撹拌式凍結乾燥機の開発
Development of Mixer-type Freeze Dryers

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製品を得る方法として知られており，熱劣化防止や有効成分保持にも有効である。棚式凍結乾燥機は食品や医薬品の製造に利用されている。しかしながら，乾燥時間が長い，設備コストや運転コストが高い，また製品回収性等に問題があり，その利用用途は限定されている。
当社では乾燥効率と粉体のハンドリング性が良好な撹拌式真空乾燥機を製作しており，これを応用した凍結乾燥プロセスの生産性向上を検討している。現在，容器回転型真空乾燥機 N-CDB を元にした撹拌式凍結乾燥機のパイロット装置を製作し検証を行っており，果物の凍結粉砕原料について粉末状の乾燥製品が得られ，回収性も非常に良好であることが確認された。またその乾燥時間については，真空乾燥機と同じ方法でスケールアップ可能であることを確認した。
Freeze drying is well known as a process for creating dried products that can be stored for long periods oftime and it also can prevent thermal deterioration and preserve active ingredients. Shelf-type freeze-drying
devices are used in the production of foods and pharmaceuticals. However, the market for the freeze-drying
process seems to be limited because of the costly equipment and high running cost, long drying time and its
low collection ratio for products. We are investigating the applicability of our vacuum dryers, which offer
good drying efﬁciency and powder handling as a way to improve the productivity of the freeze-drying process. At present, we have manufactured pilot-scale equipment of a mixer-type freeze dryer based on our vessel rotary mixing dryer N-CDB, and have been investigating its performance. Regarding cryogenicallyground fruit materials, we conﬁrmed that the collection ratio for powder products from the mixer-type freeze
dryer was very high. Regarding the drying time, we also conﬁrmed that the mixer-type freeze dryer is able tobe scaled up in the same way as our vacuum dryers.

Key Words：凍結乾燥Freeze drying真空乾燥Vacuum drying

式

Mixer-type

熱Heat transfer

撹伝Vol. 15 No. 2（2019 ／ 3）＊プロセス機器事業部 技術部 開発グループ

拌神鋼環境ソリューション技報

33

まえがき

面にヒータ等の熱源を設置し輻射熱にて加熱する輻

凍結乾燥は，製品の保存性，熱劣化防止，有効成射式に大別される。

分保持が可能な乾燥方法であり，食品分野や医薬品

棚式凍結乾燥機における昇華状態の概念図を図２分野で利用されている技術である。凍結乾燥には，に示す。乾燥に必要な熱は加熱棚もしくは上下面に棚式（静置式）凍結乾燥機が一般的に用いられてい設置されたヒータ等から凍結原料に供給される。乾るが，乾燥時間の長期化，機器や運転コストの高燥によって生じた昇華蒸気は乾燥に伴って内部からさ，製品回収性や洗浄作業性に問題があり，その利外部へ拡散するため，乾燥層が蒸気の拡散抵抗とな

１～４）る（図２-b）。昇華速度≫拡散速度の状態で乾燥が既報 では生産性の向上を目指した当社真空乾燥

進むと，昇華蒸気が製品内部で局所的に滞留し，圧機を用いた撹拌式凍結乾燥の可能性について紹介し力が三重点を超えて製品が再融解する可能性が高ま用用途は限定されている。

１）た。当社では現在，真空乾燥機コニカルドライヤる。これはコラプス（Collapse）と呼ばれる現象で，N-CDB を元にした撹拌式凍結乾燥機のパイロット

１）
凍結乾燥の速度が制限される要因となる（図２-c）。

装置を製作し検証を行っている。本稿ではこの撹拌

棚式（静置式）凍結乾燥は古くから用いられてい式凍結乾燥機のパイロット装置，および検証内容のる技術ではあるが，乾燥条件等のノウハウ化，プロ一例を紹介する。

グラム化された運転管理が必要な「難しい」乾燥方

凍結乾燥法であり，乾燥時間が長い，製品回収作業性が悪い

1.

1. 1

凍結乾燥の原理とその用途

凍結乾燥は，固体（氷）から気体（水蒸気）への106状態変化（昇華）を利用した乾燥方法である。水の状態図を図１に示す。水の沸点は １気圧（約105液相（水）105Pa）で100 ℃であるが，減圧することで低下する。
凍結乾燥は三重点以下の高真空領域・低温下にて，固体（水）から液体（水）を経ずに，気体（水蒸製品が多孔質で復水性に優れることなどから保存食品の乾燥に，また熱劣化や組織破壊が少なく成分保圧力（Pa）

気）に昇華させる乾燥方法である。凍結乾燥は乾燥

104持が可能なことから注射製剤やバイオ医薬品，生菌・酵素・タンパク質といった弱熱性製品の乾燥に用いられている技術である１，５～７）。
1. 2

固相（氷）

真空乾燥

103
三重点
（約610 Pa，0.01 ℃）

102

凍結乾燥

気相（水蒸気）10

棚式凍結乾燥機

凍結乾燥には現在，一般的に棚式凍結乾燥機が用いられている。棚式凍結乾燥機は，熱媒循環等によ10-50

り加熱可能な棚板上に原料トレイを乗せて熱伝導により加熱する棚板式，原料トレイの上面または上下（a）乾燥初期

50

図１（b）乾燥中期

水の状態図（c）昇華量過剰時

水蒸気再融解（コラプス）

昇華面
乾燥層（抵抗）

処理品
（凍結層）

100

温度（℃）

昇華面

熱流束

原料トレイ
加熱棚段

図２34

棚式凍結乾燥機における昇華状態の概念図（棚板式の例）

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 15 No. 2（2019 ／ 3）

乾燥層

剥離転動

凍結層

昇華面更新

混合撹拌
（粉の転動）

写真１

処理品
（凍結粉）
外套
熱流束（外套より）

図３

撹拌式凍結乾燥機パイロット機ユニット

粉末状の製品が得られるため，粉砕工程が不要とい回転方向った利点がある。その他，真空乾燥機が有する優れ撹拌式凍結乾燥機における昇華状態の概念図

た洗浄性により，バッチ間の洗浄作業時間を短縮することが可能である１）。

ことやトレイの洗浄作業性に改善要素を抱える他，

2. 2

１，８，９）

機器や運転コストの高さが指摘されている

2.

2. 1。

撹拌式凍結乾燥機

撹拌式凍結乾燥パイロット装置

当社ではこの度，撹拌式凍結乾燥機のパイロット装置を製作し，実証テストを行っている。その外

撹拌式凍結乾燥方式

観，プロセスフロー，仕様を写真１，図４，表１に

当社では，医薬品粉体乾燥用に開発した容器回転示す。乾燥機内に温度センサおよび圧力センサを設

型真空乾燥機 N-CDB の構造をベースに撹拌式凍結置し，外套温度や真空配管部圧力等と合わせて常時乾燥機の開発を行っている。

モニタリングすることで，乾燥機内の製品状態を常撹拌式凍結乾燥機における昇華状態の概念図を図３に示す。凍結粉体を混合・撹拌しながら乾燥するに把握することができる。

3.

3. 1

ことで，
１）粒子表面からの乾燥

撹拌式凍結乾燥機の検証

撹拌式凍結乾燥機による乾燥例

この度，大阪ガスリキッド株式会社より凍結原料

２）伝熱面更新による伝熱促進を提供頂き，撹拌式凍結乾燥機パイロット装置にて３）昇華蒸気の拡散抵抗低減

乾燥試験を実施した。その試料と試験条件を表２に４）製品の均質化示す。試験では事前に冷却した乾燥機内に試料を投１）入した後，真空ポンプで排気を開始し，凍結乾燥をを図るものである 。
棚式凍結乾燥機では，乾燥が進むにつれて乾燥層開始した。撹拌条件は試料の混合状況を観察して調が抵抗となり昇華面の圧力が上昇する。それに対整し，加熱条件はモニタリングしている各温度，各し，撹拌式凍結乾燥機では，混合・撹拌により乾燥圧力の指示値を見ながら調整した。

層が剥離することで昇華面が常に粒子表面に晒され試験結果を表３に示す。ブルーベリーはレモンよるため，直接昇華面に熱を加えることができ，さらりも糖質が多く含まれるためコラプス温度が低く，に伝熱面が常に更新されることで伝熱が促進され，試験では初期外套温度も低く設定し，投入量も少な乾燥時間の短縮化，また撹拌による製品の均質化をくして乾燥を実施したが，いずれの試料も目標含水図ることができる。

率まで乾燥粉末化することができることが確認でき

撹拌式凍結乾燥機はコールドトラップ側への原料た。また乾燥後の機器壁面には殆ど付着もなく，乾流入を防止するためフィルタを備えており，フィル燥後の試料を容易に回収することが可能であった。

タ圧損を考慮する必要があるが，乾燥層が昇華蒸気

試験中の経過時間に伴う各温度，圧力の計測結果拡散の妨げになることがなく，缶体内圧力（＝昇華の一例を図５に示す。いずれの試験においても缶内面圧力）や缶内試料温度（＝粒子表面温度＝昇華面試料温度が外套温度に，缶内圧力が真空配管圧力に温度）を常時モニタリングできるので，製品状態の漸近していく様子から，乾燥終点を精度良く見極め把握やコラプス防止の制御もし易く，また乾燥後はることができることが確認されている。今回試験にVol. 15 No. 2（2019 ／ 3）

神鋼環境ソリューション技報

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表１

撹拌式凍結乾燥パイロット機ユニットの仕様

項

目機

機

160 Lt燥

温調設備

仕缶内製品温度様

N-CDB タイプ

冷温ブライン循環装置（－20 ℃～40 ℃）

コールド
フィンチューブ式（－45 ℃，捕水量30 L）
トラップ

温度［℃］

乾器

プロセスフロー

2.2 kW 油回転式真空ポンプ（排気量1 300 Lt/min.）

真空排気系

外套温度缶内圧力3060020500104000300-10200-20100-3005101520253035404550

圧力［Pa（abs.）］

図４0

乾燥時間［hr］

図５
表２各測定データ（レモン30 kg 乾燥時）

パイロット機ユニット試験条件

試料種類

レ モ ン

ブルーベリー

原料水分率（wt％）
処 理 量（kg）
加 熱 温 度（℃）
試 験 時 間（hr）

86.9
30－５～205087.6
10－10～2071

用いた試料はいずれも二次凝集しやすい性質があり，乾燥初期からφ50～100 mm 程度の塊の存在が確認された。その塊は乾燥が進むにつれて徐々に小さく解砕され，最終的には粉末化されたが，塊の内側には熱が伝わり難いため乾燥時間が長くなる要因

表３
試

パイロット機ユニットによる凍結乾燥試験結果
料

レ モ ン

ブルーベリーとなっており，今後の課題である。今後，二次凝集の防止による塊の低減，また撹拌条件や加熱条件の最適化により，さらなる乾燥時間の短縮化の検討を進めていく。

機器内部の写真3. 2

乾燥前

撹拌式凍結乾燥機スケールアップによる乾燥時間推定

当社の撹拌式凍結乾燥機は外套から内部原料粉体を加熱する間接加熱方式で，当社真空乾燥機と全く同じ方式であり，同様のスケールアップ式が適用できると考えられ，その適用性について検討した。

乾燥後間接加熱方式は外套の熱媒体から内部粉体への伝熱係数の影響を受ける。その値は総括伝熱係数

乾燥後水分率（wt％）
3613.713.2と呼ばれ，原料粉体，乾燥条件（撹拌方法）によって異なるもっとも重要なファクターである。単位時

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 15 No. 2（2019 ／ 3）間当たりの内部粉体原料に与えられる熱量
び総括伝熱係数

およ３Lt テスト機における蒸発量を算出したところ真空はそれぞれ下記式（1），式（2）で配管内において配管径が細いため昇華蒸気速度が音表される。

速を超える計算結果となった。実際には音速の臨界（1）（2）状態（チョーク流れ）となり配管における蒸気流量が律速となる。これが原因で式（4）による推定乾燥時間よりも長くなったと考えられる。凍結乾燥では三重点以下の高真空操作において昇華蒸気の容量が非常に大きくなるため，チョーク流れが発生しない

ここで，：伝熱面積ように蒸気配管径の設計にも注意が必要といえる。

む：平均温度差：撹拌熱

すび

本稿では撹拌式凍結乾燥機のパイロット装置，お：缶内側境膜伝熱係数

よび検証内容等について紹介した。検証試験によ：壁面伝熱抵抗り，撹拌式凍結乾燥が撹拌式真空乾燥と同様の考え：外套側境膜伝熱係数である。この単位時間当たりの内部粉体原料に与え方でスケールアップが可能であることを確認した。

られる熱量

業性や洗浄作業性の向上，後粉砕工程不要等，生産は原料粉体に含まれる氷の昇華と温撹拌式凍結乾燥機により乾燥時間の短縮化，回収作コスト低減が可能になるものと考えられる。また当度上昇に費やされ，下記式（3）で表される。

社真空乾燥機 PV ミキサーを，自己凍結による凍結（3）原料作製から凍結乾燥までを１台で実施可能な凍結乾燥機として適用することを検討しており，今後，小型テスト機やパイロット装置を用いた検証を継続

ここで，：乾燥時間し，撹拌式凍結乾燥機のメリットを生かしたプロセ：氷の昇華潜熱

スや新たな分野への適用に挑戦していきたい。
最後に検証用の試料として凍結原料を提供頂いた：昇華される氷の重量

大阪ガスリキッド株式会社にはこの紙面を借りて深：原料粉体重量：原料粉体の平均比熱

くお礼申し上げます。

：初期粉体原料温度［参考文献］
１）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.32-37２）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
３）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）４）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
５）Julia Christina Kasper et.al：Recent advances and further
challenges in lyophilization, Eur J Pharm Biopharm, Vol.85（2013），p162-169
６）Robert H. Walters et.al: Ne xt Generation Drying
Technologies for Pharmaceutical Applications, J Pharm Sci,Vol.103（2014），p2673-2695
７）阿部秀飛：フリーズドライ技術の発展 フリーズド
ライ乳酸菌の特性とその製造方法，月刊フードケミカ
ル，Vol.31（2015），p42-45
８）中村孝士：真空凍結乾燥について，日本醸造協会誌，Vol.99（2004），p93-99９）林弘通：食品の乾燥（3）真空凍結乾燥と噴霧乾燥の特長と問題点，調理科学，Vol.25（1992），p172-181
10）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），p52-57：乾燥後粉体原料温度である。以上の式（1），式（3）より，乾燥時間は下記式（4）で表される。
（4）
総括伝熱係数は粉体性状や撹拌方法，加熱方法によって異なる値となることから，真空乾燥機においては，小型テスト機などで総括伝熱係数を求め，実機乾燥時間の設計を行う10）のが一般的である。
今回，撹拌式凍結乾燥機についてもパイロット装置にて仕込量を変化させて乾燥を実施したところ，上記式（4）による推定乾燥時間と良く一致する結果が得られており，真空乾燥機と同様の方法で乾燥時間の推定が可能であることが確認されている。
また既報にて検証に使用した３Lt テスト機により，パイロット機と同じ原料について乾燥を実施し乾燥時間を確認したところ，上記式（4）による推定乾燥時間よりも長くなる結果となった。式（3）からVol. 15 No. 2（2019 ／ 3）

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