1.5 真空冷凍干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
凍干加工成本雖然高，但產(chǎn)品的附加值也高。與其他高新技術(shù)一樣，隨著凍干技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步成本會(huì)有所降低，同時(shí)隨著社會(huì)生活水平的提高，人們對(duì)高品質(zhì)干燥產(chǎn)品需求越來(lái)越強(qiáng)烈，凍干產(chǎn)品在市場(chǎng)上的潛力巨大，冷凍干燥技術(shù)應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。
1.5.1 凍干機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
凍干機(jī)是實(shí)現(xiàn)真空冷凍干燥過(guò)程的主要設(shè)備，設(shè)計(jì)、制造凍干機(jī)涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、制冷、真空、液壓、流體、電氣、傳熱傳質(zhì)等諸多學(xué)科的知識(shí)。目前國(guó)內(nèi)外凍干機(jī)的發(fā)展較快，設(shè)備功能已經(jīng)比較完備，其發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該體現(xiàn)在三個(gè)方面。
發(fā)展連續(xù)式的凍干設(shè)備 連續(xù)式凍干設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，在短時(shí)間內(nèi)能生產(chǎn)出大量產(chǎn)品，對(duì)于藥品、血液制品的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)非常重要，特別適合有疫情發(fā)生或備戰(zhàn)情況下，滿足市場(chǎng)需求。連續(xù)式凍干設(shè)備可以節(jié)省凍干過(guò)程的輔助時(shí)間，節(jié)省人力，節(jié)省電能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降耗、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和銷售價(jià)格。
進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)凍干設(shè)備的現(xiàn)代化 凍干設(shè)備的現(xiàn)代化，主要表現(xiàn)在程序化、自動(dòng)化、可視化；安全性、可靠性、可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、故障診斷、設(shè)備維修。科研和實(shí)驗(yàn)用凍干機(jī)要求測(cè)試功能齊全，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可信；生產(chǎn)用凍干機(jī)要求性能穩(wěn)定，保證凍干產(chǎn)品質(zhì)量。
完善凍干設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì) 凍干設(shè)備優(yōu)化的目的一是節(jié)省凍干機(jī)的制造成本，包括節(jié)省材料、加工工時(shí)、裝配工時(shí)、維修方便；二是提高設(shè)備性能，包括凍干箱內(nèi)制冷、加熱擱板的溫度均勻性，凍干箱和捕水器（冷阱）內(nèi)空間真空度的均勻性，捕水器內(nèi)冷凝管外表面結(jié)霜的均勻性；三是凍干機(jī)整體結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積合理、外表美觀大方。
1.5.2 凍干工藝的發(fā)展趨勢(shì)
凍干工藝是很復(fù)雜的技術(shù)，不同物料的凍干工藝有很大區(qū)別，生物產(chǎn)品凍干主要要求保持產(chǎn)品的活性；藥品凍干主要要求保證化學(xué)成分穩(wěn)定和保持純潔性;食品凍干主要要求營(yíng)養(yǎng)成分基本不變，并獲得良好的口感和品相；納米材料凍干除了保持材料的原有特性之外，還要求納米顆粒的均勻性。到目前為止，對(duì)于同一種物料，不同生產(chǎn)廠家采用的凍干工藝也不完全相同，生產(chǎn)成本也有區(qū)別，采用的凍干保護(hù)劑、添加劑、賦形劑等也不一樣，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量也有區(qū)別。最近凍干工藝的研究還呈現(xiàn)出以下幾方面趨勢(shì)。
凍干技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)合 凍干技術(shù)與其他技術(shù)組合使用，是為了提高干燥效率，低加工成本。例如以高菜為試材，進(jìn)行單一冷凍干燥和熱風(fēng)—真空冷凍聯(lián)合干燥對(duì)比，究對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)和能耗的影響，結(jié)果表明，在產(chǎn)品無(wú)明顯品質(zhì)差異的前提下，先進(jìn)行20h冷干燥再進(jìn)行1h熱風(fēng)干燥的聯(lián)合干燥工藝，比單一冷凍干燥工藝能耗降低約 30%。在保證品品質(zhì)滿足需求的前提下，熱風(fēng)、微波、超聲、紅外等技術(shù)與冷凍干燥技術(shù)聯(lián)合使用，是縮短加工工期、降低加工成本的一個(gè)發(fā)展方向。
物料預(yù)處理技術(shù)不斷創(chuàng)新 冷凍干燥技術(shù)工期長(zhǎng)、能耗高，其很大一部分原因是凍結(jié)物料中的冰升華過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)、能耗高，升華干燥階段消耗的能量往往占總能耗的45%或看更多。所以在進(jìn)行凍干前，對(duì)物料預(yù)處理，降低物料中含水量、增大蒸發(fā)表面積、減小蒸發(fā)阻力的技術(shù)都成為人們熱衷的手段，預(yù)處理技術(shù)也不斷創(chuàng)新。包括：將物料改型（粉碎、切片、穿孔等），從而增大蒸發(fā)面積并縮小干燥階段水分子在已干層的遷移路程；高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理物料，將果蔬細(xì)胞可逆擊穿，從而增加細(xì)胞膜通透性，減小傳質(zhì)阻力，在物料組織結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞的前提下，提高水分子升華速度；將生物組織物料浸入高濃度溶液中，利用細(xì)胞膜的半透性進(jìn)行滲透脫水預(yù)處理，以減少凍干時(shí)物料中的水分含量，縮短干燥間。實(shí)踐中可以根據(jù)不同的物料和對(duì)干燥產(chǎn)品品質(zhì)的需求，選擇合適的預(yù)處理方法。
凍結(jié)和加熱方式多樣化 真空冷凍干燥技術(shù)主要由凍結(jié)物料和真空干燥（包括升華和解析干燥）兩部分構(gòu)成，前者需要通過(guò)制冷將物料凍結(jié)成固體，后者需要加熱。凍干技術(shù)發(fā)展到今天，凍結(jié)方式早已不限于凍干箱內(nèi)擱板制冷凍結(jié)和冷凍裝置內(nèi)制冷介質(zhì)制冷凍結(jié)。根據(jù)物料的性質(zhì)和凍干工藝對(duì)凍干速度的需求，還可以選擇一些快速的凍結(jié)方式，如：噴霧凍結(jié)、液氮凍結(jié)、真空蒸發(fā)凍結(jié)等。同時(shí)加熱方式也不限于凍干箱內(nèi)下擱板傳導(dǎo)加熱的方式，上擱板輻射加熱、微波和紅外輻射加熱等方式也常常被引入凍干技術(shù)中，更有循環(huán)壓力法中的氣體熱交換加熱方式。在實(shí)踐中宜根據(jù)物料的性質(zhì)、凍干工藝的要求以及凍干設(shè)備的性能，綜合考慮選擇合適的凍結(jié)方法和加熱方式。
1.5.3 凍干理論研究的發(fā)展趨勢(shì)
冷凍干燥過(guò)程包括冷凍、升華干燥和解吸干燥三個(gè)階段，這三個(gè)階段中每個(gè)階段都包含復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。凍干理論研究實(shí)際上就是研究每個(gè)階段的傳熱傳質(zhì)特性和控制、強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)速率的方法。理論研究不僅可以指導(dǎo)工藝試驗(yàn)，優(yōu)化凍干工藝，減少新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且還有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，改進(jìn)凍干設(shè)備結(jié)構(gòu)和性能。凍干過(guò)程傳熱傳質(zhì)理論研究發(fā)展趨勢(shì)可以分為以下幾個(gè)方面。
（1）由穩(wěn)態(tài)向非穩(wěn)態(tài)方向發(fā)展 凍干過(guò)程中，干燥箱中升華界面處的固氣相變和冷凝器上的氣固相變都是非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，凍干機(jī)內(nèi)氣體和水蒸氣的流動(dòng)也是非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。假定它們是穩(wěn)態(tài)過(guò)程建立的模型與實(shí)際情況可能會(huì)有很大的差別，要想建立精確的凍干模型，就必須考慮這些非穩(wěn)態(tài)因素的影響。從國(guó)外研究進(jìn)展可以看出，凍干模型已經(jīng)由一維穩(wěn)態(tài)向多維非穩(wěn)態(tài)形式轉(zhuǎn)化，較傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型精確。但是這些模型還是假設(shè)物料內(nèi)部是處于平衡狀態(tài)的。所以這些模型對(duì)于描述液態(tài)產(chǎn)品和均質(zhì)的、尺寸單一的固態(tài)產(chǎn)品是比較精確的，對(duì)于細(xì)胞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀尺寸復(fù)雜的生物材料來(lái)說(shuō)，還是不適用的。目前研究生物材料凍干過(guò)程保存細(xì)胞活性傳熱傳質(zhì)理論的人不多，鄒惠芬等建立的角膜在凍干過(guò)程的傳熱傳質(zhì)模型是二維非穩(wěn)態(tài)模型，也是假定角膜內(nèi)部是均質(zhì)的，有均一的熱導(dǎo)率、密度和比熱容，表面和界面溫度保持不變，沒(méi)有考慮角膜尺寸的變化。因此，以后的研究應(yīng)該盡可能向多維非穩(wěn)態(tài)方向發(fā)展，應(yīng)該考慮到溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的非穩(wěn)態(tài)特性和相變問(wèn)題，應(yīng)使模型更精確，更符合實(shí)際情況。
為解決這些問(wèn)題，可將一些研究非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)的先進(jìn)理論引用到凍干過(guò)程的傳熱傳質(zhì)理論研究中來(lái)。比如：2003年Lin提出非平衡相變統(tǒng)一理論證明，傳遞到相變界面處的熱量一部分作為相變潛熱引起相變，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵夂透稍锘旌蠚怏w的動(dòng)量和能量，在有些情況下，不用于相變的這部分熱量顯得非常重要。凍干過(guò)程中，升華界面和冷凝管上都有相變。要想建立準(zhǔn)確的凍干模型，這些因素也應(yīng)該考慮進(jìn)去。另外，Bird等在20世紀(jì)60年代提出的直接模擬蒙特卡羅DSMC（direct simulation monte carlo）方法也是研究非穩(wěn)態(tài)熱質(zhì)傳遞的一種方法，1998年Nance 等證明，該方法對(duì)于研究稀薄氣體的流動(dòng)傳熱問(wèn)題是一種強(qiáng)有力的工具。2004年賀群武等用 DSMC方法在給定進(jìn)出口壓力邊界條件下，計(jì)算研究了壁面溫度與流體入口溫度不同時(shí)，二維 Poiseume微通道內(nèi)氣體壓力、溫度和分子數(shù)密度分布規(guī)律。當(dāng)壁面溫度高于流體入口溫度時(shí)，氣體與壁面在通道進(jìn)出口處均存在溫差，但其發(fā)生機(jī)理不同；氣體進(jìn)入通道后壓力迅速上升到達(dá)峰值，然后再沿程降低，沿程壓力偏離線性分布最大值位于入口的x/L=0.05處；氣體可壓縮性與稀薄性均得到增強(qiáng)，但壓力沿程分布非線性程度增加。凍干過(guò)程正是稀薄氣體在各種通道內(nèi)的流動(dòng)傳熱問(wèn)題，因此，可把DSMC法引用到凍干過(guò)程的研究中來(lái)，建立比較精確地描述凍干過(guò)程非穩(wěn)態(tài)熱質(zhì)傳遞的模型。
（2）由宏觀向介觀方向發(fā)展 在宏觀領(lǐng)域與微觀領(lǐng)域之間，存在著一個(gè)近年來(lái)才引起人們較大興趣的介觀領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域里出現(xiàn)了許多奇異的嶄新的物理性能。介觀領(lǐng)域的傳熱無(wú)法用宏觀領(lǐng)域的熱力學(xué)定律描述，也不能用微觀領(lǐng)域的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)描述。微尺度效應(yīng)很快深入到科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，凍干領(lǐng)域當(dāng)然也不例外，再加上凍干物料種類的不斷增加，如人體組織器官需要保存保持活性，有必要研究細(xì)胞間的熱質(zhì)傳遞，凍干法制備金屬化合物納米粉、藥用粉針制劑、粉霧吸入劑等，有必要研究?jī)龈蛇^(guò)程中微尺度熱質(zhì)傳遞。
然而，目前已經(jīng)建立的凍干模型大都是研究宏觀參數(shù)及生物材料凍干過(guò)程中保持細(xì)胞活性傳熱傳質(zhì)模型的，還沒(méi)有考慮生物材料細(xì)胞之間熱質(zhì)傳遞的復(fù)雜性以及生物細(xì)胞膜本身是半透膜這一特性，這很可能是保持細(xì)胞活性最關(guān)鍵的一個(gè)因素。不僅宏觀參數(shù)會(huì)影響凍干過(guò)程的熱質(zhì)傳遞，產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)及微尺度下的超常傳熱傳質(zhì)也都有可能是影響凍干速率及凍干產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。例如凍干生物材料（特別是要求保持生物細(xì)胞的活性時(shí)）凍結(jié)和干燥過(guò)程，生物體內(nèi)已凍結(jié)層和未凍結(jié)層，已干層和未干層中的微尺度熱質(zhì)傳遞過(guò)程常常會(huì)涉及一系列復(fù)雜因素，如細(xì)胞液組分、溶液飽和度及DNA鏈長(zhǎng)、蛋白質(zhì)性能、細(xì)胞周期、細(xì)胞熱耐受性、分子馬達(dá)的熱驅(qū)動(dòng)、細(xì)胞膜的通透性等一系列化學(xué)和物理因素，這些因素都有可能影響細(xì)胞的活性。其中，最重要、也最易受到溫度影響（損害）的部位是細(xì)胞膜，其典型厚度為10nm。細(xì)胞膜的功能是將細(xì)胞內(nèi)、外環(huán)境分開(kāi)，并調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境之間的物質(zhì)運(yùn)輸。細(xì)胞的脂雙層膜主要是一個(gè)半透膜，它含有離子通道及其他用以輔助細(xì)胞內(nèi)外溶液輸送的蛋白質(zhì)。長(zhǎng)期以來(lái)人們采用各種各樣的途徑，如低溫掃描電鏡、X射線衍射以及數(shù)學(xué)模擬等方法，對(duì)發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)外的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了研究，但迄今對(duì)此機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍嚴(yán)重匱乏。目前重要的是，需要發(fā)展一定的工程方法來(lái)評(píng)價(jià)和檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)和信息的傳輸過(guò)程，了解其傳輸機(jī)理，這樣才有可能真正揭示凍干過(guò)程的傳熱傳質(zhì)機(jī)理，建立凍干過(guò)程微尺度生物傳熱傳質(zhì)模型，各種生物組織和器官的凍干就會(huì)比較容易。凍干產(chǎn)品在質(zhì)量和數(shù)量上都將會(huì)有非常大的飛躍。
要研究?jī)龈蛇^(guò)程微尺度生物傳熱傳質(zhì)應(yīng)該試圖從以下幾方面著手∶
①將先進(jìn)的探索微觀世界的透射電鏡、掃描電鏡和原子力顯微鏡應(yīng)用到凍干過(guò)程監(jiān)控中來(lái)；
②從細(xì)胞和分子水平上揭示熱損傷和凍傷的物理機(jī)制；
③建立各類微尺度生物熱參數(shù)的測(cè)量方法并實(shí)現(xiàn)其儀器化；
④建立微尺度生物傳熱傳質(zhì)模型；
⑤將上述微尺度傳熱傳質(zhì)模型與凍干過(guò)程的宏觀熱質(zhì)傳輸模型結(jié)合，建立凍干過(guò)程（即低溫低壓條件下）微尺度傳熱傳質(zhì)模型。
（3）由常規(guī)向超常規(guī)方向發(fā)展 劉登瀛等已用試驗(yàn)驗(yàn)證了在一定加熱條件下多孔材料內(nèi)存在非Fourier導(dǎo)熱效應(yīng)、非Fick擴(kuò)散效應(yīng)的存在，提出了對(duì)多數(shù)干燥過(guò)程均應(yīng)考慮非Fourie效應(yīng)，在凍干過(guò)程的升華干燥階段，已干層中的熱質(zhì)傳遞正是多孔介質(zhì)內(nèi)的熱質(zhì)傳遞過(guò)程，但就目前建立的凍干模型而言還沒(méi)有考慮產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，更沒(méi)有考慮產(chǎn)品內(nèi)部超常熱質(zhì)傳遞。對(duì)于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的生物材料來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部細(xì)胞與細(xì)胞之間的熱質(zhì)傳遞本身是微尺度熱質(zhì)傳遞過(guò)程，再加上又是在低溫低壓下，很可能存在一些奇異的非Fourier效應(yīng)、非 Fick 效應(yīng)等。若用常規(guī)的熱質(zhì)傳遞規(guī)律建立這些物料凍干過(guò)程的傳熱傳質(zhì)模型，很可能會(huì)與實(shí)際情況相差太遠(yuǎn)。因此，有必要研究?jī)龈蛇^(guò)程超常傳熱傳質(zhì)，建立凍干過(guò)程的超常傳熱傳質(zhì)模型，這樣凍干生物材料保持細(xì)胞活性的研究才有一定的理論基礎(chǔ)。
（4）由分立向協(xié)同方向發(fā)展 凍干過(guò)程實(shí)際上是低溫低壓條件下傳熱傳質(zhì)耦合過(guò)程，是多種因素協(xié)同作用的結(jié)果。可是當(dāng)前的研究者大都在研究某一因素，例如溫度或壓力對(duì)干燥過(guò)程的影響，或者研究它們的共同影響，卻沒(méi)有把各種因素協(xié)同起來(lái)研究，尋求最優(yōu)的凍干工藝。過(guò)增元院士提出的傳遞過(guò)程強(qiáng)化和控制的新理論—場(chǎng)協(xié)同理論指出∶在任何傳遞過(guò)程中至少有一種物理場(chǎng)（強(qiáng)度量或強(qiáng)度量梯度）存在，另一方面，任何傳遞過(guò)程都不可能是孤立進(jìn)行的，不論在體系內(nèi)部還是在體系和外界之間，必同時(shí)伴有其他變化的發(fā)生。也是說(shuō)一種場(chǎng)可能引起多種傳遞過(guò)程，反之多種場(chǎng)也可能引起同一種傳遞過(guò)程。例如，對(duì)流換熱過(guò)程受溫度場(chǎng)和質(zhì)流場(chǎng)相互作用的影響，而在萃取分離過(guò)程中至少存在有化學(xué)勢(shì)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、重力場(chǎng)和質(zhì)流場(chǎng)之間的相互作用。因此，對(duì)于任何一個(gè)傳遞過(guò)程，無(wú)論在體系內(nèi)還是體系外，都可以人為地安排若干種“場(chǎng)”來(lái)影響它。通過(guò)不同場(chǎng)之間的恰當(dāng)配合和相互作用目的過(guò)程得到強(qiáng)化，稱為"場(chǎng)協(xié)同"。凍干過(guò)程中至少存在有溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、質(zhì)流場(chǎng)之相互作用。1974年，Mellor 討論了凍干過(guò)程中壓力對(duì)熱質(zhì)傳遞的影響，認(rèn)為壓力的影是雙重的，循環(huán)壓力法可提高升華速率，這其實(shí)就是在用比較簡(jiǎn)單的方法尋求壓力場(chǎng)、溫子和質(zhì)流場(chǎng)之間的協(xié)同，但沒(méi)有建立描述這種過(guò)程的模型，無(wú)定量描述。利用場(chǎng)協(xié)同理論我壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和質(zhì)流場(chǎng)之間的更恰當(dāng)?shù)呐浜虾拖嗷プ饔?，?qiáng)化凍干過(guò)程中的熱質(zhì)傳是。提高升華速率。
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