真空冷凍干燥技術的應用
真空冷凍干燥技術的應用【1】
摘要：簡要介紹真空冷凍干燥技術的原理、操作步驟和特點，對真空冷凍干燥技術在醫藥工業、食品工業、生物材料和新材料方面的應用與發展狀況作一綜述。
關鍵詞：真空冷凍干燥;食品工業;醫藥工業;生物材料;新材料
真空冷凍干燥技術是將真空、冷凍和干燥相結合的綜合性技術，涉及多學科領域，如真空、傳熱傳質、流體力學、制冷、自動控制、生物工程等。
真空冷凍干燥是干燥領域中設備最復雜，能耗最大，干燥成本最高的一種方法，與傳統熱風干燥后的物料相比技術特點如下[1，2] ：(1)由于物料是在低于水的三相點壓力(610.5 Pa)以下干燥，相應的相平衡溫度低，且處于高度缺氧狀態。
因此適用于干燥極為熱敏和極易氧化的物料，可保留新鮮物料中的大部分營養物質和有效成分;(2)物料在凍結時形成穩定的固體骨架，水分升華后固體骨架基本保持原有形狀，且多孔結構的制品具有極好的速溶性、復水性和復水率;(3)真空冷凍干燥可以除去物料中95%以上的水分，使產品能在室溫或較高的溫度下長期保存，且質量輕、易運輸。
真空冷凍干燥的方法自20世紀創立以來現已有了很大的完善和發展，其應用范圍逐漸擴大，從最初僅用于醫藥和食品行業，發展到宇航、石油、海洋及新材料的研制等領域。
1在醫藥工業中的應用
藥品冷凍干燥包括西藥和中藥兩部分。
西藥冷凍干燥技術已日趨成熟并實現了大規模工業化生產，中藥冷凍干燥目前則還局限于人參、鹿茸、山藥、冬蟲夏草等少量藥材，尚未實現規模化生產。
藥品冷凍干燥的目的是藥品不變質且盡量減少有效成分的損失，適于長期貯存、準確定量、復水再生以及大批量無菌化生產。
1.1生物制藥
生物藥品主要包括蛋白質類、多肽類、酶類、多糖類等藥品以及血清、疫苗、抗毒素等生物制品。
冷凍干燥技術在生物藥品領域的應用很重要。
文獻報道，約14%的抗生素類藥品，92%的大分子生物藥品，52%的其他生物制劑需要凍干。
李保國等[3]探討了生物藥品冷凍干燥過程中存在的問題，關鍵工藝參數的控制以及凍干保護劑對生物藥品冷凍干燥的影響，分析了蛋白質類藥品凍干過程的變性與預防措施，認為藥品中蛋白質的變性程度與預凍過程中形成的冰晶與蛋白質分子接觸的總面積有關。
接觸面積越大，凍干過程中的活性損失就越大。
因此，在凍干過程和干燥狀態下，能取代水分子并能與蛋白質分子形成氫鍵的糖類(保護劑)可較好地保護蛋白質活性。
1.2中藥
傳統中藥在晾曬、風干以及飲片炮制加工過程中，植物蛋白、微生物、揮發油、多糖類物質等有效成分會受到破壞。
魔芋甘露聚糖是從魔芋精粉中提取的高附加值多糖，有減肥、降血脂、抗腫瘤及增強人體免疫力等活性。
王照利等[4]實驗確定了魔芋甘露聚糖濕品的三相點溫度為-20℃，并根據能耗和生產成本確定最小真空度為80 Pa。
根據魔芋甘露聚糖濕品所能承受的共熔點溫度極限確定擱板溫度為-21℃。
采用此工藝參數，凍干產品色澤潔白、疏松多孔，經檢驗含水率為10.50%，魔芋甘露聚糖純度為96.408%(以純干基計)，為大批量真空冷凍干燥魔芋甘露聚糖提供了參考依據。
用藥效高于干品數倍的真空冷凍干燥中藥逐漸取代傳統中藥已顯現出廣闊的應用前景。
2 在食品工業中的應用
20 世紀50 年代，食品冷凍干燥已從實驗研究應用到小規模生產，隨著技術的不斷突破，又向規模工業化發展。
近年人們越來越注重加工食品的方便、營養保健和高品質，因此對凍干食品的需求不斷增加。
2.1果蔬加工
我國是農業大國，有豐富的水果和蔬菜資源。
長期以來我國農產品一直徘徊在技術含量較低的出口原料或初級加工階段。
凍干食品是普通干燥食品價格的5～10倍，且有巨大的市場需求。
開發凍干食品可提高我國出口食品的檔次，獲得較高的附加值和經濟效益。
果蔬的結構形態和成分決定其冷凍干燥加工的難易度。
一般是，物料尺寸越小、結構越均一，處理越容易。
因為這樣的物料表面積大，受熱和冷卻均勻，冷凍干燥時間短且易控制。
果蔬冷凍干燥加工工藝過程基本相同：清洗―預處理―漂燙―冷凍干燥―充氣包裝。
隨著食品科研工作者的不斷努力，相繼確定了一些果蔬的凍干工藝參數。
例如段江蓮等[5]測定梨棗的共晶點為-3℃;擱板溫度每提高10℃，凍干時間縮短2.0 h;厚度每增加2.0 mm, 凍干時間延長2.3 h;用0.2% 的維生素C護色，擱板溫度為70℃，以棗片厚度3.0 mm 的工藝條件生產凍干梨棗, 能最大限度地保持原果的風味、形態、色澤，且凍干時間短，生產成本低, 為梨棗凍干加工的工業化生產提供了依據。
2.2水產品加工
水產品加工是提高水產品綜合效益和附加值的重要途徑。
深加工可提高優質水產品的品位，增加低質水產品的營養源、綜合利用率和附加值。
云霞等[6]實驗比較了冷凍溫度-25 ℃，冷阱溫度-29 ℃～-31 ℃，真空度10～20 Pa，凍干最終溫度60 ℃的條件下，凍干海參與鹽澤海參的感官指標、理化指標，結果表明無顯著差異。
2.3 食用菌加工
食用菌是無公害的天然綠色食品，有很高的食用價值和保健價值，被譽為21世紀的健康食品。
陳合等[7]用電阻測量裝置測定香菇和金針菇的共晶點分別為-29 ℃和-32 ℃，共熔點均為-18 ℃;分析了切片厚度、壓力、干燥溫度及凍結速度對干燥速率的影響。
結果表明，未經漂燙的香菇切片厚度6 mm，-35 ℃凍結90 min，凍結速度-1.0 ℃/min，-18 ℃升華7 h，40 ℃解析6 h，解析升溫速度0.5 ℃/min;經漂燙的金針菇-39 ℃凍結90 min，凍結速度-1.0 ℃/min，-20 ℃升華10 h，45 ℃解析6 h，解析升溫速度0.5 ℃/min，在此優化條件下冷凍干燥，能較好地保持食用菌的營養且復水性好。
3在生物材料制備方面的應用
3.1生物工程材料制備
角膜是眼球最外層的透明薄膜，厚度僅0. 58～0. 64 mm ，其結構分為5層，主要成分是水、蛋白聚糖、氨基酸等, 含水量為72%～82%。
徐成海等[8]分析真空冷凍干燥過程對角膜活性的影響。
結果表明，凍干過程中可能對角膜細胞造成損傷的是預凍和干燥兩個階段，通過調整工藝參數，成功凍干出合格的人眼角膜。
凍干后的角膜易長期保存，經生理鹽水復水后結構與新鮮角膜類似。
膠原蛋白-羥基磷灰石復合物是用于修補骨缺損的理想生物醫用材料。
在燒結成型前，通常真空冷凍干燥制得含有大量微孔的粉末，可為引導骨組織生長提供合適的理化微環境，提高生物相容性。
史宏燦等[9]用聚丙烯單絲、聚乙丙交酯纖維編織成直管狀網管，內壁涂以聚氨酯薄膜和膠原蛋白，外壁用膠原蛋白-羥基磷灰石多孔狀海綿覆蓋，設計出新型的人工氣管假體。
真空冷凍干燥膠原蛋白-羥基磷灰石海綿特有的三維多孔結構，孔徑控制在100～200μm，空隙間共通，為細胞的黏附、爬行和組織生長提供了足夠的空間。
3.2生物大分子功能材料制備
茶多糖(tea-polysaccharide)是茶葉中與蛋白質相結合的酸性多糖或糖蛋白，具有降血糖、消炎、抗凝、抗血栓等藥理作用。
周志等[10]將茶葉粉碎，微波聯合水浴浸提，離心、濃縮、醇析，再經真空冷凍干燥得灰色粉狀粗茶多糖，用Sevag法脫蛋白質，將體積比4∶1 的氯仿/正丁醇混合液加入樣品，離心除去混合液與殘留蛋白質形成的凝膠，最后真空冷凍干燥得到灰白色茶多糖。
此工藝復雜，但茶多糖純度較高且較好地保持了生物活性，真空冷凍干燥是關鍵。
4在新材料制備方面的應用
4.1金屬超微粉體材料制備
席曉麗[11，12] 等采用“液液摻雜-冷凍干燥-兩段還原法”制備了一系列納米稀土鎢粉末(W-La2O3，W-Y2O3，W-CeO2)。
粉末顆粒在20～30 nm之間。
粉末經SPS 燒結后得到性能優異的納米稀土-鎢熱電子發射材料。
“液液摻雜-冷凍干燥”技術從本質上改變了稀土氧化物在鎢基體中摻雜的均勻性。
在液-液混合條件下，第二相的尺寸極小，而體積分數增大，即第二相增強。
因此，液-液摻雜實質上是利用晶界和氣孔第二相來控制鎢晶粒的生長，使得鎢晶尺寸穩定在某一范圍。
因此，納米稀土鎢材料摻雜均勻，沿晶界分布的稀土氧化物密度較高，分布均勻。
4.2特殊結構材料制備
Moon等[13]用冷凍干燥技術制備了具有放射狀孔道結構的NiO-YSZ管狀材料。
將NiO-YSZ漿液倒入用冰乙醇(-30 ℃)冷卻的特制管狀容器，冷凍時冰沿徑向定向生長，漿液完全冷凍之后再真空中干燥，使冰完全升華后1 000 ℃燒結2 h，形成孔道呈放射狀排列的特殊結構材料。
這種多孔材料可用作固體氧化物燃料電池(SOFC)陽極，其電化學反應活性高，且可避免濃差極化現象。
Fukasawa等[14]將氧化鋁粉末、分散劑和水煮成的懸濁液倒入高熱傳導性的金屬制容器，僅將容器底部浸入低溫乙醇，促使冰由底部向上生長，單方向冷凍生成多孔陶瓷。
這種陶瓷具有整齊排列、約10μm的孔道結構，且孔道內壁上又有約0. 1μm 的小孔。
4.3高分子聚合材料制備
超聲造影劑能增強血液與組織的灰階顯像，增強彩色多普勒血流信號，提高病灶及多普勒血流信號的檢出率，用于疾病的超聲診斷與鑒別診斷。
冉海濤等 [15]用可在人體內生物降解的新型人工合成高分子聚合物乳酸/羥基乙酸共聚物(PLGA)作為體外顯影的成膜材料。
首先用雙乳化法制備包裹水滴的PLGA 微球，再通過真空冷凍干燥使微球內的水分升華，形成空隙，然后在冷凍干燥室內緩慢沖入氟烷氣體至常壓并平衡一段時間，成功制備了內含氟烷氣體的PLGA 微泡超聲造影劑高聚顯。
5真空冷凍干燥技術的應用現狀及發展趨勢
真空冷凍干燥因設備投資大，運轉費用、能耗高，限制了廣泛應用。
降低生產成本能耗是21世紀真空冷凍干燥技術的重點研究課題。
Donsi等[16]應用熱干燥和冷凍聯合干燥蘋果、土豆、胡蘿卜和一種密生西葫蘆，比較聯合干燥和冷凍干燥的產品，表明聯合干燥是一種很有潛力的脫水干燥技術。
由于真空冷凍干燥技術應用于不同行業，縮短干燥時間以及不同類型產品的最佳工藝仍是今后需要繼續研究的課題。
Phanindra等[17]應用冷凍干燥和熱風聯合干燥切成塊狀的胡蘿卜和南瓜，比較干燥速率、總能量消耗和物化特性和質量，結果表明，冷凍和熱風聯合干燥的產品在外觀和復水比方面優于熱風干燥的產品，質量接近于完全冷凍干燥的產品。
聯合干燥的時間和總能量較完全冷凍干燥縮短50 %，與熱風干燥類似，表明聯合干燥在提高脫水蔬菜的質量，節省能量消耗和時間上是有效的。
生物工程領域對真空冷凍干燥的設備要求高，且凍干工藝發展緩慢。
真空冷凍干燥是制備粉狀和顆粒狀生物材料的關鍵工序，為確保生物產品特別是醫藥生物產品的安全，真空凍干機必須高度無塵無菌。
美國食品藥品管理局(FDA)要求藥品的真空冷凍干燥采用蒸汽滅菌系統以便于控制滅菌操作的溫度、壓力和時間，保證滅菌徹底、無死角。
生物活性材料的真空凍干要保持材料特有的功能和活性，又要絕對安全，對人畜無毒。
這使得確定藥品、血液制品和生物制品凍干工藝參數比較困難。
應規范凍干過程中所用的保護劑，提高凍干制品質量。
6結束語
真空冷凍干燥技術現已在許多領域被成功地應用。
但與其他干燥方法相比，設備投資較大，能耗及產品成本較高，限制了此技術的進一步發展。
因此，在確保產品質量的同時降低能耗和成本，改進生產工藝，是真空冷凍干燥技術研究的新方向。
目前科研工作者正著手研究能否提高經過冷凝的制冷劑溫度，利用冷凝器作為加熱系統的熱源達到節省能源的目的，以及更好的利用微波加熱來提高產品質量。
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真空冷凍干燥技術在生物制藥方面的應用【2】
【關鍵詞】真空冷凍干燥;生物制品;凍干機
真空冷凍干燥簡稱凍干，就是把含有大量水分的物質預先進行降溫東結成固體，然后一定真空條件下使水蒸氣直接從固體中升華出來，而物質本身留在凍結時的冰架中。
它是一種現代化的干燥技術。
是真空技術、制冷技術和干燥技術的結合。
又是一門跨越多個學科領域的交叉科學。
涉及傳熱傳質、流體力學、自動控制、食品營養、生物工程材料等專業知識。
由于在低溫及真空狀態下完成對制品的脫水干燥，而成為醫學生物制品中首選的干燥保存方法。
該技術最早于1813年由英國華萊斯頓發明，1909年沙克爾用真空升華干燥法對抗菌素、菌種、狂太病毒及其他生物制品進行凍干保存，取得較好效果。
冷凍干燥是用來干燥熱敏性物質和需要保持生物活性的物質的一種有效方法。
該技術最大程度上防止了生物制品、藥品在水和熱的作用下很容易產生的性變和分解，對生物組織和細胞體損傷較少，能減少活菌體及病毒的死亡。
低溫干燥，物質中揮發性成分損失很小，微生物的生長和酶的作用無法進行，能保持原來性狀。
由于干燥在真空下進行，氧氣較少，因此易氧化的物質的到了保護。
干燥能排除95%~99%以上水分、使干燥后產品能長期保存而不致變質。
例如，人血漿在液體狀態只保存幾個月，而凍干后可保存5~10年。
麻疹弱毒活疫苗在液態的有效期為三個月，凍干后可延長一年。
真空冷凍干燥的缺點是投資大、維護費用高、因而產品成本高。
現在國內許多制藥企業都用冷凍干燥法加工藥物，如各種抗生素、生物提取物、疫苗、酶制品等。
1 凍干機性能選擇
藥用凍干技術必須符合《GMP》規范，一臺較完善的凍干設備除了容納最新的凍干技術外，其性能還必須具備安全性、可靠性、適應性和經濟性四個方面的綜合能力。
凍干機的容量、規格，包括隔板面積、冷凝器補水量、隔板尺寸、隔板間距等，都應與生產量大小相匹配。
隔板正反面都要相當平整，板溫均勻，板與板之間、板的每個點溫差應控制在正負1°C內，才能保證整批產品質量均一。
冷凝器的溫度應能在1~2小時內降至所需溫度，一般為-45°C以下。
箱體的真空度，空箱測定應在30min內達到2.66Pa，凍干箱體、板層和水汽凝結器、蒸汽冷凝管均屬受內外壓部件，它們在真空下的泄漏對藥品可能造成污染，因此凍干設備中內外壓部件都必須進行嚴格的泄露測量，使之符合安全性指標。
箱體應采用優質不銹鋼材質、設計合格、方便清洗、高度耐腐蝕。
凡是直接和間接接觸藥品的凍干箱體、板層、軟管、活塞桿和水汽凝結器、蒸汽冷凝管以及各類真空閥門，管道件等選用抗腐蝕性佳的進口低碳不銹鋼材質sus304(L)或sus316(L)。
為了便于人工清潔和CIP自動在線清洗凍干箱體、板層和水汽凝結器，這些部件內部構造盡可能簡單，以最少的零件達到同樣的功能。
清洗水必須是50~60°C不得重復使用的超濾水，零件容易拆裝、維修方便、不允許有死角等不易清潔的結構。
凍干箱體采用大圓角結構，所用的焊接結構經氬弧焊焊后修磨成圓弧角或45度角。
板層連接軟管sus304(L)不帶網體整體螺旋管，箱內管道和箱底設計略有坡度，為了達到在高真空下最小的材質放氣量和清潔的目的，凍干箱體和板層表面必須進行鏡面拋光處理。
2 凍干機附屬裝置
2.1 液壓裝置，由于凍干后在箱內整箱軋塞，板層能上下自由移動，有利于箱內清洗，容易接近箱內各個部位。
2.2 有限量泄漏裝置，用于控制箱內真空度，有控制的摻入氮氣或無菌空氣，它將有利于二次干燥階段制品的升溫，可縮短凍干周期2~3小時。
2.3 控制系統，主要控制隔板溫度，可通過記錄儀保存產品溫度，、隔板溫度、冷凝器溫度、箱體真空度等，并設有連鎖報警，提高操作的可靠性，避免產品在操作或配套設施出錯時蒙受損失。
企業應根據自己的需求選擇進口凍干機或國產凍干機，并考慮價格、安裝調試、維護保養、零件供應、售后服務等問題。
21世紀是以生物、材料、電子、信息科學等領域的重大發展為標志，真空冷凍干燥技術在次會發揮重要作用。
在一些發達國家，凍干食品占方便食品的比例越來越大，被認為是高檔的脫水食品，并廣泛應用到食品各個領域，如方便食品、即時湯料、粉末蔬菜、顆粒蔬菜、速溶飲品等，國際上的凍干食品總是供不應求。
在醫學方面，凍干技術也為醫學的發展提供依托，離體生物組織凍干保持活性的研究，從簡單的精子細胞組織到復雜的人角膜細胞結構，正處于深入的發展研究階段。
在納料材料領域，凍干作為低溫化學制粉過程，其產品品質和性能的優勢，而且由于尖端領域或宇航、軍事等特殊領域，因此具有良好的開發應用前景。
真空冷凍干燥技術在功能食品和納米材料、生物、醫學等方面的大規模應用，為凍干技術開辟了廣闊的前景。
隨著凍干技術應用領域的深入和擴展，凍干設備也需要不斷發展，生物制品和藥用凍干機應提高自動化程度及運轉的可靠性，進一部加強清洗消毒滅菌功能。
食品用凍干機應提高產量，設備改進的目的是降低設備及產品成本，提高質量。
參考文獻
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仿真技術在真空冷凍干燥機設計中的應用【3】
[摘 要] 目的：探究仿真技術在真空冷凍干燥機設計過程中的應用。
以先進設計方法，支持產品開發和基礎試驗，充實科學試驗和測試手段。
方法：針對主要部件冷凍干燥箱和擱板進行CAD建模。
借助CAE技術對冷凍干燥箱進行靜力學分析，根據變形和應力分布情況，為其形狀和尺寸優化目標提供可靠依據。
對冷凍干燥箱進行模態分析，得到其固有頻率，為有效預估結構的振動特性提供依據。
應用FLUENT軟件，采用SIMPLE算法和標準κ-ε湍流模型，分析其內部氣流流動特性、出口速度分布，為進氣口布局提供設計依據。
對擱板內溫度場進行流-固耦合分析，獲得擱板溫度場和流場的分布圖，為進一步優化擱板結構提供依據。
結果：對冷凍干燥箱內氣流模型和擱板溫度流場模型建立和計算方法進行嘗試，獲得了流場云圖和載荷數據等仿真結果，為其實際工程應用提供參考依據，提升了產品開發效費比。
結論：仿真作為一種試驗技術，對于設計工作中提升產品性能、提高設計效率起到了積極推動作用。
[關鍵詞] CAD/CAE;流-固耦合;靜力學分析;模態分析;仿真分析;凍干技術;FLUENT中圖分類號：TB79 文獻標識碼：A 文章編號：2055-5200(2014)01-027-06
1 引言
真空冷凍干燥技術在生物工程、醫藥工業、食品工業、材料科學和農副產品深加工等領域有著廣泛的應用。
冷凍干燥技術用途廣，生產廠家較多，美國、英國、日本、德國等國的凍干機已經形成標準化、系列化的產品，其擱板面積從不到一平方米直至大到幾十平方米， 形成十幾種規格。
我國冷凍干燥機結構設計多采用材料力學簡化計算與經驗設計相結合的方法。
這種設計方法具有一定可靠性，但存在諸多弊端：首先，采用這種方法設計周期長，進行計算后，再根據計算結果人工布置筋板結構，會耗費大量時間，設計準確性不易保證;其次，結構組件冗余，用材質量大，傳統設計在材料使用上偏于保守，比國外同種規格產品重量大，致使成本高、效益低，削弱了產品的競爭力。
國內外文獻中， 對如何將現代仿真技術應用到真空冷凍干燥機設計中的文章不多見。
本文探討仿真技術在真空冷凍干燥機主要組成部分設計中的運用。
設計產品零件幾何形狀復雜，設計計算難度大，設計計算過程復雜，產品性能要求高時，需要經驗豐富的高水平技術人員結合產品仿真分析才能完成[1]。
2 冷凍干燥機設計與分析的關鍵
目前制備型真空冷凍干燥機主要由冷凍干燥箱、真空系統、制冷系統、加熱系統及自動控制系統幾大部分組成[2-3]。
這幾大部分的搭配、取舍可構成不同的設計方案。
冷凍干燥箱是一個能夠制冷到-50℃左右，能夠加熱到+70℃左右的高低溫箱體，也是一個能夠抽成真空的密閉容器，它是凍干機的主要組成部件，其中的擱板是核心部件，它負責對制品的預冷、升溫、干燥。
制品的品質在很大程度與擱板的制冷溫度、加熱溫度、干燥時的真空度三個主要參數緊密相關[4]。
以上三個參數中，后兩個參數比較容易控制，原因是擱板加熱溫度一般由電加熱裝置提供熱量，硅油作為傳熱介質，電加熱裝置功率穩定可控，所以容易實現熱量大小的改變，干燥時真空度的控制雖然較為復雜，但還是能做到較精確控制。
比較難于理想控制的是第一個參數：制冷溫度，這一參數主要通過擱板最低溫度、擱板降溫速率、擱板控溫精度來綜合評價。
基于以上原因，嘗試對冷凍干燥箱和擱板設計。
首先，在具體結構上借助三維CAD技術，完成三維造型、虛擬組裝、工程圖生成等工作;其次，借助CAE技術對冷凍干燥箱進行靜強度及模態分析計算，通過FLUENT分析顯示冷凍干燥箱氣體流場軌跡和擱板內溫度場變化，發現存在問題，為設計提供參考，縮短研發周期，提高經濟效益[5]。
2.1 冷凍干燥箱靜力學分析
首先用Pro/ENGINEER做造型設計，然后利用其提供的數據接口把模型傳遞到ANSYS環境進行有限元計算，從而得到冷凍干燥箱的機械性能。
[C]―阻尼矩陣;
[K]―剛度系數矩陣;
{x}―位移矢量;
{F}―力矢量。
線性結構靜力分析中，所有與時間相關的量都被忽略。
于是，從(2-1)式中得到以下方程式：
[K]{x}={F} (2-2)
根據設計要求，對冷凍干燥箱結構采取從局部到整體的造型方法建模，冷凍干燥箱是由若干零部件焊接裝配起來，用CAD軟件造型，可以從標準結構件開始將相關結構體拼合即可得到整體結構模型。
在進行有限元分析時，各結構件可按焊接成一個整體處理。
設計初期采用經驗設計和材料力學簡化算法相結合的方式，得到設計參數的初始值，然后用Pro/ENGINEER進行輔助實體造型即可得到冷凍干燥箱體模型，整體完成后的分析用三維模型如圖1所示。
通過仿真分析可以發現設計上的一些不合理地方，如有些部位應力水平頗高。
盡管其中有未考慮焊縫而引起的應力集中的因素存在，但即使去除該因素，應力分布的不均性也不可避免地導致各部分疲勞壽命的差異以及材料使用不合理。
為此，應考慮調整筋板的布置方式，在應力水平過高處適當增加加強筋板;同時為降低振動頻率可調整布局方式。
2.3 冷凍干燥箱及擱板CFD分析
計算流體力學CFD(Computational Fluid Dynamics)是多種領域的交叉學科，因具有成本低和能模擬較復雜或較理想的過程等優點而在最近20年中得到了飛速發展[9]，它所涉及的學科有流體力學、偏微分方程的數學理論、計算幾何、數值分析、計算機科學等，而最終體現計算流體水平的是解決實際問題的能力[10]。
隨著計算流體力學的發展，數值模擬已經成為了流體力學研究的重要手段[11-13]。
冷凍干燥機加熱系統的關鍵在于如何節省能源，提高熱效率。
由于在真空狀態下傳熱主要靠輻射和傳導， 傳熱效率低， 所以近來出現了調壓升華法。
調節氣壓有多種方式， 英國愛德華公司采用充入干燥無菌氣體的方法， 既提高了冷凍干燥箱的壓強， 又不致增加冷凝器負荷， 是一種比較好的方法。
借助CFD仿真技術可以預測冷凍干燥箱內不同配氣口充入干燥無菌氣體氣流分布詳細情況，從而指導設計工作。
首先，構建凍干箱底部進氣和側壁四點均布進氣兩種氣流形式的三維分析模型，建立冷凍干燥箱內部氣體流場分布計算模型，具體如圖8、9。
由于FLUENT軟件可以相對準確地給出流體流動的細節，如：速度場、壓力場、溫度場、濃度場分布的時變特性，不僅可以準確預測流體產品的整體性能，而且很容易從對流暢的分析中發現產品或工程設計中的問題，據此提出的改進方案，只需計算一次就可以判斷改進是否有效果[14]，因此，利用FLUENT求解器對計算進行設置并進行求解。
計算結果如圖12、13。
圖12 底部進氣流場云圖 圖13 側壁進氣流場云圖
冷凍干燥箱結構合理可確保凍干過程的順利完成，擱板設計能力的水平將直接決定整機性能，擱板上換熱流路布局合理，用材合理，熱慣性小，即能大幅度降低控制系統、制冷系統、加熱系統等功耗負荷和故障率，又能實現一個最優的冷卻速率，獲得最高的細胞存活率、最好的產品物理形狀和溶解速度。
為了使本設計的擱板熱均勻性好，熱慣性小，在設計中采用CFD技術構建熱傳導模型，在Pro/ ENGINEER中建立三維模型，建模如圖14。
構建流路有限元模型，如圖15。
3 結論
(1) 將CAD、CAE等先進計算機仿真設計手段應用于真空冷凍干燥機研發，可以縮短設計周期、保證設計質量、提高整體設計水平，減少開發成本;
(2) CAE技術可以在設計之初發現設計中存在的問題，基于有限元的優化分析能夠為設計提供改進的方向。
通過數值仿真分析，得到應力應變分布情況，對關鍵結構尺寸予以調整，減小應力應變，以達到結構優化的目的。
(3) 本文研究流場中典型流動的一般原理，基于ANSYS Fluent軟件的模擬計算能夠較為準確的預測真空冷凍干燥機工作過程中氣體在冷凍干燥箱內的流動情況，為設計適宜的進配氣結構提供技術參考。
(4) 用ANSYS Fluent流體動力學軟件對真空冷凍干燥箱內氣流工況進行數值仿真，結果發現側壁四點均布進氣口設計方案有利于凍干箱內注入惰性氣體對加熱擱板的均勻包覆，實現無氧環境下的壓蓋封裝。
其進氣方式優于底部單進氣口設計方式。
所得結論為今后進一步的深入研究真空冷凍干燥技術的機理以及設計新型進配氣裝置具有重要指導意義。
(5) 用ANSYS Fluent流體動力學軟件對真空冷凍干燥機加熱擱板溫度分布情況進行了數值仿真，為擱板換熱流路設計提供了依據，為動力循環系統、制冷系統和控制系統的整體性能設計工作提供參考。
(6) CFD技術可以克服傳統方法中系統當量模型的簡化及模型中原始物理參數無法精確化的問題，并且可以得到較為直觀的結果，直接用來指導設計。
設計中由單純經驗設計方法轉變為理論計算指導和經驗相結合的方法。
(7)借助于CFD的仿真分析，能夠有效地分析流體運動過程中的運動特性和規律。
使得設計工程師從復雜的理論計算中解放出來，將更多的精力放在優化設計及結構設計上。
(8) 盡管CFD技術本身還存在著一定的局限性，比如對物理模型、經驗技巧有一定的依賴，然而，計算流體動力學(CFD) 是一種以流體為研究對象的數值模擬技術，相對于實驗流體動力學而言，它具有資金投入少、計算速度快、信息完備且不受模型尺寸限制等具有巨大優勢，在眾多領域內必然能發揮越來越多的作用。
參 考 文 獻
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