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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(wú)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(yú)業(yè)的需求,因?yàn)樵诓稉粕习兜聂~(yú)類快速預(yù)凍過(guò)程中,需使用不會(huì)損傷魚(yú)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(duì)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(guó)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(duì)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(shì)。
圖3 流體冰與冷凍水在工程領(lǐng)域的對(duì)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(guò)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(duì)溫度非常敏感。
對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)溫度的穩(wěn)定性相對(duì)較高,但長(zhǎng)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(zhǎng)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(kù)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(kù)內(nèi),降溫過(guò)程依賴于空氣對(duì)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(lái)覆蓋,那么其降溫速率將比直接放入冰柜或冷庫(kù)都要快,待溫度降至一定程度后,再移入冰柜或低溫冷庫(kù)。

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(guò)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(shì)。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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guó)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(guó)、英國(guó)、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(guó)際制冷公司如日本大金、美國(guó) 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(guó)大規(guī)模引進(jìn)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,主要原因是現(xiàn)有制冰機(jī)成本偏高,對(duì)流體冰系統(tǒng)和應(yīng)用技術(shù)了解不足。隨著國(guó)內(nèi)對(duì)高效、節(jié)能和環(huán)保技術(shù)的日益重視以及對(duì)高品質(zhì)食品需求的增長(zhǎng),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(guò)程工程中最有潛力的高科技之一。

來(lái)源:制藥工藝與裝備


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