冷凍干燥過(guò)程強(qiáng)化中冷凍階段優(yōu)化的研究進(jìn)展

張朔，王維，李一喆，唐宇佳，劉楠

（大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧大連116024）

隨著人民生活水平的提高，安全健康的藥品、食品以及用途廣泛的功能材料有著巨大的市場(chǎng)需求[1]。干燥是固體產(chǎn)品封裝前的最后一道工藝。在所有干燥方法中，冷凍干燥在設(shè)備投入和運(yùn)行成本方面都最為昂貴[2]。由于產(chǎn)品脫水徹底、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、復(fù)水性好、熱敏性成分失活和營(yíng)養(yǎng)成分流失少等優(yōu)點(diǎn)，冷凍干燥已成為工業(yè)生產(chǎn)中不可替代的一項(xiàng)技術(shù)，并且發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。冷凍干燥一般由冷凍階段和干燥階段組成，其中干燥階段的能耗約占總能耗的95%[3]。這是因?yàn)楦稍镫A段包括了升華干燥和解吸干燥，同時(shí)還要維持真空和冷凝蒸汽。因此，提高干燥階段速率是降低冷凍干燥總能耗的關(guān)鍵所在[4-5]。提高干燥室溫度和調(diào)節(jié)操作壓力是提高干燥階段速率的首要選項(xiàng)[6-7]，但這受限于冷凍干燥過(guò)程低溫低壓的操作條件，僅能達(dá)成有限的過(guò)程強(qiáng)化。微波加熱因其獨(dú)特的整體加熱特點(diǎn)，被證明能夠有效地強(qiáng)化過(guò)程傳熱[8-10]。但是，由于冰晶的介電損耗因子極低，凍結(jié)后的物料整體吸收微波能力有限[11-12]。

隨著對(duì)冷凍干燥過(guò)程機(jī)理的不斷理解和深入研究，研究者發(fā)現(xiàn)冷凍階段決定了物料內(nèi)部孔隙的大小、形狀和連通性，對(duì)整個(gè)干燥過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量的影響遠(yuǎn)大于干燥階段[13-15]。因此，優(yōu)化冷凍階段成為了研究的熱點(diǎn)。常規(guī)冷凍方法是將待干料液直接冷凍成內(nèi)部無(wú)初始孔隙的“飽和”物料。對(duì)于這種物料，冷凍階段優(yōu)化的主要方法有：控制冷凍速率、調(diào)節(jié)冰晶成核和退火處理以及使用有機(jī)溶劑作為共溶劑。“初始非飽和多孔介質(zhì)冷凍干燥”技術(shù)思想為冷凍階段優(yōu)化提供了新的解決方案[16]。與直接冷凍相比，該技術(shù)是將待干料液制備成具有一定初始孔隙的“非飽和”冷凍物料。本文對(duì)近20 年來(lái)的冷凍階段優(yōu)化方法進(jìn)行了綜述，從冷凍過(guò)程和冷凍干燥的內(nèi)在機(jī)理上討論了各種優(yōu)化方法的適用性和存在的問(wèn)題，旨在通過(guò)對(duì)冷凍階段的合理優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)冷凍干燥過(guò)程的最大強(qiáng)化，從而為解決冷凍干燥過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、能耗高的問(wèn)題提供新的方案。

1 冷凍過(guò)程的基本原理

水的凍結(jié)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，隨著冷凍干燥配方溶質(zhì)的加入，使得這一過(guò)程更加多變。冷凍是冷凍干燥的第一個(gè)階段，也是非常重要的階段，因?yàn)樗苯記Q定了冷凍物料的多孔結(jié)構(gòu)，顯著影響著干燥過(guò)程的傳質(zhì)傳熱速率[6]。如果形成的冰晶很小且不連續(xù)，水蒸氣在干燥層的傳遞就會(huì)受到阻礙。相反，如果冰晶較大且均勻分散，就會(huì)提高水蒸氣在干燥層中的傳質(zhì)速率，縮短產(chǎn)品的干燥時(shí)間。因此，理解物料凍結(jié)過(guò)程的物理化學(xué)行為，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和控制整個(gè)干燥過(guò)程十分重要[4]。事實(shí)上，溶液凍結(jié)的過(guò)程一般分為以下4個(gè)階段：①以一定的冷凍速率將溶液冷卻至其凍結(jié)溫度以下，即過(guò)冷階段；②冰晶成核，也叫初始成核；③初始成核之后的二次成核，即冰晶生長(zhǎng)；④冰晶進(jìn)一步生長(zhǎng)，更多的液態(tài)水轉(zhuǎn)化為冰[17]。溶液被進(jìn)一步濃縮，離子強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。溶液形成共晶或因黏度過(guò)高而轉(zhuǎn)變成無(wú)晶型固體，這取決于溶質(zhì)性質(zhì)的差異[18-19]。

過(guò)冷可分為整體過(guò)冷和局部過(guò)冷，這取決于冷凍速率。通常慢速冷凍會(huì)導(dǎo)致物料整體過(guò)冷，而局部過(guò)冷需要將冷凍速率提高到一定范圍，如浸入液氮中。過(guò)冷度決定了二次成核溫度上升后結(jié)晶水的分?jǐn)?shù)和冰晶形態(tài)。這是因?yàn)槎纬珊诉^(guò)程中成核的冰晶以一定的界面速率成長(zhǎng)，隨著結(jié)晶放熱，冰液混合物的溫度略有升高。當(dāng)溫度接近于凍結(jié)溫度時(shí)，結(jié)晶會(huì)停止，冰晶生長(zhǎng)和完全固化的速度取決于結(jié)晶熱的去除[14]。初始成核數(shù)目隨著過(guò)冷度的增加而增加[20]。所以過(guò)冷度較高時(shí)，成核溫度較低，結(jié)晶熱能夠相對(duì)快速地去除，形成小而多的冰晶。相反，較低的過(guò)冷度導(dǎo)致較高的成核溫度，形成的冰晶較少但尺寸較大。

基于上述物理化學(xué)原理，冷凍速率和過(guò)冷度是決定物料凍結(jié)行為的關(guān)鍵因素。二者共同決定了冰晶尺寸大小和均勻性，進(jìn)而對(duì)冷凍干燥過(guò)程速率和產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

2 常規(guī)的冷凍階段優(yōu)化方法

2.1 控制冷凍速率

冷凍速率會(huì)影響冰晶的尺寸大小和分布情況，是影響冷凍過(guò)程和升華/解吸干燥過(guò)程的一個(gè)重要因素。Pikal[21]、Goshima 等[22]研究發(fā)現(xiàn)，慢速冷凍形成的冰晶顆粒大而少，大冰晶在升華后會(huì)留下寬敞的孔道，這將提高升華干燥速率。但較大的冰晶會(huì)使得物料內(nèi)部的表面積減小，降低了解吸干燥速率。Liapis 等[23-24]研究發(fā)現(xiàn)，快速冷凍會(huì)導(dǎo)致冰晶來(lái)不及生長(zhǎng)就結(jié)晶完成，形成的冰晶顆粒小而多。小冰晶在升華后會(huì)形成細(xì)微的孔道，這將增加水蒸氣的遷移阻力，從而降低了升華干燥速率。然而，小冰晶使得物料內(nèi)部的表面積增大，這有利于解吸干燥階段結(jié)合水的解吸。但過(guò)高的冷凍速率需要昂貴的制冷設(shè)備，增加了過(guò)程的成本。

李恒樂(lè)等[25]以注射用抗生素藥劑——頭孢曲松鈉為主要溶質(zhì)，探究了冷凍速率對(duì)冷凍干燥過(guò)程的影響。物料分別在140℃/min和3℃/min的冷凍速率下直接冷凍（初始飽和度S0=1.00），在相同的壓力（p=22Pa）和溫度（T=35℃）下進(jìn)行冷凍干燥。不同冷凍速率下的干燥曲線如圖1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，快速冷凍樣品的干燥時(shí)間約為24000s，略長(zhǎng)于常規(guī)慢速冷凍樣品的23500s?？焖倮鋬龅母稍锼俾试诟稍锍跗谳^低，在干燥后期相對(duì)提高。這表明對(duì)于這種物料體系，冷凍速率對(duì)于干燥過(guò)程的影響可以忽略，而且慢速冷凍更有利于過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 調(diào)節(jié)冰晶成核

圖1 冷凍速率對(duì)干燥過(guò)程的影響

在冷凍階段，由于溫度梯度的存在，冰晶成核具有隨機(jī)性，從而導(dǎo)致同一批次的產(chǎn)品產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)，并在干燥階段表現(xiàn)出不同的行為。這種隨機(jī)性也使得成核溫度難以控制在理想的過(guò)冷范圍內(nèi)。在冷凍干燥過(guò)程中，調(diào)節(jié)冰晶成核是控制一個(gè)批次的料液在相對(duì)較窄的溫度和時(shí)間范圍內(nèi)強(qiáng)制成核，從而使冷凍干燥過(guò)程更加均勻。研究者們提出了多種方法來(lái)調(diào)節(jié)冰晶成核，主要包括超聲波技術(shù)、冰霧技術(shù)、高壓轉(zhuǎn)變法和真空誘導(dǎo)表面冷凍。

從過(guò)冷水到冰晶的相變可以通過(guò)超聲波振蕩控制在理想的冷凍溫度范圍內(nèi)[26]。事實(shí)上，超聲波控制冰晶成核的機(jī)理是通過(guò)超聲波汽蝕使液體中形成氣泡，在氣泡破裂的最后階段，局部高壓使水的平衡凍結(jié)溫度升高。這導(dǎo)致過(guò)冷度增加，成為了冰晶成核的驅(qū)動(dòng)力。Nakagawa等[27]研究了甘露醇溶液的超聲波控制成核過(guò)程，產(chǎn)品不同位置的冰晶結(jié)構(gòu)如圖2所示。在較高的成核溫度下，樣品會(huì)形成大而均勻的樹(shù)突狀冰晶；在較低的成核溫度下，樣品會(huì)形成小而不均勻的冰晶。經(jīng)超聲波誘導(dǎo)的冰晶開(kāi)始形成于小瓶底部，并逐漸向上發(fā)展，在頂部會(huì)形成低溫濃縮的溶液層。與相同成核溫度下未使用超聲波誘導(dǎo)的樣品相比，冰晶形態(tài)沒(méi)有明顯的差異。這說(shuō)明冰晶形態(tài)只與成核溫度有關(guān)，而與成核方式無(wú)關(guān)。該團(tuán)隊(duì)的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，超聲功率和成核溫度決定了冰晶的晶型穩(wěn)定程度和尺寸大小[28-29]。

Passot 等[30]采用超聲波誘導(dǎo)成核技術(shù)進(jìn)行了一批次（100 瓶）產(chǎn)品的冷凍干燥實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)能夠在宏觀上改善整個(gè)批次的均勻性，但是對(duì)于單個(gè)小瓶?jī)?nèi)的冰晶結(jié)構(gòu)也存在不均勻性。這說(shuō)明該技術(shù)僅限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的冷凍干燥機(jī)，并未從根本上解決冷凍的不均勻性，限制了其大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。

Rambhatla 等[31]提出采用“冰霧技術(shù)”使冰晶在可控的溫度下成核。當(dāng)物料達(dá)到成核所需溫度時(shí)，在干燥室內(nèi)引入低溫高壓的氮?dú)饬?，使冰晶懸浮在干燥室?nèi)，再將冰晶作為成核劑引入小瓶中誘導(dǎo)冰晶成核，但成核時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也導(dǎo)致了冰晶結(jié)構(gòu)的不均勻。為此，Patel等[32]提出在引入氮?dú)鈺r(shí)降低干燥室壓力來(lái)縮短成核時(shí)間。徐慶等[33]提出先將料液霧化再通入液氮的方法使冰晶快速成核。但對(duì)于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，需要加裝對(duì)流裝置持續(xù)供應(yīng)液氮來(lái)獲得均勻的冰霧。因此目前該項(xiàng)技術(shù)仍僅限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的冷凍干燥。

高壓轉(zhuǎn)變法最早應(yīng)用于食品科學(xué)領(lǐng)域[34-35]。該方法是將干燥室壓力升至約2000bar（1bar=105Pa），使物料的冷凍溫度降低約-20℃，再將物料降至理想的溫度下釋放壓力。釋放壓力后凝固點(diǎn)升高，實(shí)現(xiàn)了高度過(guò)冷使得冰晶成核。為了快速給干燥室加壓和減壓，必須對(duì)冷凍干燥機(jī)進(jìn)行改造。由于商用冷凍干燥機(jī)通常不能承受高壓，因此該技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)。

圖2 w=10%甘露醇水溶液垂直截面的冰晶形貌

Kramer 等[36]首次提出了真空誘導(dǎo)表面冷凍法，不需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改動(dòng)，可以很好地替代高壓轉(zhuǎn)變法。其原理是物料的蒸發(fā)自冷，即將小瓶裝載在預(yù)凍擱板上，降壓至約1mbar使水分蒸發(fā)，通過(guò)蒸發(fā)吸熱實(shí)現(xiàn)局部過(guò)冷而形成表面薄冰層。然后將壓力迅速升至1bar，以避免產(chǎn)品起泡和冒出；將溫度降低至共融溫度以下，以避免冰層融化。Pisano等[37]對(duì)w=5%甘露醇溶液進(jìn)行了真空誘導(dǎo)成核產(chǎn)品SEM圖如圖3所示。強(qiáng)制成核相比自發(fā)成核，冰晶尺寸更大，具有更大的孔道。因此，冰晶成核調(diào)節(jié)可以減少升華階段的傳質(zhì)阻力，從而提高了升華干燥階段的干燥效率。但該團(tuán)隊(duì)后期工作也發(fā)現(xiàn)，較大的冰晶導(dǎo)致比表面積減小，殘余濕含量增高，延長(zhǎng)了解吸干燥時(shí)間[38]；并且物料內(nèi)部的冰晶尺寸分布不均勻，中心尺寸要大于頂部和底部[39]。這是因?yàn)榕c第一次的表面成核不同，由于擱板溫度迅速降低，第二次成核發(fā)生在底部。這極易導(dǎo)致樣品在干燥過(guò)程中出現(xiàn)破碎，產(chǎn)品表面產(chǎn)生缺陷。另外，在大規(guī)模生產(chǎn)中，大量的水分蒸發(fā)會(huì)引起阻流（choked flow），導(dǎo)致干燥室壓力無(wú)法控制。

2.3 退火處理

圖3 w=5%甘露醇水溶液冷凍干燥產(chǎn)品的SEM圖

為了解決傳統(tǒng)冷凍方法凍結(jié)的不均勻性，增大冰晶尺寸，降低傳質(zhì)阻力，Searles等[40]提出對(duì)冷凍物料進(jìn)行退火處理，也就是將冷凍完成的物料加熱至略低于共熔點(diǎn)的溫度，并保持一段時(shí)間，然后再冷凍至預(yù)定的溫度。該團(tuán)隊(duì)以羥乙基淀粉和蔗糖為主要溶質(zhì)研究了退火對(duì)冷凍干燥過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)退火處理后，樣品的冰晶尺寸明顯增大，一次干燥階段干燥速率均勻，縮短了一次干燥時(shí)間。李恒樂(lè)等[25]以頭孢曲松鈉為溶質(zhì)研究了退火對(duì)冷凍干燥過(guò)程的影響。操作步驟為：將樣品先在-34℃的條件下冷凍6h，然后在-10℃的條件下分別進(jìn)行5h和10h的退火處理。為了確保相同的初始溫度，退火完成后的樣品再在-34℃的條件下冷凍6h。最后，在相同的操作溫度和壓力下進(jìn)行冷凍干燥。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的干燥曲線如圖4 所示。結(jié)果表明，5h 退火的樣品干燥時(shí)間約為20000s，比無(wú)退火處理的樣品縮短了14.8%，而10h 退火沒(méi)有進(jìn)一步縮短干燥時(shí)間。這表明樣品經(jīng)5h 退火后已經(jīng)基本完成冰晶的奧氏熟化（Ostwald ripening）過(guò)程，繼續(xù)延長(zhǎng)退火時(shí)間沒(méi)有必要。

圖4 退火對(duì)冷凍干燥過(guò)程的影響

上述實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，退火可以簡(jiǎn)化冰晶結(jié)構(gòu)，增大冰晶尺寸，降低了凍結(jié)導(dǎo)致的不均勻性。這是由于在退火過(guò)程中，冷凍物料被置于共晶溫度或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，內(nèi)部的小冰晶由于具有較高的化學(xué)勢(shì)會(huì)率先融化，再重新凝結(jié)在大冰晶表面上，即發(fā)生了奧氏熟化現(xiàn)象[41-42]。退火處理后的物料內(nèi)部冰晶的平均尺寸增大，結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定；冰晶升華后能夠留下較大的孔隙空間，從而達(dá)到減少水蒸氣遷移阻力、縮短干燥時(shí)間、降低能耗的目的。

以上3種冷凍階段優(yōu)化方法的共同特點(diǎn)是：通過(guò)對(duì)物料在常規(guī)自然冷凍中或冷凍后的干預(yù)，以增加冰晶尺寸和均勻性，從而降低升華干燥階段的傳質(zhì)阻力，縮短升華干燥階段的時(shí)間。但是，這類強(qiáng)化方法的總體效果取決于多孔固體基質(zhì)與水分的結(jié)合效應(yīng)。如果結(jié)合力不大，即物料的吸濕性不強(qiáng)，升華干燥占主導(dǎo)，干燥速率可以得到適當(dāng)提高。反之，如果結(jié)合力較大，即物料的吸濕性較強(qiáng)，解吸干燥占主導(dǎo)，大尺寸冰晶會(huì)導(dǎo)致物料內(nèi)部的比表面積減小，解吸干燥的阻力反而增大。因此，對(duì)于吸濕性物料，上述常規(guī)的冷凍階段優(yōu)化方法對(duì)冷凍干燥過(guò)程的強(qiáng)化效果十分有限，有時(shí)甚至?xí)晕⒔档涂偟母稍锼俾蔥18-19,38-39]。

3 共溶劑的影響

在冷凍干燥過(guò)程中，通常以水為溶劑。但是，由于很多生物制品難溶于水或其水溶液不穩(wěn)定，使用有機(jī)溶劑或者有機(jī)溶劑-水共溶劑引起了人們的關(guān)注，并被深入研究。Teagarden 和Baker[43]探討了在冷凍干燥過(guò)程中使用有機(jī)溶劑的利與弊，認(rèn)為使用有機(jī)溶劑或者有機(jī)溶劑-水共溶劑有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)化操作工藝，例如，可以增加固體的溶解度，提高升華干燥階段速率，減少重組時(shí)間和改善干燥產(chǎn)品的穩(wěn)定性。然而，與水作為溶劑相比，有機(jī)溶劑也存在著冷凝溫度低、成本高和易燃的缺點(diǎn)，并且由于有機(jī)溶劑有一定的毒性，對(duì)其在干燥產(chǎn)品的殘留量有著更為嚴(yán)格的控制[44]。因此，適用于冷凍干燥的有機(jī)溶劑應(yīng)具有高凝固點(diǎn)、低毒性和高穩(wěn)定性，最好能與水混溶。

眾多有機(jī)溶劑中，叔丁醇[(CH3)3COH]作為冷凍干燥的有機(jī)溶劑最為適合。叔丁醇的凝固點(diǎn)為25℃，叔丁醇-水混合物的凝固點(diǎn)為零下幾度，在現(xiàn)有的冷凍干燥機(jī)中都可以完全凍結(jié)。而乙醇等其他有機(jī)溶劑的凝固點(diǎn)一般都在零下幾十度，在普通冷凍干燥機(jī)中很難將其凍結(jié)捕獲，因而在實(shí)際生產(chǎn)中難以使用。叔丁醇的飽和蒸氣壓比水高，有利于提高升華速率，從而節(jié)省干燥時(shí)間。叔丁醇可以提高一些脂溶性藥物在水中的溶解度，同時(shí)又可以抑制一些水溶液中不穩(wěn)定藥物的分解。叔丁醇毒性低，作為藥用的輔料，在升華干燥階段，大部分叔丁醇升華，在產(chǎn)品中殘留量很低，可以安全使用[45]。Kasraian和Deluca[46]的研究表明，當(dāng)采用w=5%的叔丁醇溶劑代替純水溶劑后，蔗糖溶液的冷凍干燥過(guò)程傳質(zhì)阻力明顯降低。如圖5所示，與純水溶劑相比，以叔丁醇為溶劑的樣品呈現(xiàn)出明顯的針狀晶體結(jié)構(gòu)。

圖5 蔗糖水溶液冷凍干燥產(chǎn)品的SEM圖

圖6對(duì)比了升華干燥階段中兩種溶劑的蔗糖水溶液的瓶底物料溫度和干燥室內(nèi)水蒸氣濃度變化。如圖6(b)所示，在相同的操作條件下，對(duì)整個(gè)干燥過(guò)程而言，以純水為溶劑的升華干燥時(shí)間為23.5h，而以w=5%叔丁醇為溶劑的樣品干燥階段時(shí)間為12.5h，干燥時(shí)間縮短了近50%。干燥速率的增加是由于叔丁醇為溶劑的樣品凍結(jié)時(shí)形成了針狀冰晶，增大了冰晶尺寸，使得升華后的孔道變大，降低了蒸汽的遷移阻力，提高了升華干燥速率。此外，由于有機(jī)溶劑的蒸氣壓比水高，會(huì)增加傳質(zhì)動(dòng)力，也在一定程度上增加了升華速率[47]。進(jìn)一步觀察圖6還可以看出，相比于純水溶劑，使用叔丁醇共溶劑組的樣品在一次干燥過(guò)程中溫度更低、干燥室水蒸氣濃度更高。這表明可以采用更高的干燥溫度來(lái)進(jìn)一步縮短干燥時(shí)間。另外，有機(jī)溶劑的升華焓要比冰晶的升華焓低，這也進(jìn)一步降低了能耗。

4 軟冰技術(shù)制備非飽和物料

應(yīng)該指出，上述常規(guī)冷凍階段的優(yōu)化方法是將料液直接冷凍固化，得到的“飽和”冷凍物料內(nèi)部幾乎不存在初始孔隙，冰晶升華只能由外到內(nèi)進(jìn)行，并沒(méi)有從根本上降低水蒸氣在多孔干燥區(qū)的傳質(zhì)阻力[48-49]。事實(shí)上，許多研究結(jié)果表明，冷凍干燥過(guò)程中的最大傳質(zhì)阻力來(lái)自于水蒸氣在多孔干燥區(qū)的遷移，取決于物料冷凍階段形成的孔道大小[50-53]。為了縮短真空冷凍干燥時(shí)間、提高能量利用率，Wang 等[12]提出了“初始非飽和多孔介質(zhì)冷凍干燥”的技術(shù)思想。

圖6 蔗糖水溶液升華干燥階段

軟冰技術(shù)（soft ice）最早應(yīng)用于冰淇淋的制作中，即通過(guò)邊攪拌邊冷凍的方式形成高黏度的凍結(jié)糊狀物。Louis[54]指出，將軟冰技術(shù)用于阿司匹林的制備過(guò)程中，可以避免乙酰水楊酸和碳酸氫鈉在常溫下反應(yīng)，得到的糊狀物便于進(jìn)一步冷凍塑形，再進(jìn)行冷凍干燥。冷凍干燥的產(chǎn)品外觀品相好，有效成分高。在制備初始非飽和冷凍物料時(shí)，于凱等[55]改進(jìn)了軟冰技術(shù)，采用了“液氮制備冰淇淋法”，即向攪拌中的液體物料緩慢加入液氮，快速汽化的氮?dú)饩鶆蚍稚⒃陬A(yù)冷凍的料液中并使之膨脹。然后，預(yù)制的黏稠狀物料放入模具中冷凍成型，再進(jìn)行冷凍干燥。這樣制備的冷凍物料內(nèi)部具有一定的初始孔隙率，使得升華不僅發(fā)生在升華界面，也發(fā)生在冷凍區(qū)，大幅度降低了傳質(zhì)阻力，縮短了干燥時(shí)間[18,55-58]。

為驗(yàn)證這一技術(shù)思想，該團(tuán)隊(duì)首先以甘露醇為溶質(zhì)制備了初始飽和（S0=1.00）和非飽和（S0=0.28）兩種物料，在相同操作條件下（22Pa，30℃）進(jìn)行冷凍干燥實(shí)驗(yàn)[55-56]。物料的初始質(zhì)量和初始濕含量均相同。從圖7(a)中可以看出，初始飽和度為0.28 的冷凍物料干燥時(shí)間為13000s，而常規(guī)飽和物料需要19000s。前者的干燥時(shí)間比后者縮短了31.6%。這證明，初始非飽和冷凍物料確實(shí)有益于液體物料的冷凍干燥過(guò)程。非飽和物料干燥產(chǎn)品的干基含水率為0.61%，遠(yuǎn)低于常規(guī)物料產(chǎn)品的4.01%[56]。這說(shuō)明，非飽和物料不僅有利于升華干燥階段自由水的遷移，也同樣有利于解吸干燥階段吸附水分的脫附。圖7(b)和圖7(c)分別為放大200 倍下飽和物料和非飽和物料干燥產(chǎn)品的掃描電鏡（SEM）圖。從圖7(b)可以看出，常規(guī)物料的干燥產(chǎn)品呈現(xiàn)出較為致密的片狀結(jié)構(gòu)，孔隙排列錯(cuò)亂，形狀不規(guī)則，水蒸氣很難通過(guò)。這是由于溶液在常規(guī)冷凍過(guò)程中，溫度梯度大，冰晶成核具有隨機(jī)性，導(dǎo)致了結(jié)晶的不均勻。從圖7(c)可以看出，初始非飽和多孔物料干燥產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與常規(guī)物料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)截然不同，固體骨架呈現(xiàn)出疏松且均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。對(duì)于這種物料，由于制備過(guò)程中其內(nèi)部本身存在大量的初始孔隙，冰晶有足夠的空間生長(zhǎng)，對(duì)固體骨架的形成不造成影響。這說(shuō)明邊攪拌邊冷凍的方法使得物料內(nèi)部溫度梯度低，結(jié)晶均勻，因此導(dǎo)致這種物料的干燥產(chǎn)品具有連續(xù)的固體骨架和孔隙空間，而且孔隙更大并分布均勻。

為驗(yàn)證所提方法的普適性，該團(tuán)隊(duì)還選用了速溶咖啡作為真實(shí)物料，初始非飽和物料的飽和度為0.20，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8(a)所示[57]。與甘露醇溶液的結(jié)果相似，咖啡溶液的非飽和物料干燥時(shí)間比飽和物料縮短了約33.3%，有效強(qiáng)化了過(guò)程傳質(zhì)。這表明，該方法對(duì)于液體物料的冷凍干燥具有良好的普適性。對(duì)比放大5000倍的掃描電鏡圖8(b)和圖8(c)可以看出，相比于飽和物料，非飽和物料的孔隙更大且連通性好，升華的水蒸氣不但能在孔隙空間中遷移，也能從孔壁中穿過(guò)，極大提高了傳質(zhì)效率；而且非飽和物料的固體基質(zhì)更加纖細(xì)，有利于解吸干燥階段的濕分脫附，產(chǎn)品的濕含量更低。由此可見(jiàn)，采用軟冰技術(shù)制備的非飽和冷凍物料可以同時(shí)強(qiáng)化升華干燥階段和解吸干燥階段，從而實(shí)現(xiàn)了冷凍干燥過(guò)程傳質(zhì)的最大強(qiáng)化?！俺跏挤秋柡投嗫捉橘|(zhì)冷凍干燥”產(chǎn)品質(zhì)量高、干燥速率快、操作簡(jiǎn)單，是一個(gè)工業(yè)上可行的技術(shù)思想。

圖7 不同飽和度甘露醇水溶液的冷凍干燥曲線和掃描電鏡圖

5 結(jié)語(yǔ)

圖8 不同飽和度咖啡水溶液的冷凍干燥曲線和掃描電鏡圖

冷凍干燥過(guò)程強(qiáng)化的目的是縮短干燥時(shí)間、提高能量利用率，從而降低成本，并使產(chǎn)品更加均勻、質(zhì)量更高。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文討論了冷凍階段優(yōu)化的各種解決方案?？刂评鋬鏊俾省⒄{(diào)節(jié)冰晶成核和退火處理的共同特點(diǎn)是：通過(guò)對(duì)物料在常規(guī)自然冷凍中或冷凍后的干預(yù)以增加冰晶尺寸和均勻性，從而降低升華干燥階段的傳質(zhì)阻力。但是這類強(qiáng)化方法的總體效果取決于多孔固體基質(zhì)與水分的結(jié)合效應(yīng)。對(duì)于吸濕性物料，常規(guī)的冷凍階段優(yōu)化方法對(duì)冷凍干燥過(guò)程的強(qiáng)化效果十分有限，有時(shí)甚至?xí)晕⒔档涂偟母稍锼俾?。?duì)于一些不溶或者難溶于水的固體基質(zhì)，可以使用有機(jī)溶劑作為共溶劑。有機(jī)溶劑的存在也會(huì)產(chǎn)生大尺寸冰晶，而且其具有較高的蒸氣壓，可以增加傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力。但是，有機(jī)溶劑的殘留量仍然是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。

盡管上述冷凍階段的優(yōu)化方法對(duì)某些特定物料具有一定的強(qiáng)化效果，但并沒(méi)有從根本上改變傳統(tǒng)冷凍干燥時(shí)間長(zhǎng)、能耗高的問(wèn)題。“初始非飽和多孔介質(zhì)冷凍干燥”的技術(shù)思想為解決這一問(wèn)題提供了新的方案。具有一定初始孔隙的非飽和冷凍物料，其固體骨架呈現(xiàn)出疏松且均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于升華干燥階段水蒸氣的遷移；并且其固體基質(zhì)十分纖細(xì)，有利于解吸干燥階段結(jié)合水的脫附。因此，初始非飽和多孔冷凍物料可以同時(shí)強(qiáng)化升華干燥階段和解吸干燥階段，大幅度縮短干燥時(shí)間。該方法是以略微增加物料凍結(jié)子過(guò)程能耗的少許代價(jià)，來(lái)?yè)Q取干燥階段中升華/解吸等3 個(gè)子過(guò)程的最大強(qiáng)化。該技術(shù)思想兼具傳統(tǒng)冷凍干燥的產(chǎn)品質(zhì)量高和初始非飽和多孔冷凍物料干燥速率快與過(guò)程消耗低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于液體物料的冷凍干燥具有良好的普適性，將對(duì)傳統(tǒng)冷凍干燥過(guò)程產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。