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流體冰技術(shù)在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用

發(fā)布日期：2025-03-26

流體冰兼具液體水的流動(dòng)性與固體冰的潛熱特性，融合了水和冰的優(yōu)異屬性，在暖通領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。流體冰不僅流動(dòng)性良好，其內(nèi)部的冰晶還具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，使其適用于工業(yè)管道的清洗工作。采用流體冰進(jìn)行工業(yè)管道的清洗，能夠有效避免引入外部雜質(zhì)。流體冰技術(shù)起源于海洋漁業(yè)資源保鮮的需求，本文將基于其技術(shù)特點(diǎn)，探討其在制藥領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

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流體冰技術(shù)介紹

流體冰，亦稱流態(tài)冰或冰漿，是一種冰含量介于 0 ～ 40% 的流體形態(tài)，由無數(shù)微小的冰晶與水溶液混合而成。采用尖端技術(shù)制備的冰晶呈圓形球體，避免了碎冰或片狀冰的尖銳或鋸齒狀邊緣。這些微小的冰晶顆粒直徑通常在 0.25 ～ 0.50 mm 之間。該技術(shù)最初于 1978 年由 Sunwell Engineering Inc.在加拿大獲得專利，流體冰的制冰機(jī)如圖 1 所示。流體冰技術(shù)起源于遠(yuǎn)洋捕魚業(yè)的需求，因?yàn)樵诓稉粕习兜聂~類快速預(yù)凍過程中，需使用不會(huì)損傷魚體表面的冰晶。因此，冰晶的球形設(shè)計(jì)能確保覆蓋預(yù)冷時(shí)不會(huì)劃傷產(chǎn)品。

圖1 流體冰制冰機(jī)

流體冰的比熱遠(yuǎn)高于水，這是由于其潛熱的存在。相較于普通冰，流體冰具有更大的比表面積，因此在制冷應(yīng)用中表現(xiàn)更佳。圖2 展示了流體冰與其他類型冰的比表面積對比。從圖 2 中可以明顯看出，流體冰的比表面積數(shù)值顯著高于其他類型冰。在使用流體冰進(jìn)行物料冷卻時(shí)，物料幾乎可以被流體冰完全覆蓋，從而實(shí)現(xiàn)最佳的降溫效果。

圖2 物料的比表面積（單位：m2/t）

盡管國內(nèi)已有仿制流體冰制冰機(jī)的供應(yīng)商，但由于目前技術(shù)尚未成熟，所制備的冰晶難以完全呈現(xiàn)球狀顆粒。這樣的冰晶在覆蓋被冷卻物料時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致物料表面受損。當(dāng)然，如果對這種損傷可以接受，那么可以考慮嘗試使用。

02

流體冰技術(shù)在制冷領(lǐng)域的應(yīng)用

由于流體冰具有豐富的相變潛熱，它被廣泛應(yīng)用于快速預(yù)冷、蓄冷保鮮以及制冷領(lǐng)域。尤其在超市貨架保鮮方面。流體冰是一種先進(jìn)的制冷介質(zhì)，由微小的冰晶與水或鹽水混合而成。圖3 展示了流體冰系統(tǒng)相較于冷卻水系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢。
圖3 流體冰與冷凍水在工程領(lǐng)域的對比情況
從圖 3 中可以看出，在冷卻能力方面，隨著流體中冰含量的增加，其冷卻能力是 7℃水的數(shù)倍。在工程設(shè)計(jì)參數(shù)如流量和壓力方面，流體冰也顯示出優(yōu)于冷凍水的性能。若用流體冰替代冷凍水，可以顯著降低設(shè)備的初次投資成本。例如，潔凈空調(diào)箱若從使用冷凍水改為使用流體冰進(jìn)行冷卻，表冷器的容量和冷媒輸送管道的管徑都可以大幅縮小。
在制藥生產(chǎn)過程中，許多生物制品含有蛋白質(zhì)、多肽、核酸等生物大分子，這些分子的結(jié)構(gòu)和活性對溫度非常敏感。
對于蛋白質(zhì)類生物制品，必須考慮其熱穩(wěn)定性。高溫可能導(dǎo)致其空間結(jié)構(gòu)改變，從而失去生物活性。而低溫能夠減緩分子的熱運(yùn)動(dòng)，降低化學(xué)反應(yīng)速率，有助于保持其結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性。因此，這類制品通常需要在 -20 ～ -80℃的溫度下保存，對于某些特別不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)，甚至可能需要液氮儲(chǔ)存（-196℃）。
對于核酸類生物制品，同樣需要特定的溫度條件以維持其完整性和活性。例如 DNA 和 RNA，盡管它們對溫度的穩(wěn)定性相對較高，但長期儲(chǔ)存仍需在 -20℃～ -80℃的低溫環(huán)境中，以防止核酸的降解。
此外，一些生物制品可能還包含易氧化（如某些含巰基的蛋白質(zhì)）或易水解的成分，不合宜的溫度可能加速這些化學(xué)反應(yīng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。
生物制品原液（DS）一般為液體狀態(tài)，在加工成制劑前都需要低溫保存。儲(chǔ)存溫度通常根據(jù)產(chǎn)品不同而定，發(fā)范圍在 -10 ～ -80 之間。低溫條件下，能有效抑制微生物的生長和繁殖，降低 DS 污染和變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。
DS 在完成除微生物、病毒及下游純化后，一般呈現(xiàn)液體狀態(tài)。因此，通常會(huì)將其灌裝進(jìn)一次性生物袋內(nèi)，然后送入冰柜或低溫冷庫內(nèi)保存。
鑒于上述原因，DS 在灌裝進(jìn)一次性生物袋后，希望整體物料能迅速降溫。然而，如果直接將裝有液體 DS 的一次性生物袋放入冰柜或低溫冷庫內(nèi)，降溫過程依賴于空氣對流進(jìn)行熱交換，會(huì)導(dǎo)致生物袋內(nèi)物料的降溫速率較慢。如果能夠?qū)⒀b有物料的一次性生物袋用流體冰來覆蓋，那么其降溫速率將比直接放入冰柜或冷庫都要快，待溫度降至一定程度后，再移入冰柜或低溫冷庫。

03

流體冰在工業(yè)化管道原位CIP中的應(yīng)用

流體冰含有小顆粒的球形冰，在流動(dòng)過程中產(chǎn)生的徑向擾動(dòng)和軸向摩擦，賦予了其卓越的清洗能力。
流體冰作為管道清洗介質(zhì)，在清洗管道內(nèi)黏稠的水溶性物料方面具有顯著優(yōu)勢。在工業(yè)化裝備的實(shí)際應(yīng)用中，適用于發(fā)酵液輸送管道、牛奶輸送管道、中藥浸膏及化妝品輸送管道的清洗。冰顆粒能有效去除壁面沉積物和微生物膜，清洗效率比傳統(tǒng)沖洗技術(shù)高出千倍以上。與傳統(tǒng)以水為介質(zhì)的清洗技術(shù)相比，流體冰可減少 50% 以上的用水量，并且清洗時(shí)間也能縮短一半以上。流體冰是管路和容器清洗技術(shù)中最高效、最環(huán)保的高新技術(shù)之一。

04

結(jié)  論

流體冰是一種由冰顆粒和水溶液組成的均勻兩相混合物。它具有高冰冷能量和快速冷卻速度，且在冷卻過程中溫度基本保持不變，是理想的制冷和食品保鮮介質(zhì)。因此，流體冰適用于食品保鮮和預(yù)冷，特別是在 DS 冷凍之前的預(yù)冷階段。由于流體冰在熱交換過程中發(fā)生相變，其釋放的冷量遠(yuǎn)超冷凍水。使用流體冰作為冷媒介質(zhì)，可以顯著減少過程裝備的容量，包括換熱器的容量和輸送管道直徑的大小等。
另一方面，流體冰中的小顆粒球形冰在流動(dòng)過程中的徑向擾動(dòng)和軸向摩擦，使其具備了出色的清洗能力。它廣泛適用于發(fā)酵液輸送管道、牛奶輸送管道、中藥浸膏及化妝品輸送管道的原位清洗，國外還有用于市政供水管道清洗的案例。
流體冰技術(shù)已在日本、美國、英國、荷蘭、冰島以及大洋洲等得到廣泛應(yīng)用。在南非、智利、納米比亞的漁業(yè)和采礦空調(diào)領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用。
目前，國際制冷公司如日本大金、美國 JOHNSON CONTROL 根據(jù)技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同生產(chǎn)不同類型的流體冰制冰機(jī)。流體冰技術(shù)尚未在中國大規(guī)模引進(jìn)、開發(fā)和應(yīng)用，主要原因是現(xiàn)有制冰機(jī)成本偏高，對流體冰系統(tǒng)和應(yīng)用技術(shù)了解不足。隨著國內(nèi)對高效、節(jié)能和環(huán)保技術(shù)的日益重視以及對高品質(zhì)食品需求的增長，流體冰技術(shù)可望在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。流體冰技術(shù)是當(dāng)前制冷、空調(diào)、食品加工及過程工程中最有潛力的高科技之一。

來源：制藥工藝與裝備


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