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冷冻喷雾干燥技术及其在三个领域的应用

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【摘要】:
​冷冻喷雾干燥技术是一种非常规干燥技术,它结合了喷雾干燥和冷冻干燥的优点。近年来在食品、医药、材料等领域得到了广泛的应用。完整的冷冻喷雾干燥设备不仅可以生产出高质量的干燥产品,还可以用来研究不同物料的干燥过程。

冷冻喷雾干燥技术是一种非常规干燥技术,它结合了喷雾干燥和冷冻干燥的优点。近年来在食品、医药、材料等领域得到了广泛的应用。完整的冷冻喷雾干燥设备不仅可以生产出高质量的干燥产品,还可以用来研究不同物料的干燥过程。

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自1948年首次应用冷冻喷雾干燥技术研究蛋白质颗粒表面积以来,Benson已经发展了70多年,并取得了一些具有代表性的研究成果。例如,1964年,Werly利用冷冻喷雾干燥技术生产亚微米粉末产品,表明冷冻喷雾干燥技术已发展到生产阶段。1989年陈祖尧等人首次采用SFD法制备了Ba-Y-Cu-O系复合氧化物超细粉体;1994年,该技术申请了欧洲专利;1998年,MAA等人首次提出用SFD技术制备蛋白质微球;2006年,实现了常压冷冻干燥代替真空冷冻干燥,降低了SFD技术的能耗。经过半个多世纪的发展,SFD技术逐渐成熟。

典型的SFD结合了喷雾技术和冷冻干燥技术,主要由低温喷雾装置和冷冻干燥装置组成。SFD工艺示意图如图1所示,一般包括三个步骤:雾化、冷冻和干燥。

(1)雾化

雾化装置用于将要干燥的液体雾化成细液滴。在喷雾过程中,低温液体泵用于将储存容器中的低温液体添加到收集容器中。

(2)冻结

在低温流体或气体(空气、液氮以上的低温氮气等)的作用下,上述液滴能迅速冷却和冻结,形成冰冻的冰粉。收集容器底部装有磁力搅拌器,连续搅拌液体,使样品均匀冻结。

(3)干燥

低温液体挥发后,利用冷冻干燥装置对冷冻粉末进行干燥,最终得到粉末干燥成品。

1、制药领域

SFD技术生产的药物具有生物活性高、溶解度好、粒径可控等特点,是医药领域研究的热点。因此,SFD技术被广泛应用于鼻腔、表皮和肺部给药。

鼻腔给药要求:鼻腔给药颗粒的空气动力学直径应为4.8~23μm;表皮给药的空气动力学直径应为40~70μm,在m范围内。表皮给药可显著提高药物的生物利用度。Heiko schiffter等研究了高胰岛素载量无针弹道药物缓释颗粒的可行性,发现SFD法制备的高胰岛素具有高稳定性,适合皮肤给药。

2、食品领域

SFD技术广泛应用于生产高活性益生菌细胞、含挥发性化合物的饮料粉、优质奶粉和其他粉状食品。由于生产过程在低温下进行,这是保护高挥发性风味化合物的有效方法。王峰等人比较了热风干燥、喷雾干燥、真空冷冻干燥和冷冻喷雾干燥干燥等干燥方法对紫山药粉制备的影响。SFD粉末可以生产出质量更高的紫色粉末。

3、材料领域

近年来,冷冻干燥法制备无机纳米粉体的应用越来越广泛。采用冷冻干燥法制备了不同粒径的纳米颗粒。大多数研究人员认为,冷冻干燥法制备的纳米粉体具有粒径均匀、纯度高、无硬团聚、比表面积大、粒径小等特点。冷冻喷雾干燥干燥是一种比米粉制备更有效的方法。

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