實(shí)驗(yàn)研究泡沫真空冷凍干燥

本文對(duì)泡沫冷凍干燥保護(hù)劑的配方及過程參數(shù)進(jìn)行了四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)研究，確定了各因素對(duì)發(fā)泡效果影響的顯著性。其中發(fā)泡真空度對(duì)發(fā)泡高度的影響zui顯著，明膠及Pluronic-F68 用量其次，擱板溫度的影響zui不顯著。應(yīng)用發(fā)泡效果*的配方及過程參數(shù)，進(jìn)行了1 ml 樣品的泡沫真空冷凍干燥實(shí)驗(yàn)，一次干燥時(shí)間3 h、二次干燥時(shí)間12 h，所得樣品剩余含水量小于2.0%。

　　冷凍干燥是生物制藥、食品和化妝品生產(chǎn)以及超細(xì)粉體生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一。由于其制品具有保存期限長(zhǎng)、使用方便、便于運(yùn)輸、可常溫保存等優(yōu)點(diǎn)，在疫苗、微生物的保存中冷凍干燥方法也經(jīng)常被運(yùn)用。與其它常見干燥方法如烘干法相比，凍干生產(chǎn)的周期長(zhǎng)，能耗大，這些缺點(diǎn)制約了凍干技術(shù)的應(yīng)用范圍。

　　為提高凍干生產(chǎn)的效率、減少其能耗同時(shí)又能保持其制品的優(yōu)點(diǎn)，近年來有國(guó)外學(xué)者針對(duì)獸用疫苗提出了一種新的干燥方法，泡沫真空冷凍干燥，其特點(diǎn)是：對(duì)物料進(jìn)行前期預(yù)處理，載入發(fā)泡劑，配合抽真空等手段使物料膨松成泡沫狀，然后在真空下加熱完成一、二次干燥，從而除去物料中的水分。新方法由于發(fā)泡后物料的比表面積顯著增大，傳熱、傳質(zhì)情況能得到明顯改善，從而極大地提高了干燥速率。運(yùn)用此方法，國(guó)外學(xué)者已干燥保存了流感病毒、支原體、牛瘟病毒等，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，還有學(xué)者嘗試采用此方法干燥食品。

　　國(guó)內(nèi)目前關(guān)于泡沫真空冷凍干燥研究的公開報(bào)道還很少見。為了促進(jìn)泡沫真空冷凍干燥技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用和推廣，本文擬對(duì)泡沫真空冷凍干燥工藝開展實(shí)驗(yàn)研究，確定影響發(fā)泡效果的主要因素，并以發(fā)泡效果*的工藝參數(shù)進(jìn)行瓶裝1ml樣品的泡沫真空冷凍干燥。

1、材料和方法

　　1.1、實(shí)驗(yàn)材料

　　本文實(shí)驗(yàn)采用的泡沫真空冷凍干燥配方包含40%蔗糖、2%精氨酸、1%甘油、0.025 mol·L^-1磷酸鹽緩沖液(pH 7.2)以及一定比例的Pluronic-F68、明膠，預(yù)期用于雞新城疫活疫苗的保存。其中Pluronic F-68 作為發(fā)泡劑，在系統(tǒng)抽真空時(shí)使溶液膨松成泡沫狀；明膠作為穩(wěn)定劑，使產(chǎn)生的泡沫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

　　1.2、實(shí)驗(yàn)裝置

　　所使用的冷凍干燥裝置簡(jiǎn)圖如圖1 所示。擱板下面布置有電加熱器，其功率輸出由PLC 控制，從而控制擱板的溫度。制冷系統(tǒng)采用單級(jí)蒸汽壓縮式，混合制冷工質(zhì)在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮成高溫高壓的蒸汽后進(jìn)入冷凝器中，冷凝后的低溫低壓流體分為兩路，分別在兩個(gè)手動(dòng)節(jié)流閥中進(jìn)行節(jié)流、調(diào)節(jié)流量，隨后兩股流體分別進(jìn)入凍干箱中的擱板和冷阱盤管中進(jìn)行制冷，完成一個(gè)制冷循環(huán)，實(shí)驗(yàn)時(shí)冷阱溫度約為-60 ℃。真空泵為三相供電，接在西門子MICROMASTTER440 變頻器的輸出端，通過控制真空泵的抽速，配合真空微調(diào)閥開度調(diào)整，達(dá)到控制干燥箱真空度的目的。使用Agilent 數(shù)據(jù)采集儀每6 秒鐘采集一次樣品內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)。樣品在擱板上預(yù)冷后開始抽真空發(fā)泡，由于抽真空速率過快會(huì)引起溶液噴瓶，同時(shí)也為了得到更好的發(fā)泡效果，發(fā)泡過程需分階段進(jìn)行，先使干燥箱內(nèi)達(dá)到一定的真空度，保持兩分鐘后將真空控制在10 Pa以內(nèi)。

1.3、實(shí)驗(yàn)方案

　　泡沫真空冷凍干燥過程如下：預(yù)冷→發(fā)泡→凍結(jié)→一次干燥→二次干燥→密封。實(shí)驗(yàn)包括兩部分，*部分通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)確定影響發(fā)泡效果的因素，第二部分在*部分基礎(chǔ)上進(jìn)行，以*發(fā)泡效果對(duì)應(yīng)的工藝條件進(jìn)行1 ml 樣品的泡沫冷凍干燥。通過文獻(xiàn)調(diào)研及初步實(shí)驗(yàn)，作者確定了Pluronic F-68 以及明膠的含量、擱板溫度、真空度等四個(gè)會(huì)影響發(fā)泡效果的因素。因素水平范圍如表1 所示，正交實(shí)驗(yàn)表按L9 (34)安排。每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。發(fā)泡效果的指標(biāo)為發(fā)泡高度和一次干燥時(shí)間，發(fā)泡高度越高、一次干燥時(shí)間越短，說明所選取的工藝條件越佳。第二部分實(shí)驗(yàn)的步驟如下：1)取1 mL 樣品溶液裝在Φ22 mm西林瓶里，裝液高度約2.5 mm，半蓋上瓶塞，放置于擱板上，預(yù)冷30 min；2)抽真空發(fā)泡；3)一次干燥3 h；4) 擱板溫度升溫至32 ℃進(jìn)行二次干燥，時(shí)間12 h；5)樣品的剩余含水量測(cè)定采用烘干稱重法，電子天平采用梅特勒- 托利多的AL104型，精度為0.1 mg，實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。