噴霧冷凍幹燥技術屬于一種非常規幹燥技術，結合了噴霧幹燥和冷凍幹燥的優點，起初應用于産品價值較高的生物醫藥産業，近幾年在食品、醫藥、材料等領域都有了廣泛的應用。

随着應用的推廣，對設備的要求也越來越高，但是噴霧冷凍幹燥設備目前還主要停留在實驗室，可用于工業生産的中試型和大型設備發展較慢，在一定程度上限制了噴霧冷凍幹燥技術的發展。功能齊全的噴霧冷凍幹燥設備不僅能夠生産出質量高的幹燥産品，還能夠用于研究不同物料的幹燥工藝。

近幾年研制噴霧冷凍幹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幹燥原理特點及其應用領域出發，重點介紹近幾年國内外噴霧冷凍幹燥設備的研制現狀，探讨噴霧冷凍幹燥技術今後的發展方向。

噴霧冷凍幹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幹燥階段。物料霧化階段是液态物料經過霧化器将物料霧化為微小的液滴，主要目的是增大液态物料的表面積，加強後一階段的傳熱和傳質速率；霧化物料凍結階段是霧化後的微小液滴經過冷介質區域，并與冷介質充分接觸，實現物料在短時間内迅速凍結到物料共晶點溫度以下形成小冰粒；冷凍幹燥階段是凍結後的小冰粒進行真空冷凍幹燥。

噴霧冷凍幹燥是真空冷凍幹燥和噴霧幹燥技術的結合，既具有真空冷凍幹燥技術生産的産品生物活性高、營養物質保存較完整等優點。相比真空冷凍幹燥技術，制得的粉狀産品粒徑更小、所需凍結時間和幹燥時間更短，；相比噴霧幹燥技術制得的粉狀成品多孔性、生物活性更高、産品質量更好。

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

噴霧冷凍幹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範圍内[3]。表皮給藥能明顯提高藥物生物利用度[4]。Fei Yin等人[5]使用超聲噴霧冷凍幹燥技術制備了rhEGF脂質體幹粉并與常規凍幹法制備的rhEGF脂質體幹粉進行了對比。超聲噴霧冷凍幹燥有效地避免了脂質體幹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定性。超聲噴霧冷凍幹燥粉末制備的重組rhEGF脂質體與幹燥前相比，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，發現噴霧冷凍幹燥法制備的高胰島素具有很高的穩定性，适用于皮膚給藥。

肺部給藥是一種無創性的給藥途徑，這種方法在治療呼吸系統疾病中起着至關重要的作用。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。噴霧冷凍幹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]使用噴霧冷凍幹燥法制備了優化的卡那黴素，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，更适合用于肺部給藥。Poursina等人[9]制備鲑魚降鈣素，一種用于治療骨質疏松症的激素，使用雙液噴嘴SFD技術進行治療。顆粒形态呈高度多孔球形，可用于藥物的肺部給藥。

噴霧冷凍幹燥技術被廣泛應用于生産高活性益生菌細胞、具有揮發性化合物的飲料粉、高質量奶粉及其他粉類食品，由于生産過程在低溫下進行，是保護高揮發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幹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幹燥時間。王鋒等人[12]對比了熱風幹燥、噴霧幹燥,真空冷凍幹燥和噴霧冷凍幹燥等幹燥方式對紫淮山制備粉體的影響，噴霧冷凍幹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杆菌粉并對比了冷凍幹燥法和噴霧幹燥法制備的微膠囊化植物乳杆菌粉，噴霧冷凍幹燥法制備的微膠囊化植物乳杆菌粉具有更高生物活性、更好的複水能力，并且顆粒幾乎呈球形，更易人體吸收。車馨子[14]等人使用噴霧冷凍幹燥法制備魚油微膠囊産品，通過噴霧冷凍幹燥法制備魚油微膠囊顆粒粒徑集中分布在117.13~200.06μm，并對比了噴霧幹燥制備的魚油微膠囊産品證明了噴霧冷凍幹燥制得的魚油微膠囊質量更優。曹琳[15]等人使用真空噴霧冷凍幹燥法将冰葡萄渣中提取的釀酒酵母制得冰酒專用發酵菌劑，該菌劑較常規方法制得的菌劑性能較優，更适用于冰酒釀造。

雖然噴霧冷凍幹燥技術在食品領域有已有廣泛研究，但噴霧冷凍幹燥技術屬于高耗能産業，食品行業産業化生産成本相對較高。随着社會不斷進步發展，人民生活水平不斷提高，該技術在食品領域的應用也将越來越廣。因此中大型噴霧冷凍幹燥設備研制速度也在加快，今後幾十年中大型噴霧冷凍幹燥設備将會是該領域研究的重點，旨在實現降低産業成本，将噴霧冷凍幹燥技術廣泛應用于食品産業。

近幾年，凍幹法制備無機納米粉的應用越來越廣[16-22]，大量研究者根據不同應用場合，采用不同方法獲得前軀體，利用凍幹法制備出了不同粒徑的納米粒子,研究者大都得出凍幹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，噴霧冷凍幹燥較傳統冷凍幹燥是在制備納米粉體方面是更行之有效的一種方法[23-27]。噴霧冷凍幹燥法制備的納米粉，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态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幹燥過程中凍結速率、最終凍結溫度等工藝參數有關，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的初生粒徑氧化钇穩定氧化锆納米粉體懸浮液進行噴霧冷凍幹燥，研究凍結過程對粉體的影響。結果表明噴霧冷凍幹燥後的納米粉體，具有更好的流動性和多孔結構。Mohamed等人[29]采用噴霧冷凍幹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定性。Ha-Neul Kim等人[30]将微流體化和SFD方法相結合，成功地制備了透明MgAl2O4陶瓷并确定了SFD顆粒制備透明MgAl2O4的工藝條件，解決了壓實坯體的内部缺陷問題，使得壓實坯體内部結構更加均勻。Bing Huang等人[31]采用冷凍幹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。

在噴霧冷凍幹燥技術發展之初，并沒有專業化的設備，研究人員都是噴霧幹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幹不同的物料将冷凍源進行替換，得到針對不同物質的特殊冷凍源噴霧幹燥設備。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]。簡易噴霧冷凍幹燥設備現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幹燥的重點難點。經過多年發展噴霧冷凍幹燥設備已有長足的發展，雖然還未有成熟的噴霧冷凍幹燥設備上市，但很多實驗室都研制出可以自己的實驗型噴霧冷凍幹燥設備，而且很多專家學者提出了中大型噴霧冷凍幹燥設備方案。

◆ 圖1 簡易噴霧冷凍設備示意圖

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後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遊流體中，繼續被凍幹，從而去除被困在凍結顆粒上或内部的水分，圖2為設備示意圖。

◆ 圖2 噴霧冷凍幹燥設備

Borges Sebastiao等人[35]的關于“常壓噴霧凍幹數值模拟與實驗結果的比較”一文中使用的常壓噴霧冷凍幹燥裝置，可以進行常壓噴霧冷凍幹燥，但是這些裝置噴霧冷凍過程都是在幹燥室外面進行，無法進行原位冷凍，物料凍結後的移動過程會造成二次污染，設備如圖3所示。

◆ 圖3 Borges常壓噴霧冷凍幹燥裝置

彭潤玲[36]團隊在實驗型凍幹機上改制的一種圖4所示的噴霧冷凍幹燥機，使該凍幹機不僅可進行冷凍幹燥實驗，還可進行噴霧幹燥、噴霧冷凍幹燥、真空噴霧自凍結幹燥等多種幹燥實驗。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，數分鐘内凍結最終溫度可達-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幹燥機

上海的雅程儀器公司經過多年努力研發出的第一代真空低溫噴霧幹燥機YC-2000型和噴霧冷凍幹燥機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，在國内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]等人利用已經研發成功的YC-3000型噴霧冷凍幹燥機生産了紫淮山全粉，優化了紫淮山全粉噴霧冷凍幹燥工藝。由于該設備采用制冷壓縮機降溫制冷，降溫範圍小，降溫速度慢。

◆ 圖5 雅程公司噴霧冷凍幹燥設備

吳铎[39]等人發明了一種實驗室與工廠均可使用的噴霧冷凍研發設備，設備結構如圖6所示。優點在于控制精确；以空氣作為冷凍介質無需另外添加冷凍介質；控制系統比較完善。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複雜；且隻有冷凍過程無法完成幹燥過程，需要将物料移至其他設備進行幹燥，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

鄭曉東發明了一種多噴頭噴霧冷凍幹燥設備，圖7為該設備示意圖，該設備噴霧凍幹過程發生在真空環境下，能有效的加快物料凍結[40]。凍結一定量物料後将物料傳送至幹燥腔内，幹燥室内有攪拌裝置一定程度上加快幹燥時間，改善加熱的均勻性。該設備雖然在一定程度上實現了自動化噴霧幹燥生産，但仍有許多不足之處。每次幹燥物料的數量相對較少，凍結過程與幹燥過程無法同時實現。為了克服這些問題鄭曉東對設備進行了改進，如圖8将原來的幹燥腔去除，凍幹腔和幹燥腔相結合。在凍幹腔下部的漏鬥型位置進行幹燥操作，在此加裝了攪拌機構，一定程度上改善幹燥過程傳熱不均勻，同時能提供部分幹燥所需的能量[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将涉及動密封裝置，加大了設備實現的難度，也很難推廣應用。

◆ 圖7 全自動密閉式噴霧凍幹生産設備的結構示意圖

◆ 圖8 真空噴霧冷凍幹燥設備結構示意圖

王海歐等人發明了一種連續型的噴霧冷凍幹燥設備，設備結構示意如圖9所示[42]。該設備将凍結室抽真空利用真空水分蒸發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幹燥區進行幹燥。該設備實現了連續型噴霧冷凍幹燥，為工業化生産提供了新思路。但是由于真空冷凍幹燥效率較低在工業化連續生産仍需進一步的改進。該設備使用無菌水在真空環境下升華吸熱降溫，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 一種連續式真空噴霧冷凍幹燥設備

蘇偉光[43]等将噴霧冷凍與流化床幹燥結合的自動化噴霧冷凍幹燥設備，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、流化床常壓冷凍幹燥等技術，相較其他幹燥形式具有幹燥時間短、産量高、無需更換幹燥環境等優點。使用空氣做冷凍介質可能會污染幹燥物料。冷凍濃縮過程溫度不能過低造成物料提前凍結。流化床幹燥屬于常壓幹燥，相較于真空幹燥的效率較低且耗能較大，如果能将流化床幹燥與真空幹燥結合将可有效解決這個問題。

◆ 圖10 冷凍濃縮噴霧幹燥裝置結構示意圖

AŸ甘古利等人在專利中提出在幹燥過程使用攪拌幹燥與電介質加熱等方式結合的噴霧冷凍幹燥設備，設備結構如圖11所示[44]。特點在于真空幹燥室有一系列傾斜布置的物料隔闆，将通過隔闆振動保持均勻加熱、防止凝聚以及物料轉移。該設備在凍結室與幹燥室之間以閥門密封，保持幹燥室的真空度。多個幹燥容器将有效的提高幹燥效率，增加産量。冷凍幹燥過程屬于半連續性，這将是工業化生産發展的重要發展方向。

◆ 圖11 多幹燥腔噴霧冷凍幹燥設備結構圖

倉懷興[45]等人發明了一種液氮噴霧冷凍造粒真空幹燥裝置，裝置結構如圖12所示。物料溶液和液氮共噴實時迅速凍結後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，有效的加快物料幹燥速率。但是設備仍屬于非連續性幹燥設備，産品生産效率較低，也很難滿足工業化生産的需要。

◆ 圖12 液氮噴霧冷凍造粒真空幹燥裝置結構示意圖

李梅青[46]等人發明的噴霧冷凍幹燥機一定程度上解決了噴霧凍結、真空幹燥連續連續性的問題，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幹燥在一個設備内進行。由于真空幹燥時間較長導緻該設備的生産屬于半連續性，生産效率相對較低。該發明直接使用液氮為傳熱介質，無法與物料充分接觸導緻熱交換效率不高，生産成本有所提升，限制了設備的工業化生産。開發連續性生産噴霧冷凍幹燥設備，提高生産效率，降低生産成本将是噴霧冷凍幹燥設備今後研發的重點。

◆ 圖13 一種噴霧冷凍升華幹燥機機構示意圖

李占勇[47]等人發明的一體化式的噴霧冷凍幹燥設備，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幹燥，在流化床床身内進行噴霧凍結等操作，具有操作簡單，連續性好等優點。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。惰性粒子在流化床内流動進行幹燥，操作過程一體化較高，但是仍具有無法進行連續化生産，耗能較高，幹燥時間長等缺點。

◆ 圖14 一種惰性粒子噴霧冷凍幹燥設備

近幾年噴霧冷凍幹燥技術在各領域的研究逐漸增多，在工業化生産方面具有很大的發展空間。噴霧冷凍幹燥設備處在實驗研究階段，缺乏針對單一或多種産品的中大型設備，是阻礙大規模工業化生産的重要因素。噴霧冷凍幹燥技術的發展趨勢：噴霧冷凍幹燥技術的應用從高價值藥品逐步發展到材料、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；依托噴霧冷凍幹燥過程理論研究研制中大型各類噴霧冷凍幹燥設備将是今後噴霧冷凍幹燥設備研制的重點，可實現工業化生産的大型噴霧冷凍幹燥設備将是今後發展趨勢。

原文首發于《真空》雜志2022年第2期

原文标題：噴霧冷凍幹燥技術與設備發展現狀

本文作者：楊傑，彭潤玲，郭俊德，王鵬，尹沙沙

作者單位：西安工業大學機電工程學院

文章編号：1002-0322（2022）02-0072-09

微信搜索并關注公衆号：iVacuum真空聚焦，獲取更多真空科技前沿資訊。iVacuum真空聚焦由《真空》雜志社主辦，緻力于報道國内外真空獲得及應用等領域最新的科技進展、成功經驗和案例。歡迎行業交流/尋求報道。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!