頂部后，物料被移向中心，再向下 方深層移動(dòng)，通過(guò)此過(guò)程，不斷破壞熱量交換邊界層，從而促進(jìn)干燥過(guò)程。同時(shí)超聲不斷 對(duì)物料進(jìn)行粉碎，得到均勻的顆粒。優(yōu)選的超聲裝置包括一個(gè)帶棒狀超聲振動(dòng)器的超聲器 和多個(gè)帶塊狀超聲振動(dòng)器的超聲器，棒狀的超聲振動(dòng)器置于密閉容器的中心，其發(fā)生器在 容器頂蓋外部；而塊狀的超聲振動(dòng)器分布在密閉容器外，與密閉容器的外壁直接接觸，通 常至少分2層，每層至少3個(gè)，呈圓周狀均勻排布于容器外壁上。對(duì)于本發(fā)明所涉及的真空裝置、制冷裝置、溶劑回收裝置、投料口、出料口、保溫層、 密封及連接管件及固定連接和活動(dòng)連接結(jié)構(gòu)等目前己有相當(dāng)成熟的技術(shù)，本發(fā)明不加詳細(xì) 討論及說(shuō)明。本發(fā)明采用超聲技術(shù)對(duì)原有冷凍干燥工藝的弊端進(jìn)行處理。在冷凍干燥過(guò)程中，利用 超聲波的粉碎、混合作用，使凍干物料形成均一的顆粒，易于最終能夠凍干成粉。本發(fā)明 解決了原有冷凍干燥的效率低、時(shí)間長(zhǎng)、能源損耗大的缺點(diǎn)，采用對(duì)冷凍物料進(jìn)行強(qiáng)制超 聲的方法，降低傳熱阻力，促進(jìn)熱量的轉(zhuǎn)換，縮短凍干時(shí)間。本發(fā)明的超聲冷凍干燥機(jī)具 有加熱速度快、節(jié)能安全、使用方便等特點(diǎn)。本發(fā)明可用于各種生物制品、中藥、化學(xué)藥 及食品的冷凍干燥領(lǐng)域。


圖l是圓錐形超聲冷凍干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。 其中1——密閉容器 2——真空裝置 3——制冷裝置接口4—一制熱裝置接口 5——溶劑回收裝置接口 6——投料口7——出料口 8——超聲發(fā)生器 9~~超聲振動(dòng)器10——保溫層具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例并結(jié)合附圖具體描述本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。 實(shí)施例1丹參加水回流提取，第一次5倍量水，l小時(shí)；第2次3倍量水，0.5小時(shí)；第3次3 倍量水，0.5小時(shí)；合并提取液，放冷，稀鹽酸調(diào)節(jié)pH為2，過(guò)濾，清液上聚酰胺，水沖 洗之流出液無(wú)色；稀堿液洗脫，收集洗脫液，稀鹽酸調(diào)節(jié)pH為5，酸液上大孔樹脂，水沖 洗，95%乙醇洗脫，收集醇洗脫液，減壓濃縮至固含量10-30% (重量)，備用。加入甘露 醇適量，轉(zhuǎn)入超聲冷凍干燥機(jī)。不斷超聲下，頻率15kHz，對(duì)物料進(jìn)行冷凍處理；深冷至 溫度-40'C，保持4小時(shí)，開啟真空0.3mbar，開動(dòng)冷凝器，進(jìn)行程序升溫4h至溫度-20 'C，保持該溫度6h; 4h緩慢升溫至-5'C;再至20'C,保持該溫度4h;至溫度40'C，保持 該溫度4h，最終獲得凍干粉，粉碎，包裝。實(shí)施例2黃芪加水提取三次，加水5、 4、 4倍量水，每次1小時(shí)，放冷，反滲透膜濃縮至相對(duì) 密度為1.06 (以2(TC的水的密度為參比)，減壓濃縮至相對(duì)密度1.1-1.15,加95%乙醇使醇 濃度至70%(體積比)，靜置12小時(shí)，過(guò)濾，上清液濃縮至相對(duì)密度1.15-1.20，加95%乙 醇使醇濃度至85%，靜置24小時(shí)，過(guò)濾，上清液濃縮至相對(duì)密度1.2-1.25，加8倍量水超 聲，15'C以下放置24小時(shí)，過(guò)濾，上清液減壓濃縮至相對(duì)密度1.10-1.15，加入甘露醇適 量，轉(zhuǎn)入超聲冷凍干燥機(jī)。不斷超聲下，頻率5kHz，對(duì)物料進(jìn)行冷凍處理；深冷至溫度-50 °C，保持4小時(shí)，開啟真空0.03mbar，開動(dòng)冷凝器，進(jìn)行程序升溫10h緩慢將溫度升至 -20'C;升溫至溫度-5'C，保持該溫度4h;至溫度2(TC，保持該溫度4h;至溫度40'C，保 持該溫度2h，最終獲得凍干粉，粉碎，包裝。實(shí)施例3三七加75%乙醇回流提取3次，第一次5倍量水，1小時(shí)；第2次4倍量水，0.5小時(shí)； 第3次4倍量水，0.5小時(shí)；合并提取液，減壓濃縮無(wú)醇味，上大孔吸附樹脂，水沖洗， 75%乙醇洗脫，收集洗脫液，備用；將洗脫液上941脫色樹脂，收集流出液，減壓濃縮成粉。將粉末用適量乙醇溶解，超聲下緩慢滴入羥丙基卩環(huán)糊精的水溶液中，減壓濃縮至相
對(duì)密度1.10-1.15，將藥液導(dǎo)入超聲冷凍干燥機(jī)中。不斷超聲下，頻率10-15kHz，對(duì)物料進(jìn) 行冷凍處理；深冷至溫度-5(TC，保持4小時(shí)，開啟真空3mbar，開動(dòng)冷凝器，進(jìn)行程序升 溫10h至溫度-20'C，保持該溫度6h;至溫度-5'C，保持該溫度4h;至溫度20'C，保持 該溫度4h;至溫度4(TC，保持該溫度4h，最終獲得凍干粉，粉碎，包裝。實(shí)施例4圓錐形超聲冷凍干燥機(jī)，包括圓錐形密閉容器1、真空裝置2、超聲裝置、溶劑回收 裝置、制冷裝置、制熱裝置、投料口 6、出料口 7、保溫層10、密封部件及連接管件(如 圖i所示)。其中超聲裝置由超聲發(fā)生器8和超聲振蕩器9組成。圓錐密閉容器上開投料 口6、底部為出料口7，外被夾套，夾套有管路與制冷、制熱裝置連接，保溫層覆蓋夾套； 密閉容器上蓋接管道連通真空及溶劑回收裝置，這里的溶劑回收裝置為捕冰裝置，套管距 離外壁至少3cm，采用盤管式換熱器；超聲裝置共2部分， 一部分是棒狀超聲器，置于密 閉容器中心，其上部與頂蓋連接，棒狀超聲振動(dòng)器位于容器內(nèi)部，從頂部伸向底部；另一 部分是位于容器外、直接接觸外壁的塊狀超聲器，共9個(gè)，其中8個(gè)分2層，每層4個(gè)沿 著外圓周均勻分布，距離容器底部至少5cm，上下層之間距離20cm以上，另一個(gè)放置在 容器底部出料口處。實(shí)施例5圓錐形超聲冷凍干燥機(jī)，包括圓錐形密閉容器l、真空裝置2、超聲裝置、捕冰裝置、 制冷裝置、制熱裝置、投料口 6、出料口 7、保溫層10、密封部件及連接管件。其中超聲 裝置其中超聲裝置由超聲發(fā)生器8和超聲振蕩器9組成。圓錐密閉容器上開投料口、底部 為出料口，外被夾套，夾套通過(guò)管路連接制冷及制熱裝置，采用硅油作為傳熱介質(zhì)，保溫 層覆蓋夾套；密閉容器上蓋接管道連通真空裝置及捕冰裝置，真空采用2級(jí)真空泵系統(tǒng)， 捕冰裝置的套管距離外壁至少3cm，采用板式換熱器；超聲裝置共2部分位于容器內(nèi)部 的從頂部伸向底部的棒狀超聲器，以及與容器外壁直接接觸的塊狀超聲器。外部超聲器9 個(gè)，為3層分布，每3個(gè)一層，沿著外圓均勻分布，距離容器底部至少5cm，上下超聲器 之間距離30cm。
權(quán)利要求
1.一種超聲冷凍干燥方法，包括如下步驟(1)在超聲作用下將溶解了待干燥物質(zhì)的物料深度冷卻，使物料呈均勻固態(tài)顆粒；(2)停止制冷，在真空及超聲作用下，對(duì)物料進(jìn)行熱能供給，使物料中的溶劑升華，被真空系統(tǒng)抽走，最終除盡溶劑后獲得凍干粉。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述超聲作用的頻率為2 20kHz。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述步驟(1)冷卻的溫度至少低于物 料凝固點(diǎn)20'C。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)的真空度為0.01 5mbar。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)對(duì)物料供熱過(guò)程根據(jù)物 料的不同性質(zhì)釆用不同的程序，分階段進(jìn)行升溫。
6. —種冷凍干燥機(jī)，包括 一個(gè)裝放物料的密閉容器，該密閉容器具有可密封的 投料口和出料口；與密閉容器相連通的真空裝置和溶劑回收裝置；對(duì)密閉容器 供熱的制熱裝置；冷卻密閉容器的制冷裝置；密閉容器的保溫層及相關(guān)密封和 連接部件；其特征在于，還包括一個(gè)使密閉容器中的物料充分分散、均勻混合 的超聲裝置，該超聲裝置包括多個(gè)超聲器，超聲器分為超聲發(fā)生器和超聲振動(dòng) 器兩部分，至少一個(gè)超聲振動(dòng)器置于密閉容器中，其它的超聲振動(dòng)器分布在密 閉容器外，與密閉容器的外壁直接接觸。
7. 如權(quán)利要求6所述的冷凍干燥機(jī)，其特征在于，所述超聲裝置包括一個(gè)帶棒狀 超聲振動(dòng)器的超聲器和多個(gè)帶塊狀超聲振動(dòng)器的超聲器，棒狀超聲振動(dòng)器置于 密閉容器的中心，其發(fā)生器在密閉容器頂蓋外；塊狀超聲振動(dòng)器分布在密閉容 器外，與密閉容器的外壁直接接觸。
8. 如權(quán)利要求7所述的冷凍千燥機(jī)，其特征在于，所述的塊狀超聲振動(dòng)器至少分2 層，每層至少3個(gè)，呈圓周狀均勻排布于容器外壁上。
9. 如權(quán)利要求6-8任一權(quán)利要求所述的冷凍干燥機(jī)，其特征在于，所述密閉容器為 圓錐形、槽形、桶形、梨形或球形。
全文摘要
一種超聲凍干工藝，涉及凍干制劑的技術(shù)領(lǐng)域，主要包括，物料溶解在適當(dāng)溶劑后，對(duì)物料進(jìn)行不間斷的超聲輔助，進(jìn)行深凍成為固態(tài)，在真空、冷凍狀態(tài)下，并不斷進(jìn)行熱能供給，使物料中的溶劑由固態(tài)直接升華成氣態(tài)，被真空系統(tǒng)抽走，完成干燥過(guò)程。本發(fā)明的設(shè)備包括密閉容器、冷熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、超聲裝置及相關(guān)保溫、密封裝置。本發(fā)明的超聲凍干工藝具有干燥速度快、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度小的特點(diǎn)，該工藝和設(shè)備可用于醫(yī)藥、食品、化工等干燥領(lǐng)域。
文檔編號(hào)F26B5/04GK101126593SQ20061011245
公開日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2006年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月18日
發(fā)明者孫小兵, 張文生 申請(qǐng)人:發(fā)泰(天津)科技有限公司