微波干燥与灭菌在医药食品生产中的应用

微波干燥与灭菌在医药食品生产中的应用东南医药生物工程技术研究所郭维图一、干燥灭菌的基本概念中药提取原料的终端产品，分别为针剂、口服制剂两类制剂产品以及外用药提供原料，针剂除粉针为固态外，其余均为液态，而口服制剂除口服液外，则均为固态，外用药大多为软膏剂,其所需原料大都属于固态粉状产品均应干燥。而用于针剂产品的原料必须符合无菌要求。1.干燥的基本概念干燥：干燥是医药、化工、食品作业的重要工序，干燥是利用热能使湿物料中湿分（水或溶剂）汽化除去，从而获得干燥药品的工艺操作。湿物料进行干燥时，有两个基本过程同时进行：一是热量由气体传递给湿物料，物料表面上的湿分立即汽化，并通过表面处的气膜向气体主体中扩散；二是由于湿物料表面处湿分汽化的结果，物料内部与表面之间产生湿分浓度差，于是湿分即由物料内部向表面扩散。干燥的基本概念干燥所利用的热能，传统上的能源可分为两类，一是蒸汽，二是电能。这种加热方式，加热时间长、速度慢、效果差、能耗大而且所得产品有效成分受到一定程度破坏。目前，经过试验和应用证实微波可以克服上述弊端。2.灭菌除菌无菌的基本概念无菌：系指物体或任何给定的介质中，没有任何活的微生物存在。无菌操作：是指在整个工艺操作过程中，利用和控制在一定条件下，尽量使产品避免微生物污染的一种操作方法，其所用一切器具原辅材料及环境应预先灭菌，操作必须在无菌操作室进行，操作人员必须按卫生要求程序进入。无菌检查(Sterilitytesting)，证明灭菌后的物品中是否存在活微生物所进行的试验。灭菌除菌无菌的基本概念除菌：是指用特殊滤材将微生物(死与活的)全部阻留而滤除（原已染有的微量可溶性代射物外），以防止热原产生。消毒：用物理或化学方法杀灭物体上或介质中的病原微生物。热原：是微生物的代谢物，是细菌的一种内毒素，存在于细菌的细胞膜与固体膜之间。灭菌的基本概念灭菌：应用物理或化学等方法把物体上或介质中所有微生物及芽胞全部杀灭，以获得无菌状态的总过程。灭菌大体可分三大类，即化学药物灭菌，生物药物灭菌和物理法灭菌。物理灭菌法：采用加热，光波，辐射，电磁场等物理方法杀有害微生物。物理方法的湿热灭菌更多适用于液体制剂，而辐射灭菌则更普通用于固体口服制剂，尤其是中药制剂产品、丸、散、片、颗粒及中药直接入药的饮片。灭菌的基本概念物理方法灭菌在药品及食品中应用最普遍，其中以湿热灭菌，过滤除菌在可最终灭菌的大、小容量注射剂生产中最为广泛。药品、食品灭菌、除菌主要物理方法有六种：蒸汽、干热、微波、气体、辐照灭菌和过滤除菌，尽管各种灭菌方法在去除微生物的机制、操作参数、适用性方面不同，但选择灭菌方法的原则却是基本相同的，需要综合考虑所选灭菌方法的现实性、有效性和安全性。尤其考虑到中药品种多，成分复杂、污染面广等原因，在选择灭菌方法时更要充分注意灭菌方法对产品成分、药效、安全性和稳定性的影响。灭菌的基本概念衡量灭菌程度的几个参数杀灭时间(KT)，用于生物指示物抗力鉴定时，指受试示物样本，经杀菌因子作用后全部样本无菌生长最短作用时间（min）。D值（D）：杀灭微生物量达90%所需的时间(min)，杀灭对数值，当微生物数量以对数表示时，指消毒前后微生物减少的对数值。杀灭率（KR）：在微生物杀灭试验中，用百分率表示微生物数量减少的值。灭菌保证水平(SAL)：指灭菌处理后单位产品上存在活微生物的概率。三、微波干燥杀菌的特点•1、干燥（1）干燥速度快：由于微波干燥所需热能是由电磁能转换不象传统加热需要预热，它在通电的瞬间便产生热量，不存在热阻，热量首先产自湿物料的内部，热传导方向与湿分子传导方向一致，水分从物料中心向周边扩散，路程仅传导加热的二分之一，大大提高物料的干燥速度，缩短干燥时间。这是因在相同的内部湿度下，微波干燥的热扩散使物料内部的湿扩散加快，保持表面的湿度高于内部湿度。而以蒸汽、电为热源的热空气干燥时，由于内部扩散的阻力，物料表面比物料内部干得快，物料表面形成一层膜，阻碍水分蒸发，降低干燥的速度，使物料表面的湿度从初始即接近平衡湿度。例如将含水从80%烘干降至含水20%，用热空气干燥需20h，而用微波干燥只需2h左右，还有若用烘房干燥400～500Kg药丸，水丸需20h左右，如果采用微波干燥，水丸约需1h左右，而蜜丸只需6H即可。微波干燥杀菌的特点•（2）具有选择性加热、干燥温度低、产品纯度高、灭菌效果好：物料微波场所吸收的功率与介质的损耗因素成正比，因而利用此特性选择适当的频率，专门对此进行加热干燥，这可提高干燥效率。在微波加热干燥中不同物质吸收微波的能力不同，其中含水分具有对微波有更大吸收能力，故微波加热干燥对含水物料尤其有利。含水物料因吸收更多能量而水分迅速汽化，固体物料因吸收微波能力小，温度不会升高，避免物料过热炭化，具有自动平衡能力，所以产品含水均匀、药物成分得到有效保护、表面不结壳、皱皮或开裂。微波干燥杀菌的特点（3）干燥较均匀,产品质量好：因微波能直接为水所吸收,物料内部和表面的水分能同时获得微波而被加热,故加热均匀,干燥时间短,不影响物料的分子结构及色、香、味，而用热空气干燥只能调节物料表面的温度和湿度，相比，微波高频电场对物料的穿透性，物料的各部位同时加热，物料内外同时升温而达到均匀干燥的目的，不会出现传导干燥外表面过热内部欠热致使外焦里湿、结块影响产品质量的现象。对于含水的药材、中间产品、药品，微波突显其特性，不仅干燥速度快，而且质量好，对于丸剂产品，其质量水丸＞水蜜丸＞蜜丸，据有关研究数据表明：微波快速干燥时，形成丸药内部蒸汽的压力差，内部的蒸汽的压力＞外表的蒸汽的压力，对丸药产生一定的膨化作用，有利于加快丸药的溶散速度，一般丸剂在1h内完全崩解。微波干燥杀菌的特点（4）单位产品能耗少、热效率高、收率高、成本低由于热能直接产生于湿物料的内部，微波加热设备本身不耗热、设备与物料无需予热也无余热，加热和停止加热均在瞬间实现，故加热时间短，能量利用率在80﹪以上，因此能耗低；而常规的蒸汽今日或电加热热效率仅有30﹪左右，若加算上周期长等因素，的确能源是很大的浪费。如用电热干燥某物料耗电100KW，而用微波干燥同等数量相同湿度的物料，耗电20KW即可同样干燥程度。微波能耗只占传统蒸汽烘箱能耗的1/3。再说，有效成分破坏少、中间损耗也少，所得收率高；因为收率高、质量好、能耗少、生产周期短，必然成本也就降低。微波干燥杀菌的特点（5）环境良好、减轻污染由于热源是由电能转化，不像蒸汽会有跑、冒、滴、漏，干燥温度一般70～80℃，而传统的蒸汽或电热干燥，其温度达百度，靠热风传递热量，设备既吸热又散热，加热速度慢时间长,即使加热完成出料以后设备的余热物料带出的热量释放于空间,使干燥室闷热难忍。微波干燥室环境温度基本稳定略高于空调室温2～3℃，工作环境良好。微波干燥杀菌的特点（6）操作基本简便，可实现自动化程控生产中的相关数据如温度、时间、含水量、压力、转速…等参数可以输入编程控制器，由计算机进行调控，并由显示屏显示，同时，可设超限、事故显示与报警，既方便又安全。微波加热干燥不论是箱式微波干燥机、箱式微波真空干燥机、还是连续微波真空干燥机、微波真空冷冻干燥机、滚桶式微波干燥机都可应用程控，简化操作程序、采用自动化操作，尤其隧道式及连续微波真空干燥机可实现连续化生产，整条生产线只需1~2名操作工。既大大降低劳动强度，提高劳动生产率，又可方便操作与生产管理。微波杀菌设备不需要锅炉、复杂的管道系统、煤场和运输车辆等，只需水、电基本条件即可，对厂房无特殊要求。投资少、见效快。节省占地面积，微波设备无高温余热，不产生热辐射，能改善工作环境；而且设备结构紧凑、节省厂房面积。微波干燥杀菌的特点微波干燥的结论：基于上述特点，微波用于含水物料的干燥尤其有利，利用微波技术可以对中药材原料、颗粒、片剂、丸剂以及粉粒制剂等进行脱水干燥、杀虫防腐、灭菌等加工处理，不仅干燥速度快，而且可提高产品质量，方便药物的存储与保管。微波干燥杀菌的特点•2、杀菌•微波是一种高频电磁波，对加热的物料具有热效应与非热效应。微生物在强电磁波下，其代谢及遗传过程遭到阻断，细胞膜及遗传物质造到破坏，从而被杀灭。其特点是在物料流过系统中特殊设计的微波处理器时，受到高强度微波作用而进行杀菌。系统可实现连续化生产，物料停留时间短，温度低（终温达到60~80℃），最大程度地保护产品中热敏性成份，与传统加热杀菌不同，微波杀菌不存在壁面结焦的危险。四、微波干燥、杀菌与传统方法的比较干燥：（1）传统加热干燥：长期以来,工业上应用于干燥的热源一般是蒸汽、电加热，传热方式大多是热风或热辐射。由于干热空气的穿透能力很弱又不均匀，而且空气的比热低，空气在20℃～100℃时其比热为0.242～0.244千卡/公斤·℃、其导热系数为0.217～0.264千卡/米·小时·℃、导热系数小,它是一种不变的传热物体。另外，其热量传递方式是由外向里，而水分的蒸发传递方向是从里向外。同时,设备及其构件、干燥盘等吸收大量热量,因此热阻增加、耗热增多、时间延长。热能利用率仅30﹪左右。微波干燥、杀菌与传统方法的比较（2）微波加热干燥：微波加热干燥是含湿（水或其它溶媒）物料在外加交变电磁场（即微波—一种波长为1M～1.0mm,频率915MHz或2450MHz的电磁波）作用下,无论是极性分子还是非极性分子均反复被极化,随着外加电场频率的提高,偶极子反复被极化的运动越激烈.水分子是一种极性分子在正负电场中反复被极化,分子极性反复变动而转动,产生激烈碰撞与摩擦,将微波能转变为热能,物料本身被加热,水分由物料内部被迅速蒸发而干燥.其传热方式由里到外,热量传递方向与水分蒸发方向一致,而且通电即瞬间加热,无热阻.能量利用率达80﹪,较传统干燥效率提高2.67倍.尤其是真空微波干燥,效果更佳.若将其用于中药浸膏干燥,更显示其优越性.微波干燥、杀菌与传统方法的比较2、与传统杀菌方法的比较（1）传统杀菌手段主要有：高温灭菌，巴氏杀菌，紫外杀菌，核辐射及红外等方法，这些工艺各有优缺点，高温处理可能使物料承受过高温度而导致有效成份破坏；紫外线穿透能力有限，只能用于饮用纯水等领域；核辐射温度虽低但必须集中处理，用户不能自由操作，费用高，运输不便，需要用户调整生产工艺流程以配合杀菌，并且其安全性一直存在争议，欧美发达国家禁止辐照产品进入市场；红外杀菌仍是以温度为前提，需要达到100~130℃才能杀菌，对热敏性物料是不适合的。总而言之，系统庞大、处理时间长、不易实现自动化、灭菌不彻底、对产品成份有影响、成本高等缺陷，约束了上述灭菌方法的使用。微波干燥、杀菌与传统方法的比较（2）、MST微波流体杀菌技术是在传统微波杀菌基础上发展起来的一项高科技灭菌技术，其特点是：杀菌效果好。物料终温较低，对产品成份影响小。产品不易结焦。系统能耗少，占地小，自动化程度高。是一项适合医药，食品，保健品行业的杀菌新技术。微波干燥、杀菌与传统方法的比较加热方式、技术参数比较表传统干燥微波干燥热源蒸汽、电微波连续波、频率2450或915MHz传热方式空气、金属支架及容器热传导进行传热。热量由外及里含湿吸收微波分子激烈运动内外同时产生热量。传热阻力热阻大、需预热、冷却。空气、金属支架及容器吸热。热量随微波发射而产生，停止而消失。热效率%30%80%节能效果能耗大为传统能耗的20～30%控制易难较难控制易于控制四、微波的特性及其应用微波是一种高频率的电磁波，具有反射、穿透、吸收三种特性。其中，反射系指微波碰到金属会被反射回来，故采用特殊处理的钢板制作内壁作为谐振腔，根据微波器内壁所能引起的反射作用，使尚未吸收的微波反射穿透物料，加强热效率。同时，也可用作安全屏蔽装置。但腔室内绝不允许使用金属容器，否则不仅会影响加热时间，而且会引起短路，腔内放电打火；微波的三大特性反射系指微波碰到金属会被反射回来，故采用特殊处理的钢板制作内壁作为谐振腔，根据微波器内壁所能引起的反射作用，使尚未吸收的微波反射穿透物料，加强热效率。同时，也可用作安全屏蔽装置。穿透性：