真空冷凍干燥技術(shù)在酶制劑等產(chǎn)品中的應(yīng)用

魯 軍 , 范延超 , 任曉輝 , 于新功 , 何媛媛

(1.河南省煤氣(集團)有限責(zé)任公司 , 河南 鄭州 450002 ; 2.義馬煤業(yè)集團煤生化高科技工程有限公司 , 河南 義馬 472300 ; 3.河南首恒新材料有限公司 , 河南 許昌 461000 ; 4.河南省化工研究所有限責(zé)任公司 , 河南 鄭州 450052)

酶制劑是一種生物催化劑，具有綠色、高效、安全、環(huán)保等特點。工業(yè)酶制劑是生物制造產(chǎn)業(yè)的核心“芯片”，目前已廣泛應(yīng)用于食品、飼料、紡織、洗滌、造紙、皮革、醫(yī)藥、保健、環(huán)境保護等方面[1]。酶制劑作為生物化工產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分，是諸多產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)耦合和綠色發(fā)展的黏合劑，對我國實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)發(fā)揮著重要作用，極具發(fā)展?jié)摿?。酶制劑具有生物活性，屬生物熱敏性物質(zhì)，遇高溫容易失去活性，在應(yīng)用過程中分為液體酶制劑和固體酶制劑。液體酶制劑穩(wěn)定性差，儲存周期短，因此，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中主要為固體酶制劑。目前酶制劑產(chǎn)品的干燥大多采用噴霧干燥技術(shù)制取，但在噴霧干燥過程中，高溫容易造成酶制劑失去活性，造成產(chǎn)率降低和性能下降。真空冷凍干燥技術(shù)是集真空技術(shù)、低溫技術(shù)、傳熱工程等于一體的新型綜合干燥技術(shù)工藝，先將被干燥物料中的水凍成冰，然后使冰升華，將物料中的水分降低的一種干燥方法，可最大限度地保存酶制劑等熱敏性生物化工產(chǎn)品的生物活性和產(chǎn)品品質(zhì)，因此，在酶制劑等熱敏性生物化工產(chǎn)品中的應(yīng)用前景極為廣闊。

1 真空冷凍干燥技術(shù)原理及設(shè)備構(gòu)成

化學(xué)熱力學(xué)中的相平衡理論是真空冷凍干燥技術(shù)原理的基礎(chǔ)[2]。酶制劑等熱敏性生物化工產(chǎn)品的真空冷凍干燥技術(shù)一般采用預(yù)凍的方式將酶制劑產(chǎn)品中的水分快速凍結(jié)成冰晶，然后在高真空條件下，將酶制劑冰固體中的冰晶升華去除,從而達(dá)到降低酶制劑產(chǎn)品中水分、使酶制劑產(chǎn)品干燥的目的。真空冷凍干燥設(shè)備通常由干燥倉、真空系統(tǒng)、冷凝器(捕水器)、加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)六大部件組成。

2 酶制劑真空冷凍干燥工藝流程

義馬煤業(yè)集團煤生化高科技工程有限公司酶制劑生產(chǎn)過程中，采用的真空冷凍干燥工藝主要分為濃縮過濾、預(yù)凍、真空冷凍干燥三個步驟，工藝流程見圖1。

圖1 酶制劑真空冷凍干燥工藝流程

2.1 酶制劑溶液濃縮過濾

為提高真空冷凍干燥效率，保證酶制劑產(chǎn)品品質(zhì)，酶制劑溶液在進行真空冷凍干燥前，需進行濃縮除鹽除雜，以進一步提高酶制劑溶液中酶分子的濃度和純度。目前，酶制劑溶液濃縮除鹽除雜主要采用陶瓷膜過濾和超濾膜過濾相結(jié)合的方法，通過陶瓷膜過濾，可以有效去除酶制劑溶液中的懸浮物、微生物等雜質(zhì)，保障最終產(chǎn)品的純度；通過超濾膜過濾，可以有效提高酶制劑溶液中酶分子的濃度，提高真空冷凍干燥效率。

公司采用SA-DGN-2540型號的多功能膜過濾試驗機進行濃縮過濾。陶瓷膜過濾孔徑為0.22 μm，單支陶瓷膜過濾面積為0.24 m2，過濾壓力為0.4 MPa。30 L脂肪酶溶液經(jīng)陶瓷膜過濾后，含有脂肪酶的清液透過陶瓷膜，含有菌體、懸浮物等雜質(zhì)的濃液被過濾分離，完成過濾后，獲得脂肪酶清液25 L。超濾膜過濾精度為10 000 DA，單支超濾膜過濾面積2.6 m2，過濾壓力為0.5 MPa，25 L脂肪酶清液經(jīng)超濾膜10倍濃縮過濾，獲得脂肪酶濃縮液2.5 L，經(jīng)檢測，脂肪酶濃縮液酶活為52 300 U/mL。

2.2 預(yù)凍

將脂肪酶濃縮溶液放入冷庫或低溫冰柜中進行冷凍處理，待物料完全凍結(jié)成固體后，再進行真空冷凍干燥，這樣可大幅節(jié)省脂肪酶在真空冷凍干燥機中的冷凍時間，同時有效節(jié)約真空冷凍干燥過程中的能源消耗，提高真空冷凍干燥效率，降低能耗。經(jīng)試驗驗證，將濃縮過濾后的脂肪酶液體裝入真空冷凍干燥機的物料干燥盤中，放入設(shè)定溫度為-40 ℃的低溫冰箱內(nèi)進行預(yù)凍，經(jīng)48～72 h，待脂肪酶液體完全凍結(jié)后，可進行下一步真空冷凍干燥。

預(yù)凍采用的低溫冰柜型號為 BD/BC-718G，將濃縮后的脂肪酶溶液倒入干燥盤中，干燥盤中物料厚度為2 cm，在低溫冰箱中于-40 ℃條件下預(yù)凍60 h，將脂肪酶濃縮溶液完全冷凍。

2.3 真空冷凍干燥

試驗中采用的真空冷凍干燥機型號為FD-IA-50，設(shè)備技術(shù)參數(shù)為：冷凝溫度-50 ℃，真空度<20 Pa，冷干面積0.12 m2，捕水能力3 kg/(24 h)，樣品盤直徑200 mm×4層，電源220 V/50 Hz，功率為0.85 kW。

將凍結(jié)成固體的脂肪酶物料放入真空冷凍干燥機干燥倉中，將真空冷凍干燥機冷阱溫度設(shè)定為-50 ℃，真空度設(shè)定為20 Pa，在真空度低于20 Pa的低壓環(huán)境中，冰凍的脂肪酶固體中的水分子升華后，通過真空泵抽出，酶制劑冰凍固體中的含水率逐漸下降，持續(xù)真空冷凍干燥24～36 h，脂肪酶冰凍固體中的游離水分子完全升華后，停止干燥，經(jīng)收集后獲得脂肪酶固體粉末。脂肪酶溶液經(jīng)真空冷凍干燥后，脂肪酶固體粉末的生物活性被完全保留下來，最終產(chǎn)品的平均生物活性保存率≥99%，平均含水率≤5%，產(chǎn)品保質(zhì)期大幅延長，可滿足脂肪酶在食品、醫(yī)藥等行業(yè)中的應(yīng)用要求。將預(yù)凍后的脂肪酶進行5批次真空冷凍干燥，經(jīng)試驗驗證，最終脂肪酶固體粉末產(chǎn)品的平均生物活性保存率99.20%，平均含水率4.59%，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 脂肪酶真空冷凍干燥試驗數(shù)據(jù)表

3 真空冷凍干燥技術(shù)的優(yōu)勢

目前，酶制劑產(chǎn)業(yè)干燥工藝大多采用噴霧干燥技術(shù)，噴霧干燥是采用霧化器將原料液經(jīng)高速離心或高壓噴射分散為霧滴，并利用熱空氣將霧滴快速干燥而獲得產(chǎn)品的一種干燥方法。但采用噴霧干燥技術(shù)干燥酶制劑等熱敏性生物化工產(chǎn)品，有以下缺點：①進行噴霧干燥時，酶制劑等熱敏性生物化工產(chǎn)品經(jīng)高溫干燥，物料在干燥塔中的停留時間在數(shù)秒至幾十秒，盡管時間較短，但仍然會造成10%～30%的活性損失，同時局部高溫可能會產(chǎn)生部分雜質(zhì)，影響產(chǎn)品品質(zhì)；②在干燥過程中，特別是黏度較大的液體，會出現(xiàn)粘壁或旋風(fēng)分離不徹底等情況，最終造成收率的降低；③噴霧干燥設(shè)備熱效率普遍不高，能源消耗較大；④噴霧干燥后，設(shè)備清洗難度大，容易造成產(chǎn)品交叉污染，降低產(chǎn)品品質(zhì)。

采用真空冷凍干燥技術(shù)，可有效克服以上缺點，酶制劑等熱敏性生物化工產(chǎn)品經(jīng)真空冷凍干燥后，溶液中的水分直接通過升華的形式由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)排除，能夠最大限度地降低對酶制劑活性分子結(jié)構(gòu)的破壞，使得酶制劑的生物活性得以完全保留。采用真空冷凍干燥技術(shù)，在干燥過程中不會產(chǎn)生雜質(zhì)，產(chǎn)品收率更高、產(chǎn)品品質(zhì)更有保障。

4 結(jié)論

目前我國真空冷凍干燥工藝技術(shù)還不夠成熟。雖然該技術(shù)已經(jīng)歷了長期的發(fā)展歷程，但是在這個階段中，并沒有相應(yīng)的專業(yè)書籍作為指導(dǎo)，因此，在使用真空干燥技術(shù)的過程中，需要針對應(yīng)用領(lǐng)域的具體情況，不斷深入地研究和實踐，有效地改進真空冷凍干燥技術(shù)[3]。另外，真空冷凍干燥效率較低，無論是國產(chǎn)，還是引進設(shè)備，其共同的缺點是價格相對較貴，耗能較高，收回投資周期較長[4]。真空冷凍干技術(shù)目前在實驗室研究、小規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用較為廣泛，近幾年正在向大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，需要不斷加強真空冷凍干燥工藝的研究、優(yōu)化，加強真空冷凍干燥設(shè)備放大技術(shù)研究，提高干燥效率，降低企業(yè)使用成本。義馬煤業(yè)集團煤生化高科技工程有限公司通過將真空冷凍干燥技術(shù)應(yīng)用于脂肪酶干燥過程，使得最終脂肪酶固體粉末產(chǎn)品的平均生物活性保存率為99.20%，平均含水率4.59%，與傳統(tǒng)干燥方式相比，收率提高15%以上。按脂肪酶市場售價15萬元/t，200 t/a的脂肪酶生產(chǎn)線，每年可增加經(jīng)濟效益450萬元。

隨著經(jīng)濟增長方式從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，酶制劑、小分子生物活性制品、生物醫(yī)藥產(chǎn)品等生物化工產(chǎn)品在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越深入，真空冷凍干燥技術(shù)由于其特有的優(yōu)越特性，將在食品、保健品、化妝品、醫(yī)藥等行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。