真空冷冻干燥技术的应用

真空冷冻干燥技术的应用

　　真空冷冻干燥技术的应用【1】

　　摘要：简要介绍真空冷冻干燥技术的原理、操作步骤和特点，对真空冷冻干燥技术在医药工业、食品工业、生物材料和新材料方面的应用与发展状况作一综述。

　　关键词：真空冷冻干燥;食品工业;医药工业;生物材料;新材料

　　真空冷冻干燥技术是将真空、冷冻和干燥相结合的综合性技术，涉及多学科领域，如真空、传热传质、流体力学、制冷、自动控制、生物工程等。

　　真空冷冻干燥是干燥领域中设备最复杂，能耗最大，干燥成本最高的一种方法，与传统热风干燥后的物料相比技术特点如下[1，2] ：(1)由于物料是在低于水的三相点压力(610.5 Pa)以下干燥，相应的相平衡温度低，且处于高度缺氧状态。

　　因此适用于干燥极为热敏和极易氧化的物料，可保留新鲜物料中的大部分营养物质和有效成分;(2)物料在冻结时形成稳定的固体骨架，水分升华后固体骨架基本保持原有形状，且多孔结构的制品具有极好的速溶性、复水性和复水率;(3)真空冷冻干燥可以除去物料中95%以上的水分，使产品能在室温或较高的温度下长期保存，且质量轻、易运输。

　　真空冷冻干燥的方法自20世纪创立以来现已有了很大的完善和发展，其应用范围逐渐扩大，从最初仅用于医药和食品行业，发展到宇航、石油、海洋及新材料的研制等领域。

　　1在医药工业中的应用

　　药品冷冻干燥包括西药和中药两部分。

　　西药冷冻干燥技术已日趋成熟并实现了大规模工业化生产，中药冷冻干燥目前则还局限于人参、鹿茸、山药、冬虫夏草等少量药材，尚未实现规模化生产。

　　药品冷冻干燥的目的是药品不变质且尽量减少有效成分的损失，适于长期贮存、准确定量、复水再生以及大批量无菌化生产。

　　1.1生物制药

　　生物药品主要包括蛋白质类、多肽类、酶类、多糖类等药品以及血清、疫苗、抗毒素等生物制品。

　　冷冻干燥技术在生物药品领域的应用很重要。

　　文献报道，约14%的抗生素类药品，92%的大分子生物药品，52%的其他生物制剂需要冻干。

　　李保国等[3]探讨了生物药品冷冻干燥过程中存在的问题，关键工艺参数的控制以及冻干保护剂对生物药品冷冻干燥的影响，分析了蛋白质类药品冻干过程的变性与预防措施，认为药品中蛋白质的变性程度与预冻过程中形成的冰晶与蛋白质分子接触的总面积有关。

　　接触面积越大，冻干过程中的活性损失就越大。

　　因此，在冻干过程和干燥状态下，能取代水分子并能与蛋白质分子形成氢键的糖类(保护剂)可较好地保护蛋白质活性。

　　1.2中药

　　传统中药在晾晒、风干以及饮片炮制加工过程中，植物蛋白、微生物、挥发油、多糖类物质等有效成分会受到破坏。

　　魔芋甘露聚糖是从魔芋精粉中提取的高附加值多糖，有减肥、降血脂、抗肿瘤及增强人体免疫力等活性。

　　王照利等[4]实验确定了魔芋甘露聚糖湿品的三相点温度为-20℃，并根据能耗和生产成本确定最小真空度为80 Pa。

　　根据魔芋甘露聚糖湿品所能承受的共熔点温度极限确定搁板温度为-21℃。

　　采用此工艺参数，冻干产品色泽洁白、疏松多孔，经检验含水率为10.50%，魔芋甘露聚糖纯度为96.408%(以纯干基计)，为大批量真空冷冻干燥魔芋甘露聚糖提供了参考依据。

　　用药效高于干品数倍的真空冷冻干燥中药逐渐取代传统中药已显现出广阔的应用前景。

　　2 在食品工业中的应用

　　20 世纪50 年代，食品冷冻干燥已从实验研究应用到小规模生产，随着技术的不断突破，又向规模工业化发展。

　　近年人们越来越注重加工食品的方便、营养保健和高品质，因此对冻干食品的需求不断增加。

　　2.1果蔬加工

　　我国是农业大国，有丰富的水果和蔬菜资源。

　　长期以来我国农产品一直徘徊在技术含量较低的出口原料或初级加工阶段。

　　冻干食品是普通干燥食品价格的5～10倍，且有巨大的市场需求。

　　开发冻干食品可提高我国出口食品的档次，获得较高的附加值和经济效益。

　　果蔬的结构形态和成分决定其冷冻干燥加工的难易度。

　　一般是，物料尺寸越小、结构越均一，处理越容易。

　　因为这样的物料表面积大，受热和冷却均匀，冷冻干燥时间短且易控制。

　　果蔬冷冻干燥加工工艺过程基本相同：清洗―预处理―漂烫―冷冻干燥―充气包装。

　　随着食品科研工作者的不断努力，相继确定了一些果蔬的冻干工艺参数。

　　例如段江莲等[5]测定梨枣的共晶点为-3℃;搁板温度每提高10℃，冻干时间缩短2.0 h;厚度每增加2.0 mm, 冻干时间延长2.3 h;用0.2% 的维生素C护色，搁板温度为70℃，以枣片厚度3.0 mm 的工艺条件生产冻干梨枣, 能最大限度地保持原果的风味、形态、色泽，且冻干时间短，生产成本低, 为梨枣冻干加工的工业化生产提供了依据。

　　2.2水产品加工

　　水产品加工是提高水产品综合效益和附加值的重要途径。

　　深加工可提高优质水产品的品位，增加低质水产品的营养源、综合利用率和附加值。

　　云霞等[6]实验比较了冷冻温度-25 ℃，冷阱温度-29 ℃～-31 ℃，真空度10～20 Pa，冻干最终温度60 ℃的条件下，冻干海参与盐泽海参的感官指标、理化指标，结果表明无显著差异。

　　2.3 食用菌加工

　　食用菌是无公害的天然绿色食品，有很高的食用价值和保健价值，被誉为21世纪的健康食品。

　　陈合等[7]用电阻测量装置测定香菇和金针菇的共晶点分别为-29 ℃和-32 ℃，共熔点均为-18 ℃;分析了切片厚度、压力、干燥温度及冻结速度对干燥速率的影响。

　　结果表明，未经漂烫的香菇切片厚度6 mm，-35 ℃冻结90 min，冻结速度-1.0 ℃/min，-18 ℃升华7 h，40 ℃解析6 h，解析升温速度0.5 ℃/min;经漂烫的金针菇-39 ℃冻结90 min，冻结速度-1.0 ℃/min，-20 ℃升华10 h，45 ℃解析6 h，解析升温速度0.5 ℃/min，在此优化条件下冷冻干燥，能较好地保持食用菌的营养且复水性好。

　　3在生物材料制备方面的应用

　　3.1生物工程材料制备

　　角膜是眼球最外层的透明薄膜，厚度仅0. 58～0. 64 mm ，其结构分为5层，主要成分是水、蛋白聚糖、氨基酸等, 含水量为72%～82%。

　　徐成海等[8]分析真空冷冻干燥过程对角膜活性的影响。

　　结果表明，冻干过程中可能对角膜细胞造成损伤的是预冻和干燥两个阶段，通过调整工艺参数，成功冻干出合格的人眼角膜。

　　冻干后的角膜易长期保存，经生理盐水复水后结构与新鲜角膜类似。

　　胶原蛋白-羟基磷灰石复合物是用于修补骨缺损的理想生物医用材料。

　　在烧结成型前，通常真空冷冻干燥制得含有大量微孔的粉末，可为引导骨组织生长提供合适的理化微环境，提高生物相容性。

　　史宏灿等[9]用聚丙烯单丝、聚乙丙交酯纤维编织成直管状网管，内壁涂以聚氨酯薄膜和胶原蛋白，外壁用胶原蛋白-羟基磷灰石多孔状海绵覆盖，设计出新型的人工气管假体。

　　真空冷冻干燥胶原蛋白-羟基磷灰石海绵特有的三维多孔结构，孔径控制在100～200μm，空隙间共通，为细胞的黏附、爬行和组织生长提供了足够的空间。

　　3.2生物大分子功能材料制备

　　茶多糖(tea-polysaccharide)是茶叶中与蛋白质相结合的酸性多糖或糖蛋白，具有降血糖、消炎、抗凝、抗血栓等药理作用。

　　周志等[10]将茶叶粉碎，微波联合水浴浸提，离心、浓缩、醇析，再经真空冷冻干燥得灰色粉状粗茶多糖，用Sevag法脱蛋白质，将体积比4∶1 的氯仿/正丁醇混合液加入样品，离心除去混合液与残留蛋白质形成的凝胶，最后真空冷冻干燥得到灰白色茶多糖。

　　此工艺复杂，但茶多糖纯度较高且较好地保持了生物活性，真空冷冻干燥是关键。

　　4在新材料制备方面的应用

　　4.1金属超微粉体材料制备

　　席晓丽[11，12] 等采用“液液掺杂-冷冻干燥-两段还原法”制备了一系列纳米稀土钨粉末(W-La2O3，W-Y2O3，W-CeO2)。

　　粉末颗粒在20～30 nm之间。

　　粉末经SPS 烧结后得到性能优异的纳米稀土-钨热电子发射材料。

　　“液液掺杂-冷冻干燥”技术从本质上改变了稀土氧化物在钨基体中掺杂的均匀性。

　　在液-液混合条件下，第二相的尺寸极小，而体积分数增大，即第二相增强。

　　因此，液-液掺杂实质上是利用晶界和气孔第二相来控制钨晶粒的生长，使得钨晶尺寸稳定在某一范围。

　　因此，纳米稀土钨材料掺杂均匀，沿晶界分布的稀土氧化物密度较高，分布均匀。

　　4.2特殊结构材料制备

　　Moon等[13]用冷冻干燥技术制备了具有放射状孔道结构的NiO-YSZ管状材料。

　　将NiO-YSZ浆液倒入用冰乙醇(-30 ℃)冷却的特制管状容器，冷冻时冰沿径向定向生长，浆液完全冷冻之后再真空中干燥，使冰完全升华后1 000 ℃烧结2 h，形成孔道呈放射状排列的特殊结构材料。

　　这种多孔材料可用作固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极，其电化学反应活性高，且可避免浓差极化现象。

　　Fukasawa等[14]将氧化铝粉末、分散剂和水煮成的悬浊液倒入高热传导性的金属制容器，仅将容器底部浸入低温乙醇，促使冰由底部向上生长，单方向冷冻生成多孔陶瓷。

　　这种陶瓷具有整齐排列、约10μm的孔道结构，且孔道内壁上又有约0. 1μm 的小孔。

　　4.3高分子聚合材料制备

　　超声造影剂能增强血液与组织的灰阶显像，增强彩色多普勒血流信号，提高病灶及多普勒血流信号的检出率，用于疾病的超声诊断与鉴别诊断。

　　冉海涛等 [15]用可在人体内生物降解的新型人工合成高分子聚合物乳酸/羟基乙酸共聚物(PLGA)作为体外显影的成膜材料。

　　首先用双乳化法制备包裹水滴的PLGA 微球，再通过真空冷冻干燥使微球内的水分升华，形成空隙，然后在冷冻干燥室内缓慢冲入氟烷气体至常压并平衡一段时间，成功制备了内含氟烷气体的PLGA 微泡超声造影剂高聚显。

　　5真空冷冻干燥技术的应用现状及发展趋势

　　真空冷冻干燥因设备投资大，运转费用、能耗高，限制了广泛应用。

　　降低生产成本能耗是21世纪真空冷冻干燥技术的重点研究课题。

　　Donsi等[16]应用热干燥和冷冻联合干燥苹果、土豆、胡萝卜和一种密生西葫芦，比较联合干燥和冷冻干燥的产品，表明联合干燥是一种很有潜力的脱水干燥技术。

　　由于真空冷冻干燥技术应用于不同行业，缩短干燥时间以及不同类型产品的最佳工艺仍是今后需要继续研究的课题。

　　Phanindra等[17]应用冷冻干燥和热风联合干燥切成块状的胡萝卜和南瓜，比较干燥速率、总能量消耗和物化特性和质量，结果表明，冷冻和热风联合干燥的产品在外观和复水比方面优于热风干燥的产品，质量接近于完全冷冻干燥的产品。

　　联合干燥的时间和总能量较完全冷冻干燥缩短50 %，与热风干燥类似，表明联合干燥在提高脱水蔬菜的质量，节省能量消耗和时间上是有效的。

　　生物工程领域对真空冷冻干燥的设备要求高，且冻干工艺发展缓慢。

　　真空冷冻干燥是制备粉状和颗粒状生物材料的关键工序，为确保生物产品特别是医药生物产品的安全，真空冻干机必须高度无尘无菌。

　　美国食品药品管理局(FDA)要求药品的真空冷冻干燥采用蒸汽灭菌系统以便于控制灭菌操作的温度、压力和时间，保证灭菌彻底、无死角。

　　生物活性材料的真空冻干要保持材料特有的功能和活性，又要绝对安全，对人畜无毒。

　　这使得确定药品、血液制品和生物制品冻干工艺参数比较困难。

　　应规范冻干过程中所用的保护剂，提高冻干制品质量。

　　6结束语

　　真空冷冻干燥技术现已在许多领域被成功地应用。

　　但与其他干燥方法相比，设备投资较大，能耗及产品成本较高，限制了此技术的进一步发展。

　　因此，在确保产品质量的同时降低能耗和成本，改进生产工艺，是真空冷冻干燥技术研究的新方向。

　　目前科研工作者正着手研究能否提高经过冷凝的制冷剂温度，利用冷凝器作为加热系统的热源达到节省能源的目的，以及更好的利用微波加热来提高产品质量。

　　参考文献

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　　真空冷冻干燥技术在生物制药方面的应用【2】

　　【关键词】真空冷冻干燥;生物制品;冻干机

　　真空冷冻干燥简称冻干，就是把含有大量水分的物质预先进行降温东结成固体，然后一定真空条件下使水蒸气直接从固体中升华出来，而物质本身留在冻结时的冰架中。

　　它是一种现代化的干燥技术。

　　是真空技术、制冷技术和干燥技术的结合。

　　又是一门跨越多个学科领域的交叉科学。

　　涉及传热传质、流体力学、自动控制、食品营养、生物工程材料等专业知识。

　　由于在低温及真空状态下完成对制品的脱水干燥，而成为医学生物制品中首选的干燥保存方法。

　　该技术最早于1813年由英国华莱斯顿发明，1909年沙克尔用真空升华干燥法对抗菌素、菌种、狂太病毒及其他生物制品进行冻干保存，取得较好效果。

　　冷冻干燥是用来干燥热敏性物质和需要保持生物活性的物质的一种有效方法。

　　该技术最大程度上防止了生物制品、药品在水和热的作用下很容易产生的性变和分解，对生物组织和细胞体损伤较少，能减少活菌体及病毒的死亡。

　　低温干燥，物质中挥发性成分损失很小，微生物的生长和酶的作用无法进行，能保持原来性状。

　　由于干燥在真空下进行，氧气较少，因此易氧化的物质的到了保护。

　　干燥能排除95%~99%以上水分、使干燥后产品能长期保存而不致变质。

　　例如，人血浆在液体状态只保存几个月，而冻干后可保存5~10年。

　　麻疹弱毒活疫苗在液态的有效期为三个月，冻干后可延长一年。

　　真空冷冻干燥的缺点是投资大、维护费用高、因而产品成本高。

　　现在国内许多制药企业都用冷冻干燥法加工药物，如各种抗生素、生物提取物、疫苗、酶制品等。

　　1 冻干机性能选择

　　药用冻干技术必须符合《GMP》规范，一台较完善的冻干设备除了容纳最新的冻干技术外，其性能还必须具备安全性、可靠性、适应性和经济性四个方面的综合能力。

　　冻干机的容量、规格，包括隔板面积、冷凝器补水量、隔板尺寸、隔板间距等，都应与生产量大小相匹配。

　　隔板正反面都要相当平整，板温均匀，板与板之间、板的每个点温差应控制在正负1°C内，才能保证整批产品质量均一。

　　冷凝器的温度应能在1~2小时内降至所需温度，一般为-45°C以下。

　　箱体的真空度，空箱测定应在30min内达到2.66Pa，冻干箱体、板层和水汽凝结器、蒸汽冷凝管均属受内外压部件，它们在真空下的泄漏对药品可能造成污染，因此冻干设备中内外压部件都必须进行严格的泄露测量，使之符合安全性指标。

　　箱体应采用优质不锈钢材质、设计合格、方便清洗、高度耐腐蚀。

　　凡是直接和间接接触药品的冻干箱体、板层、软管、活塞杆和水汽凝结器、蒸汽冷凝管以及各类真空阀门，管道件等选用抗腐蚀性佳的进口低碳不锈钢材质sus304(L)或sus316(L)。

　　为了便于人工清洁和CIP自动在线清洗冻干箱体、板层和水汽凝结器，这些部件内部构造尽可能简单，以最少的零件达到同样的功能。

　　清洗水必须是50~60°C不得重复使用的超滤水，零件容易拆装、维修方便、不允许有死角等不易清洁的结构。

　　冻干箱体采用大圆角结构，所用的焊接结构经氩弧焊焊后修磨成圆弧角或45度角。

　　板层连接软管sus304(L)不带网体整体螺旋管，箱内管道和箱底设计略有坡度，为了达到在高真空下最小的材质放气量和清洁的目的，冻干箱体和板层表面必须进行镜面抛光处理。

　　2 冻干机附属装置

　　2.1 液压装置，由于冻干后在箱内整箱轧塞，板层能上下自由移动，有利于箱内清洗，容易接近箱内各个部位。

　　2.2 有限量泄漏装置，用于控制箱内真空度，有控制的掺入氮气或无菌空气，它将有利于二次干燥阶段制品的升温，可缩短冻干周期2~3小时。

　　2.3 控制系统，主要控制隔板温度，可通过记录仪保存产品温度，、隔板温度、冷凝器温度、箱体真空度等，并设有连锁报警，提高操作的可靠性，避免产品在操作或配套设施出错时蒙受损失。

　　企业应根据自己的需求选择进口冻干机或国产冻干机，并考虑价格、安装调试、维护保养、零件供应、售后服务等问题。

　　21世纪是以生物、材料、电子、信息科学等领域的重大发展为标志，真空冷冻干燥技术在次会发挥重要作用。

　　在一些发达国家，冻干食品占方便食品的比例越来越大，被认为是高档的脱水食品，并广泛应用到食品各个领域，如方便食品、即时汤料、粉末蔬菜、颗粒蔬菜、速溶饮品等，国际上的冻干食品总是供不应求。

　　在医学方面，冻干技术也为医学的发展提供依托，离体生物组织冻干保持活性的研究，从简单的精子细胞组织到复杂的人角膜细胞结构，正处于深入的发展研究阶段。

　　在纳料材料领域，冻干作为低温化学制粉过程，其产品品质和性能的优势，而且由于尖端领域或宇航、军事等特殊领域，因此具有良好的开发应用前景。

　　真空冷冻干燥技术在功能食品和纳米材料、生物、医学等方面的大规模应用，为冻干技术开辟了广阔的前景。

　　随着冻干技术应用领域的深入和扩展，冻干设备也需要不断发展，生物制品和药用冻干机应提高自动化程度及运转的可靠性，进一部加强清洗消毒灭菌功能。

　　食品用冻干机应提高产量，设备改进的目的是降低设备及产品成本，提高质量。

　　参考文献

　　[1] 曾军冷冻干燥的设备性能选择以及配方研究，冻干工艺经验，海峡药学。

　　2001年. 第13卷.第一期99

　　[2] 徐成海王德喜关奎之张世伟真空冷冻干燥技术 在若干高新柯及领域中的应用于发展. 真空科学与技术.2002年第22卷增刊. 31~32

　　仿真技术在真空冷冻干燥机设计中的应用【3】

　　[摘 要] 目的：探究仿真技术在真空冷冻干燥机设计过程中的应用。

　　以先进设计方法，支持产品开发和基础试验，充实科学试验和测试手段。

　　方法：针对主要部件冷冻干燥箱和搁板进行CAD建模。

　　借助CAE技术对冷冻干燥箱进行静力学分析，根据变形和应力分布情况，为其形状和尺寸优化目标提供可靠依据。

　　对冷冻干燥箱进行模态分析，得到其固有频率，为有效预估结构的振动特性提供依据。

　　应用FLUENT软件，采用SIMPLE算法和标准κ-ε湍流模型，分析其内部气流流动特性、出口速度分布，为进气口布局提供设计依据。

　　对搁板内温度场进行流-固耦合分析，获得搁板温度场和流场的分布图，为进一步优化搁板结构提供依据。

　　结果：对冷冻干燥箱内气流模型和搁板温度流场模型建立和计算方法进行尝试，获得了流场云图和载荷数据等仿真结果，为其实际工程应用提供参考依据，提升了产品开发效费比。

　　结论：仿真作为一种试验技术，对于设计工作中提升产品性能、提高设计效率起到了积极推动作用。

　　[关键词] CAD/CAE;流-固耦合;静力学分析;模态分析;仿真分析;冻干技术;FLUENT中图分类号：TB79 文献标识码：A 文章编号：2055-5200(2014)01-027-06

　　1 引言

　　真空冷冻干燥技术在生物工程、医药工业、食品工业、材料科学和农副产品深加工等领域有着广泛的应用。

　　冷冻干燥技术用途广，生产厂家较多，美国、英国、日本、德国等国的冻干机已经形成标准化、系列化的产品，其搁板面积从不到一平方米直至大到几十平方米， 形成十几种规格。

　　我国冷冻干燥机结构设计多采用材料力学简化计算与经验设计相结合的方法。

　　这种设计方法具有一定可靠性，但存在诸多弊端：首先，采用这种方法设计周期长，进行计算后，再根据计算结果人工布置筋板结构，会耗费大量时间，设计准确性不易保证;其次，结构组件冗余，用材质量大，传统设计在材料使用上偏于保守，比国外同种规格产品重量大，致使成本高、效益低，削弱了产品的竞争力。

　　国内外文献中， 对如何将现代仿真技术应用到真空冷冻干燥机设计中的文章不多见。

　　本文探讨仿真技术在真空冷冻干燥机主要组成部分设计中的运用。

　　设计产品零件几何形状复杂，设计计算难度大，设计计算过程复杂，产品性能要求高时，需要经验丰富的高水平技术人员结合产品仿真分析才能完成[1]。

　　2 冷冻干燥机设计与分析的关键

　　目前制备型真空冷冻干燥机主要由冷冻干燥箱、真空系统、制冷系统、加热系统及自动控制系统几大部分组成[2-3]。

　　这几大部分的搭配、取舍可构成不同的设计方案。

　　冷冻干燥箱是一个能够制冷到-50℃左右，能够加热到+70℃左右的高低温箱体，也是一个能够抽成真空的密闭容器，它是冻干机的主要组成部件，其中的搁板是核心部件，它负责对制品的预冷、升温、干燥。

　　制品的品质在很大程度与搁板的制冷温度、加热温度、干燥时的真空度三个主要参数紧密相关[4]。

　　以上三个参数中，后两个参数比较容易控制，原因是搁板加热温度一般由电加热装置提供热量，硅油作为传热介质，电加热装置功率稳定可控，所以容易实现热量大小的改变，干燥时真空度的控制虽然较为复杂，但还是能做到较精确控制。

　　比较难于理想控制的是第一个参数：制冷温度，这一参数主要通过搁板最低温度、搁板降温速率、搁板控温精度来综合评价。

　　基于以上原因，尝试对冷冻干燥箱和搁板设计。

　　首先，在具体结构上借助三维CAD技术，完成三维造型、虚拟组装、工程图生成等工作;其次，借助CAE技术对冷冻干燥箱进行静强度及模态分析计算，通过FLUENT分析显示冷冻干燥箱气体流场轨迹和搁板内温度场变化，发现存在问题，为设计提供参考，缩短研发周期，提高经济效益[5]。

　　2.1 冷冻干燥箱静力学分析

　　首先用Pro/ENGINEER做造型设计，然后利用其提供的数据接口把模型传递到ANSYS环境进行有限元计算，从而得到冷冻干燥箱的机械性能。

　　[C]―阻尼矩阵;

　　[K]―刚度系数矩阵;

　　{x}―位移矢量;

　　{F}―力矢量。

　　线性结构静力分析中，所有与时间相关的量都被忽略。

　　于是，从(2-1)式中得到以下方程式：

　　[K]{x}={F} (2-2)

　　根据设计要求，对冷冻干燥箱结构采取从局部到整体的造型方法建模，冷冻干燥箱是由若干零部件焊接装配起来，用CAD软件造型，可以从标准结构件开始将相关结构体拼合即可得到整体结构模型。

　　在进行有限元分析时，各结构件可按焊接成一个整体处理。

　　设计初期采用经验设计和材料力学简化算法相结合的方式，得到设计参数的初始值，然后用Pro/ENGINEER进行辅助实体造型即可得到冷冻干燥箱体模型，整体完成后的分析用三维模型如图1所示。

　　通过仿真分析可以发现设计上的一些不合理地方，如有些部位应力水平颇高。

　　尽管其中有未考虑焊缝而引起的应力集中的因素存在，但即使去除该因素，应力分布的不均性也不可避免地导致各部分疲劳寿命的差异以及材料使用不合理。

　　为此，应考虑调整筋板的布置方式，在应力水平过高处适当增加加强筋板;同时为降低振动频率可调整布局方式。

　　2.3 冷冻干燥箱及搁板CFD分析

　　计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)是多种领域的交叉学科，因具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点而在最近20年中得到了飞速发展[9]，它所涉及的学科有流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析、计算机科学等，而最终体现计算流体水平的是解决实际问题的能力[10]。

　　随着计算流体力学的发展，数值模拟已经成为了流体力学研究的重要手段[11-13]。

　　冷冻干燥机加热系统的关键在于如何节省能源，提高热效率。

　　由于在真空状态下传热主要靠辐射和传导， 传热效率低， 所以近来出现了调压升华法。

　　调节气压有多种方式， 英国爱德华公司采用充入干燥无菌气体的方法， 既提高了冷冻干燥箱的压强， 又不致增加冷凝器负荷， 是一种比较好的方法。

　　借助CFD仿真技术可以预测冷冻干燥箱内不同配气口充入干燥无菌气体气流分布详细情况，从而指导设计工作。

　　首先，构建冻干箱底部进气和侧壁四点均布进气两种气流形式的三维分析模型，建立冷冻干燥箱内部气体流场分布计算模型，具体如图8、9。

　　由于FLUENT软件可以相对准确地给出流体流动的细节，如：速度场、压力场、温度场、浓度场分布的时变特性，不仅可以准确预测流体产品的整体性能，而且很容易从对流畅的分析中发现产品或工程设计中的问题，据此提出的改进方案，只需计算一次就可以判断改进是否有效果[14]，因此，利用FLUENT求解器对计算进行设置并进行求解。

　　计算结果如图12、13。

　　图12 底部进气流场云图 图13 侧壁进气流场云图

　　冷冻干燥箱结构合理可确保冻干过程的顺利完成，搁板设计能力的水平将直接决定整机性能，搁板上换热流路布局合理，用材合理，热惯性小，即能大幅度降低控制系统、制冷系统、加热系统等功耗负荷和故障率，又能实现一个最优的冷却速率，获得最高的细胞存活率、最好的产品物理形状和溶解速度。

　　为了使本设计的搁板热均匀性好，热惯性小，在设计中采用CFD技术构建热传导模型，在Pro/ ENGINEER中建立三维模型，建模如图14。

　　构建流路有限元模型，如图15。

　　3 结论

　　(1) 将CAD、CAE等先进计算机仿真设计手段应用于真空冷冻干燥机研发，可以缩短设计周期、保证设计质量、提高整体设计水平，减少开发成本;

　　(2) CAE技术可以在设计之初发现设计中存在的问题，基于有限元的优化分析能够为设计提供改进的方向。

　　通过数值仿真分析，得到应力应变分布情况，对关键结构尺寸予以调整，减小应力应变，以达到结构优化的目的。

　　(3) 本文研究流场中典型流动的一般原理，基于ANSYS Fluent软件的模拟计算能够较为准确的预测真空冷冻干燥机工作过程中气体在冷冻干燥箱内的流动情况，为设计适宜的进配气结构提供技术参考。

　　(4) 用ANSYS Fluent流体动力学软件对真空冷冻干燥箱内气流工况进行数值仿真，结果发现侧壁四点均布进气口设计方案有利于冻干箱内注入惰性气体对加热搁板的均匀包覆，实现无氧环境下的压盖封装。

　　其进气方式优于底部单进气口设计方式。

　　所得结论为今后进一步的深入研究真空冷冻干燥技术的机理以及设计新型进配气装置具有重要指导意义。

　　(5) 用ANSYS Fluent流体动力学软件对真空冷冻干燥机加热搁板温度分布情况进行了数值仿真，为搁板换热流路设计提供了依据，为动力循环系统、制冷系统和控制系统的整体性能设计工作提供参考。

　　(6) CFD技术可以克服传统方法中系统当量模型的简化及模型中原始物理参数无法精确化的问题，并且可以得到较为直观的结果，直接用来指导设计。

　　设计中由单纯经验设计方法转变为理论计算指导和经验相结合的方法。

　　(7)借助于CFD的仿真分析，能够有效地分析流体运动过程中的运动特性和规律。

　　使得设计工程师从复杂的理论计算中解放出来，将更多的精力放在优化设计及结构设计上。

　　(8) 尽管CFD技术本身还存在着一定的局限性，比如对物理模型、经验技巧有一定的依赖，然而，计算流体动力学(CFD) 是一种以流体为研究对象的数值模拟技术，相对于实验流体动力学而言，它具有资金投入少、计算速度快、信息完备且不受模型尺寸限制等具有巨大优势，在众多领域内必然能发挥越来越多的作用。

　　参 考 文 献

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