冷冻干燥方法及冷冻干燥装置 技术领域 本发明公开了一种先将药液等液态物料冻结在垂直管的内周面上， 之后再对其进 行干燥处理的冷冻干燥方法及所用装置， 使用这种方法和装置可以在物料 ( 被干燥材料 ) 被冷冻后的短时间内快速对其干燥， 从而大幅度提高生产效率。
背景技术 原来， 对药液等液态被干燥材料进行高效冷冻干燥的方法是将被干燥材料冻结在 垂直管的内周面上， 然后在减压条件下将其冷冻干燥。具体内容参见特开 2004-330130 号 公报。
上述原有技术所用的冷冻干燥装置包括垂直管 ； 将液态被冷冻干燥材料输送到位 于垂直管上部的喷雾装置的供液装置 ； 与垂直管下部相连， 用于回收剩余液态被冷冻干燥 材料的液体回收管路 ； 以及围绕在垂直管四周， 用于调控垂直管内周面温度的冷冻装置。
贮存于上述供液装置中的液态被干燥材料是由上述喷雾装置喷洒到垂直管的内 周面上。 上述冷冻装置通过冷冻垂直管内周面上冷冻面的方法可将液态被干燥材料冻结在 该冷冻面上， 并形成管状。 而未被冻结的残余液态被干燥材料则流向垂直管下部， 并通过液 体回收管路返回供液装置。当液态被干燥材料的供应达到所需量时， 供液装置立即停止对 喷雾装置的供液， 并由减压装置对垂直管的内部进行减压。 同时， 通过提高上述冷冻装置中 冷媒温度的方法将冷冻装置转换成加热装置， 以给冻结的被干燥材料提供升华热， 从而对 其进行冷冻干燥。
上述垂直管的下端装有一个带喷嘴的喷嘴法兰。 上述垂直管中的被干燥材料被冷 冻干燥成管状后从冷冻面上脱落至喷嘴法兰， 在此处先被由喷嘴喷射出的高压气体初步粉 碎， 同时被这股高压气流送入粉碎机， 在此机中进一步被粉碎成细小粉末， 然后由旋风分离 机分离收集， 最终被收集到一个大罐中。
但是， 由于上述原有技术的冷冻干燥装置需要对冷冻装置中的冷媒进行加热， 比 如加热到 30-50℃， 所以需将冷冻装置转换成加热装置， 而后由该加热装置加热垂直管的管 壁， 以达到加热已冻结的被干燥材料的目的， 因此在这种工艺流程下， 必须大幅度地改变冷 媒的温度， 所以温度的控制难度较大。同时还会产生下述一些其它问题。此外， 冷冻干燥的 时间过长， 因此生产效率难以提高。
(1) 来自加热装置的热能以热传导的方式通过垂直管的管壁传递给被干燥材料， 但是由于垂直管的体积庞大， 因此大量的热能被其消耗， 结果加热效率随之降低。
(2) 被干燥材料中的冻结水是从冻结物上朝垂直管减压空间移动并从减压空间的 内侧面升华， 这部分升华热由上述加热装置提供。但由于该热能需要经过被干燥材料才能 传导到冻结水， 所以冻结水的加热速度较慢、 效率不高。
(3) 为了被干燥材料在干燥后能够从垂直管内周面上轻松脱落， 通常的做法是首 先只将水喷洒在冷冻面上， 以形成一个冰衬层。但是， 当加热装置加热垂直管管壁时， 该冰 衬层很可能在被干燥材料中的水分升华以前就因受热而先产生升华。冰衬层一旦消失， 垂
直管的内周面和冻结后的被干燥材料只有部分接触， 因此从垂直管内周面到被干燥材料的 热传递效率将会变得极低。 发明内容 为了解决上述问题， 本发明的目的在于提供一种能够在被干燥材料冻结之后在短 时间内迅速为其提供升华热， 使之被快速冷冻干燥， 从而大幅度提高生产效率的冷冻干燥 方法及冷冻干燥装置。
为了达到上述目的， 本发明提供的冷冻干燥方法是 ： 供液装置 5 中的液态被干燥 材料 47 首先到达位于垂直管 2 内周面上的冷冻面 2a， 然后通过冷却冷冻面 2a 的方法将被 干燥材料 47 间接冷冻成管状， 然后供液装置 5 停止提供被干燥材料 47， 之后对垂直管 2 内 部进行减压处理， 以对冻结后的被干燥材料 47 进行冷冻干燥。这种冷冻干燥方法是在冷冻 干燥时， 以垂直管 2 中的内部加热装置 41 作为向冻结后的被干燥材料 47 提供辐射热的热 源为特点。
本发明提供的冷冻干燥装置包括一个内周面上形成有冷冻面 2a 的垂直管 2 ； 一个 为冷冻面 2a 提供液态被干燥材料 47 的供液装置 5 ； 一个包围在垂直管 2 的四周， 用于冷却 冷冻面 2a 的冷冻装置 10 ； 一个将垂直管 2 的内部空间真空化的减压装置 12。其主要特点 在于垂直管 2 中设有内部加热装置 41， 该装置上具有向冷冻面 2a 提供辐射热的部件。
液态被干燥材料在垂直管内周面的冷冻面上被冷冻装置冻结， 以形成冻结层。供 液装置停止供应液态被干燥材料后， 垂直管内部在减压装置的作用下形成真空， 被干燥材 料冻结层中的冻结水开始升华。 由于这种内部加热装置可朝垂直管减压空间的内侧面发射 辐射热能， 并作用在冻结层上， 所以上述冻结水升华时所需的升华热能够得到及时补充， 因 此冻结层中的冻结水可以继续升华， 从而将被干燥材料快速干燥。
上述内部加热装置没有形状、 结构和热源种类等限制。比如可以选用螺旋状的内 部加热装置。只是该内部加热装置需要沿垂直管轴心方向设置， 并且其外表面上的辐射面 是竖长形的， 这样可以均匀地向冻结后的被干燥材料的内部提供辐射热能。如果能采用类 似管状的圆柱形辐射面， 那么辐射热的供应则更加均匀。
而且， 在不对被干燥材料和冻结水的升华带来负面影响的前提下， 上述辐射面的 位置越接近被干燥材料越好， 因此最好选用大型的内部加热装置。 这样， 垂直管的内部空间 也随之变小， 因此由减压装置产生的真空状态更易保持。
在不影响被干燥材料的前提下， 可以使用一些辐射率高的材料和颜料对辐射面进 行表面处理。 另外， 为该辐射面加热的热源除选用电加热器外， 也可选用温水、 热水、 热蒸汽 等热媒， 这类热源可以较为容易地将温度调控到所需值。
被上述热源加热后， 辐射面产生的热量要保证提供给被干燥材料的辐射热量和被 干燥材料吸收的升华热热量处于平衡状态。 也就是说， 辐射面的面积和辐射功率、 被干燥材 料的受热功率、 减压后产生的升华热的热量不同时， 辐射面加热后需要达到的温度也不同， 但是该温度必须使得被干燥材料中的冻结水不会在辐射热下熔化， 而是迅速地升华。比如 可以将这一温度设定在 20-150℃的范围， 30-100℃更好， 最好在 40-90℃之间。在此基础 上， 垂直管内还可加设温度传感器， 以测定接收热辐射后被干燥材料的温度， 并根据此测定 温度来控制内部加热装置的温度， 以使被干燥材料的温度不要超出冻结水的玻璃化温度。
上述升华热可以仅由内部加热装置提供， 但在本发明中也可以在垂直管的外部加 设一个与冷冻装置分开的外部加热装置， 或者是与冷冻装置兼用的外部加热装置。内部加 热装置的热辐射， 加上外部加热装置的热传导， 可使被冻结层吸收的升华热得到进一步补 充， 以促使被干燥材料在更短的时间内得到冷冻干燥。
如果是冷冻装置与外部加热装置兼用的这种情况， 在冷冻装置中流通的冷媒温度 则在规定的冷冻温度和加温温度间切换。
上述垂直管的尺寸没有特殊要求， 但是垂直管的横断面内部尺寸越大， 每次垂直 管内被干燥材料的冷冻干燥量越多。 因此， 如果是实验性设备， 那么垂直管的横断面内部尺 寸最好是在 100mm 以上， 如果是生产性设备， 那么以 200mm 以上为宜， 300mm 以上更好， 400mm 以上最好。这里垂直管横断面的形状通常为圆形， 所谓内部尺寸是指内径。当然也可以是 多角形等其它形状， 在这种形状下， 内部尺寸指对角线的长度。
另外， 在垂直管内冻结成管状的被干燥材料的冻结厚度也不存在特别限定， 只要 能被粗粉碎装置进行初步粉碎即可。不过， 冻结厚度越薄就越易粉碎， 所以还是在 25mm 以 下比较好。如果能在 15mm 以下甚至 10mm 以下就更好了。
本发明提供的冷冻干燥装置具有如下效果 ：
1、 内部加热装置被设置在垂直管内， 无需与冷冻装置并用， 只起加热作用， 因此对 其温度的调控很简单。
2、 垂直管内呈真空状态， 因此没有来自内部加热装置的对流热， 而且垂直管内除 配管以外没有其它的接触部件， 因此被浪费消耗掉的传导热也极少， 所释放的辐射热能几 乎能够全部由被干燥材料吸收， 因此加热效率升高。
3、 被干燥材料中的冻结水从面向垂直管内减压空间的内侧面升华， 而由内部加热 装置释放出的辐射热能够直接辐射到被干燥材料的内表面， 因此可以快速、 有效地补充升 华热。 另外， 内部加热装置能够直接向被干燥材料提供辐射热， 所以即使垂直管内周面上形 成的冰衬层过早消失， 也不会存在内部加热装置热传递效率减低的问题。
被干燥材料冻结以后， 可以在短时间内被快速、 有效地冷冻干燥， 因此可以大幅度 提高生产效率。
4、 同时， 由于内部加热装置位于垂直管的内部， 所以垂直管内部空间的减少量就 是内部加热装置的容积大小。如果垂直管的内径增大， 那么可以通过相应增大内部加热装 置大小的方法来缩小垂直管内部空间， 这样有助于加速减压装置将垂直管内部变成真空状 态， 从而更高效地对冻结后的被干燥材料进行冷冻干燥。 附图说明 图 1 为本发明提供的冷冻干燥装置结构示意图。
图 2 为本发明提供的冷冻干燥装置以及与其相连的粉碎· 粒化装置和粉末填充装 置结构示意图。
图 3 为本发明提供的冷冻干燥装置中垂直管重要部位横向剖视图。
符号说明
1…冷冻干燥装置 2…垂直管 2a…冷冻面
5…供液装置 10…冷冻装置 12…减压装置
5CN 101970964 A
说43…辐射面明书47…被干燥材料4/7 页41…内部加热装置具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的冷冻干燥装置进行详细说明。
图 1 至图 3 为本发明提供的冷冻干燥装置示意图。其中图 1 为本发明提供的冷冻 干燥装置结构示意图。图 2 为本发明提供的冷冻干燥装置以及与其相连的粉碎· 粒化装置 和粉末填充装置结构示意图。图 3 为本发明提供的冷冻干燥装置中垂直管重要部位横向剖 视图。
如图 1 所示， 本发明提供的冷冻干燥装置 1 上安装有一个柱形垂直管 2， 其上部为 一个密闭室 3。 该垂直管 2 的尺寸没有特别限制， 不过以内径为 200mm 以上为宜， 300-600mm 更好， 最好是在 400-600mm 之间。另外， 垂直管 2 的高度应在 500-4000mm， 1000-3000mm 之 间更佳。
上述密闭室 3 内安装有一个喷雾装置 4， 该装置通过供液管路 8 分别与供液装置 5 中的纯净水水槽 6 以及供液槽 7 相连， 供液槽 7 中贮存有诸如医药品水溶液等液态被干燥 材料。供液管路 8 上设有供液阀门 9， 当供液阀门 9 和纯净水水槽 6 的取出阀门 6a 都打开 时， 纯净水便进入喷雾装置 4 中并被喷洒到密闭室 3 内， 而当供液阀门 9 和供液槽 7 的阀门 7a 都打开时， 被干燥材料 47 则进入喷雾装置 4 中并被喷洒到密闭室 3 内。 上述垂直管 2 内周面的一部分充当冷冻面 2a， 而在垂直管 2 的外部圆周上设有兼 作外部加热装置使用的冷冻装置 10。 该冷冻装置 10 可将冷冻面 2a 的温度调控在被干燥材 料 47 的冻结温度以下。上述密闭室 3 通过减压管路 11 与减压装置 12 相连接， 在减压管路 11 上装有开闭阀门 13。当开闭阀门 13 打开时， 减压装置 12 被启动， 从而将垂直管 2 的内 部变成真空。
上述垂直管 2 内在其轴心位置安装有内部加热装置 41。该内部加热装置 41 为内 外双层结构， 层间形成热媒流路 42， 而在该装置的外表面上则形成一个与前述冷冻面 2a 彼 此相对的圆柱形辐射面 43。 温水、 热水或者热蒸汽等热媒在热媒流路 42 中的流动能够对辐 射面 43 加热， 加热后产生的辐射热则释放到对面的冷冻面 2a。热媒流路 42 与安装在垂直 管 2 外部的温度控制装置 44 相连， 温度控制装置 44 可根据安装在垂直管 2 上温度传感器 45 检测出的温度而将流动在热媒流路 42 中的热媒调控到合适的温度。
垂直管 2 的下端竖直连接着一个导筒 14。导筒 14 由位于上部且半径较大的粗部 14a、 位于中部靠下的较细部 14b 和位于下部的细部 14c 组成。其中粗部 14a 内配置有粗粉 碎装置 15 中的转刀 16， 发动机 17 带动转刀 16 进行转动。而细部 14c 上则装有第 1 开闭阀 18。
为了避免粉碎物残留其上， 上述较细部 14b 的内表面被设计成斜坡状。不过因为 越接近垂直状态竖直方向上的长度就越大， 所以其倾斜度也不是越大越好。以与水平面成 60-80 度为宜， 70-80 度更佳。
在上述第 1 开闭阀 18 的上方又分出一个液回收管路 19， 在此管路上分别安装有第 2 开闭阀 20 和回收泵 21。液回收管路 19 与前述的供液槽 7 相连， 垂直管 2 中剩余的液态 被干燥材料 47 可以通过回收泵 21 经液回收管路 19 重新返回到供液槽 7。
如图 2 所示， 上述导筒 14 的下端连接着粉碎· 粒化装置 22 的上盖 23。该粉碎· 粒
化装置 22 的内部设有能够在粉碎发动机 24 的驱动下进行转动的粉碎臂 25， 并且下部安装 有一个具有定量网眼数的布网 26。
上盖 23 上连接着 3 个导筒 14， 每个导筒 14 的上部都分别与一个垂直管 2 相连。 考虑到冷冻干燥的速度和粉末填充装置填充速度间的平衡问题， 本发明中与上盖 23 相连 的垂直管 2 可设成 1 或 2 个， 但 4 个以上也未尝不可。
粉末填充装置 28 位于粉碎·粒化装置 22 的取出口 27 下方， 其上盖 29 上敞开的 投入口 30 通过第 2 导筒 31 与取出口 27 相连。粉末填充装置 28 上的漏斗 32 内部沿垂直 方向安装有一个螺旋杆 33， 该螺旋杆 33 上安装有搅拌臂 34。螺旋杆 33 通过支撑臂 35 与 支撑台 36 相连， 以形成支撑关系， 其可在图中未示出的驱动装置驱动下进行转动。而漏斗 32 则由支撑臂 35 和位于其下方的辅助臂 37 进行支撑。漏斗 32 的下部设有计量部 38， 计 量部 38 的下方是用于放置玻璃瓶等容器 39 的送入输出部 40。
下面， 对上述冷冻干燥装置 1 的操作过程进行说明。
首先， 利用冷冻装置 10 将垂直管 2 中的冷冻面 2a 冷却到冰点以下， 并且在减压管 路 11 上开闭阀门 13 和第 1 开闭阀 18 关闭的状态下打开取出阀门 6a 和供液阀门 9。这样， 纯净水水槽 6 内的纯净水就可进入到喷雾装置 4 中并被喷洒到密闭室 3 内， 然后沿着冷冻 面 2a 向下流动并结成冰， 由此形成如图 3 所示冰衬层 46。 为了使上述冰衬层 46 的厚度达到 1-2mm， 提供定量的纯净水后， 需要关闭与纯净 水水槽 6 相连的取出阀门 6a， 并打开与供液槽 7 相接的阀门 7a。来自供液槽 7 的液态被干 燥材料 47 抵达喷雾装置 4 中并被喷洒到密闭室 3 内， 然后沿冷冻面 2a 上的冰衬层 46 向下 流动， 并且如图 3 所示在冰衬层 46 上冻结成管状。另一方面， 流到垂直管 2 下部的残余被 干燥材料 47 则通过回收泵 21 从第 2 开闭阀 2 经由液回收管路 19 而返回到供液槽 7。
为使上述纯净水和被干燥材料 47 不挂留在内部加热装置 41 上， 喷洒时喷雾装置 4 应向密闭室 3 的内周面上进行喷洒。
待被干燥材料 47 达到所需量后， 关闭阀门 7a 和供液阀门 9， 以停止喷雾装置 4 的 喷洒。待所有流到垂直管 2 下端的剩余被干燥材料从液回收管路 19 回收到供液槽 7 后， 关 闭第 2 开闭阀 20。之后， 打开减压管路 11 上的开闭阀门 13， 以驱动减压装置 12 工作， 从而 将垂直管 2 内部变成真空状态。这时， 被干燥材料 47 中的冻结水开始升华， 在此过程中形 成的水蒸汽将从减压管路 11 中排出并被收集在图中未示出的冷阱中。
具有一定温度的热媒在内部加热装置 41 中流动， 如图 3 所示， 辐射热从辐射面 43 上释放出来。由于辐射面 43 与冷冻面 2a 的位置相对， 因此辐射热可以作用在冻结到冷冻 面 2a 上的被干燥材料 47 的内周面。此时， 由于辐射面 43 呈圆柱形， 所以辐射热可以从辐 射面 43 上均匀地提供给被干燥材料 47。
将上述冷冻装置 10 中的冷媒加热到诸如 30℃时， 可将该装置转换成外部加热装 置， 而其所产生的热能则以热传导的方式传送给垂直管 2 内周面上的冷冻面 2a。辐射热和 传导热可以共同补充被干燥材料 47 的升华热， 使得被干燥材料 47 中的冻结水继续升华， 从 而使被干燥材料 47 得到快速、 有效的冷冻干燥， 含水量可降低到总重量的 0.1-5％。之后， 随着升华水分的减少， 所需的升华热也相应减少， 因此被干燥材料 47 的温度开始上升。这 时， 需将该温度控制在不对被干燥材料 47 的品质产生不良影响的程度， 比如 40℃以下， 然 后通过减压方式进行加热， 这样被干燥材料 47 中的结合水等残留的水分将被汽化， 被干燥
材料 47 中的水分含量可继续降低到总重量的 0.1％以下， 结果使被干燥材料 47 得到充分干 燥。当然， 此含水量只是作为一个示例提出， 被干燥材料 47 的种类不同时， 使用本发明提供 的冷冻干燥方法所获得的被干燥材料 47 的含水量也不同。
如果增大上述内部加热装置 41 的体积， 那么不仅辐射面 43 的位置会更接近被干 燥材料 47， 而且辐射面积也会随之增大， 因此可以释放出更多的辐射热， 以迅速地补充升华 热。同时， 垂直管 2 的内部空间也会相应减小， 这样减压装置 12 在垂直管 2 内产生的真空 环境更易维持。
上述冷冻干燥操作结束后， 垂直管 2 内周面上的冰衬层 46 也将产生升华而消失， 这时， 冷冻干燥物将在发动机 17 启动时产生的自然振动及人为制造的振动作用下从垂直 管 2 的内周面上脱落到导筒 14 中， 然后落在粗粉碎装置 15 的转刀 16 上。
然后， 减压装置 12 也停止工作， 减压管路 11 上的开闭阀门 13 被关闭， 导筒 14 上 的第 1 开闭阀 18 被打开， 这时， 垂直管 2 内部和导筒 14 内部的气压重新达到大气压值。之 后， 启动发动机 17 而使转刀 16 进行转动， 从而对冷冻干燥物加以冲击而将其初步粉碎。此 时， 冷冻干燥物的粉碎度只要达到能通过导筒 14 下部的细部 14c 的程度即可， 没有必要粉 碎得过细。 被转刀 16 粉碎后的粉碎物将顺次通过导筒 14 的较细部 14b 和细部 14c， 而后在重 力作用下落入粉碎· 粒化装置 22 中， 再由该装置中的粉碎臂 25 进一步粉碎， 最后通过布网 26 筛选后得到的颗粒即为所需的理想颗粒。
被上述粉碎·粒化装置 22 处理后的理想颗粒物在重力作用下首先进入第 2 导筒 31， 之后流入粉末填充装置 28 上的漏斗 32。这些颗粒物在漏斗 32 中将由搅拌臂 34 进行搅 拌， 同时随着螺旋杆 33 的转动， 这些颗粒物将在位于漏斗 32 下端的计量部 38 处被整合成 标准量， 最后从计量部 38 的下端被送出并填充在指定容器 39 中。
在上述实施例中， 粉碎·粒化装置 22 和粉末填充装置 28 依次设置在冷冻干燥装 置 1 的下方， 可以进行从冷冻干燥到粉末填充等一系列处理。但是， 本发明中也可以在冷冻 干燥装置 1 的下方不连接粉末填充装置 28 和粉碎· 粒化装置 22。比如， 如果省略粉末填充 装置 28， 可以在粉碎·粒化装置 22 上的第 2 导筒 31 下放置一个诸如大型罐等回收容器， 粉碎·粒化后的粉末被收容在此回收容器中， 然后送往另设的粉末填充工序。如果省略粉 碎·粒化装置 22， 可在冷冻干燥装置 i 上的导筒 14 下方设置回收容器， 冷冻干燥后并被初 步粉碎的粉碎物将被收容在此回收容器中并被送往下一道工序。
上述实施例中的冷冻干燥装置 1 只是将本发明的技术思想具体化的其中一个样 例。 垂直管、 内部加热装置、 供液装置、 喷雾装置、 冷冻装置、 减压装置、 液回收管路、 粉碎· 粒 化装置以及其它部件的结构、 形状、 安装方式等并不局限于上述实施例中的情况， 可以有其 它的变化， 只要这些变化是在本发明权利要求的范围内即可。 另外， 被干燥材料的冻结厚度 等也没有特别的尺寸限定。
比如在上述实施例中， 在被干燥材料冻结在冷冻面上以前， 先由纯净水形成一个 冰衬层， 冷冻干燥结束后的冻结干燥物就会从垂直管内周面上脱落下来。 不过， 如果冻结干 燥物可以自己轻松地从垂直管内周面上脱落下来， 那么在这种情况下， 本发明也可省略掉 使用纯净水形成冰衬层这一步骤。
另外， 上述实施例中使用的是具有内外双层结构的内部加热装置， 除此以外， 也可
使用具有螺旋状热媒流路的加热装置， 或者使用电加热器等热源。辐射面的形状虽然以圆 柱形为宜， 但其它形状也可以。
上述实施例中的冷冻装置和外部加热装置是兼用的， 除此以外， 本发明中的冷冻 装置和外部加热装置也可以分开设置。而且如果内部加热装置可以提供充足的升华热， 那 么可以省略外部加热装置。
在上述各实施例中， 冻结干燥物都是先进入导筒后再被初步粉碎， 除此以外， 比如 在垂直管的下方加上喷嘴， 利用其喷出的高压气体进行粉碎， 或者使用其它粉碎装置进行 初步粉碎也都可以。
另外， 上述实施例中冷冻干燥装置的下方连接了粉碎·粒化装置和粉末填充装置 等， 除此以外， 本发明的冷冻干燥装置也可只连接粉碎·粒化装置。如果是这样， 那么初步 粉碎物和颗粒化后的颗粒可放在大型罐中被运送。
生产上实用性
本发明提供的冷冻干燥装置可以在液态被干燥材料被冻结后不久， 在短时间内继 续对其进行快速、 有效地干燥处理， 从而可以大幅度提高生产能力， 因此， 特别适合于医药 品的冷冻干燥粉末。当然也可以用于其它领域的粉末制造。