噴霧冷凍干燥技術屬于一種非常規(guī)干燥技術，結合了噴霧干燥和冷凍干燥的優(yōu)點，起初應用于產品價值較高的生物醫(yī)藥產業(yè)，近幾年在食品、醫(yī)藥、材料等領域都有了廣泛的應用。

隨著應用的推廣，對設備的要求也越來越高，但是噴霧冷凍干燥設備目前還主要停留在實驗室，可用于工業(yè)生產的中試型和大型設備發(fā)展較慢，在一定程度上限制了噴霧冷凍干燥技術的發(fā)展。功能齊全的噴霧冷凍干燥設備不僅能夠生產出質量高的干燥產品，還能夠用于研究不同物料的干燥工藝。

近幾年研制噴霧冷凍干燥設備和研究其理論的專家學者也越來越多，下面從介紹噴霧冷凍干燥原理特點及其應用領域出發(fā)，重點介紹近幾年國內外噴霧冷凍干燥設備的研制現(xiàn)狀，探討噴霧冷凍干燥技術今后的發(fā)展方向。

1 基本原理與特點

噴霧冷凍干燥技術主要分為三個步驟：物料霧化階段、霧化物料凍結階段和冷凍干燥階段。物料霧化階段是液態(tài)物料經過霧化器將物料霧化為微小的液滴，主要目的是增大液態(tài)物料的表面積，加強后一階段的傳熱和傳質速率；霧化物料凍結階段是霧化后的微小液滴經過冷介質區(qū)域，并與冷介質充分接觸，實現(xiàn)物料在短時間內迅速凍結到物料共晶點溫度以下形成小冰粒；冷凍干燥階段是凍結后的小冰粒進行真空冷凍干燥。

噴霧冷凍干燥是真空冷凍干燥和噴霧干燥技術的結合，既具有真空冷凍干燥技術生產的產品生物活性高、營養(yǎng)物質保存較完整等優(yōu)點。相比真空冷凍干燥技術，制得的粉狀產品粒徑更小、所需凍結時間和干燥時間更短，；相比噴霧干燥技術制得的粉狀成品多孔性、生物活性更高、產品質量更好。

2 噴霧冷凍干燥技術應用現(xiàn)狀

2.1 醫(yī)藥領域

采用噴霧冷凍干燥技術生產的藥品具有生物活性高、溶性好、粒徑可控等特點，而這些特點正是醫(yī)藥領域研究學者研究的重點，因此噴霧冷凍干燥技術在醫(yī)藥領域有廣泛的應用。

噴霧冷凍干燥技術被廣泛研究用于鼻腔、表皮、和肺部給藥等[2]。鼻腔給藥要求對于鼻腔給藥顆粒的空氣動力學直徑應為4.8-23μm；而對于表皮給藥，空氣動力學直徑應在40-70μm范圍內[3]。表皮給藥能明顯提高藥物生物利用度[4]。Fei Yin等人[5]使用超聲噴霧冷凍干燥技術制備了rhEGF脂質體干粉并與常規(guī)凍干法制備的rhEGF脂質體干粉進行了對比。超聲噴霧冷凍干燥有效地避免了脂質體干燥過程中冰晶的形成、雙層結構的破壞和藥物的滲漏，保持了rhEGF脂質體制劑在貯存過程中的穩(wěn)定性。超聲噴霧冷凍干燥粉末制備的重組rhEGF脂質體與干燥前相比，在形貌、粒徑、包封率、體外釋放特性等方面均無明顯變化，在小鼠離體皮膚中的滲透性顯著增強。Heiko Schiffter等人[6]研究了高胰島素載藥量無針彈道藥物緩釋微粒的可行性，發(fā)現(xiàn)噴霧冷凍干燥法制備的高胰島素具有很高的穩(wěn)定性，適用于皮膚給藥。

肺部給藥是一種無創(chuàng)性的給藥途徑，這種方法在治療呼吸系統(tǒng)疾病中起著至關重要的作用。肺部給藥需要具備以下的特性，顆粒粒徑分布在1-5μm時最易于人體吸收[7]，藥物需要具有良好的溶解性和生物活性。噴霧冷凍干燥技術制備藥物能很好的保存藥品的生物活性并且具有較好的溶解性。J.Y. Her等[8]使用噴霧冷凍干燥法制備了優(yōu)化的卡那霉素，該工藝制備的抗菌藥物的氣動粒徑約為3.58μm，抗菌活性為95.7%～98.4%。顆粒的高孔隙率很明顯，更適合用于肺部給藥。Poursina等人[9]制備鮭魚降鈣素，一種用于治療骨質疏松癥的激素，使用雙液噴嘴SFD技術進行治療。顆粒形態(tài)呈高度多孔球形，可用于藥物的肺部給藥。

2.2 食品領域

噴霧冷凍干燥技術被廣泛應用于生產高活性益生菌細胞、具有揮發(fā)性化合物的飲料粉、高質量奶粉及其他粉類食品，由于生產過程在低溫下進行，是保護高揮發(fā)風味化合物的一種有效方法[10]。

Fan Zhang等人[11]對全脂牛奶進行噴霧冷凍干燥實驗得到的奶粉粉體具有高孔結構，并且在實驗中加入了惰性粒子能有效地縮短干燥時間。王鋒等人[12]對比了熱風干燥、噴霧干燥,真空冷凍干燥和噴霧冷凍干燥等干燥方式對紫淮山制備粉體的影響，噴霧冷凍干燥制粉能夠得到綜合品質更高的紫淮山全粉。Priyanka Dolly等人[13]使用SFD方法制備微膠囊化植物乳桿菌粉并對比了冷凍干燥法和噴霧干燥法制備的微膠囊化植物乳桿菌粉，噴霧冷凍干燥法制備的微膠囊化植物乳桿菌粉具有更高生物活性、更好的復水能力，并且顆粒幾乎呈球形，更易人體吸收。車馨子[14]等人使用噴霧冷凍干燥法制備魚油微膠囊產品，通過噴霧冷凍干燥法制備魚油微膠囊顆粒粒徑集中分布在117.13~200.06μm，并對比了噴霧干燥制備的魚油微膠囊產品證明了噴霧冷凍干燥制得的魚油微膠囊質量更優(yōu)。曹琳[15]等人使用真空噴霧冷凍干燥法將冰葡萄渣中提取的釀酒酵母制得冰酒專用發(fā)酵菌劑，該菌劑較常規(guī)方法制得的菌劑性能較優(yōu)，更適用于冰酒釀造。

雖然噴霧冷凍干燥技術在食品領域有已有廣泛研究，但噴霧冷凍干燥技術屬于高耗能產業(yè)，食品行業(yè)產業(yè)化生產成本相對較高。隨著社會不斷進步發(fā)展，人民生活水平不斷提高，該技術在食品領域的應用也將越來越廣。因此中大型噴霧冷凍干燥設備研制速度也在加快，今后幾十年中大型噴霧冷凍干燥設備將會是該領域研究的重點，旨在實現(xiàn)降低產業(yè)成本，將噴霧冷凍干燥技術廣泛應用于食品產業(yè)。

2.3 材料領域

近幾年，凍干法制備無機納米粉的應用越來越廣[16-22]，大量研究者根據(jù)不同應用場合，采用不同方法獲得前軀體，利用凍干法制備出了不同粒徑的納米粒子,研究者大都得出凍干法制備的納米粉粒徑均勻，純度高，無硬團聚，比表面積大，粒徑小等特性，噴霧冷凍干燥較傳統(tǒng)冷凍干燥是在制備納米粉體方面是更行之有效的一種方法[23-27]。噴霧冷凍干燥法制備的納米粉，粒徑大小不同，從幾納米到幾十納米甚至幾百納米都有，造成粒徑不同的原因一方面與樣品本來形態(tài)和前驅期的制備方法有關，目前大部分研究集中在這方面；另一方面是與噴霧冷凍干燥過程中凍結速率、最終凍結溫度等工藝參數(shù)有關，近年來這方面引起了研究學者的注意，但成果相對較少。

Bala P. C.等人[28]以16nm的初生粒徑氧化釔穩(wěn)定氧化鋯納米粉體懸浮液進行噴霧冷凍干燥，研究凍結過程對粉體的影響。結果表明噴霧冷凍干燥后的納米粉體，具有更好的流動性和多孔結構。Mohamed等人[29]采用噴霧冷凍干燥方法制備出具有高流動性的快速溶解、球形和多孔納米聚合物和脂質納米微粒，有效提高了膠體納米粒子長期穩(wěn)定性。Ha-Neul Kim等人[30]將微流體化和SFD方法相結合，成功地制備了透明MgAl2O4陶瓷并確定了SFD顆粒制備透明MgAl2O4的工藝條件，解決了壓實坯體的內部缺陷問題，使得壓實坯體內部結構更加均勻。Bing Huang等人[31]采用冷凍干燥技術首次合成了不同單元尺寸的FOX-7三維網格納米結構。通過控制微FOX-7的水溶液濃度，可以調節(jié)FOX-7納米結構的尺寸，所合成的納米結構具有尺寸依賴性的熱物性。這一簡單的合成策略為其他水溶性有機分子的納米結構的制備提供了一種通用的方法。

3 噴霧冷凍干燥設備發(fā)展現(xiàn)狀

在噴霧冷凍干燥技術發(fā)展之初，并沒有專業(yè)化的設備，研究人員都是噴霧干燥的基礎上增加冷凍源，從而得到一個簡易的噴霧冷凍設備。如徐瑩等人就是使用這種簡易設備制備一些霧化藥品，簡易設備構造如圖1所示[32]。圖1中的冷凍介質即為液氮，其他研究人員為噴霧凍干不同的物料將冷凍源進行替換，得到針對不同物質的特殊冷凍源噴霧干燥設備。如：Briggs等使用含氯氟烴（CFC）或者碳氟化合物作為冷卻劑，Buxton等使用鹵化碳液體作為冷凍源[33]。簡易噴霧冷凍干燥設備現(xiàn)在已無法滿足大部分研究人員實驗室的研究使用，噴霧冷凍設備的研制一直是噴霧冷凍干燥的重點難點。經過多年發(fā)展噴霧冷凍干燥設備已有長足的發(fā)展，雖然還未有成熟的噴霧冷凍干燥設備上市，但很多實驗室都研制出可以自己的實驗型噴霧冷凍干燥設備，而且很多專家學者提出了中大型噴霧冷凍干燥設備方案。

◆ 圖1 簡易噴霧冷凍設備示意圖

3.1 實驗型噴霧冷凍干燥設備發(fā)展現(xiàn)狀

FINLAY[34]等人對申請的專利進行了描述：物料通過霧化噴嘴噴射，同時在噴霧凍結室或氣套中直接霧化后與過冷氣體或液氮換熱凍結，這些顆粒在帶有出口過濾器的下游流體中，繼續(xù)被凍干，從而去除被困在凍結顆粒上或內部的水分，圖2為設備示意圖。

◆ 圖2 噴霧冷凍干燥設備

Borges Sebastiao等人[35]的關于“常壓噴霧凍干數(shù)值模擬與實驗結果的比較”一文中使用的常壓噴霧冷凍干燥裝置，可以進行常壓噴霧冷凍干燥，但是這些裝置噴霧冷凍過程都是在干燥室外面進行，無法進行原位冷凍，物料凍結后的移動過程會造成二次污染，設備如圖3所示。

◆ 圖3 Borges常壓噴霧冷凍干燥裝置

彭潤玲[36]團隊在實驗型凍干機上改制的一種圖4所示的噴霧冷凍干燥機，使該凍干機不僅可進行冷凍干燥實驗，還可進行噴霧干燥、噴霧冷凍干燥、真空噴霧自凍結干燥等多種干燥實驗。采用雙噴霧結構以液氮為冷凍介質可以進行對噴等操作，可操作性高，凍結速率快，凍結速率可控，數(shù)分鐘內凍結最終溫度可達-80以下。但是噴霧凍結過程凍結速率不太均勻，仍需要進一步改進。

◆ 圖4 一種實驗型噴霧冷凍干燥機

上海的雅程儀器公司經過多年努力研發(fā)出的第一代真空低溫噴霧干燥機YC-2000型和噴霧冷凍干燥機YC-3000，這兩個設備的成功研制，打破了國外對該項技術和設備的限制，在國內起到了極大地推動作用[37]。圖5為YC-3000 的設備實物圖。蘇小軍[38]等人利用已經研發(fā)成功的YC-3000型噴霧冷凍干燥機生產了紫淮山全粉，優(yōu)化了紫淮山全粉噴霧冷凍干燥工藝。由于該設備采用制冷壓縮機降溫制冷，降溫范圍小，降溫速度慢。

◆ 圖5 雅程公司噴霧冷凍干燥設備

3.2 中大型噴霧冷凍干燥設備發(fā)展現(xiàn)狀

吳鐸[39]等人發(fā)明了一種實驗室與工廠均可使用的噴霧冷凍研發(fā)設備，設備結構如圖6所示。優(yōu)點在于控制精確；以空氣作為冷凍介質無需另外添加冷凍介質；控制系統(tǒng)比較完善。缺點在于：由于沒有冷凍介質能耗較大并且空氣可能會對物料造成一定的污染；設備相對實驗型設備較為復雜；且只有冷凍過程無法完成干燥過程，需要將物料移至其他設備進行干燥，轉移過程可能造成物料溫度到共晶點以上。

◆ 圖6 噴霧冷凍設備平面結構示意圖

鄭曉東發(fā)明了一種多噴頭噴霧冷凍干燥設備，圖7為該設備示意圖，該設備噴霧凍干過程發(fā)生在真空環(huán)境下，能有效的加快物料凍結[40]。凍結一定量物料后將物料傳送至干燥腔內，干燥室內有攪拌裝置一定程度上加快干燥時間，改善加熱的均勻性。該設備雖然在一定程度上實現(xiàn)了自動化噴霧干燥生產，但仍有許多不足之處。每次干燥物料的數(shù)量相對較少，凍結過程與干燥過程無法同時實現(xiàn)。為了克服這些問題鄭曉東對設備進行了改進，如圖8將原來的干燥腔去除，凍干腔和干燥腔相結合。在凍干腔下部的漏斗型位置進行干燥操作，在此加裝了攪拌機構，一定程度上改善干燥過程傳熱不均勻，同時能提供部分干燥所需的能量[41]。上述兩個設備設計巧妙，較為合理。但有部分物料無法被攪拌裝置攪拌造成傳熱不均勻，同時攪拌裝置需要外置動力將涉及動密封裝置，加大了設備實現(xiàn)的難度，也很難推廣應用。

◆ 圖7 全自動密閉式噴霧凍干生產設備的結構示意圖

◆ 圖8 真空噴霧冷凍干燥設備結構示意圖

王海歐等人發(fā)明了一種連續(xù)型的噴霧冷凍干燥設備，設備結構示意如圖9所示[42]。該設備將凍結室抽真空利用真空水分蒸發(fā)吸熱的原理降低溫度凍結物料，并且在凍結室的下方連接傳送帶，凍結的物料落在傳送帶上經過加熱干燥區(qū)進行干燥。該設備實現(xiàn)了連續(xù)型噴霧冷凍干燥，為工業(yè)化生產提供了新思路。但是由于真空冷凍干燥效率較低在工業(yè)化連續(xù)生產仍需進一步的改進。該設備使用無菌水在真空環(huán)境下升華吸熱降溫，效率相對液氮等具有冷凍介質的設備仍然較低，且容易造成物料沒有完全凍結。

◆ 圖9 一種連續(xù)式真空噴霧冷凍干燥設備

蘇偉光[43]等將噴霧冷凍與流化床干燥結合的自動化噴霧冷凍干燥設備，設備結構示意如圖10所示。該設備結合冷凍濃縮、噴霧冷凍造粒、流化床常壓冷凍干燥等技術，相較其他干燥形式具有干燥時間短、產量高、無需更換干燥環(huán)境等優(yōu)點。使用空氣做冷凍介質可能會污染干燥物料。冷凍濃縮過程溫度不能過低造成物料提前凍結。流化床干燥屬于常壓干燥，相較于真空干燥的效率較低且耗能較大，如果能將流化床干燥與真空干燥結合將可有效解決這個問題。

◆ 圖10 冷凍濃縮噴霧干燥裝置結構示意圖

A?甘古利等人在專利中提出在干燥過程使用攪拌干燥與電介質加熱等方式結合的噴霧冷凍干燥設備，設備結構如圖11所示[44]。特點在于真空干燥室有一系列傾斜布置的物料隔板，將通過隔板振動保持均勻加熱、防止凝聚以及物料轉移。該設備在凍結室與干燥室之間以閥門密封，保持干燥室的真空度。多個干燥容器將有效的提高干燥效率，增加產量。冷凍干燥過程屬于半連續(xù)性，這將是工業(yè)化生產發(fā)展的重要發(fā)展方向。

◆ 圖11 多干燥腔噴霧冷凍干燥設備結構圖

倉懷興[45]等人發(fā)明了一種液氮噴霧冷凍造粒真空干燥裝置，裝置結構如圖12所示。物料溶液和液氮共噴實時迅速凍結后物料堆積在噴霧室的可折疊的加熱篩網上，有效的增大了水升華表面積同時顆粒間的空隙也為水分的溢出提供通道，有效的加快物料干燥速率。但是設備仍屬于非連續(xù)性干燥設備，產品生產效率較低，也很難滿足工業(yè)化生產的需要。

◆ 圖12 液氮噴霧冷凍造粒真空干燥裝置結構示意圖

李梅青[46]等人發(fā)明的噴霧冷凍干燥機一定程度上解決了噴霧凍結、真空干燥連續(xù)連續(xù)性的問題，設備結構如圖13所示。緩沖腔收集噴霧凍結的物料使得噴霧凍結與真空干燥在一個設備內進行。由于真空干燥時間較長導致該設備的生產屬于半連續(xù)性，生產效率相對較低。該發(fā)明直接使用液氮為傳熱介質，無法與物料充分接觸導致熱交換效率不高，生產成本有所提升，限制了設備的工業(yè)化生產。開發(fā)連續(xù)性生產噴霧冷凍干燥設備，提高生產效率，降低生產成本將是噴霧冷凍干燥設備今后研發(fā)的重點。

◆ 圖13 一種噴霧冷凍升華干燥機機構示意圖

李占勇[47]等人發(fā)明的一體化式的噴霧冷凍干燥設備，設備結構如圖14所示。該設備采用與流化床結合的噴霧冷凍干燥，在流化床床身內進行噴霧凍結等操作，具有操作簡單，連續(xù)性好等優(yōu)點。采用夾層制冷劑為惰性粒子降溫使得噴霧液體物料噴覆凍結于圓形流化粒子上。惰性粒子在流化床內流動進行干燥，操作過程一體化較高，但是仍具有無法進行連續(xù)化生產，耗能較高，干燥時間長等缺點。

◆ 圖14 一種惰性粒子噴霧冷凍干燥設備

4 結語

近幾年噴霧冷凍干燥技術在各領域的研究逐漸增多，在工業(yè)化生產方面具有很大的發(fā)展空間。噴霧冷凍干燥設備處在實驗研究階段，缺乏針對單一或多種產品的中大型設備，是阻礙大規(guī)模工業(yè)化生產的重要因素。噴霧冷凍干燥技術的發(fā)展趨勢：噴霧冷凍干燥技術的應用從高價值藥品逐步發(fā)展到材料、食品等領域，在擁有廣大應用空間的食品領域有很大的潛力；依托噴霧冷凍干燥過程理論研究研制中大型各類噴霧冷凍干燥設備將是今后噴霧冷凍干燥設備研制的重點，可實現(xiàn)工業(yè)化生產的大型噴霧冷凍干燥設備將是今后發(fā)展趨勢。

原文首發(fā)于《真空》雜志2022年第2期

原文標題：噴霧冷凍干燥技術與設備發(fā)展現(xiàn)狀

本文作者：楊杰，彭潤玲，郭俊德，王鵬，尹沙沙

作者單位：西安工業(yè)大學機電工程學院

文章編號：1002-0322（2022）02-0072-09

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