凍乾製程中不同的棚板溫度對乾燥度的影響

看板NCHU-PP87作者 (不下棋 勿擾)時間17年前 (2007/05/04 14:53), 編輯推噓0(0推 0噓 0→)
留言0則, 0人參與, 最新討論串1/1
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 在製藥與生物技術產業使用之凍乾 ( 冷凍真空乾燥 ) 設備製程中，除了預凍凍結溫度與 真空度外，製程中棚板溫度的控制，將影響其凍乾物之乾燥程度與乾燥後之外觀，本文以 凍乾 20% 食鹽水溶液對其樣品進行真空乾燥，初級乾燥中棚板溫度為 20℃ 、 10℃ 、 0℃ 、 -10℃ 與 -20℃ ，藉以探討在不同棚板溫度下對樣品溫度、壓力與乾燥程度之 變化。從實驗結果得知，當棚板溫度低且越接近樣品溫度時，所得到的乾燥度越佳，其外 觀更完整，以棚板 -20℃ 下之 20% 食鹽水溶液，失水率可達 82% ，乾燥後外型較完整 並呈現質地綿密塊狀乾燥物。乾燥過程中架設低溫量測計與真空壓力計，分析凍乾樣品之 抽氣過程及其壓力及溫度變化，並對乾燥後的產品進行包括凍結溫度、抽氣速率、終極壓 力及產品的含水量等量測，並利用微觀測系統以動態即時的方式觀測產品凍乾過程的形狀 變化，以作為後續實驗研製之修正與參考。 壹、 前言 近年來生物科技已為世界先進國家所重視，並已被視為本世紀的主流產業，其涵蓋的範圍 相當廣泛，例如生物製藥、生物晶片、血幹細胞移植、動植物細胞基因保存、生命繁殖延 續、基因密碼研究等，並且包含農業、食品、醫藥、能源及器材等方面都與生物科技息息 相關。這些產品皆需要乾燥以延長保存期限或生命週期，並避免因受潮或水氣影響品質， 但一般乾燥方法都必須在 0℃ 以上或更高的溫度下方可進行，且一般乾燥後的產品都是 體積縮小、質地變硬，有些物質還會發生氧化，容易揮發的成分都會損失掉，甚至熱敏性 的物質如蛋白質、維生素會發生變性，造成微生物失去生物活力，且乾燥後的物質不易在 水中溶解等現象 ‧ 在冷凍真空乾燥過程中，因腔體內壓力始終低於大氣壓力，其氣體分子數少、密度低、含 氧量低，對於容易氧化變質的物料或藥品、食品、農產品和生物製品有消毒滅菌作用，所 以可減少物料感染細菌的機會或抑制某些細菌生長，而在多樣的乾燥法當中，以冷凍真空 乾燥法的效果最好，所製程出產品的品質為最佳，不管其色澤和風味都比一般的乾燥法更 優質，且乾燥時間最短。 貳、 冷凍真空乾燥 冷凍真空乾燥過程有低溫凍結、低溫低壓抽氣以及脫附過程三種程序，其低溫冷凍系統分 為兩組，一組是供應給預凍使用，另一組是供應給冷凝器使用，主要是利用二元壓縮循環 系統 (Cascade system) ，供應的最低溫度可達 -85℃ ；而真空系統是利用乾式真空幫 浦 (Dry vacuum pump) 進行抽氣，以達到無油氣污染的優點；脫附過程是利用一組循環 水槽加熱系統，以提供棚板熱源來輔助產品達到快速乾燥的方式。進行完初級乾燥過程後 續進行二級乾燥過程，二級乾燥過程最主要的目的為除盡產品中所殘留的水份，經過初級 乾燥過程後，產品中的水份已被除掉 80~90 ﹪，而二級乾燥主要目的就是除盡產品中剩 餘的 10~20 ﹪，但須注意的是提高的溫度不可超越藥品的極限溫度，通常溫度設定約接 近產品的極限溫度，假設產品的極限溫度為 30℃ ，我們將棚板的溫度設在 30℃ ，當產 品的溫度接近棚板的極限溫度時，則二級乾燥過程結束，整個乾燥過程到達終點。圖 1 為冷凍真空乾燥過程進行時的溫度、壓力、隨時間變化之曲線圖。 參、 實驗方法 與步驟 以 20% 食鹽水溶液進行乾燥試驗，改變溶液初級乾燥之棚板溫度以 20℃ 、 10℃ 、 0 ℃ 、 -10℃ 及 -20℃ ；在二次乾燥棚板溫度皆加熱至 40℃ ，當棚板溫度接近樣品溫 度，二次乾燥結束，腔體壓力洩放至大氣，則乾燥過程之程序完成，再將樣品拿出，量測 其重量並計算失水率與乾燥度，進而分析乾燥過程中溫度與壓力之關係及影響。 本實驗取樣品 20% 食鹽水溶液進行冷凍真空乾燥試驗，將 10m l 玻璃瓶大小裝入 1g 20% 葡萄糖溶液及兩組溫度感測器 ( 如圖 2 所示 ) 。首先利用真空膠帶固定兩組溫度 感測器，一組量測樣品中間溫度，另一組量測樣品底部溫度，將兩樣品玻璃瓶放置到冷凍 庫預凍。樣品須預先放入冷凍櫃中以 -80℃ 進行預凍，經過至少五小時，並確定溶液內 部凍實後方能進行實驗。在本實驗中每次同時放入兩瓶樣品，其中一瓶內凍有溫度感測器 ，另一瓶則為觀測使用。在實驗開始時，先在棚板上塗上一層導熱膏，再將玻璃瓶平放固 定；使用導熱膏目的係為使玻璃瓶底部能受熱均勻分布，避免玻璃瓶底部受熱面溫差過大 。預凍後的樣品放置於真空腔體中進行抽氣，腔體的壓力持續一直抽至製程終極壓力，而 初級乾燥階段分別將棚板溫度以 20℃ 、 10℃ 、 0℃ 、 -10℃ 及 -20℃ 進行試驗， 當棚板溫度接近樣品溫度時，初級乾燥過程結束，觀測在不同溫度下之棚板溫度，對樣品 進行乾燥時真空壓力、溫度與乾燥程度的相互影響與關係；在二次乾燥過程中，文獻中並 無明確提及，但建議採用棚板加熱至 40℃ 來進行，當棚板溫度接近於樣品溫度時，整個 乾燥程序則完成。表 1 為凍乾過程中主要設備運轉程序，圖 3 為真空乾燥實驗步驟流程 圖。實驗過程中 架設低溫量測計、真空壓力計，分析凍乾樣品之抽氣過程，其真空壓力 及溫度變化，對乾燥後的樣品進行包括凍結溫度、製程終極壓力、樣品的含水量等量測與 紀錄；此外，也使用微觀測方式以動態即時錄影紀錄產品凍乾過程的形狀變化，以作為下 次凍乾試驗時製程壓力與溫度的修正參考。 在本實驗中為避免誤差值過大，其含水率計 算值取其兩瓶樣品平均值計算之。而乾燥後的樣品量測計算其含水率計算方式為： 預凍後的樣品快速放置腔體中，開始進行抽氣，由於玻璃瓶為低溫狀態，所以玻璃瓶壁面 與大氣短暫接觸，表面會有霧氣形成，當壓力開始下降時，壁面的霧氣會先被帶走，玻璃 瓶漸漸呈現清澈透明狀，此時樣品表面會有一條水位線，此水位線會隨真空度的增加而慢 慢下降，直到玻璃瓶底端，這期間的樣品溫度因冰直接昇華成氣態，將樣品的熱量帶走， 造成樣品的溫度會有下降的趨勢。當水位線到達底部後，樣品的溫度才開始有上升的現象 ，這是因為樣品開始吸收棚板的熱源進行乾燥，當樣品溫度等於棚板溫度，初級乾燥過程 才算結束。進行二級乾燥時，棚板溫度設定至 40℃ ，提供的熱源是將剩餘少量的水份進 行最後的乾燥，腔體中的壓力也會降低，真空度升高，二級乾燥初期壓力會因冰的昇華而 出現短暫震盪，當樣品溫度等於 40℃ 時則二次乾燥結束。將腔體的前級閥關閉，停止乾 式幫浦抽氣，系統洩壓至大氣，將樣品取出後量測其重量，並計算失水率。圖 4 為冷凍 真空乾燥運用於製藥中之基本流程。 肆、 實驗結果 一、 棚板溫度 20 ℃ 初級乾燥階段 ， 以 20℃ 的棚板溫度，觀測對樣品乾燥的影響，而二次乾燥採用加熱至 40℃ ，完成整個乾燥程序並紀錄溫度與壓力變化。凍乾後實驗結果得知，當棚板溫度為 20℃ 時，凍乾後樣品重量為 0.32g ，樣品的失水率為 68% 。圖 5 為初級乾燥棚板溫 度 20℃ 溫度與壓力變化曲線，其製程終極壓力為 27.0m Torr 。由圖 6 初級乾燥棚板 溫度 20℃ 凍乾過程中外觀變化發現，在凍乾於 60 分鐘後樣品有往上浮起現象，樣品表 面呈凹陷、不規則孔洞結晶狀，內部有少許孔洞。 二、 棚板溫度 10℃ 初級乾燥階段，以 10℃ 的棚板溫度，觀測對樣品乾燥的影響，而二次乾燥採用加熱至 40℃ ，完成整個乾燥程序並紀錄溫度與壓力變化。凍乾後實驗結果得知，當棚板溫度為 10℃ 時，凍乾後樣品重量為 0.31g ，樣品的失水率為 69% 。圖 7 為初級乾燥棚板溫 度 10℃ 溫度與壓力變化曲線，其製程終極壓力為 38.9m Torr 。由圖 8 初級乾燥棚板 溫度 10℃ 凍乾過程中外觀變化得知，當凍乾 60 分鐘時樣品的狀態同樣有整塊浮起的現 象，且因玻璃瓶溫度較高，接觸瓶身的樣品有回溶的現象，凍乾後的外觀呈現上下鼓起球 狀，表面為不規則孔洞結晶狀。 三、 棚板溫度 0℃ 初級乾燥階段，以 0℃ 的棚板溫度，觀測對樣品乾燥的影響，而二次乾燥採用加熱至 40 ℃ ，完成整個乾燥程序並紀錄溫度與壓力變化。凍乾後實驗結果得知，當棚板溫度為 0 ℃ 時，凍乾後樣品重量為 0.31g ，樣品的失水率為 69% 。圖 9 為初級乾燥棚板溫度 0 ℃ 溫度與壓力變化曲線，其製程終極壓力為 30.2m Torr 。由圖 10 為初級乾燥棚板溫 度 0℃ 凍乾過程中外觀變化發現，樣品在凍乾 30 分鐘後整個樣品浮起，凍乾後的外觀 呈膨脹突起結晶狀。 四、 棚板溫度 -10℃ 初級乾燥階段，以 -10℃ 的棚板溫度，觀測對樣品乾燥的影響，而二次乾燥採用加熱至 40℃ ，完成整個乾燥程序並紀錄溫度與壓力變化。凍乾後實驗結果得知，當棚板溫度為 -10℃ 時，凍乾後樣品重量為 0.29g ，樣品的失水率為 70% 。圖 11 為初級乾燥棚板 溫度 -10℃ 溫度與壓力變化曲線，其製程終極壓力為 35.6m Torr 。由圖 12 初級乾燥 棚板溫度 -10℃ 凍乾過程中外觀變化得知，樣品在 15 分鐘後有漸漸浮起往上提的現象 產生，與前一小節棚板溫度 0℃ 時不同於在整體外型無膨脹現象，並從照片發現在 15 分鐘時水氣由樣品左下方漸漸往上竄出一條通路，在 90 分鐘時右側也已經有一條通路產 生，凍乾後的樣品底部為往上凹之不規則結晶狀，樣品的表面則較為平整，並無隆起現象 。 五、 棚板溫度 -20℃ 初級乾燥階段，以 -20℃ 的棚板溫度，觀測對樣品乾燥的影響，而二次乾燥採用加熱至 40℃ ，來完成整個乾燥程序並紀錄溫度與壓力變化。凍乾後實驗結果得知，當棚板溫度 為 -20℃ 時，凍乾後樣品重量為 0.28g ，樣品的失水率為 72% 。由圖 13 為初級乾燥 棚板溫度 -20℃ 溫度與壓力變化曲線發現，其曲線比起前幾個實驗明顯平緩，隨著水氣 的昇華，壓力並無太大的震盪，僅在二次乾燥時有些微的上升，其製程終極壓力為 28.7m Torr 。圖 14 為初級乾燥棚板溫度 -20℃ 凍乾過程中外觀變化，圖中發現水位 線下降的速度比先前的試驗緩慢，且樣品並無浮起的現象，而凍乾後的外觀呈完整細緻粉 末塊狀，表面也較平整，並呈現緊實的塊狀。 伍、 結果分析 本文採用 20% 食鹽水溶液作為樣品試驗分析其棚板溫度對樣品乾燥程度之影響，由實 驗表 3 中發現當棚板溫度在 20℃ 失水率為 59% ，而 -20℃ 時失水率為最高達 88% ， 製程終極壓力 29.5m Torr ；而 20% 食鹽水當棚板溫度為 -20℃ 時，樣品的失水率最高 為 72% ，製程終極壓力 28.7m Torr ；由此案例試驗得知，比對五組數據，明顯的發現 當棚板溫度越低，能得到越好的乾燥度與品質，失水率也有越高的趨勢。 當棚板溫度與樣品溫度溫差越大時，雖可供給樣品熱源使水份蒸發，但過多的熱量，卻會 對樣品造成回溶的現象，不能使樣品內部的冰直接昇華成氣態經由抽氣帶走，而是由冰回 溶成液態的水，在低壓下經由液態沸騰成氣態，因體積變大，而造成表面有氣泡的現象產 生，若溫差越大則現象越劇烈，加上因樣品的底部直接接觸棚板，熱源是由玻璃瓶底部往 上傳遞，抽氣時造成底部的水氣無法通過，樣品會有整塊浮起的現象，須經過一段時間等 玻璃瓶兩側周圍的樣品乾燥後，形成通道樣品方能繼續進行乾燥動作另一方面若預凍時未 能將樣品確實凍實，在低壓下抽氣時，也會有此現象產生。 由前一節圖 13 與圖 14 中得知當棚板溫度在 -20℃ 時，物品溫度上升較為平緩穩定， 供給的熱源接近昇華所需的量，所以得到較完整的形狀。反之，初級乾燥過程中棚板溫度 越高時，因樣品內部已有部分回溶現象，所以會因瞬間的昇華，帶走樣品的熱量，對樣品 本身的溫度會有所下降，然而此反覆動作會隨溫度越高而更頻繁，表面出現越多氣泡，此 現象會持續到樣品中水都被昇華出來後，才會越趨平緩。另外腔體中的壓力，也會隨水氣 的昇華而有所變動，如圖 15 與圖 16 所示，當腔體中的水氣越少時，壓力才會更趨平緩 。所以棚板的溫度越接近樣品溫度，其達到乾燥的程度也越佳、產品表面也越平整以及失 水率越高，加上若預凍的溫度越低，時間越長，所得到的效果也更好。 陸、 結語 藉由本實驗得知，在初級乾燥過程的棚板溫度應低於 -20℃ ，此溫度以下能得到較好的 乾燥度，失水率越高，在外觀上也較完整。並由實驗中使用動態即時錄影，詳細紀錄產品 凍乾過程的形狀變化過程，可提供未來使用在不同產品的凍乾製程中，加以修正或調整， 以找出最佳適合的製程模式。而市面上一般量產型凍乾機，使用油式幫浦，回壓時幫浦的 油氣易污染到樣品，本製程設備採用乾式真空幫浦，在性能上能達到相同的效果，加上回 壓時為乾燥空氣，對樣品能達到無污染而發生質變 -- 孤獨是卓越心靈的命運 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc) ◆ From: 124.8.140.101
‣ 更多 KSfish 的文章
文章代碼(AID): #16EjXQiM (NCHU-PP87)