濃縮干燥技術

1、濃縮是低濃度溶液通過除去溶劑(包括水)變?yōu)楦邼舛热芤旱倪^程。常在提取后和結晶前進行，有時也貫徹在整個生化制藥過程中。 干燥是從濕的固體生化藥物中除去水分和溶劑而獲得相對或絕對干燥制品的工藝過程。通常包括原料藥的干燥和制成的臨床制劑的干燥。,第七章 濃縮干燥技術,第一節(jié) 濃縮技術,一、 基本原理 蒸發(fā)是溶液表面的溶劑分子獲得的動能超過了溶液內溶劑分子間的吸引力而脫離液面而逸向空間的過程。當溶液受熱，溶劑分子動能增加，蒸發(fā)過程加快；液體表面積越大，蒸發(fā)越快。根據(jù)此原理，蒸發(fā)濃縮裝置常常按照加熱、擴大液體表面積、低壓等因素設計。,二、常用的濃縮方法 1.薄膜蒸發(fā)濃縮 薄膜蒸發(fā)濃縮即液體形成薄膜后蒸發(fā)

2、，變成濃溶液。成膜的液體有很大的氣化面積，熱傳導快，均勻，可避免藥物受熱時間過長。,按膜的形成方法薄膜式蒸發(fā)濃縮可分為：,管式薄膜蒸發(fā)器 刮板式薄膜蒸發(fā)器 離心薄膜蒸發(fā)器,液膜在管壁加熱時形成，按其流動方向可分為：,升膜式蒸發(fā)器 降膜式蒸發(fā)器 升降膜式蒸發(fā)器,形成的液膜與蒸發(fā)的汽流的方向相同，由下而上的并流上升。,形成的液膜與蒸發(fā)的汽流的方向相同，由上而下的并流下降。,將同一蒸發(fā)器的加熱管分成兩程，溶液先以升膜式進行蒸發(fā)，再以降膜式進行蒸發(fā)。,液膜是靠轉動的刮板作用在蒸發(fā)器內壁形成。,利用旋轉的加熱面，使進入加熱面的溶液在離心力場作用下形成液膜。,升膜式蒸發(fā)器 降膜式蒸發(fā)器,它的加熱室由一根或

3、數(shù)根垂直長管組成。通常加熱管徑為2550mm，管長與管徑之比為100150。原料液預熱后由蒸發(fā)器底部進入加熱器管內，加熱蒸汽在管外冷凝。當原料液受熱后沸騰汽化，生成二次蒸汽在管內高速上升，帶動料液沿管內壁成膜狀向上流動，并不斷地蒸發(fā)汽化，加速流動，氣液混合物進入分離器后分離，濃縮后的完成液由分離器底部放出。,升膜式蒸發(fā)器,1.料液分配器 2.加熱列管 3.蒸汽擋板 4.分離器 5.冷凝水液位計 a.料液進口 b.加熱蒸汽進口 c.不凝性氣體排除d.冷凝水出口 e.濃縮液出口 f.二次蒸汽出口,d,f,e,降膜蒸發(fā)器設備結構圖,料液由頂部加入，通過液料分配器均勻地分配到每根加熱管中被加熱蒸發(fā)，因

4、重力的影響增加了蒸汽的抽拉作用和液膜的流動速度，所以在同樣條件下降膜蒸發(fā)器的液膜比升膜要薄，傳熱系數(shù)也較大。同時，液體的運動是靠本身的重力和二次蒸汽運動的拖帶力的作用，其下降的速度比較快，因此成膜的二次蒸汽流速可以較小，對黏度較高的液體也較易成膜。降膜比升膜具有更多的優(yōu)點，是目前越來越廣泛采用的一種型式。,降膜蒸發(fā)器,升-降膜式蒸發(fā)器,升降膜蒸發(fā)器具有如下的特點： (1)符合物料的要求，初進入蒸發(fā)器，物料濃度較低，容易達到升膜的要求。物料經初步濃縮，濃度較大，但溶液在降膜式蒸發(fā)中受重力作用還能沿管壁均勻分布形成膜狀。(2)經升膜蒸發(fā)后的汽液混合物，進入降膜蒸發(fā)，有利于降膜的液體均勻分布，同時也

5、加速物料的湍流和攪動，以進一步提高降膜蒸發(fā)的傳熱系數(shù)。(3)用升膜來控制降膜的進料分配，有利于操作控制。(4)將兩個濃縮過程串聯(lián)，可以提高產品的濃縮比，減低設備高度。,升-降膜式蒸發(fā)器,刮板式薄膜蒸發(fā)器,1.馬達 2.進料管 3.加熱蒸汽管 4.排料口 5.冷凝水排出孔 6.刮板 7.分配盤 8.除沫器 9.二次蒸汽排出口,刮板式薄膜蒸發(fā)器是通過旋轉的刮板使液料形成液膜的蒸發(fā)設備。液料從進料管以穩(wěn)定的流量進入隨軸旋轉的分配盤中，在離心力的作用下，通過盤壁小孔被拋向器壁，受重力作用沿器壁下流，同時被旋轉的刮板刮成 薄膜，薄膜溶液在加熱區(qū)受熱，蒸發(fā)濃縮，同時受重力作用下流，瞬間另一塊刮板將濃縮液料

6、翻動下推，并更新薄膜，這樣物料不斷形成新液膜蒸發(fā)濃縮，直到液料離開加熱室流到蒸發(fā)器底部，完成濃縮過程。,刮板式薄膜蒸發(fā)器,這種設備是利用旋轉的離心盤所產生的離心力對溶液的周邊分布作用而形成薄膜,2. 減壓蒸發(fā)濃縮 減壓濃縮是根據(jù)降低液面壓力使液體沸點降低的原理來進行的。有時也稱真空濃縮。為加快其濃縮往往伴隨加熱使其蒸發(fā)更快。適用于一些不耐熱的生化藥物和制品。 減壓濃縮就是在減壓或真空條件下進行的蒸發(fā)過程，真空蒸發(fā)時冷凝器和蒸發(fā)器溶液側的操作壓力低于大氣壓，此時系統(tǒng)中的不凝性氣體必須用真空泵抽出。,2. 減壓蒸發(fā)濃縮 減壓或真空蒸發(fā)有如下優(yōu)點： 由于減壓，沸點降低，加大了傳熱溫度差，使蒸發(fā)器的傳

7、熱推動力增加； 適用于熱敏性溶液和不高溫的溶液； 可利用二次蒸汽作為加熱熱源； 加熱器的熱損失減少。 缺點：溶液沸點降低粘度增大，對傳熱過程不利；需要真空裝置，并增加了能量的消耗。,3. 吸收濃縮 吸收濃縮是通過吸收劑直接吸收除去溶液中溶劑分子使溶液濃縮的方法。吸收劑與溶液不起化學反應，對生化藥物不起吸附作用，容易與溶液分開。吸收劑除去溶劑后能重復使用。 最常用的吸收劑有聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、蔗糖、凝膠等。使用聚乙二醇等吸收劑時，先將含生化藥物的溶液裝入半透膜的袋內，扎緊袋口，外加聚乙二醇覆蓋，袋內溶劑滲出即被聚乙二醇迅速吸去，聚乙二醇被溶劑飽和后，可更換新的，直到濃縮至所需的濃度為止。,

8、3. 吸收濃縮 使用凝膠時，先選擇凝膠粒度，使其大小恰好讓溶劑及低分子物質能夠滲入凝膠內，而生化藥物的分子完全排除于凝膠之外。常用的凝膠為：Sephadex G-10、G-15、G-25,Bio-gel P-2、P-4、P-6。具體操作：將干燥的凝膠直接投入待濃縮的稀溶液中，凝膠親水性強，溶劑及小分子被吸收到凝膠內，大分子的生物藥物留在剩余的溶液中。離心或過濾除去凝膠顆粒，即得到濃縮的生化藥物溶液。,4. 吹干濃縮法 將蛋白質溶液裝入透析袋內，放在電風扇下吹。此法簡單，但速度慢。 5.超濾膜濃縮法 是利用微孔纖維素膜通過高壓將水分濾出，而蛋白質存留于膜上達到濃縮目的。有兩種方法：一種是用醋酸纖

9、維素膜裝入高壓過濾器內，在不斷攪拌下過濾；另一種是將蛋白質溶液裝入透析袋內置于真空干燥器的通風口上，負壓抽氣，而使袋內液體滲出。,第二節(jié) 干燥技術,干燥是降固體、半固體或濃縮液中的水分(或其他溶劑)除去一部分，以獲得含水分較少的固體的過程。干燥往往是生物產品分離的最后一步。許多生物產品，如酶制劑、單細胞蛋白、抗生素。氨基酸等均為固體產品。干燥是制取以固體形式存在、含水量在512的生物制品的主要工業(yè)方法。,1. 干燥工藝的操作流程 一個完整的干燥工藝過程，是由加熱系統(tǒng)、原料供給系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、氣流輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。 固體物料的干燥包括兩個基本過程，首先是物料加熱以使?jié)穹謿饣膫鳠?/p>

10、過程，然后是氣化后的濕分空氣由于其蒸汽分壓較大而擴散進入氣相的傳質過程，而濕分從固體物料內部借助擴散等的作用被輸送到固體表面，則是一個物料的內部傳質過程。,物料的干燥速率是指干燥時單位干燥面積，單位時間內氣化的水量，其影響因素包括： (1) 物料的性質、結構和形狀 (2) 干燥介質的溫度和濕度 (3) 干燥操作條件 干燥介質與物料的接觸方式，干燥介質與物料的相對運動方向和流動狀況 (4) 干燥器的結構形式,物料干燥速率,種類,常壓干燥 減壓干燥 噴霧干燥 冷卻干燥,直接干燥 間接干燥 介電加熱干燥,加熱方式,2.3 常用的干燥方法,干燥設備,箱式干燥器 氣流干燥器真空干燥器噴霧干燥器 冷卻干燥

11、器,氣流干燥,真空干燥,箱式干燥器,1.氣流干燥,利用熱空氣與粉狀或顆粒狀濕物料在流動過程中充分接觸，氣體與固體物料之間進行傳熱與傳質，從而使?jié)裎锪线_到干燥的目的。,優(yōu)點,干燥時間短 適用于熱敏物質 生產能力大，投資費用少； 有機的把干燥、粉碎、輸送、包裝組合成一道工序，整個過程在密閉條件下進行，減少物料飛揚，防止雜質污染，既改善了產品質量，又提高了收得率。,缺點,不適于粘厚物料的干燥 對晶形磨損厲害,1) 氣流干燥的操作原理 將細粉或顆粒狀的濕物料用空氣、煙道氣或惰性氣體將其分散于懸浮氣流中，并和熱氣流作并流流動。干燥器可以在正壓或負壓下工作。如果物料為高溫的膏糊狀物料，可以在干燥器底部串聯(lián)

12、一粉碎機，使物料邊干燥邊粉碎，而后再進入氣流干燥管中進行干燥。,2)氣流干燥的工藝過程,2. 噴霧干燥,利用不同的噴霧器，將懸浮液和粘滯的液體噴成霧狀，形成具有較大表面積的分散微粒同熱空氣發(fā)生強烈的熱交換，迅速排除本身的水分，在幾秒至幾十秒內獲得干燥。成品以粉末狀態(tài)沉降于干燥室底部，連續(xù)或間斷從卸料器排出。,優(yōu)點,直接干燥溶液狀態(tài)的物料，特別是粘稠液； 可控制成品含濕量； 可以得到空心球狀產品； 時間短，在常壓下能干燥熱敏物質； 規(guī)模效益，規(guī)模越大成本越低效益越高。,堆積比重小，體積龐大，占地大； 粒度小，收集貯存要求高； 熱容量大，設備龐大，占地大； 霧化時對物料的濃度、粘度一定要求。,缺點

13、,噴霧干燥器,噴霧干燥過程可分為四個階段：料液霧化；霧滴與空氣接觸；霧滴干燥；干燥產品與空氣分離。 (1)料液霧化 目的在于將料液分散成微細的霧滴，霧滴的平均直徑為2060m，因此具有很大的表面積。當其與熱空氣接觸時，霧滴就迅速氣化而干燥為粉末或顆粒產品。霧化器是噴霧干燥的關鍵部位。目前常用的霧化器有氣流式噴嘴、壓力式噴嘴和離心式噴嘴。,噴霧干燥的工藝過程,利用在水平方向作高速旋轉的圓盤給予溶液以離心力，使其高速甩出，形成薄膜、細絲或液滴，同時又受到周圍空氣的摩擦、阻礙與撕裂等作用形成細霧。目前酶制劑的大型生產大多采用此法，還用于酵母粉的干燥。,利用往復運動的高壓泵將物料噴出分散成液滴。發(fā)酵工

14、廠用于酵母粉的干燥。,依靠壓縮空氣或蒸氣通過噴嘴時產生的高速將液體吸出并被霧化。在制藥工業(yè)廣泛使用，核苷酸、農用細菌殺蟲劑、蛋白酶等的干燥,氣流噴霧干燥流程,霧化機理： 濃乳利用在水平方向做高速旋轉的圓盤的離心力作用進行霧化。濃縮乳在高速旋轉的轉盤上霧化時，受到兩種力的作用，一種是轉盤旋轉產生的離心力，另一種是空氣與乳液之間較高的相對速度產生的摩擦力。,(2)霧滴與空氣接觸 在干燥室內，霧滴與空氣的接觸方式有并流式、逆流式和混流式三種。在并流系統(tǒng)中，最熱的干燥空氣與水分最大的霧滴接觸，因而水分迅速蒸發(fā)，從霧滴到干燥成品的整個歷程中，物料溫度不高，對熱敏性物料的干燥有利，所獲得的產品常為非球形的

15、多孔顆粒。 對于逆流系統(tǒng)，在塔頂噴出的霧滴與塔低上來的較濕空氣接觸，水分蒸發(fā)速度比并流慢，適用于耐受高溫、含水量低的非熱敏性物料處理。 在混流系統(tǒng)中，干燥室底的噴霧嘴向上噴霧，熱空氣從室頂進入，性能兼二者之間。,(3)霧滴干燥階段 恒速干燥和降速干燥兩個階段。干燥過程室傳熱和傳質同時進行的過程。 (4)干燥產品與空氣分離 干燥的粉末或顆粒落在干燥室的錐體四壁并滑落到錐底，通過星形閥之類的排灰閥排出，少量的細粉則隨空氣進入旋風分離器進一步分離。然后將成品輸送到另一處混合后儲入成品庫或直徑包裝。,并流 逆流 混流,按噴霧液滴和熱風流動方向分： 并流型液滴和熱風呈同一方向流動。 逆流型液滴和熱風呈反

16、方向流動。 混流型液滴和熱風呈不規(guī)則混合流動。,3. 冷凍干燥,冷凍真空干燥抽真空能迅速達到低溫，最好,對生理活性物質無影響， 適用于活的生物體、生理活性物質。,3. 冷凍干燥 冷凍干燥的基本原理 使被干燥的液體在極低的溫度下，冷凍成固體；然后，在低溫、低壓下利用水的升華性能，使冰升華汽化而除去，以達到干燥的目的；冷凍干燥法適用于絕大多數(shù)生物產品的干燥和濃縮，可以最大限度地保證生物產品的活性。,2) 冷凍干燥的工藝過程 (1)預冷 即將待處理樣品完全凍結。在這個過程中，樣品稱為冰晶和分散的溶質。為了提高干燥速率，應盡可能提高制品升華的表面積，以提高凍干的速度。,(2)升華干燥 又稱一級干燥或一次干燥。制品凍結溫度通常為-50-25。為了保持升華表面與冷凝器之間的溫差，凍干過程中必須對制品提供足夠的能量，但不能使制品的溫度超過制品自身的共熔點溫度。對于生物制品來說，理想的升華干燥壓力控制在20