冷冻干燥机的工作原理

　　冷冻干燥是利用升华的原理进行干燥的♂一种技术，是将被干燥的物质在低温下快速冻结,然后在适当ζ　的真空环境下,使冻结的水分子直接升华成为水蒸气逸出的过程.冷冻干燥得到的々产物称作冻干物(lyophilizer)，该过程称作冻干(lyophilization)。

　　物质在干燥前始终处于低温(冻结状态),同时冰晶均匀分布于物质中,升华过程不会因脱水而发生浓缩现象,避免了由水蒸气产生泡沫、氧化等副作用。干燥物质呈干海绵多孔状，体积基本不变，极易〓溶于水而恢复原状。在最○大程度上防止干燥物质的理化和◣生物学方面的变性。

　　冷冻干燥机系由制冷◆系统、真空系统、加热系统、电器仪表控制系统所组成。主要部件为干燥箱、凝结器、冷冻机组、真空泵、加热/冷却装置等。它的工作原理是将被干燥的物品先冻结到三相点温度以下，然后在真空条件下使物品☉中的固态水份(冰)直接升华成水蒸气，从︾物品中排除，使物品干燥。物料经前处理后，被卐送入速冻仓冻结，再送〗入干燥仓升华脱水，之后在后处理车间ζ包装。真空系统为升华干燥仓建立低气压条件，加热系统向物料提供升华潜热，制冷系统向冷阱和干燥室提供所需的冷量。本设备采用高效辐射加热，物料受热均匀;采用高效捕水冷阱，并可实现快速※化霜;采用高效真空¤机组，并可实现∞油水分离;采用并联集中制冷系统，多路按需供冷，工况稳定，有利节能;采用人工智能控制，控制精度高，操作方便。

　　对冻干制品的质量要求是：生物活性不变、外观色泽①均匀、形态饱满、结构牢固、溶解速▆度快，残余☆水分低。要获得高质量的制品，对冻干的理论和工艺应有一个比较全面的卐了解。冻干工艺包括■预冻、升华和再冻干三个分阶段。合理而有效地缩短冻干的周期在工业生产上具有明显的经济价值。

　　一制品的冻结

　　溶液速冻时(每分钟降温10~50℃)，晶粒保持在显微镜下→可见的大小;相反Ψ 慢冻时(1℃/分)，形成的结ㄨ晶肉眼可见。粗※晶在升华留下较大的空隙，可以提高冻干的效率，细晶在升华后留下的间隙较小，使下层升华受阻，速成冻的成品粒子细腻，外观均匀，比表面积大，多孔结构好，溶解速度快▅，便成品的引湿性相对也要强些№。

　　药pin在冻干机中预冻在两种方⌒式：一种是制品与干燥箱同时降温，;另一种是待▲干燥箱搁板降温至-40℃左右，再将制品放入，前者相♂当于慢冻，后者则介于速冻与慢冻之间，因而常被采用，以兼顾冻干效率与产品质量。此法的缺点是制品入箱时，空气中的水蒸气将迅速地凝结在搁板上，而在升华初期，若板升温较快，由于大面积的升华将有可能超越〖凝结器的正常负荷→。此现象在夏季尤㊣　为显著。

　　制品的冻结处于静止状态。经验证明，过冷现象容易发生至使制品温度虽已达到共晶点。但溶质仍不结晶，为了克服过冷现象，制品冻结的温度应低于共晶点以下一个范围，并需保持一ζ　段时间，以待制品完¤全冻结。

　　二升华★的条件与速度

　　冰在一定温度下的饱和蒸汽压大于环境的水蒸气分压时即【可开始升华;比制品温更低的凝结器对水水蒸】气的抽吸与捕获作用，则是维护升所必需的条件。

　　气体分子在两次连续碰撞之间所走的距离称为平均自由程，它与压力成反比。在常压下，其值很小，升华的水分子很容易与气体碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升华速度很漫。随着○压力降低13.3Pa以下，平均自由々程增大105倍，使升华速度显著加快，飞离出来的水分子很少改变自己的方面，从而形成了定向的蒸汽流。

　　真空泵在冻干机中起着抽除永久气体的作用，以维护升华所必需的低压强。1g水蒸气在常压下为1.25L而在13.3Pa时却膨胀为10000升，普通的︽真空泵在单位时间内抽除如此大量◥的体积是不可能的。凝结器实际上形成了专门捕集ζ　水蒸气的真空泵。

　　制品与〖凝结的温度通常为-25℃与-50℃。冰在该温度♀下的饱和蒸汽压分别为63.3Pa与1.1Pa,因而在升华面与冷凝面之间便产生了一个相当大的压力差,如果此时系统内的不凝性气体分压可以忽略不计,它将促使制品升华出来的水蒸气,以一定的流速定向地抵达凝结器表面结成冰霜。

　　冰的升华热约¤为2822J/克，如果升华过程不供给热量，那末制□品只有降低内能来补偿升华热，直至其温度与凝结器温度平衡后，升华也就停止了。为了保持升华与冷凝来的温度差，必须对制品提供足够的热量。

　　三升华过程

　　在升温的第一阶段(大量升华阶ぷ段)，制品温度要低于其共晶点一▆个范围。因此搁板温要加以ㄨ控制，若制品已经▓部分干燥，但温度╳却超过了其共晶点，此时将发生制品融化现象，而此时融化的液∮体，对冰饱和，对溶质却未饱和，因而干燥的溶质将迅速溶解进去，最后浓缩成一薄僵块，外观极为不良，溶解速度很差，若制品的融化发生在大量升华后期，则由于融化的液体数量较少，因而被干燥的孔性固体所∩吸收，造成冻干后块状物有所№缺损，加水溶解时仍能发※现溶解速度较慢。

　　在大量升华过程，虽然搁※板和制品温度有很大悬殊，但由于板温、凝结器温度和真空温度基本不变，因而升华吸热比较稳定，制品温度相对恒定。随着制№品自上而下层层干燥，冰层升华的阻力逐渐增大。制品温度相应↓也会小幅上升。直至用肉眼已不到冰晶的存在。此时90%以上的水分已除★去。大量升华的过程至此已基本结束，为了确保整箱制▲品大量升华完毕，板温仍需保持一个阶段后再进行第二阶段的升温。剩余百分之几的水分称残余水分，它与自由状态的水在物理化学性质上有所不同，残余水分包括了化学结合之水与物理结合▽之水，诸如※化合的结晶水结晶、蛋白质』通过氢键结合的水以及固体表面①或毛细管中吸附水等。由于残余水分受到某种引力的束缚，其饱和蒸汽压则是不同程度的降低，因而干燥速度明显下降。虽然提高制品温度促进残余水分的气化，但若超过某极限温度，生物活性也可能急剧下降。保证制品安全的最高干燥温↑度要由实验来确定。通常⌒　我们在第二阶段将板温+30℃左右，并保持恒定。在这∑一阶段初期，由于板温升高，残余▓水分少又不易气化，因此制品温度上升较快。但随着制品温度与板温逐渐靠拢，热传导变得更为缓慢，需要耐心等待相当长的一段时间，实践经验表明，残余水分干燥的时间与大量升华的时间几乎相等有时甚至还会超过。

　　四冻干曲々线

　　将搁板温度与制品温度随时▽间的变化记录○下来，即可得到冻干曲线。比较典型的冻干曲线系将搁板升温分为两个阶段，在大量升华时搁板温度保持较低，根据实际情况，一般可控制在-10至+10之间。第二阶段则根◤据制品性质将搁板温度适当调≡高，此法适用于︾其熔点较低的制品。若对制品的性能尚不清楚，机器性能较差或其工作不够●稳定时，用此法也比较稳妥。

　　如果制品共晶点较高，系统的真空度也能保持良好，凝结器的制冷能力充裕，则也可采用一定的升温速度，将搁板温度升高至允许的最高温度，直至冻干结束∏，但也需保证制品在大量升华时的温度不得超过共々晶点。

　　若制品□对热不稳定，则第二阶段◥板温不宜过高。为了¤提高第一阶段的升华速度，可将搁板温度一次升高至制品允许的∴最高温度以上;待大量升华阶段基本结束时，再将板温降至允许的最高温度，这后两种方式虽然使大量的升华速度有一◥些提高，但其抗干扰的能力相应降低①，真▂空度和制冷能力的突然降低或停电都可能会使制品融化▆。合理而灵活地掌握第一种方式，仍是目前☆较常用的方式。