http://72.14.235.104/search?q=cache:-g8VpQZXfucJ:www.ceci.org.tw/book/69/69bk6.htm+%E7%9C%9F%E7%A9%BApump%E6%8A%BD%E6%B0%A3%E8%A8%88%E7%AE%97&hl=zh-TW&ct=clnk&cd=11&gl=tw 摘要 在制药与生物技术产业使用之冻乾 ( 冷冻真空乾燥 ) 设备制程中，除了预冻冻结温度与 真空度外，制程中棚板温度的控制，将影响其冻乾物之乾燥程度与乾燥後之外观，本文以 冻乾 20% 食盐水溶液对其样品进行真空乾燥，初级乾燥中棚板温度为 20℃ 、 10℃ 、 0℃ 、 -10℃ 与 -20℃ ，藉以探讨在不同棚板温度下对样品温度、压力与乾燥程度之 变化。从实验结果得知，当棚板温度低且越接近样品温度时，所得到的乾燥度越佳，其外 观更完整，以棚板 -20℃ 下之 20% 食盐水溶液，失水率可达 82% ，乾燥後外型较完整 并呈现质地绵密块状乾燥物。乾燥过程中架设低温量测计与真空压力计，分析冻乾样品之 抽气过程及其压力及温度变化，并对乾燥後的产品进行包括冻结温度、抽气速率、终极压 力及产品的含水量等量测，并利用微观测系统以动态即时的方式观测产品冻乾过程的形状 变化，以作为後续实验研制之修正与参考。 壹、 前言 近年来生物科技已为世界先进国家所重视，并已被视为本世纪的主流产业，其涵盖的范围 相当广泛，例如生物制药、生物晶片、血干细胞移植、动植物细胞基因保存、生命繁殖延 续、基因密码研究等，并且包含农业、食品、医药、能源及器材等方面都与生物科技息息 相关。这些产品皆需要乾燥以延长保存期限或生命周期，并避免因受潮或水气影响品质， 但一般乾燥方法都必须在 0℃ 以上或更高的温度下方可进行，且一般乾燥後的产品都是 体积缩小、质地变硬，有些物质还会发生氧化，容易挥发的成分都会损失掉，甚至热敏性 的物质如蛋白质、维生素会发生变性，造成微生物失去生物活力，且乾燥後的物质不易在 水中溶解等现象 ‧ 在冷冻真空乾燥过程中，因腔体内压力始终低於大气压力，其气体分子数少、密度低、含 氧量低，对於容易氧化变质的物料或药品、食品、农产品和生物制品有消毒灭菌作用，所 以可减少物料感染细菌的机会或抑制某些细菌生长，而在多样的乾燥法当中，以冷冻真空 乾燥法的效果最好，所制程出产品的品质为最佳，不管其色泽和风味都比一般的乾燥法更 优质，且乾燥时间最短。 贰、 冷冻真空乾燥 冷冻真空乾燥过程有低温冻结、低温低压抽气以及脱附过程三种程序，其低温冷冻系统分 为两组，一组是供应给预冻使用，另一组是供应给冷凝器使用，主要是利用二元压缩循环 系统 (Cascade system) ，供应的最低温度可达 -85℃ ；而真空系统是利用乾式真空帮 浦 (Dry vacuum pump) 进行抽气，以达到无油气污染的优点；脱附过程是利用一组循环 水槽加热系统，以提供棚板热源来辅助产品达到快速乾燥的方式。进行完初级乾燥过程後 续进行二级乾燥过程，二级乾燥过程最主要的目的为除尽产品中所残留的水份，经过初级 乾燥过程後，产品中的水份已被除掉 80~90 ﹪，而二级乾燥主要目的就是除尽产品中剩 余的 10~20 ﹪，但须注意的是提高的温度不可超越药品的极限温度，通常温度设定约接 近产品的极限温度，假设产品的极限温度为 30℃ ，我们将棚板的温度设在 30℃ ，当产 品的温度接近棚板的极限温度时，则二级乾燥过程结束，整个乾燥过程到达终点。图 1 为冷冻真空乾燥过程进行时的温度、压力、随时间变化之曲线图。 参、 实验方法 与步骤 以 20% 食盐水溶液进行乾燥试验，改变溶液初级乾燥之棚板温度以 20℃ 、 10℃ 、 0 ℃ 、 -10℃ 及 -20℃ ；在二次乾燥棚板温度皆加热至 40℃ ，当棚板温度接近样品温 度，二次乾燥结束，腔体压力泄放至大气，则乾燥过程之程序完成，再将样品拿出，量测 其重量并计算失水率与乾燥度，进而分析乾燥过程中温度与压力之关系及影响。 本实验取样品 20% 食盐水溶液进行冷冻真空乾燥试验，将 10m l 玻璃瓶大小装入 1g 20% 葡萄糖溶液及两组温度感测器 ( 如图 2 所示 ) 。首先利用真空胶带固定两组温度 感测器，一组量测样品中间温度，另一组量测样品底部温度，将两样品玻璃瓶放置到冷冻 库预冻。样品须预先放入冷冻柜中以 -80℃ 进行预冻，经过至少五小时，并确定溶液内 部冻实後方能进行实验。在本实验中每次同时放入两瓶样品，其中一瓶内冻有温度感测器 ，另一瓶则为观测使用。在实验开始时，先在棚板上涂上一层导热膏，再将玻璃瓶平放固 定；使用导热膏目的系为使玻璃瓶底部能受热均匀分布，避免玻璃瓶底部受热面温差过大 。预冻後的样品放置於真空腔体中进行抽气，腔体的压力持续一直抽至制程终极压力，而 初级乾燥阶段分别将棚板温度以 20℃ 、 10℃ 、 0℃ 、 -10℃ 及 -20℃ 进行试验， 当棚板温度接近样品温度时，初级乾燥过程结束，观测在不同温度下之棚板温度，对样品 进行乾燥时真空压力、温度与乾燥程度的相互影响与关系；在二次乾燥过程中，文献中并 无明确提及，但建议采用棚板加热至 40℃ 来进行，当棚板温度接近於样品温度时，整个 乾燥程序则完成。表 1 为冻乾过程中主要设备运转程序，图 3 为真空乾燥实验步骤流程 图。实验过程中 架设低温量测计、真空压力计，分析冻乾样品之抽气过程，其真空压力 及温度变化，对乾燥後的样品进行包括冻结温度、制程终极压力、样品的含水量等量测与 纪录；此外，也使用微观测方式以动态即时录影纪录产品冻乾过程的形状变化，以作为下 次冻乾试验时制程压力与温度的修正参考。 在本实验中为避免误差值过大，其含水率计 算值取其两瓶样品平均值计算之。而乾燥後的样品量测计算其含水率计算方式为： 预冻後的样品快速放置腔体中，开始进行抽气，由於玻璃瓶为低温状态，所以玻璃瓶壁面 与大气短暂接触，表面会有雾气形成，当压力开始下降时，壁面的雾气会先被带走，玻璃 瓶渐渐呈现清澈透明状，此时样品表面会有一条水位线，此水位线会随真空度的增加而慢 慢下降，直到玻璃瓶底端，这期间的样品温度因冰直接昇华成气态，将样品的热量带走， 造成样品的温度会有下降的趋势。当水位线到达底部後，样品的温度才开始有上升的现象 ，这是因为样品开始吸收棚板的热源进行乾燥，当样品温度等於棚板温度，初级乾燥过程 才算结束。进行二级乾燥时，棚板温度设定至 40℃ ，提供的热源是将剩余少量的水份进 行最後的乾燥，腔体中的压力也会降低，真空度升高，二级乾燥初期压力会因冰的昇华而 出现短暂震荡，当样品温度等於 40℃ 时则二次乾燥结束。将腔体的前级阀关闭，停止乾 式帮浦抽气，系统泄压至大气，将样品取出後量测其重量，并计算失水率。图 4 为冷冻 真空乾燥运用於制药中之基本流程。 肆、 实验结果 一、 棚板温度 20 ℃ 初级乾燥阶段 ， 以 20℃ 的棚板温度，观测对样品乾燥的影响，而二次乾燥采用加热至 40℃ ，完成整个乾燥程序并纪录温度与压力变化。冻乾後实验结果得知，当棚板温度为 20℃ 时，冻乾後样品重量为 0.32g ，样品的失水率为 68% 。图 5 为初级乾燥棚板温 度 20℃ 温度与压力变化曲线，其制程终极压力为 27.0m Torr 。由图 6 初级乾燥棚板 温度 20℃ 冻乾过程中外观变化发现，在冻乾於 60 分钟後样品有往上浮起现象，样品表 面呈凹陷、不规则孔洞结晶状，内部有少许孔洞。 二、 棚板温度 10℃ 初级乾燥阶段，以 10℃ 的棚板温度，观测对样品乾燥的影响，而二次乾燥采用加热至 40℃ ，完成整个乾燥程序并纪录温度与压力变化。冻乾後实验结果得知，当棚板温度为 10℃ 时，冻乾後样品重量为 0.31g ，样品的失水率为 69% 。图 7 为初级乾燥棚板温 度 10℃ 温度与压力变化曲线，其制程终极压力为 38.9m Torr 。由图 8 初级乾燥棚板 温度 10℃ 冻乾过程中外观变化得知，当冻乾 60 分钟时样品的状态同样有整块浮起的现 象，且因玻璃瓶温度较高，接触瓶身的样品有回溶的现象，冻乾後的外观呈现上下鼓起球 状，表面为不规则孔洞结晶状。 三、 棚板温度 0℃ 初级乾燥阶段，以 0℃ 的棚板温度，观测对样品乾燥的影响，而二次乾燥采用加热至 40 ℃ ，完成整个乾燥程序并纪录温度与压力变化。冻乾後实验结果得知，当棚板温度为 0 ℃ 时，冻乾後样品重量为 0.31g ，样品的失水率为 69% 。图 9 为初级乾燥棚板温度 0 ℃ 温度与压力变化曲线，其制程终极压力为 30.2m Torr 。由图 10 为初级乾燥棚板温 度 0℃ 冻乾过程中外观变化发现，样品在冻乾 30 分钟後整个样品浮起，冻乾後的外观 呈膨胀突起结晶状。 四、 棚板温度 -10℃ 初级乾燥阶段，以 -10℃ 的棚板温度，观测对样品乾燥的影响，而二次乾燥采用加热至 40℃ ，完成整个乾燥程序并纪录温度与压力变化。冻乾後实验结果得知，当棚板温度为 -10℃ 时，冻乾後样品重量为 0.29g ，样品的失水率为 70% 。图 11 为初级乾燥棚板 温度 -10℃ 温度与压力变化曲线，其制程终极压力为 35.6m Torr 。由图 12 初级乾燥 棚板温度 -10℃ 冻乾过程中外观变化得知，样品在 15 分钟後有渐渐浮起往上提的现象 产生，与前一小节棚板温度 0℃ 时不同於在整体外型无膨胀现象，并从照片发现在 15 分钟时水气由样品左下方渐渐往上窜出一条通路，在 90 分钟时右侧也已经有一条通路产 生，冻乾後的样品底部为往上凹之不规则结晶状，样品的表面则较为平整，并无隆起现象 。 五、 棚板温度 -20℃ 初级乾燥阶段，以 -20℃ 的棚板温度，观测对样品乾燥的影响，而二次乾燥采用加热至 40℃ ，来完成整个乾燥程序并纪录温度与压力变化。冻乾後实验结果得知，当棚板温度 为 -20℃ 时，冻乾後样品重量为 0.28g ，样品的失水率为 72% 。由图 13 为初级乾燥 棚板温度 -20℃ 温度与压力变化曲线发现，其曲线比起前几个实验明显平缓，随着水气 的昇华，压力并无太大的震荡，仅在二次乾燥时有些微的上升，其制程终极压力为 28.7m Torr 。图 14 为初级乾燥棚板温度 -20℃ 冻乾过程中外观变化，图中发现水位 线下降的速度比先前的试验缓慢，且样品并无浮起的现象，而冻乾後的外观呈完整细致粉 末块状，表面也较平整，并呈现紧实的块状。 伍、 结果分析 本文采用 20% 食盐水溶液作为样品试验分析其棚板温度对样品乾燥程度之影响，由实 验表 3 中发现当棚板温度在 20℃ 失水率为 59% ，而 -20℃ 时失水率为最高达 88% ， 制程终极压力 29.5m Torr ；而 20% 食盐水当棚板温度为 -20℃ 时，样品的失水率最高 为 72% ，制程终极压力 28.7m Torr ；由此案例试验得知，比对五组数据，明显的发现 当棚板温度越低，能得到越好的乾燥度与品质，失水率也有越高的趋势。 当棚板温度与样品温度温差越大时，虽可供给样品热源使水份蒸发，但过多的热量，却会 对样品造成回溶的现象，不能使样品内部的冰直接昇华成气态经由抽气带走，而是由冰回 溶成液态的水，在低压下经由液态沸腾成气态，因体积变大，而造成表面有气泡的现象产 生，若温差越大则现象越剧烈，加上因样品的底部直接接触棚板，热源是由玻璃瓶底部往 上传递，抽气时造成底部的水气无法通过，样品会有整块浮起的现象，须经过一段时间等 玻璃瓶两侧周围的样品乾燥後，形成通道样品方能继续进行乾燥动作另一方面若预冻时未 能将样品确实冻实，在低压下抽气时，也会有此现象产生。 由前一节图 13 与图 14 中得知当棚板温度在 -20℃ 时，物品温度上升较为平缓稳定， 供给的热源接近昇华所需的量，所以得到较完整的形状。反之，初级乾燥过程中棚板温度 越高时，因样品内部已有部分回溶现象，所以会因瞬间的昇华，带走样品的热量，对样品 本身的温度会有所下降，然而此反覆动作会随温度越高而更频繁，表面出现越多气泡，此 现象会持续到样品中水都被昇华出来後，才会越趋平缓。另外腔体中的压力，也会随水气 的昇华而有所变动，如图 15 与图 16 所示，当腔体中的水气越少时，压力才会更趋平缓 。所以棚板的温度越接近样品温度，其达到乾燥的程度也越佳、产品表面也越平整以及失 水率越高，加上若预冻的温度越低，时间越长，所得到的效果也更好。 陆、 结语 藉由本实验得知，在初级乾燥过程的棚板温度应低於 -20℃ ，此温度以下能得到较好的 乾燥度，失水率越高，在外观上也较完整。并由实验中使用动态即时录影，详细纪录产品 冻乾过程的形状变化过程，可提供未来使用在不同产品的冻乾制程中，加以修正或调整， 以找出最佳适合的制程模式。而市面上一般量产型冻乾机，使用油式帮浦，回压时帮浦的 油气易污染到样品，本制程设备采用乾式真空帮浦，在性能上能达到相同的效果，加上回 压时为乾燥空气，对样品能达到无污染而发生质变 -- 孤独是卓越心灵的命运 --

※ 发信站: 批踢踢实业坊(ptt.cc) ◆ From: 124.8.140.101