液氮真空冷冻干燥机创新成果报告
发布日期：2011-01-28
创新成果（项目）报告
一、项目背景介绍
上海东富龙科技股份有限公司（简称：东富龙）成立于1993年，是以真空冷冻干燥工艺、真空冷冻干燥机（冻干机），自动进出料装置的研发、设计、生产、销售，服务为核心的高新技术企业。公司以“专业技术服务于制药工业”为使命，集销售、研发、生产、服务为一体的科技企业。公司产品重点应用在生物制药、血液制品、中药及抗肿瘤药、化学药品的生产,是基因工程、细胞工程、发酵工程、天然药物的生产、药物活性成份等分离用的高精度、自动化、程序化、连续高效的生产设备。
1998年，东富龙人开发成功了国内第一台蒸汽灭菌型真空冷冻干燥机，此项技术填补了国内该领域的空白。公司在2000年开始实施ISO9001标准，通过一年的试运行，于2001年7月通过德国TUV公司ISO9001：1994版质量管理体系认证，2003年7月实现了ISO9001：2000版标准的升级，并在2004年7月通过方圆标志认证中心ISO9001：2000版质量管理体系认证，2006年年初公司又先后通过欧盟的CE认证和SQ认证。2002年，“东富龙”已经发展成为国内最大的生物制药用真空冷冻干燥机的制造商。企业出于对自主知识产权的保护，同年向国家工商行政管理总局商标局提出注册申请，并于2004年获得商标注册证书。企业自2002年以来连续被认定为上海市高新技术企业。2005年，“东富龙”冻干机在畅销国内市场的基础上，正快速迈入国际市场。世界卫生组织（WHO）官员及国际冻干协会组织专家也多次组团参观访问东富龙。2006年，东富龙冻干机荣获“上海名牌产品”称号，代表制药机械产品首次进入上海名牌行列。2007年获得上海市小巨人培育企业；；08年获得上海市著名商标；同年获得上海市高新技术成果转化项目自主创新十强“百佳”企业。2009年3月11日，“STS-15深冷机组”成为具有自主知识产权成果转化项目；同月，被评为“上海市专利工作试点企业”； 2009年5月，被评为2007-2008年度上海市先进私营企业；2009年8月，“液氮真空冷冻干燥机”被评为上海市自主创新产品；同年，真空冷冻干燥机被评为上海名牌产品；2009年12月，TOFFLON品牌被推荐为2009年上海市装备制造业与高新技术产业自主创新品牌；2010年1月，认定为2009年度闵行区研发机构；2010年1月，被推荐为2009年度上海名牌；2010年3月，ALUS-S-1200/1500-01冻干机自动进出料装置被评为上海市重点新产品。公司研发中心从1993年至今已经为公司申请了21项发明专利，35项实用新型专利。中国的“东富龙”正逐步成为世界的“东富龙”，公司一举注册了俄罗斯、美国、意大利、越南、韩国、墨西哥、巴西、阿根廷、印度等国家的商标注册，为“东富龙”品牌席卷全球作基础性工作。
公司占地面积44314平方米，其中放鹤路2199号9094平方米、都会路1509号35220平方米。公司现有人员466人，工程技术人员95人，占总人数20%。
1、项目研制背景：
液氮真空冷冻干燥机是利用液氮作为冷源进行制冷的一种冻干机。
冻干机采用液氮辅助制冷系统，目前在国内还没有被任何一个冻干机制造商所采用，在国外如EDWARDS、FINN-QUAQ、USIFROID、HULL等冻干机制造商以液氮为冷源的冻干机也才刚刚开始起步。液氮制取方便， 空气中含有78%的氮气,是一种环保惰性气体，不与任何物质进行化学反应，符合《蒙特利尔》国际环保条约规定，属长期可利用、再生的制冷工质。
研究表明：冷冻干燥过程是复杂的传热、传质过程，冻干过程与冻结过程密切相关，后者在一定程度上决定了冻干过程的时间和冻干品的质量。在现有药品冻干设备中，药品的冻结过程大多在搁板上完成，然而，目前冻干设备搁板的降温速率相对较慢，一般小于1.5℃/min。液态状制剂随搁板在降温过程中，冰晶最先于容器底部形成，冰界面向前推进速度慢，溶液中溶质迁移时间充足，溶液表面冻结层溶质积聚较多，高浓度“表层硬壳”现象容易出现，高浓度表层干燥后形成一层较致密的“硬壳”，会阻碍冻干过程中水蒸气的逸出，延长冻干时间，增加冻干品复水的难度。实际生产过程中，搁板慢速冻结溶质分布不均还会致使药品制剂干燥后残留水分含量的不同，这种溶质及其水分含量分布不均的问题会给冻干过程及产品贮藏稳定性带来不利的影响。所以，在溶液类制品搁板预冻过程中，如何控制冰晶的生长速度，降低制品内部溶质自下而上的迁移，对提高冻干样品质量、节约能耗均具有重要的意义。另外，生化药品生产过程大量有机溶剂的使用，致使药品残留的有机溶剂在真空状态下进入真空系统，而常规的冷阱（-60℃）无法捕获到这些有机溶剂，有机溶剂一旦进入油封旋片式真空泵，真空泵油及密封元件将被破坏，真空系统将无法进行正常的工作。
2、项目研制目的：
“液氮真空冷冻干燥机”将液氮辅助制冷系统应用于真空冷冻干燥机，可防止生物制剂中的有机溶剂破坏真空系统，并减小制剂冻干过程中高浓度“表层硬壳”现象的出现，解决常规冻干机制品内溶质分配不匀问题。液氮温度约－196℃，汽化潜热约210kJ/kg,而绝大多数有机溶剂在－120℃即可固化，液氮辅助制冷可确保冻干机真空系统不被有机溶剂破坏。液氮制冷系统极限温度低，并且在低温下制冷量不会像压缩机系统大量衰减，这使液氮制冷系统能加快制品的降温速率，有效的减缓溶质分层现象，从而大大提高样品的质量与贮藏稳定性，并节约能源消耗。市场前景广阔。
3、项目研制意义：
1）就产品而言，由上海东富龙科技有限公司自主开发成功的液氮真空冷冻干燥机，以液氮为冷源的自控装置替代容积式制冷系统，填补了国内空白。液氮真空冷冻干燥机的开发迎合了当今市场由于生物工程技术飞速发展而对生物制品及生化药品的快速、高质量冻干技术的需求，可防止生物制剂中的有机溶剂破坏真空系统，并防止制剂冻干过程中高浓度“表层硬壳”现象的出现，解决常规冻干机制品内溶质分配不匀问题。属节能环保产品，具有极佳的市场竞争能力，市场前景非常广阔。
2）就先进性和环保性而言，冻干机用液氮辅助制冷系统目前在国内还没有被任何一个冻干机制造商所采用，在国外如EDWARDS、FINN-QUAQ、USIFROID、HULL等冻干机制造商以液氮为冷源的冻干机也才刚刚开始起步。液氮制取方便， 空气中含有78%氮气,是一种环保惰性企业，不与任何物质进行化学反应，符合《蒙特利尔》国际环保条约规定，属长期可利用、再生的制冷工质。
本项目将液氮辅助制冷系统应用于真空冷冻干燥机，液氮辅助制冷可确保冻干机真空系统不会被有机溶剂破坏。由于液氮温度较低，汽化速度较快，制冷能力较强，液氮自动供给控制系统可方便的控制降温速率，大大提高样品的质量与贮藏稳定性，并节约能源消耗。
3）从应用实例上讲，公司依靠现有全国市场占有率达70％以上的项目“真空冷冻干燥机”客户进行本项目新产品的更新换代和推广应用，充分保证了此项目的前期市场转化。另外,凭借其独特的技术优点,在科学研究及生物医药行业也得到了应用，其前景将极为乐观。三年来，累计实现销售20453万元，累计利润已达9000多万元。
公司是目前中国最大真空冷冻干燥机厂家，国内市场占有率达70％。本项目属真空冷冻干燥机新一代产品，具有节电、节水、环保等特点，随着现代制药工艺的发展，该产品将会更快的发展。该项目目前国内独家生产，市场占有率100％。
二、产品的创新性和先进性
1、创新性：
1）、国内冻干行业上率先应用以液氮为冷源的自控装置替代容积式制冷系统，系统稳定性大大提高。
2）、使用二重热交换循环系统，对冷凝器降温的同时也冷却了搁板，减少了冷凝器预冷时间。
3）、在冻干操作过程中，由冻干箱制品所蒸发出来的水蒸汽经过冷凝器所捕获，且冷凝器温度波动非常小，有利于冻干箱与冷凝器之间保持最大的饱和蒸汽压差或者称最大升华量，减少冻干周期，同时使得冻干工艺重演性增强。
4）、短时停电时维持冻干系统的时间大大增加，避免了冷凝器直接膨胀时在一次干燥过程因发生短时停电而使制品报废。
5）、具有专利设计的液氮低温换热器具有换热效率高，且可以预防低温的液氮在汽化过程中，由于温度过低引起热媒冻结的问题。
6）、液氮的节能装置是利用已经交换过的低温尾气来控制，在电加热过程中，热媒超温后进行温度校正，也可以利用这部分冷量来平衡循环泵旋转产生的热量。
2、先进性：
“液氮真空冷冻干燥机”主要是节电、节水、环保、使用方便、技术附加值高、设备稳定可靠、控制先进。
1）、氮在空气中的含量达到78%，液氮是在各冶金企业在制取空气中其它气体时所产生的附属产品，所以它是一种价廉的、容易得到的并且可以再生的能源。排出的氮气非常清洁，对环境和生物不会有任何的污染。
2）、使用了液氮做为冻干机制冷的冷源，就可以把机械制冷的压缩机完全的替代，这样它的用电量将减少45%，用来冷却压缩机制冷剂的水冷却系统也可以全部不要，所以它是一个既节电又节水的产品。
3）、故障率低，它几乎是免维护的，不需要大量的人力和物力对它进行维护保养和维修，使用和操作非常的方便。
4）、控制先进，无人操作。它使用了PC+PLC控制，设备在运行过程中不需要人看管，只要输入温度、时间等数据即可。
三、项目的经济和社会效益
1、经济效益分析：
2008年，完成订单2台，实现销售额46万元，利润22万元。
2009年，完成订单3台，预计全年实现销售额874万元，利润350万元。
2010年，预计全年完成订单8台，预计全年实现销售额2000万元，利润300万元。
2、社会效益分析：
1）液氮是在各冶金企业在制取空气中其它气体时所产生的附属产品，它在空气中的含量达到78%，所以它是一种价廉的、容易得到的并且可以再生的环保能源。它使用完毕后又排自然界，对环境没有任何的破坏，排出的氮气非常清洁，对环境和生物不会有任何的污染。
项目产品使用了液氮作为冻干机制冷的冷源，就可以把机械制冷的压缩机完全的替代，这样它的用电量将减少50%，用来冷却压缩机制冷剂的水冷却系统也可以全部不要，所以它是一个既节电又节水的产品。
2）机械制冷的冻干机是使用压缩机进行制冷，由于的冻干工艺的特殊要求，会使压缩机制冷的工作温度宽，并且在后期处在无负荷状态，低温的工作温度超出压缩机工作要求而使压缩机发生故障率高，就需要大量的人力和物力对压缩机进行维护保养和维修，随着经济的发展人的劳动力成本越来越高；而液氮冻干机是使用阀门来控制的，它几乎是免维护的，不需要大量的人力和物力对它进行维护保养和维修，运行成本远低于随意压缩机制冷的冻干机。
3）冻干机用液氮辅助制冷系统的研制将大大提高现有冻干设备的性能，提高冻干药品的质量。该系统的研制将大大提高我公司冻干机的国际竞争能力，使我公司的冻干机性能赶上或领先国际水平。另外，冻干机性能的提高将提高我国生化冻干药品的质量，这对促进我国医药工业的发展，提高我国冻干生化药品的国际竞争能力均具有重要的意义。
四、项目持续改进措施
需要解决的技术难点：
1.如何优化两重热交换液氮冻干机的冷阱换热效率，通过冷阱热分布和传热模拟分析提出优化方案
2. 怎样解决两重热交换液氮冻干机冷阱在不同温度下受力变形及应力分布问题，并寻找低冰点高闪点的导热油。
3.对直膨式液氮冻干机冷阱的热应力和传热分析，以及直膨式液氮冻干机冷阱控制的改进，使其响应更迅速，控温更精准。
自液氮真空冷冻干燥机创新问世以来，已经赢得了国内外客户的青睐。用户对项目产品予以了充分肯定，并力荐推广。公司依靠现有全国市场占有率达70％以上的项目“真空冷冻干燥机”客户进行新产品更新换代和推广应用，充分保证了此项目的产业化。另外,凭借其独特的优点,在科学研究及生物医药行业也得到了应用，随着生物工程技术的飞速发展，液氮真空冷冻干燥机将越来越广泛地被应用，前景非常广阔。
公司领导非常重视企业的发展，注重科技创新，从机构设置和资源保障等各个方面提升企业的科技创新能力。对企业研发的新产品，优先解决实现产业化过程中的有关问题，并严格按照企业现有的质量管理体系对新研发产品进行质量管理，不断提高产品质量和性能。以市场需求为导向，以客户满意为宗旨，加快产品的产业化进程。
公司在今后发展中将加大各方面投入力度，积极稳妥地坚持可持续发展，争取在3-5年内挤入世界冻干机行业的前列。
——进一步增添完善生产流水线；
——研制出符合市场需求的各类新型冻干机；
——不断提高产品质量，降低能耗，提供社会绿色环保冻干机；
——把企业做大做强，保持国内行业第一，达到世界行业前三位。
