(57)【要約】  急速乾燥ができる凍結真空乾燥装置を提供する。乾燥室１１内に配置する乾燥用コールドトラップ２１を−７０℃以下の低温にし、搬送ベルト１６上の凍結粒子７を、凍結粒子７が溶融しない程度に熱を供給する。凍結粒子７から気化する液体成分量が増加し、凍結粒子７に入射する液体成分量が減少するので、凍結粒子７の乾燥時間が短縮される。
2008153039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
乾燥室と、
前記乾燥室に接続された噴霧室と、
前記乾燥室と前記噴霧室を真空排気する真空排気系と、
真空雰囲気にされた前記噴霧室の内部に原料液を噴霧して凍結粒子を生成する噴霧器と、
前記噴霧室から前記乾燥室に移動された前記凍結粒子が配置される配置部と、
前記乾燥室内に配置された乾燥用コールドトラップと、
前記乾燥用コールドトラップを−７０℃以下の温度に冷却する冷却装置と、
前記乾燥室に接続され、前記乾燥室内を０．７Ｐａ以下の圧力に真空排気する真空ポンプとを有する凍結真空乾燥装置。
【請求項２】
前記配置部上の前記凍結粒子の温度を制御する温度制御装置を有する請求項１記載の凍結真空乾燥装置。
【請求項３】
乾燥室内を真空排気して前記乾燥室内を０．７Ｐａ以下の圧力に維持しながら前記乾燥室内に配置された乾燥用コールドトラップを−７０℃以下の温度に冷却し、前記乾燥室内に配置された凍結粒子を乾燥させる凍結真空乾燥方法。
【請求項４】
前記凍結粒子が配置された配置部の温度を、前記乾燥用コールドトラップの温度よりも高く、前記凍結粒子が溶融する温度よりも低温に制御する請求項３記載の凍結真空乾燥方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は凍結真空乾燥の技術分野にかかり、特に、急速乾燥ができる凍結真空乾燥技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、真空雰囲気中に溶液又は分散液を噴霧し、溶液中の溶質や分散液中の分散物質を得る凍結真空乾燥法が用いられているが、従来の噴霧式の凍結真空乾燥装置では、水分を完全に昇華させ、溶質や分散物質を完全に乾燥させるのに長時間が必要であり、乾燥時間の短縮が求められている。【０００３】
また、乾燥時間を短縮するために搬送トレイ周りの温度を凝固点以上に上げると、一旦は凍結した乾燥対象物が融解して、固着する恐れがある。
本発明は、乾燥段階の時間を短縮し、かつ乾燥対象物の固着を防ぐものである。
凍結真空乾燥装置は、例えば下記文献に記載されている。
【特許文献１】特開２００６−１７７６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、乾燥時間が短い凍結真空乾燥装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明は、乾燥室と、前記乾燥室に接続された噴霧室と、前記乾燥室と前記噴霧室を真空排気する真空排気系と、真空雰囲気にされた前記噴霧室の内部に原料液を噴霧して凍結粒子を生成する噴霧器と、前記噴霧室から前記乾燥室に移動された前記凍結粒子が配置される配置部と、前記乾燥室内に配置された乾燥用コールドトラップと、前記乾燥用コールドトラップを−７０℃以下の温度に冷却する冷却装置と、前記乾燥室に接続され、前記乾燥室内を０．７Ｐａ以下の圧力に真空排気する真空ポンプとを有する凍結真空乾燥装置である。
また、本発明は、前記配置部上の前記凍結粒子の温度を制御する温度制御装置を有する凍結真空乾燥装置である。
また、本発明は、乾燥室内を真空排気して前記乾燥室内を０．７Ｐａ以下の圧力に維持しながら前記乾燥室内に配置された乾燥用コールドトラップを−７０℃以下の温度に冷却し、前記乾燥室内に配置された凍結粒子を乾燥させる凍結真空乾燥方法である。
また、本発明は、前記凍結粒子が配置された配置部の温度を、前記乾燥用コールドトラップの温度よりも高く、前記凍結粒子が溶融する温度よりも低温に制御する凍結真空乾燥方法である。
【発明の効果】
【０００６】
乾燥速度が速い。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の凍結真空乾燥装置を説明するための断面図
【図２】搬送ベルトの温度の相違による乾燥時間の相違を説明するためのグラフ
【図３】乾燥用コールドトラップの温度の相違による乾燥時間の相違を説明するためのグラフ
【図４】乾燥用コールドトラップの温度と乾燥時間の関係を説明するためのグラフ
【符号の説明】
【０００８】
３……配置部
１０……凍結真空乾燥装置
１１……乾燥室
１２……噴霧室
１６……搬送ベルト
３０……真空排気系
３３、３４……冷却装置
３６……温度制御装置
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明の凍結真空乾燥装置１０の内部を説明するための断面図である。
図１を参照し、この凍結真空乾燥装置１０は、乾燥室１１と、噴霧室１２とを有している。
噴霧室１２には冷却室２０が接続されている。冷却室２０と乾燥室１１には真空排気系３０が接続されており、真空排気系３０を動作させると、冷却室２０と乾燥室１１が真空排気されるように構成されている。噴霧室１２は、冷却室２０を介して真空排気される。【００１０】
冷却室２０と乾燥室１１の内部には、凍結用コールドトラップ２２と乾燥用コールドトラップ２１とがそれぞれ配置されている。
凍結用コールドトラップ２２と乾燥用コールドトラップ２１はそれぞれ冷却装置３３、３４に接続されており、各室１１、１２、２０が真空雰囲気に置かれた状態で冷却装置３３、３４が動作すると、凍結用コールドトラップ２２と乾燥用コールドトラップ２１は低温に冷却される。本発明では、乾燥用コールドトラップ２１は、凍結用コールドトラップ２２よりも低温に冷却される。【００１１】
噴霧室１２には、噴霧器１８が気密に挿入されており、噴霧室１２の内部が１００Ｐａ程度の真空雰囲気に置かれた状態で、噴霧器１８から噴霧室１２の内部に霧状の原料液が噴霧されると、霧状の原料液から液体が蒸発し、原料液は瞬時に冷却され、０．１秒程度で凍結粒子５が生成される。【００１２】
原料液は、液体成分と、液体成分に溶解された溶質や液体成分中に分散された分散体等の固体成分を含有しており、凍結粒子５中には原料液と同じ固体成分が含有されている。
凍結の際に原料液から気化した液体成分は、真空排気系３０によって、冷却室２０を介して真空排気される。【００１３】
凍結用コールドトラップ２２は−６０℃以下の低温に冷却されており、冷却室２０の内部に含まれる液体成分の圧力は、最大でも凍結用コールドトラップ２２の温度での液体成分の蒸気圧であり、その蒸気圧を超える分は、凍結用コールドトラップ２２に付着し、冷却室２０の内部雰囲気から除去される。なお、−６０℃での水の蒸気圧は約２Ｐａであり、これは機械式の真空ポンプの到達圧力に相当する。【００１４】
他方、生成された凍結粒子５は、噴霧室１２の底面に向けて落下する。噴霧室１２の底面は漏斗状であり、乾燥室１１の天井に接続されている。凍結粒子５は漏斗の開口から乾燥室１１に向けて滑り落ち、乾燥室１１の内部に入ると、乾燥室１１の天井から乾燥室１１の底面方向に落下する。符号６は、落下中の凍結粒子を示している。【００１５】
乾燥室１１の内部には配置部３が設けられている。この配置部３は、二個のローラ１４、１５と、搬送ベルト１６を有しており、搬送ベルト１６は、上下二段に水平に位置するように、ローラ１４、１５の間に環状に掛け渡されている。【００１６】
ローラ１４、１５は不図示のモータに接続されており、該モータによってローラ１４、１５が所定方向に回転されると、搬送ベルト１６の上段側の部分は、始点側のローラ１４から終点側のローラ１５に向けて移動するように構成されている。【００１７】
噴霧室１２の下方には、搬送ベルトの始点側の部分が位置するようにされている。
乾燥室１１内で落下した凍結粒子６は、搬送ベルト１６の始点側の部分に着陸する。即ち、搬送ベルト１６の始点側の部分の上に乗る。
符号７は、搬送ベルト１６上に乗った凍結粒子を示している。搬送ベルト１６上の凍結粒子７は、搬送ベルト１６の上段側の部分と一緒に移動する。【００１８】
乾燥用コールドトラップ２１は搬送ベルト１６の上方に配置されており、搬送ベルト１６上の凍結粒子７は、乾燥用コールドトラップ２１と対面し、凍結粒子７の周囲雰囲気から液体成分が除去されるように構成されている。【００１９】
凍結粒子７の温度は、液体成分の融点よりも低温であり、凍結粒子７は溶融せずに液体成分が気化し、凍結粒子７の周囲雰囲気から液体成分が除去されることで凍結粒子７が乾燥されるようになっている。  
搬送ベルト１６の下方位置と搬送ベルト１６の側方位置には、温度制御装置３６が配置されている。【００２０】
この温度制御装置３６は熱媒体循環装置３７に接続されており、熱媒体循環装置３７から温度制御された液体の熱媒体が供給され、温度制御装置３６の内部を循環した後、熱媒体循環装置３７に戻るように構成されている。
熱媒体は乾燥用コールドトラップ２１の温度よりも高く、凍結粒子７が溶融する温度よりも低温に温度制御されている。【００２１】
温度制御装置３６は、搬送ベルト１６に近接して配置されており、搬送ベルト１６上の凍結粒子７から液体成分が気化するときの気化熱が、温度制御装置３６からの輻射熱や対流熱によって供給されている。供給される熱により、凍結粒子７の液体成分の昇華が促進される。【００２２】
他方、乾燥用コールドトラップ２１は−７０℃以下の低温に冷却されており、乾燥室１１の内部雰囲気の液体成分の圧力は低圧にされている。これにより、凍結粒子７に入射する液体成分の分子数が少なくされ、凍結粒子７の乾燥が促進されている。【００２３】
凍結粒子７の周囲雰囲気は−７０℃であるが、搬送ベルト１６上の凍結粒子７には、搬送ベルト１６を介して、温度制御装置３６から熱が供給されているためその温度よりも高温であり、液体成分が気化しながら、搬送ベルト１６によって終点側のローラ１５方向に向けて搬送される。温度制御装置３６は、搬送ベルト１６上の凍結粒子７の温度が液体成分の融点を超えないように温度制御される。【００２４】
凍結粒子７から気化した液体成分は、一旦乾燥用コールドトラップ２１に付着した液体成分も含め、真空排気系３０によって除去される。乾燥室１１の内部雰囲気に含まれる液体成分の圧力は、乾燥用コールドトラップ２１の温度での液体成分の蒸気圧以下である。【００２５】
以上説明したように、凍結粒子７には配置部３から熱が供給されており、凍結粒子７は、溶融はしないが溶融する温度近くまで昇温され、凍結粒子７と周囲雰囲気の温度差が従来の凍結真空乾燥方法よりも大きくされている。この温度差により、凍結粒子７の気化速度が速くなり、急速乾燥が達成される。【００２６】
上側の搬送ベルト１６の移動の終点の下方には回収容器１７が配置されており、搬送ベルト１６が、凍結粒子７を乾燥させながら搬送し、終点位置に到達すると、搬送ベルト１６は上側から下側に回転し、凍結粒子７は落下する。【００２７】
凍結粒子７は落下する前に急速乾燥によって乾燥が終了しており、液体成分を含まない溶質や分散体等の固体成分から成る乾燥粒子８になっており、乾燥粒子８が搬送ベルト１６と一緒に回転し、終点位置で落下すると回収容器１７の内部に収容される。【００２８】
なお、生成時の凍結粒子５、６は、直径が１００μ〜１ｍｍ程度の球形であるが、乾燥粒子８を観察すると、液体成分が昇華して完全に乾燥しており、ほぼ生成時の凍結粒子５、６と同じ大きさを維持したスポンジ状の球体になっている。【００２９】
本発明のような、凍結真空乾燥装置１０における、凍結粒子７の真空乾燥の原理について説明する。
搬送ベルト１６上で乾燥中の凍結粒子７には、搬送ベルト１６からの熱伝導と、凍結粒子７の周囲雰囲気から入射する液体成分によって熱が供給されている。他方、乾燥中の凍結粒子７からは、液体成分の昇華によって潜熱(気化熱)が失われている(熱収支)。【００３０】
また、凍結粒子７からは、昇華(気化)した液体成分が失われ、他方、周囲雰囲気から凍結粒子７に入射する液体成分によって、液体成分が供給されている(物質収支)。
凍結粒子７から昇華する液体成分の量は、凍結粒子７の温度Ｔｉでの液体成分の蒸気圧に比例し、入射する液体成分の量は周囲雰囲気の液体成分の圧力に比例する。
液体成分の蒸気圧は温度が高いほど大きいから、凍結粒子７の昇華量を大きくするためには、凍結粒子の温度を高くすればよい。【００３１】
他方、乾燥用コールドトラップ２１は凍結粒子７よりも低温であり、周囲雰囲気に含まれる液体成分の圧力は、乾燥用コールドトラップ２１の温度での液体成分の蒸気圧以下の大きさになるから、凍結粒子７への液体成分の入射量を少なくするためには、乾燥用コールドトラップ２１の温度Ｔｃを低温にし、周囲雰囲気に含まれる液体成分の量を少なくすればよい。【００３２】
乾燥時間を短縮するためには、昇華量を多くし、入射量を少なくすればよいのであるから、結局、乾燥時間を短縮するためには、凍結粒子７の温度を高く、乾燥用コールドトラップ２１の温度を低くすればよいことになる。【００３３】
但し、凍結粒子７の温度が液体成分の凝固点以上になると、凍結粒子７が融解し、得られる乾燥粒子８同士が固着する恐れがある。従って、凍結粒子７を液体成分の溶融温度よりも低温に維持することが必要である。そのためには、搬送ベルト１６や乾燥室１１の壁面の温度を、液体成分の凝固点以下の温度に維持することが望ましい。【００３４】
図２は、乾燥用コールドトラップ２１の温度を−６０℃にし、搬送ベルト１６の温度を変えた場合の水分量と乾燥時間の関係を示すグラフであり、曲線Ｌ1はトレイ温度Ｔｔが−１０℃の場合、曲線Ｌ2は−３０℃の場合である。搬送ベルト１６の温度が高い方が乾燥時間が短い。【００３５】
図３は、搬送ベルト１６の温度を−１０℃にし、乾燥用コールドトラップ２１の温度を変えた場合の水分量と乾燥時間の関係を示すグラフであり、曲線Ｌ3は乾燥用コールドトラップ２１が−８０℃の場合、曲線Ｌ4は−６０℃の場合である。
図４は、搬送ベルト１６の温度を−１０℃にし、乾燥用コールドとラップ２１の温度を変えた場合の、乾燥用コールドトラップ２１の温度と乾燥時間の関係を示すグラフである。乾燥用コールドトラップ２１の温度が低い程、乾燥時間は短い。【００３６】
なお、計算に用いた凍結粒子７は半径５０μの球体であり、液体成分は水とした。
液体成分の固体(ここでは氷)が昇華することによって溶質が残り、乾燥粒子８は、凍結粒子７と同じ形状の球形を保ったまま縮小し、小さな同心球になると仮定している。【００３７】
また、搬送ベルト１６から凍結粒子７への熱伝導は、乾燥した溶質の厚さに逆比例すると近似している。
計算では凍結粒子７の温度Ｔｉも変数としたが、計算結果では極端にＴｃが低い場合や極端に粒径が小さい場合を除けば、凍結粒子７の温度Ｔｉと乾燥用コールドトラップ２１の温度Ｔｃの差は１度以下と小さかった。従って、凍結粒子７は乾燥用コールドトラップ２１と熱平衡にあると考えられる。
なお、凝固点は溶質と溶媒のモル比に比例して下がるが、凝固点降下の影響は小さく、液体成分が水の場合、モル比が５％のときの凝固点は約−５℃である。【００３８】
上記温度制御装置３６では、液体の熱媒体が循環する構成であったが、熱媒体を使用せず、ペルチェ効果を利用する電気装置で構成させ、電気的に温度制御をしてもよい。
なお、乾燥室１１の内部を、液体成分の飽和蒸気圧よりも低い圧力に維持するためには、真空排気系３０の到達圧力は、乾燥用コールドトラップ２１の温度での液体成分の蒸気圧よりも低く設定する必要がある。【００３９】
−７０℃での水の蒸気圧は約０．７Ｐａ、−８０℃での蒸気圧は約０．１Ｐａ、−９０℃での蒸気圧は約１０-2Ｐａであるから、乾燥用コールドトラップ２１の温度を−７０℃以下の低温にするためには、真空排気系３０の到達圧力は、０．７Ｐａよりも低圧にする必要がある。【００４０】
本発明の真空排気系３０では、主排気装置３２と乾燥室１１との間に、到達圧力が０．７Ｐａよりも低圧の補助排気装置３１を設け、その背圧を主排気装置３２によって真空排気するように構成されている。この構成では、補助排気装置３１に、到達圧力が低圧の機械式ブースターポンプやターボ分子ポンプを用いることができ、乾燥用コールドトラップ２１の温度を容易にー７０℃以下にすることができる。
なお、上記実施例では凍結粒子７を搬送ベルト１６上に乗せて乾燥したが、移動しないトレイ上に乗せて乾燥しても良い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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