冷冻干燥过程强化中冷冻阶段优化的研究进展

张朔，王维，李一喆，唐宇佳，刘楠

（大连理工大学化工学院，辽宁大连116024）

随着人民生活水平的提高，安全健康的药品、食品以及用途广泛的功能材料有着巨大的市场需求[1]。干燥是固体产品封装前的最后一道工艺。在所有干燥方法中，冷冻干燥在设备投入和运行成本方面都最为昂贵[2]。由于产品脱水彻底、储存时间长、复水性好、热敏性成分失活和营养成分流失少等优点，冷冻干燥已成为工业生产中不可替代的一项技术，并且发挥着越来越重要的作用。冷冻干燥一般由冷冻阶段和干燥阶段组成，其中干燥阶段的能耗约占总能耗的95%[3]。这是因为干燥阶段包括了升华干燥和解吸干燥，同时还要维持真空和冷凝蒸汽。因此，提高干燥阶段速率是降低冷冻干燥总能耗的关键所在[4-5]。提高干燥室温度和调节操作压力是提高干燥阶段速率的首要选项[6-7]，但这受限于冷冻干燥过程低温低压的操作条件，仅能达成有限的过程强化。微波加热因其独特的整体加热特点，被证明能够有效地强化过程传热[8-10]。但是，由于冰晶的介电损耗因子极低，冻结后的物料整体吸收微波能力有限[11-12]。

随着对冷冻干燥过程机理的不断理解和深入研究，研究者发现冷冻阶段决定了物料内部孔隙的大小、形状和连通性，对整个干燥过程和产品质量的影响远大于干燥阶段[13-15]。因此，优化冷冻阶段成为了研究的热点。常规冷冻方法是将待干料液直接冷冻成内部无初始孔隙的“饱和”物料。对于这种物料，冷冻阶段优化的主要方法有：控制冷冻速率、调节冰晶成核和退火处理以及使用有机溶剂作为共溶剂。“初始非饱和多孔介质冷冻干燥”技术思想为冷冻阶段优化提供了新的解决方案[16]。与直接冷冻相比，该技术是将待干料液制备成具有一定初始孔隙的“非饱和”冷冻物料。本文对近20 年来的冷冻阶段优化方法进行了综述，从冷冻过程和冷冻干燥的内在机理上讨论了各种优化方法的适用性和存在的问题，旨在通过对冷冻阶段的合理优化来实现冷冻干燥过程的最大强化，从而为解决冷冻干燥过程时间长、能耗高的问题提供新的方案。

1 冷冻过程的基本原理

水的冻结是一个复杂的过程，随着冷冻干燥配方溶质的加入，使得这一过程更加多变。冷冻是冷冻干燥的第一个阶段，也是非常重要的阶段，因为它直接决定了冷冻物料的多孔结构，显著影响着干燥过程的传质传热速率[6]。如果形成的冰晶很小且不连续，水蒸气在干燥层的传递就会受到阻碍。相反，如果冰晶较大且均匀分散，就会提高水蒸气在干燥层中的传质速率，缩短产品的干燥时间。因此，理解物料冻结过程的物理化学行为，对提高产品质量和控制整个干燥过程十分重要[4]。事实上，溶液冻结的过程一般分为以下4个阶段：①以一定的冷冻速率将溶液冷却至其冻结温度以下，即过冷阶段；②冰晶成核，也叫初始成核；③初始成核之后的二次成核，即冰晶生长；④冰晶进一步生长，更多的液态水转化为冰[17]。溶液被进一步浓缩，离子强度逐渐增强。溶液形成共晶或因黏度过高而转变成无晶型固体，这取决于溶质性质的差异[18-19]。

过冷可分为整体过冷和局部过冷，这取决于冷冻速率。通常慢速冷冻会导致物料整体过冷，而局部过冷需要将冷冻速率提高到一定范围，如浸入液氮中。过冷度决定了二次成核温度上升后结晶水的分数和冰晶形态。这是因为二次成核过程中成核的冰晶以一定的界面速率成长，随着结晶放热，冰液混合物的温度略有升高。当温度接近于冻结温度时，结晶会停止，冰晶生长和完全固化的速度取决于结晶热的去除[14]。初始成核数目随着过冷度的增加而增加[20]。所以过冷度较高时，成核温度较低，结晶热能够相对快速地去除，形成小而多的冰晶。相反，较低的过冷度导致较高的成核温度，形成的冰晶较少但尺寸较大。

基于上述物理化学原理，冷冻速率和过冷度是决定物料冻结行为的关键因素。二者共同决定了冰晶尺寸大小和均匀性，进而对冷冻干燥过程速率和产品质量产生深远的影响。

2 常规的冷冻阶段优化方法

2.1 控制冷冻速率

冷冻速率会影响冰晶的尺寸大小和分布情况，是影响冷冻过程和升华/解吸干燥过程的一个重要因素。Pikal[21]、Goshima 等[22]研究发现，慢速冷冻形成的冰晶颗粒大而少，大冰晶在升华后会留下宽敞的孔道，这将提高升华干燥速率。但较大的冰晶会使得物料内部的表面积减小，降低了解吸干燥速率。Liapis 等[23-24]研究发现，快速冷冻会导致冰晶来不及生长就结晶完成，形成的冰晶颗粒小而多。小冰晶在升华后会形成细微的孔道，这将增加水蒸气的迁移阻力，从而降低了升华干燥速率。然而，小冰晶使得物料内部的表面积增大，这有利于解吸干燥阶段结合水的解吸。但过高的冷冻速率需要昂贵的制冷设备，增加了过程的成本。

李恒乐等[25]以注射用抗生素药剂——头孢曲松钠为主要溶质，探究了冷冻速率对冷冻干燥过程的影响。物料分别在140℃/min和3℃/min的冷冻速率下直接冷冻（初始饱和度S0=1.00），在相同的压力（p=22Pa）和温度（T=35℃）下进行冷冻干燥。不同冷冻速率下的干燥曲线如图1所示。实验结果表明，快速冷冻样品的干燥时间约为24000s，略长于常规慢速冷冻样品的23500s。快速冷冻的干燥速率在干燥初期较低，在干燥后期相对提高。这表明对于这种物料体系，冷冻速率对于干燥过程的影响可以忽略，而且慢速冷冻更有利于过程的经济性。

2.2 调节冰晶成核

图1 冷冻速率对干燥过程的影响

在冷冻阶段，由于温度梯度的存在，冰晶成核具有随机性，从而导致同一批次的产品产生不同的结构，并在干燥阶段表现出不同的行为。这种随机性也使得成核温度难以控制在理想的过冷范围内。在冷冻干燥过程中，调节冰晶成核是控制一个批次的料液在相对较窄的温度和时间范围内强制成核，从而使冷冻干燥过程更加均匀。研究者们提出了多种方法来调节冰晶成核，主要包括超声波技术、冰雾技术、高压转变法和真空诱导表面冷冻。

从过冷水到冰晶的相变可以通过超声波振荡控制在理想的冷冻温度范围内[26]。事实上，超声波控制冰晶成核的机理是通过超声波汽蚀使液体中形成气泡，在气泡破裂的最后阶段，局部高压使水的平衡冻结温度升高。这导致过冷度增加，成为了冰晶成核的驱动力。Nakagawa等[27]研究了甘露醇溶液的超声波控制成核过程，产品不同位置的冰晶结构如图2所示。在较高的成核温度下，样品会形成大而均匀的树突状冰晶；在较低的成核温度下，样品会形成小而不均匀的冰晶。经超声波诱导的冰晶开始形成于小瓶底部，并逐渐向上发展，在顶部会形成低温浓缩的溶液层。与相同成核温度下未使用超声波诱导的样品相比，冰晶形态没有明显的差异。这说明冰晶形态只与成核温度有关，而与成核方式无关。该团队的进一步研究发现，超声功率和成核温度决定了冰晶的晶型稳定程度和尺寸大小[28-29]。

Passot 等[30]采用超声波诱导成核技术进行了一批次（100 瓶）产品的冷冻干燥实验。结果发现，该技术能够在宏观上改善整个批次的均匀性，但是对于单个小瓶内的冰晶结构也存在不均匀性。这说明该技术仅限于实验室规模的冷冻干燥机，并未从根本上解决冷冻的不均匀性，限制了其大规模的工业应用。

Rambhatla 等[31]提出采用“冰雾技术”使冰晶在可控的温度下成核。当物料达到成核所需温度时，在干燥室内引入低温高压的氮气流，使冰晶悬浮在干燥室内，再将冰晶作为成核剂引入小瓶中诱导冰晶成核，但成核时间过长也导致了冰晶结构的不均匀。为此，Patel等[32]提出在引入氮气时降低干燥室压力来缩短成核时间。徐庆等[33]提出先将料液雾化再通入液氮的方法使冰晶快速成核。但对于大规模的工业生产，需要加装对流装置持续供应液氮来获得均匀的冰雾。因此目前该项技术仍仅限于实验室规模的冷冻干燥。

高压转变法最早应用于食品科学领域[34-35]。该方法是将干燥室压力升至约2000bar（1bar=105Pa），使物料的冷冻温度降低约-20℃，再将物料降至理想的温度下释放压力。释放压力后凝固点升高，实现了高度过冷使得冰晶成核。为了快速给干燥室加压和减压，必须对冷冻干燥机进行改造。由于商用冷冻干燥机通常不能承受高压，因此该技术很难实现。

图2 w=10%甘露醇水溶液垂直截面的冰晶形貌

Kramer 等[36]首次提出了真空诱导表面冷冻法，不需要对现有设备进行改动，可以很好地替代高压转变法。其原理是物料的蒸发自冷，即将小瓶装载在预冻搁板上，降压至约1mbar使水分蒸发，通过蒸发吸热实现局部过冷而形成表面薄冰层。然后将压力迅速升至1bar，以避免产品起泡和冒出；将温度降低至共融温度以下，以避免冰层融化。Pisano等[37]对w=5%甘露醇溶液进行了真空诱导成核产品SEM图如图3所示。强制成核相比自发成核，冰晶尺寸更大，具有更大的孔道。因此，冰晶成核调节可以减少升华阶段的传质阻力，从而提高了升华干燥阶段的干燥效率。但该团队后期工作也发现，较大的冰晶导致比表面积减小，残余湿含量增高，延长了解吸干燥时间[38]；并且物料内部的冰晶尺寸分布不均匀，中心尺寸要大于顶部和底部[39]。这是因为与第一次的表面成核不同，由于搁板温度迅速降低，第二次成核发生在底部。这极易导致样品在干燥过程中出现破碎，产品表面产生缺陷。另外，在大规模生产中，大量的水分蒸发会引起阻流（choked flow），导致干燥室压力无法控制。

2.3 退火处理

图3 w=5%甘露醇水溶液冷冻干燥产品的SEM图

为了解决传统冷冻方法冻结的不均匀性，增大冰晶尺寸，降低传质阻力，Searles等[40]提出对冷冻物料进行退火处理，也就是将冷冻完成的物料加热至略低于共熔点的温度，并保持一段时间，然后再冷冻至预定的温度。该团队以羟乙基淀粉和蔗糖为主要溶质研究了退火对冷冻干燥过程的影响。实验结果表明，经退火处理后，样品的冰晶尺寸明显增大，一次干燥阶段干燥速率均匀，缩短了一次干燥时间。李恒乐等[25]以头孢曲松钠为溶质研究了退火对冷冻干燥过程的影响。操作步骤为：将样品先在-34℃的条件下冷冻6h，然后在-10℃的条件下分别进行5h和10h的退火处理。为了确保相同的初始温度，退火完成后的样品再在-34℃的条件下冷冻6h。最后，在相同的操作温度和压力下进行冷冻干燥。实验测得的干燥曲线如图4 所示。结果表明，5h 退火的样品干燥时间约为20000s，比无退火处理的样品缩短了14.8%，而10h 退火没有进一步缩短干燥时间。这表明样品经5h 退火后已经基本完成冰晶的奥氏熟化（Ostwald ripening）过程，继续延长退火时间没有必要。

图4 退火对冷冻干燥过程的影响

上述实验说明，退火可以简化冰晶结构，增大冰晶尺寸，降低了冻结导致的不均匀性。这是由于在退火过程中，冷冻物料被置于共晶温度或玻璃化转变温度以上，内部的小冰晶由于具有较高的化学势会率先融化，再重新凝结在大冰晶表面上，即发生了奥氏熟化现象[41-42]。退火处理后的物料内部冰晶的平均尺寸增大，结构均匀稳定；冰晶升华后能够留下较大的孔隙空间，从而达到减少水蒸气迁移阻力、缩短干燥时间、降低能耗的目的。

以上3种冷冻阶段优化方法的共同特点是：通过对物料在常规自然冷冻中或冷冻后的干预，以增加冰晶尺寸和均匀性，从而降低升华干燥阶段的传质阻力，缩短升华干燥阶段的时间。但是，这类强化方法的总体效果取决于多孔固体基质与水分的结合效应。如果结合力不大，即物料的吸湿性不强，升华干燥占主导，干燥速率可以得到适当提高。反之，如果结合力较大，即物料的吸湿性较强，解吸干燥占主导，大尺寸冰晶会导致物料内部的比表面积减小，解吸干燥的阻力反而增大。因此，对于吸湿性物料，上述常规的冷冻阶段优化方法对冷冻干燥过程的强化效果十分有限，有时甚至会略微降低总的干燥速率[18-19,38-39]。

3 共溶剂的影响

在冷冻干燥过程中，通常以水为溶剂。但是，由于很多生物制品难溶于水或其水溶液不稳定，使用有机溶剂或者有机溶剂-水共溶剂引起了人们的关注，并被深入研究。Teagarden 和Baker[43]探讨了在冷冻干燥过程中使用有机溶剂的利与弊，认为使用有机溶剂或者有机溶剂-水共溶剂有利于提高产品质量和优化操作工艺，例如，可以增加固体的溶解度，提高升华干燥阶段速率，减少重组时间和改善干燥产品的稳定性。然而，与水作为溶剂相比，有机溶剂也存在着冷凝温度低、成本高和易燃的缺点，并且由于有机溶剂有一定的毒性，对其在干燥产品的残留量有着更为严格的控制[44]。因此，适用于冷冻干燥的有机溶剂应具有高凝固点、低毒性和高稳定性，最好能与水混溶。

众多有机溶剂中，叔丁醇[(CH3)3COH]作为冷冻干燥的有机溶剂最为适合。叔丁醇的凝固点为25℃，叔丁醇-水混合物的凝固点为零下几度，在现有的冷冻干燥机中都可以完全冻结。而乙醇等其他有机溶剂的凝固点一般都在零下几十度，在普通冷冻干燥机中很难将其冻结捕获，因而在实际生产中难以使用。叔丁醇的饱和蒸气压比水高，有利于提高升华速率，从而节省干燥时间。叔丁醇可以提高一些脂溶性药物在水中的溶解度，同时又可以抑制一些水溶液中不稳定药物的分解。叔丁醇毒性低，作为药用的辅料，在升华干燥阶段，大部分叔丁醇升华，在产品中残留量很低，可以安全使用[45]。Kasraian和Deluca[46]的研究表明，当采用w=5%的叔丁醇溶剂代替纯水溶剂后，蔗糖溶液的冷冻干燥过程传质阻力明显降低。如图5所示，与纯水溶剂相比，以叔丁醇为溶剂的样品呈现出明显的针状晶体结构。

图5 蔗糖水溶液冷冻干燥产品的SEM图

图6对比了升华干燥阶段中两种溶剂的蔗糖水溶液的瓶底物料温度和干燥室内水蒸气浓度变化。如图6(b)所示，在相同的操作条件下，对整个干燥过程而言，以纯水为溶剂的升华干燥时间为23.5h，而以w=5%叔丁醇为溶剂的样品干燥阶段时间为12.5h，干燥时间缩短了近50%。干燥速率的增加是由于叔丁醇为溶剂的样品冻结时形成了针状冰晶，增大了冰晶尺寸，使得升华后的孔道变大，降低了蒸汽的迁移阻力，提高了升华干燥速率。此外，由于有机溶剂的蒸气压比水高，会增加传质动力，也在一定程度上增加了升华速率[47]。进一步观察图6还可以看出，相比于纯水溶剂，使用叔丁醇共溶剂组的样品在一次干燥过程中温度更低、干燥室水蒸气浓度更高。这表明可以采用更高的干燥温度来进一步缩短干燥时间。另外，有机溶剂的升华焓要比冰晶的升华焓低，这也进一步降低了能耗。

4 软冰技术制备非饱和物料

应该指出，上述常规冷冻阶段的优化方法是将料液直接冷冻固化，得到的“饱和”冷冻物料内部几乎不存在初始孔隙，冰晶升华只能由外到内进行，并没有从根本上降低水蒸气在多孔干燥区的传质阻力[48-49]。事实上，许多研究结果表明，冷冻干燥过程中的最大传质阻力来自于水蒸气在多孔干燥区的迁移，取决于物料冷冻阶段形成的孔道大小[50-53]。为了缩短真空冷冻干燥时间、提高能量利用率，Wang 等[12]提出了“初始非饱和多孔介质冷冻干燥”的技术思想。

图6 蔗糖水溶液升华干燥阶段

软冰技术（soft ice）最早应用于冰淇淋的制作中，即通过边搅拌边冷冻的方式形成高黏度的冻结糊状物。Louis[54]指出，将软冰技术用于阿司匹林的制备过程中，可以避免乙酰水杨酸和碳酸氢钠在常温下反应，得到的糊状物便于进一步冷冻塑形，再进行冷冻干燥。冷冻干燥的产品外观品相好，有效成分高。在制备初始非饱和冷冻物料时，于凯等[55]改进了软冰技术，采用了“液氮制备冰淇淋法”，即向搅拌中的液体物料缓慢加入液氮，快速汽化的氮气均匀分散在预冷冻的料液中并使之膨胀。然后，预制的黏稠状物料放入模具中冷冻成型，再进行冷冻干燥。这样制备的冷冻物料内部具有一定的初始孔隙率，使得升华不仅发生在升华界面，也发生在冷冻区，大幅度降低了传质阻力，缩短了干燥时间[18,55-58]。

为验证这一技术思想，该团队首先以甘露醇为溶质制备了初始饱和（S0=1.00）和非饱和（S0=0.28）两种物料，在相同操作条件下（22Pa，30℃）进行冷冻干燥实验[55-56]。物料的初始质量和初始湿含量均相同。从图7(a)中可以看出，初始饱和度为0.28 的冷冻物料干燥时间为13000s，而常规饱和物料需要19000s。前者的干燥时间比后者缩短了31.6%。这证明，初始非饱和冷冻物料确实有益于液体物料的冷冻干燥过程。非饱和物料干燥产品的干基含水率为0.61%，远低于常规物料产品的4.01%[56]。这说明，非饱和物料不仅有利于升华干燥阶段自由水的迁移，也同样有利于解吸干燥阶段吸附水分的脱附。图7(b)和图7(c)分别为放大200 倍下饱和物料和非饱和物料干燥产品的扫描电镜（SEM）图。从图7(b)可以看出，常规物料的干燥产品呈现出较为致密的片状结构，孔隙排列错乱，形状不规则，水蒸气很难通过。这是由于溶液在常规冷冻过程中，温度梯度大，冰晶成核具有随机性，导致了结晶的不均匀。从图7(c)可以看出，初始非饱和多孔物料干燥产品的内部结构与常规物料的内部结构截然不同，固体骨架呈现出疏松且均匀的网状结构。对于这种物料，由于制备过程中其内部本身存在大量的初始孔隙，冰晶有足够的空间生长，对固体骨架的形成不造成影响。这说明边搅拌边冷冻的方法使得物料内部温度梯度低，结晶均匀，因此导致这种物料的干燥产品具有连续的固体骨架和孔隙空间，而且孔隙更大并分布均匀。

为验证所提方法的普适性，该团队还选用了速溶咖啡作为真实物料，初始非饱和物料的饱和度为0.20，实验结果如图8(a)所示[57]。与甘露醇溶液的结果相似，咖啡溶液的非饱和物料干燥时间比饱和物料缩短了约33.3%，有效强化了过程传质。这表明，该方法对于液体物料的冷冻干燥具有良好的普适性。对比放大5000倍的扫描电镜图8(b)和图8(c)可以看出，相比于饱和物料，非饱和物料的孔隙更大且连通性好，升华的水蒸气不但能在孔隙空间中迁移，也能从孔壁中穿过，极大提高了传质效率；而且非饱和物料的固体基质更加纤细，有利于解吸干燥阶段的湿分脱附，产品的湿含量更低。由此可见，采用软冰技术制备的非饱和冷冻物料可以同时强化升华干燥阶段和解吸干燥阶段，从而实现了冷冻干燥过程传质的最大强化。“初始非饱和多孔介质冷冻干燥”产品质量高、干燥速率快、操作简单，是一个工业上可行的技术思想。

图7 不同饱和度甘露醇水溶液的冷冻干燥曲线和扫描电镜图

5 结语

图8 不同饱和度咖啡水溶液的冷冻干燥曲线和扫描电镜图

冷冻干燥过程强化的目的是缩短干燥时间、提高能量利用率，从而降低成本，并使产品更加均匀、质量更高。为了实现这一目标，本文讨论了冷冻阶段优化的各种解决方案。控制冷冻速率、调节冰晶成核和退火处理的共同特点是：通过对物料在常规自然冷冻中或冷冻后的干预以增加冰晶尺寸和均匀性，从而降低升华干燥阶段的传质阻力。但是这类强化方法的总体效果取决于多孔固体基质与水分的结合效应。对于吸湿性物料，常规的冷冻阶段优化方法对冷冻干燥过程的强化效果十分有限，有时甚至会略微降低总的干燥速率。对于一些不溶或者难溶于水的固体基质，可以使用有机溶剂作为共溶剂。有机溶剂的存在也会产生大尺寸冰晶，而且其具有较高的蒸气压，可以增加传质驱动力。但是，有机溶剂的残留量仍然是一个值得关注的问题。

尽管上述冷冻阶段的优化方法对某些特定物料具有一定的强化效果，但并没有从根本上改变传统冷冻干燥时间长、能耗高的问题。“初始非饱和多孔介质冷冻干燥”的技术思想为解决这一问题提供了新的方案。具有一定初始孔隙的非饱和冷冻物料，其固体骨架呈现出疏松且均匀的网状结构，有利于升华干燥阶段水蒸气的迁移；并且其固体基质十分纤细，有利于解吸干燥阶段结合水的脱附。因此，初始非饱和多孔冷冻物料可以同时强化升华干燥阶段和解吸干燥阶段，大幅度缩短干燥时间。该方法是以略微增加物料冻结子过程能耗的少许代价，来换取干燥阶段中升华/解吸等3 个子过程的最大强化。该技术思想兼具传统冷冻干燥的产品质量高和初始非饱和多孔冷冻物料干燥速率快与过程消耗低的优点，对于液体物料的冷冻干燥具有良好的普适性，将对传统冷冻干燥过程产生极其深远的影响。