真空冷冻干燥技术在酶制剂等产品中的应用

鲁 军 , 范延超 , 任晓辉 , 于新功 , 何媛媛

(1.河南省煤气(集团)有限责任公司 , 河南 郑州 450002 ; 2.义马煤业集团煤生化高科技工程有限公司 , 河南 义马 472300 ; 3.河南首恒新材料有限公司 , 河南 许昌 461000 ; 4.河南省化工研究所有限责任公司 , 河南 郑州 450052)

酶制剂是一种生物催化剂，具有绿色、高效、安全、环保等特点。工业酶制剂是生物制造产业的核心“芯片”，目前已广泛应用于食品、饲料、纺织、洗涤、造纸、皮革、医药、保健、环境保护等方面[1]。酶制剂作为生物化工产业中的重要组成部分，是诸多产业实现产业耦合和绿色发展的黏合剂，对我国实现碳达峰、碳中和的目标发挥着重要作用，极具发展潜力。酶制剂具有生物活性，属生物热敏性物质，遇高温容易失去活性，在应用过程中分为液体酶制剂和固体酶制剂。液体酶制剂稳定性差，储存周期短，因此，在实际生产应用中主要为固体酶制剂。目前酶制剂产品的干燥大多采用喷雾干燥技术制取，但在喷雾干燥过程中，高温容易造成酶制剂失去活性，造成产率降低和性能下降。真空冷冻干燥技术是集真空技术、低温技术、传热工程等于一体的新型综合干燥技术工艺，先将被干燥物料中的水冻成冰，然后使冰升华，将物料中的水分降低的一种干燥方法，可最大限度地保存酶制剂等热敏性生物化工产品的生物活性和产品品质，因此，在酶制剂等热敏性生物化工产品中的应用前景极为广阔。

1 真空冷冻干燥技术原理及设备构成

化学热力学中的相平衡理论是真空冷冻干燥技术原理的基础[2]。酶制剂等热敏性生物化工产品的真空冷冻干燥技术一般采用预冻的方式将酶制剂产品中的水分快速冻结成冰晶，然后在高真空条件下，将酶制剂冰固体中的冰晶升华去除,从而达到降低酶制剂产品中水分、使酶制剂产品干燥的目的。真空冷冻干燥设备通常由干燥仓、真空系统、冷凝器(捕水器)、加热系统、制冷系统和电气控制系统六大部件组成。

2 酶制剂真空冷冻干燥工艺流程

义马煤业集团煤生化高科技工程有限公司酶制剂生产过程中，采用的真空冷冻干燥工艺主要分为浓缩过滤、预冻、真空冷冻干燥三个步骤，工艺流程见图1。

图1 酶制剂真空冷冻干燥工艺流程

2.1 酶制剂溶液浓缩过滤

为提高真空冷冻干燥效率，保证酶制剂产品品质，酶制剂溶液在进行真空冷冻干燥前，需进行浓缩除盐除杂，以进一步提高酶制剂溶液中酶分子的浓度和纯度。目前，酶制剂溶液浓缩除盐除杂主要采用陶瓷膜过滤和超滤膜过滤相结合的方法，通过陶瓷膜过滤，可以有效去除酶制剂溶液中的悬浮物、微生物等杂质，保障最终产品的纯度；通过超滤膜过滤，可以有效提高酶制剂溶液中酶分子的浓度，提高真空冷冻干燥效率。

公司采用SA-DGN-2540型号的多功能膜过滤试验机进行浓缩过滤。陶瓷膜过滤孔径为0.22 μm，单支陶瓷膜过滤面积为0.24 m2，过滤压力为0.4 MPa。30 L脂肪酶溶液经陶瓷膜过滤后，含有脂肪酶的清液透过陶瓷膜，含有菌体、悬浮物等杂质的浓液被过滤分离，完成过滤后，获得脂肪酶清液25 L。超滤膜过滤精度为10 000 DA，单支超滤膜过滤面积2.6 m2，过滤压力为0.5 MPa，25 L脂肪酶清液经超滤膜10倍浓缩过滤，获得脂肪酶浓缩液2.5 L，经检测，脂肪酶浓缩液酶活为52 300 U/mL。

2.2 预冻

将脂肪酶浓缩溶液放入冷库或低温冰柜中进行冷冻处理，待物料完全冻结成固体后，再进行真空冷冻干燥，这样可大幅节省脂肪酶在真空冷冻干燥机中的冷冻时间，同时有效节约真空冷冻干燥过程中的能源消耗，提高真空冷冻干燥效率，降低能耗。经试验验证，将浓缩过滤后的脂肪酶液体装入真空冷冻干燥机的物料干燥盘中，放入设定温度为-40 ℃的低温冰箱内进行预冻，经48～72 h，待脂肪酶液体完全冻结后，可进行下一步真空冷冻干燥。

预冻采用的低温冰柜型号为 BD/BC-718G，将浓缩后的脂肪酶溶液倒入干燥盘中，干燥盘中物料厚度为2 cm，在低温冰箱中于-40 ℃条件下预冻60 h，将脂肪酶浓缩溶液完全冷冻。

2.3 真空冷冻干燥

试验中采用的真空冷冻干燥机型号为FD-IA-50，设备技术参数为：冷凝温度-50 ℃，真空度<20 Pa，冷干面积0.12 m2，捕水能力3 kg/(24 h)，样品盘直径200 mm×4层，电源220 V/50 Hz，功率为0.85 kW。

将冻结成固体的脂肪酶物料放入真空冷冻干燥机干燥仓中，将真空冷冻干燥机冷阱温度设定为-50 ℃，真空度设定为20 Pa，在真空度低于20 Pa的低压环境中，冰冻的脂肪酶固体中的水分子升华后，通过真空泵抽出，酶制剂冰冻固体中的含水率逐渐下降，持续真空冷冻干燥24～36 h，脂肪酶冰冻固体中的游离水分子完全升华后，停止干燥，经收集后获得脂肪酶固体粉末。脂肪酶溶液经真空冷冻干燥后，脂肪酶固体粉末的生物活性被完全保留下来，最终产品的平均生物活性保存率≥99%，平均含水率≤5%，产品保质期大幅延长，可满足脂肪酶在食品、医药等行业中的应用要求。将预冻后的脂肪酶进行5批次真空冷冻干燥，经试验验证，最终脂肪酶固体粉末产品的平均生物活性保存率99.20%，平均含水率4.59%，试验数据见表1。

表1 脂肪酶真空冷冻干燥试验数据表

3 真空冷冻干燥技术的优势

目前，酶制剂产业干燥工艺大多采用喷雾干燥技术，喷雾干燥是采用雾化器将原料液经高速离心或高压喷射分散为雾滴，并利用热空气将雾滴快速干燥而获得产品的一种干燥方法。但采用喷雾干燥技术干燥酶制剂等热敏性生物化工产品，有以下缺点：①进行喷雾干燥时，酶制剂等热敏性生物化工产品经高温干燥，物料在干燥塔中的停留时间在数秒至几十秒，尽管时间较短，但仍然会造成10%～30%的活性损失，同时局部高温可能会产生部分杂质，影响产品品质；②在干燥过程中，特别是黏度较大的液体，会出现粘壁或旋风分离不彻底等情况，最终造成收率的降低；③喷雾干燥设备热效率普遍不高，能源消耗较大；④喷雾干燥后，设备清洗难度大，容易造成产品交叉污染，降低产品品质。

采用真空冷冻干燥技术，可有效克服以上缺点，酶制剂等热敏性生物化工产品经真空冷冻干燥后，溶液中的水分直接通过升华的形式由固态变为气态排除，能够最大限度地降低对酶制剂活性分子结构的破坏，使得酶制剂的生物活性得以完全保留。采用真空冷冻干燥技术，在干燥过程中不会产生杂质，产品收率更高、产品品质更有保障。

4 结论

目前我国真空冷冻干燥工艺技术还不够成熟。虽然该技术已经历了长期的发展历程，但是在这个阶段中，并没有相应的专业书籍作为指导，因此，在使用真空干燥技术的过程中，需要针对应用领域的具体情况，不断深入地研究和实践，有效地改进真空冷冻干燥技术[3]。另外，真空冷冻干燥效率较低，无论是国产，还是引进设备，其共同的缺点是价格相对较贵，耗能较高，收回投资周期较长[4]。真空冷冻干技术目前在实验室研究、小规模生产中的应用较为广泛，近几年正在向大规模工业生产中推广应用，需要不断加强真空冷冻干燥工艺的研究、优化，加强真空冷冻干燥设备放大技术研究，提高干燥效率，降低企业使用成本。义马煤业集团煤生化高科技工程有限公司通过将真空冷冻干燥技术应用于脂肪酶干燥过程，使得最终脂肪酶固体粉末产品的平均生物活性保存率为99.20%，平均含水率4.59%，与传统干燥方式相比，收率提高15%以上。按脂肪酶市场售价15万元/t，200 t/a的脂肪酶生产线，每年可增加经济效益450万元。

随着经济增长方式从粗放型向集约型转变，酶制剂、小分子生物活性制品、生物医药产品等生物化工产品在各行各业中的应用越来越深入，真空冷冻干燥技术由于其特有的优越特性，将在食品、保健品、化妆品、医药等行业得到越来越广泛的应用。