撹拌式凍結乾燥機 RHEOFREED による乾燥工程の高効率化～棚式凍結乾燥機より優れた乾燥性能～®

High Eﬃciency Drying Using the Mixer-Type RHEOFREED Freeze-Dryer―Drying Performance Superior to Shelf-Type Freeze Dryers―

岸 勇佑＊
Yusuke Kishi

小川智宏＊
Tomohiro Ogawa

前背戸智晴＊Tomoharu Maeseto
博士（工学）

凍結乾燥は長期保存が可能な乾燥製品を得る優れた方法として知られ，食品・医薬分野で広く用いられている。その一方で，乾燥時間，製品回収性，洗浄性などに課題がある。これらの問題を解決 す る た め， 当 社 は 真 空 乾 燥 機 で あ る コ ニ カ ル ド ラ イ ヤ を ベ ー ス に， 撹 拌 式 凍 結 乾 燥 機「RHEOFREED―レオフリード―」を開発し，上市した。低含水率品，高含水率品の凍結乾燥を撹
拌式凍結乾燥機と棚式凍結乾燥機で実施し，撹拌式凍結乾燥機 RHEOFREED は棚式と比べ乾燥速度が３倍と優れた乾燥速度を示すことを確認した。
Freeze-drying is a well-known method of long-term storage and widely used in the fields of food andmedicine. But, there are issues such as drying time, product recovery and cleaning. In order to solve theseissues, we developed the mixer-type“RHEOFREED”based on a conical vacuum dryer, and compared itagainst a shelf-type freeze-dryer. In freeze-drying tests of products of both low moisture content and highmoisture content, it was conﬁrmed that the mixer-type RHEOFREED had an excellent drying rate that was 3times faster than that of the shelf-type freeze-dryer.

Key Words：
凍結乾燥Freeze drying

真空乾燥

Vacuum drying

式Mixer-type

間Drying-time撹乾拌燥時【セールスポイント】
・生産コストダウンにつながる乾燥時間，洗浄時間の短縮
・乾燥速度が棚式凍結乾燥機の３倍以上・スラリー状，液体状の原料共に優れた乾燥速度

まえがき１）
ドライヤ（N-CDB）をベースに撹拌式凍結乾燥機

凍結乾燥は，固体から気体への昇華を利用したを開発し，過去２報において，その性能について乾燥方法である。しかし乾燥に長時間を要し，乾報告してきた２，３）。パイロット機での検証も進み，燥時間が数日単位となることから，乾燥時間の短一定の性能を確認したため，流動を意味する接頭縮が望まれている。当社では，優れた洗浄性を持

語 RHEO を用いて RHEOFREED―レオフリードとつコンタミレス機器である真空乾燥機のコニカル命名し，2020年度に上市した。

20＊

プロセス機器事業部 技術部 開発グループ

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 17 No. 1（2020 ／ 9）

本稿では，一般的な凍結乾燥方法である棚式凍乾燥時間，製品回収作業性，トレイの洗浄作業性に結乾燥機と撹拌式凍結乾燥機 RHEOFREED の乾燥改善要素をかかえる他，機器コストや運転コストの性能の差，主に乾燥速度の差について紹介する。

高さが指摘されている２）。

1.

1. 1

凍結乾燥

2.

凍結乾燥の原理

2. 1

撹拌式凍結乾燥機

撹拌式凍結乾燥 RHEOFREED とは

凍結乾燥は，固体（氷）から気体（水蒸気）への当社では，容器回転型真空乾燥機 N-CDB の構造状態変化（昇華）を利用した乾燥方法である。凍結をベースとした機能性食品向けの撹拌式凍結乾燥機

乾燥は三重点以下の高真空・低温領域にて，固体を開発し，商品名 RHEOFREED レオフリードとして（氷）から液体（水）を経ずに，気体（水蒸気）に上市した。2019年12月には，１号機である小型３L昇華させる乾燥法である。凍結乾燥を行った製品はテスト機が食品用途向けに納品された。現在も食風味を保ち，かつ多孔質で復水性に優れるため，乾品，電材，高機能材料向けのテストを数多く行い，燥食品などで広く普及している。また，熱劣化や組医薬向けにも対応できるよう検討している。

織破壊が少なく，各種機能性成分等の保持に適して撹拌式凍結乾燥機の特長はおり，注射製剤やバイオ医薬品分野では不可欠な製

１）粒子表面からの乾燥造技術となっている。また，乳酸菌・酵素・タンパ

２）伝熱面更新による伝熱促進

ク質・ペプチドのような弱熱性原料への適用も検討

３）昇華蒸気の拡散抵抗低減

されている４～８）。

４）製品の均質化，粉末化

1. 2

棚式凍結乾燥機

である２）。伝熱面は混合・撹拌によって常に更新さ

凍結乾燥機には噴射式，翼回転式，振動式，容器れ，昇華蒸気が拡散しやすくなることで乾燥が促進

回転式と様々な種類があるが，一般的には棚式凍結される。また，棚式よりも熱の伝達効率が高いた乾燥機が用いられる。棚式凍結乾燥機は，トレイにめ，乾燥温度を低温化して熱劣化を防ぐことができ原料を充填した状態で棚式凍結乾燥機内の過熱棚段る。さらに，N-CDB が本来持つ優れた洗浄性によに乗せ，棚板からの熱伝導またはヒータ等の熱源かり，バッチ間の洗浄作業時間の短縮が可能である。

らの輻射熱によって加熱する方法である。製品最終

その他，耐酸性，耐アルカリ性をもたせたり，原形状が粉末の場合，トレイから乾燥片を取出し，さ料回収時に原料を封じ込めながら回収することも提らに粉砕機で粉末化して回収する。

案可能である。

棚式凍結乾燥機では，昇華速度が拡散速度より早

2. 2

RHEOFREED のプロセスフロー

い状態で乾燥が進むと，製品が再融解するコラプス

RHEOFREED の プ ロ セ ス フ ロ ー を 図 １ に 示 す。と呼ばれる現象が起こり，凍結部が収縮，崩壊し始基本的なフローは棚式と同様で，熱媒循環装置，本め，融解，発泡へ至る。その場合，望んだ製品が得体，コールドトラップと真空ポンプのユニットで構られないため，凍結乾燥の速度が制限され，乾燥時成される。RHEOFREED では予備凍結の代わりに間が長くなる原因となる。

凍結材料を作る前処理工程が必要であり，原料種に棚式凍結乾燥は古くから用いられている技術ではよって凍結粉砕・凍結噴霧等を使い分けて，乾燥試あるが，乾燥条件等のノウハウ化，プログラム化さ料（凍結粉）を製造する。乾燥後の製品は排出口かれた運転管理が必要な「難しい」乾燥方法であり，ら回収可能で，粉末状の乾燥製品が得られるため，熱媒循環装置

撹拌式凍結乾燥機

図１Vol. 17 No. 1（2020 ／ 9）

コールドトラップ

真空ポンプ

RHEOFREED のプロセスフロー

神鋼環境ソリューション技報

21

表１
項

RHEOFREED 機器仕様

目機器仕様

乾燥

機

３L機

20 L 機

160 L 機

主用

途

凍結乾燥可否判断用

スケールアップ検証

パイロットテスト

最大仕込量

1.2 L

８L

60 L

内160 mm

300 mm

600 mm径

温調設備

冷温ブライン循環装置（－20 ℃～20 ℃）

冷温ブライン循環装置（－20 ℃～40 ℃）

コールドトラップ

FDU-2110（－80 ℃，捕水量３ L）

フィンチューブ式（－45 ℃，捕水量30 L）

真空排気系

0.75 kW 油回転式真空ポンプ
0.75 kW メカニカルブースタ

2.2 kW 油回転式真空ポンプ（排気量1 300 Lt/min.）

写真１

写真３

３L機

160 L 機行っており，味噌・レモン・ブルーベリーなどの食品，顔料，機能性材料，電子材料などの実績がある。
160 L パイロット機では，乾燥時間短縮に向けた実証テスト中であり，30 kg 原料の凍結乾燥時間を大幅短縮できるよう検討を行っている。
スケールアップ検証用20 L 機，160 L パイロット機では，乾燥機内に温度センサおよび圧力センサを設置し，外套温度や真空配管部圧力などと合わせて機内を常時モニタリングすることで，製品の状態を写真２常に把握することができる。

20 L 機棚式凍結乾燥後の製品で不可欠の乾燥後の粉砕工程

棚式凍結乾燥機，撹拌式凍結乾燥機の比較

3. 1が不要である。
2. 3

3.

機器仕様

試験方法

棚式，撹拌式の両凍結乾燥機の性能については，2020年７月現在 RHEOFREED には，凍結乾燥可投入や回収時の原料の形状や伝熱形式が違うため単否判断用の小型３ L 機，スケールアップ向けに新た純な比較は困難である。今回は棚式凍結乾燥では仕に製作したスケールアップ検証用20 L 機，160 L パ込時に用いたバットの底面積を，撹拌式凍結乾燥でイロット機がある。３ L，20 L，160 L 機の機器仕は原料投入時に缶体に接している粉砕原料の面積を様および形状を，表１，写真１～３に示す。また原伝熱面積として定義し，乾燥速度を単位伝熱面積と料仕込量によってオーダーメイドで缶体容量の変更時間当たりの昇華量 kg/m2/hr で表し比較を行った。

が可能である。３ L 機，20 L 機ではテスト対応を試験には，棚式凍結乾燥機はドライチャンバー

22

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 17 No. 1（2020 ／ 9）

DRC-1000（東京理化製）を，撹拌式凍結乾燥機は

3. 2. 2

試験結果

RHEOFREED 小型３ L 機を使用した。真空排気系

棚式と撹拌式を比較した結果および乾燥前後の写は同等のものを使用した。原料としては，低含水率

真を，表３に示す。棚式凍結乾燥機では１次乾燥12では長芋，高含水率品では凍結乾燥の賦形剤（保護時間，２次乾燥28時間の計40時間で乾燥が終了し，材）として利用されるデキストリン１ ％水溶液を

撹拌式凍結乾燥機では１次乾燥12時間，２次乾燥８用いた（表２）。

時間の計20時間で乾燥が終了した。棚式凍結乾燥機

長芋を用いた検討

3. 2
3. 2. 1ではブロック状，撹拌式凍結乾燥機では粉末状の製試験条件品が得られた。単位伝熱面積と時間当たりの昇華量ミキサーでスラリー状にした含水率約70 ％の長で表した撹拌式凍結乾燥機の乾燥速度は棚式凍結乾芋を，低含水率原料の凍結乾燥比較品として用意し燥機の3.25倍となった。また撹拌式に使用した外套た。棚式凍結乾燥機では，バットに厚さ10 mm に温度の運転で棚式の棚温度の設定を行い，棚式凍結なるように充填し，棚式凍結乾燥機内で－40 ℃で乾燥を行った。結果は，20時間で含水率13.4 ％と乾凍結した後に500 g を凍結乾燥した。撹拌式凍結乾燥途中だった。撹拌式外套の温度運転に従って棚式

燥機では，内部に予備凍結構造を持っていないた

凍結乾燥の運転を実施すると，同一含水率まで乾燥め，－60 ℃のフリーザで凍結させブロック状に粉が行えないことを確認している。

砕し500 g を凍結乾燥した。棚式凍結乾燥機の昇温

3. 3

条件は過去の実施例を参考に行った。撹拌式凍結乾3. 3. 1デキストリンを用いた検討
試験条件

燥の昇温条件は品温が外套温度に到達し，かつ缶体デキストリンは凍結乾燥の保護材として利用され内の真空度が充分に下がりきったことを確認した後ており凍結乾燥機の評価によく利用される。今回はに昇温を行った。

１ ％―デキストリン水溶液500 g（デキストリン５ g）を用いて高含水率の凍結乾燥品の比較を行っ
表２た。棚式凍結乾燥機にてバット内にデキストリン水実験項目

項目

原料

乾燥温度範囲

含水率

低含水率
高含水率

長芋
デキストリン

0～30 ℃
0～20 ℃

約70 ％
99 ％溶液を満たしたところ，500 g で厚さ20 mm となった。棚温度－40 ℃で４時間予備凍結を行った。棚式凍結乾燥ではそのまま棚温度を０ ℃に上げ凍結乾燥を開始した。撹拌式凍結乾燥では予備凍結品をブロック状に破砕したものを乾燥製品とし，－20

表３℃に冷却した缶体内に投入後，外套温度を０ ℃に長芋による凍結乾燥試験結果

乾燥方法

棚式

撹拌式

し凍結乾燥を行った。棚式凍結乾燥では，含水率が撹拌式凍結乾燥製品近くになるまで条件の検討を行った。撹拌式凍結乾燥では，内部の水分が充分に昇機器内部の写真華したことを確認した後に２次乾燥20 ℃を行った。

乾燥前

3. 3. 2

試験結果

棚式凍結乾燥の結果を表４に示す。まず No.1の試験では品温が０ ℃に達してから６時間の保持を含む36時間の１次乾燥，品温が20 ℃に達してから乾燥後６時間の保持を含む９時間の２次乾燥を行い，計45時間で終了した。含水率は15.8 ％と高く，目標の５水 分 率（wt％）
乾燥時間（hr）

乾燥前

74.3

69.6

乾燥後

3.5

3.4

１次1212２次288

合計40200.120.39

乾燥速度（kg/m2/hr）
Vol. 17 No. 1（2020 ／ 9）

表４No123

棚式凍結乾燥結果

乾燥時間（hr）
１次乾燥

２次乾燥

36425092020

神鋼環境ソリューション技報

合計456270含水率（wt％）
15.8
6.5
5.523

％前後には至っていなかった。No.2の乾燥時間62時

表５間では，含水率が後述する撹拌式凍結乾燥品より高乾燥方法
機器内部の写真かった。再度 No.3にて１次乾燥50時間，２次乾燥20時間で乾燥を行った。No.3では，乾燥が終了した
サンプルの含水率は5.5 ％であった。乾燥製品は綿菓子状の多孔質の製品になっていた。No.3の，１次乾燥50時間，２次乾燥20時間の計70時間をデキスト
リン１ ％の棚式での乾燥時間とした。
デキストリンの乾燥結果について棚式と撹拌式を比較した結果を，表５に示す。撹拌式凍結乾燥では，１次乾燥29時間，２次乾燥３時間の計32時間で

水 分 率（wt％）

デキストリンによる凍結乾燥試験結果
棚式

撹拌式

乾燥前9999乾燥後5.55.7

１次5029

２次203

合計

7032

20.190.67

乾燥前

乾燥後

あり，乾燥製品は粉末状で含水率は5.7 ％であった。
撹拌式では，乾燥速度が3.5倍となっており，これは装置回転の撹拌による粒子表面からの乾燥，粒子の伝熱促進によって製品が熱に伝わりやすいことによるものと考えらえる。

乾燥時間（hr）

乾燥速度（kg/m /hr）

また，撹拌式は，乾燥時間の短縮だけでなく，撹拌混合による製品の均質化により品温の測定が容易

り性能評価を行っている。20 L 機は缶体内の温度，で１次乾燥，２次乾燥の終了するタイミングが把握

圧力だけでなく時間ごとの昇華量など詳細なデータしやすい利点がある。

を収集し，乾燥メカニズムを把握できるようにして4.

スケールアップに関している。

当社の撹拌式凍結乾燥機のスケールアップには当

これまで各テスト機にて，フィルタ面積の増大に社真空乾燥機と同様のスケールアップ式が適用できよる真空度改善，昇温開始時間の短縮，回転数増大

る。既報３）で述べたように，乾燥時間は下記式で表される。

による昇華量促進などによる乾燥時間の短縮に取組んでいる。160 L パイロット機では，果物系の原料30 kg において，フィルタ面積を増加させることに（1）より乾燥時間を当初の半分以下に短縮可能な事も確認している。今後も様々な原料にて乾燥データを蓄：乾燥時間［s］

積し，乾燥時間短縮につながる運転方法などの研究：氷の昇華潜熱［J/kg］

を継続する。

：昇華される氷の重量［kg］

む：原料粉体重量［kg］

すび

棚式凍結乾燥機と撹拌式凍結乾燥機小型３ L 機：原料粉体の平均比熱［J/kg･K］

にて低含水率，高含水品の凍結乾燥を行い，撹拌式：初期粉体原料温度［K］

凍結乾燥で棚式凍結乾燥に対し乾燥時間が半分以：乾燥後粉体原料温度［K］

下，乾燥速度が約３倍と優れた性能を示すことを確

2：総括伝熱係数［W/K･m ］認した。

：撹拌熱［W］

RHEOFREED では装置が大きくなるほど乾燥時2間が長くなるが，フィルタ面積の増加，運転データ：伝熱面積［m ］

からのフィードバックによる昇温時間，装置回転数
総括伝熱係数は粉体性状や撹拌方法，加熱方法にの変更により大幅な時間短縮が可能になると考えてよって異なる値となることから，真空乾燥機においおり，他にも回収作業性向上，洗浄作業性向上，後ては，小型テスト機などで総括伝熱係数を求め，実粉砕工程不要など，様々なコスト低減策をとること９）が可能になる。また真空乾燥機コニカルドライヤ

機乾燥時間の設計を行うのが一般的である。

そのため，凍結乾燥可否判断用の小型３ L 機と（N-CDB）以外に，ろ過機能付きコニカルドライヤ

合わせて当社のテスト機にてスケールアップを検（CDF）でろ過後のケーキを凍結乾燥する検討や，討できるよう，スケールアップ検証用 20 L 機によ

真空乾燥機 PV ミキサーにて自己凍結による凍結原

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神鋼環境ソリューション技報

Vol. 17 No. 1（2020 ／ 9）

料作製から凍結乾燥を適用可能かの検討も行っている。凍結原料作製方法の検討を含め，チラー，コールドトラップ，真空ポンプと RHEOFREED のユニット化，また，さらなる乾燥時間の短縮，滅菌やCIP 洗浄機能の付加といった検討を継続する。様々な分野の凍結乾燥に挑戦し，凍結乾燥機ユーザ各位の乾燥時間短縮をはじめとした生産性改善に寄与していく所存である。
［参考文献］
１）竹井一剛ほか：クリーンドライヤ「N-CDB」，神鋼
環境ソリューション技報，Vol.11（2015），p.30-36
２）椿野直樹ほか：凍結乾燥への撹拌式真空乾燥機の適用， 神 鋼 環 境 ソ リ ュ ー シ ョ ン 技 報，Vol.14（2017），p.32-37

Vol. 17 No. 1（2020 ／ 9）３）小川智宏ほか：撹拌式凍結乾燥機の開発，神鋼環境ソリューション技報，Vol.15（2019），p.33-37
４）相良泰行：フリーズドライ技術の発展フリーズドラ
イ食品の開発と最適加熱温度条件の探索法，月刊フードケミカル，Vol.31（2015），p.18-29
５）中川究也：凍結乾燥の基礎と実務への応用プロセスの最適化に向けた数学モデルの解法と使い方，情報機構（2016）６） 大 竹 聡 敏 ほ か： 凍 結 乾 燥 創 薬 へ の 応 用（ 前 編 ），Pharm Tech Japan，Vol.30（2014），p235-246
７）Julia Christina Kasper et.al：Recent advances and further
challenges in lyophilization，Eur J Pharm Biopharm，Vol.85（2013），p.162-169
８）Robert H. Walters et.al：Next Generation Drying
Technologies for Pharmaceutical Applications，J Pharm Sci，Vol.103（2014），p.2 673-2 695
９）小川智宏：医薬向けの新しいろ過乾燥技術，化学装置，Vol.47（2005），p.52-57

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