凍干技術(shù)原理之預(yù)凍階段
預(yù)凍就是將溶液中的自由水固化，賦予干后產(chǎn)品與干燥前相同的形態(tài)，防止抽空干燥時(shí)起泡、濃縮和溶質(zhì)移動(dòng)等不可逆變化發(fā)生，盡量減少由溫度引起的物質(zhì)可溶性減少和生命特性的變化。
1、 預(yù)凍的方法
溶液的預(yù)凍方法有兩種：凍干箱內(nèi)預(yù)凍法和箱外預(yù)凍法。
箱內(nèi)預(yù)凍法是直接把產(chǎn)品放置在凍干機(jī)內(nèi)的多層擱板上，由凍干機(jī)的冷凍機(jī)來(lái)進(jìn)行冷凍，大量的小瓶和安瓶進(jìn)行凍干時(shí)為了進(jìn)箱和出箱方便，一般把小瓶或安瓶分放在若干金屬盤內(nèi)，再裝進(jìn)箱子，為了改善熱傳遞。有些金屬盤制成可抽活底式，進(jìn)箱時(shí)把底抽走，讓小瓶直接與凍干箱的金屬板接觸；對(duì)于不可抽底的盤子，要求盤底平整，以獲得產(chǎn)品的均一性。采用旋凍法的大血漿瓶要事先凍好后加上導(dǎo)熱用的金屬架后再進(jìn)箱進(jìn)行冷凍。
箱外預(yù)凍法有二種方法。有些小型凍干機(jī)沒(méi)有進(jìn)行預(yù)凍產(chǎn)品的裝置，只能利用低溫冰箱或酒精加干冰來(lái)進(jìn)行預(yù)凍。另一種是專用的旋凍器，它可把大瓶的產(chǎn)品邊旋轉(zhuǎn)邊冷凍成殼狀結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)入凍干箱內(nèi)。
圖1 旋轉(zhuǎn)型冷凍
還有一種特殊的離心式預(yù)凍法，離心式凍干機(jī)就采用此法。利用在真空下液體迅速蒸發(fā)，吸收本身的熱量而凍結(jié)。旋轉(zhuǎn)的離心力防止產(chǎn)品的氣體逸出，使產(chǎn)品能“平靜地”凍結(jié)成一定的形狀。轉(zhuǎn)速一般為800轉(zhuǎn)/分左右。
圖2 靠離心或旋轉(zhuǎn)液體形成楔狀或殼狀
2、 預(yù)凍的過(guò)程
水溶液溫度降到一定時(shí)，根據(jù)溶液共晶濃度，濃度淡溶液里開始結(jié)冰，這個(gè)溫度就叫結(jié)冰點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)結(jié)冰點(diǎn)受濃度的支配與濃度一起下降。溶液溫度低于結(jié)冰點(diǎn)時(shí)，溶液中的一部分會(huì)結(jié)晶析出，剩下的溶液濃度將會(huì)上升，就這樣結(jié)冰點(diǎn)下降，接著繼續(xù)冷卻，冰結(jié)晶隨著冷卻而增加，剩下的溶液濃度隨之而增大�？墒菧囟冉档侥骋稽c(diǎn)時(shí)剩下的溶液就全部?jī)鼋Y(jié)，這時(shí)的凍結(jié)物里混雜著冰晶體，這時(shí)的溫度就是共晶點(diǎn)。
溶液需過(guò)冷到冰點(diǎn)以后，其內(nèi)產(chǎn)生晶核以后，自由水才會(huì)開始以冰的形式結(jié)晶，同時(shí)放出結(jié)晶熱使其溫度上升到冰點(diǎn)，隨著晶體的生長(zhǎng)，溶液濃度的增加，當(dāng)濃度達(dá)到共晶濃度，溫度下降到共晶點(diǎn)以下時(shí)，溶液就會(huì)全部?jī)鼋Y(jié)。
溶液結(jié)晶的晶粒數(shù)量和大小除了與溶液本身的性質(zhì)有關(guān)以外，還與晶核生成速率和晶體生長(zhǎng)速率有關(guān)。而晶核生成速率和晶體生長(zhǎng)速率這兩個(gè)因素又是隨溫度和壓強(qiáng)的變化而變化的，因此，我們可以通過(guò)控制溫度和壓強(qiáng)來(lái)控制溶液結(jié)晶的晶粒數(shù)量和大小。一般來(lái)說(shuō)，冷卻速度越快，過(guò)冷溫度越低，所形成的晶核數(shù)量越多，晶體來(lái)不及生長(zhǎng)就被凍結(jié)，此時(shí)所形成的晶粒數(shù)量越多，晶粒越細(xì)；反之晶粒數(shù)量越少，晶粒越大。
晶體的形狀也與凍結(jié)溫度有關(guān)。在0 ℃附近開始凍結(jié)時(shí)，冰晶呈六角對(duì)稱形，在六個(gè)主軸方向向前生長(zhǎng)，同時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)若干副軸，所有冰晶連接起來(lái)，在溶液中形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨著過(guò)冷度的增加，冰晶將逐漸喪失容量辨認(rèn)的六角對(duì)稱形式，加之成核數(shù)多，凍結(jié)速度快,可能形成一種不規(guī)則的樹枝型，它們有任意數(shù)目的軸向柱狀體，而不象六方晶型那樣只有六條。
圖3 冷凍干燥碎片，表示冰升華后空隙（無(wú)比例）
生物體液（如血液血漿、肌肉漿液、玻璃體液等）結(jié)冰形成的結(jié)晶單元，往往與單一成分的水溶液形成的冰晶類型相似。結(jié)晶類型主要取決于冷卻速度和體液濃度，例如血漿、肌肉漿液等在正常濃度下結(jié)冰時(shí)，在較高零下溫度、慢冷卻速度下形成六方結(jié)晶單元，快速冷卻至低溫時(shí)形成不規(guī)則樹枝狀晶體。
細(xì)胞懸浮液（如紅血球、白血球、精子、細(xì)菌等懸浮于蒸餾水、血漿或其他懸浮介質(zhì)中），在高零下溫度緩慢結(jié)冰時(shí)，懸浮液中大量的冰生長(zhǎng)，將細(xì)胞擠在兩冰柱之間的狹窄管道中，管道內(nèi)的懸浮介質(zhì)因水析出結(jié)冰而溶質(zhì)濃縮，細(xì)胞內(nèi)的水通過(guò)細(xì)胞膜滲透出細(xì)胞，又造成細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)的濃縮。與此同時(shí)，胞外冰的生長(zhǎng)，還將迫使細(xì)胞物質(zhì)體積縮小、變形。但此時(shí)細(xì)胞內(nèi)不結(jié)冰。當(dāng)在低溫下快速結(jié)冰時(shí)，則細(xì)胞內(nèi)將形成胞內(nèi)冰。冰的大小、形狀和分布與冷卻速度、保護(hù)劑的存在與否、保護(hù)劑的性質(zhì)以及細(xì)胞內(nèi)水的含量有關(guān)，一般說(shuō)來(lái)，冷卻速度越快、溫度越低，細(xì)胞內(nèi)形成的冰越多。懸浮液中添加非滲透性保護(hù)劑，可以使快速結(jié)冰時(shí)細(xì)胞內(nèi)形成的冰數(shù)目減少。
溶液結(jié)晶的形式對(duì)凍干速率有直接的影響。冰晶升華后留下的空隙是后續(xù)冰晶升華時(shí)水蒸氣的逸出通道，大而連續(xù)的六方晶體升華后形成的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干燥速度快，反之樹枝形和不連續(xù)的球狀冰晶通道小或不連續(xù)，水蒸汽靠擴(kuò)散或滲透才能逸出，因而干燥速度慢。因此僅從干燥速率來(lái)考慮，慢凍為好。
此外，凍結(jié)的速率還與凍結(jié)設(shè)備的種類、能力和傳熱介質(zhì)等有關(guān)。
預(yù)凍會(huì)對(duì)細(xì)胞和生命產(chǎn)生一定的破壞作用，其機(jī)理是非常復(fù)雜的，一般認(rèn)為，預(yù)凍過(guò)程中水結(jié)冰所產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)和溶質(zhì)效應(yīng)是引起生化藥品在凍干過(guò)程中失活或變性的重要因素。機(jī)械效應(yīng)是指水結(jié)冰時(shí)體積增大，致使活性物質(zhì)活性部位中一些弱分子力鍵受到破壞，從而使活性損失；溶質(zhì)效應(yīng)是指水結(jié)冰以后引起溶質(zhì)濃度上升以及由于各種溶質(zhì)在各種溫度條件下溶解度變化不一致引起pH值的變化，導(dǎo)致活性物質(zhì)所處的環(huán)境發(fā)生變化而造成失活或變性。對(duì)這種現(xiàn)象可采用下列措施解決：①預(yù)凍采用速凍法，先將擱板溫度降至－45 ℃，再放入產(chǎn)品急速冷凍，形成細(xì)微冰晶，使其來(lái)不及產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)。②選用緩沖劑時(shí)要選用溶解度相當(dāng)?shù)木彌_配對(duì)鹽。③加入產(chǎn)品保護(hù)劑。
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