冷凍幹燥機的工作原理

    冷凍幹燥是利用升華的原理進行幹燥的一種技術，是將被幹燥的物質在低溫下快速凍結,然後在適當的真空環境下,使凍結的水分子直接升華成為(wei) 水蒸氣逸出的過程.     冷凍幹燥得到的產(chan) 物稱作凍幹物（lyophilizer），該過程稱作凍幹（lyophilization）。
    物質在幹燥前始終處於(yu) 低溫凍結狀態,同時冰晶均勻分布於(yu) 物質中,升華過程不會(hui) 因脫水而發生濃縮現象,避免了由水蒸氣產(chan) 生泡沫、氧化等副作用。幹燥物質呈幹海綿多孔狀，體(ti) 積基本不變，極易溶於(yu) 水而恢複原狀。在zui大程度上防止幹燥物質的理化和生物學方麵的變性。　
    冷凍幹燥機係由製冷係統、真空係統、加熱係統、電器儀(yi) 表控製係統所組成。主要部件為(wei) 幹燥箱、凝結器、冷凍機組、真空泵、加熱/冷卻裝置等。它的工作原理是將被幹燥的物品先凍結到三相點溫度以下，然後在真空條件下使物品中的固態水份（冰）直接升華成水蒸氣，從(cong) 物品中排除，使物品幹燥。物料經前處理後，被送入速凍倉(cang) 凍結，再送入幹燥倉(cang) 升華脫水，之後在後處理車間包裝。真空係統為(wei) 升華幹燥倉(cang) 建立低氣壓條件，加熱係統向物料提供升華潛熱，製冷係統向冷阱和幹燥室提供所需的冷量。 本設備采用輻射加熱，物料受熱均勻；采用捕水冷阱，並可實現快速化霜；采用真空機組，並可實現油水分離；采用並聯集中製冷係統，多路按需供冷，工況穩定，有利節能；采用人工智能控製，控製精度高，操作方便。
    對凍幹製品的質量要求是：生物活性不變、外觀色澤均勻、形態飽滿、結構牢固、溶解速度快，殘餘(yu) 水分低。要獲得高質量的製品，對凍幹的理論和工藝應有一個(ge) 比較全麵的了解。凍幹工藝包括預凍、升華和再凍幹三個(ge) 分階段。合理而有效地縮短凍幹的周期在工業(ye) 生產(chan) 上具有明顯的經濟價(jia) 值。

    ㈠ 製品的凍結
    溶液速凍時（每分鍾降溫10~50℃），晶粒保持在顯微鏡下可見的大小；相反慢凍時（1℃/分），形成的結晶肉眼可見。粗晶在升華留下較大的空隙，可以提高凍幹的效率，細晶在升華後留下的間隙較小，使下層升華受阻，速成凍的成品粒子細膩，外觀均勻，比表麵積大，多孔結構好，溶解速度快，便成品的引濕性相對也要強些。
    藥品在凍幹機中預凍在兩(liang) 種方式：一種是製品與(yu) 幹燥箱同時降溫，；另一種是待幹燥箱擱板降溫至-40℃左右，再將製品放入，前者相當於(yu) 慢凍，後者則介於(yu) 速凍與(yu) 慢凍之間，因而常被采用，以兼顧凍幹效率與(yu) 產(chan) 品質量。此法的缺點是製品入箱時，空氣中的水蒸氣將迅速地凝結在擱板上，而在升華初期，若板升溫較快，由於(yu) 大麵積的升華將有可能超越凝結器的正常負荷。此現象在夏季尤為(wei) 顯著。
    製品的凍結處於(yu) 靜止狀態。經驗證明，過冷現象容易發生至使製品溫度雖已達到共晶點。但溶質仍不結晶，為(wei) 了克服過冷現象，製品凍結的溫度應低於(yu) 共晶點以下一個(ge) 範圍，並需保持一段時間，以待製品*凍結。

    ㈡升華的條件與(yu) 速度
    冰在一定溫度下的飽和蒸汽壓大於(yu) 環境的水蒸氣分壓時即可開始升華；比製品溫更低的凝結器對水水蒸氣的抽吸與(yu) 捕獲作用，則是維護升所必需的條件。
    氣體(ti) 分子在兩(liang) 次連續碰撞之間所走的距離稱為(wei) 平均自由程，它與(yu) 壓力成反比。在常壓下，其值很小，升華的水分子很容易與(yu) 氣體(ti) 碰撞又返回到蒸汽源表麵，因而升華速度很漫。隨著壓力降低13.3Pa以下，平均自由程增大105倍，使升華速度顯著加快，飛離出來的水分子很少改變自己的方麵，從(cong) 而形成了定向的蒸汽流。
    真空泵在凍幹機中起著抽除*氣體(ti) 的作用，以維護升華所必需的低壓強。1g水蒸氣在常壓下為(wei) 1.25L而在13.3Pa時卻膨脹為(wei) 10000升，普通的真空泵在單位時間內(nei) 抽除如此大量的體(ti) 積是不可能的。凝結器實際上形成了專(zhuan) 門捕集水蒸氣的真空泵。
    製品與(yu) 凝結的溫度通常為(wei) -25℃與(yu) -50℃。冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分別為(wei) 63.3Pa與(yu) 1.1Pa,因而在升華麵與(yu) 冷凝麵之間便產(chan) 生了一個(ge) 相當大的壓力差,如果此時係統內(nei) 的不凝性氣體(ti) 分壓可以忽略不計,它將促使製品升華出來的水蒸氣,以一定的流速定向地抵達凝結器表麵結成冰霜。
    冰的升華熱約為(wei) 2822J/克，如果升華過程不供給熱量，那末製品隻有降低內(nei) 能來補償(chang) 升華熱，直至其溫度與(yu) 凝結器溫度平衡後，升華也就停止了。為(wei) 了保持升華與(yu) 冷凝來的溫度差，必須對製品提供足夠的熱量。

    ㈢升華過程
    在升溫的*階段（大量升華階段），製品溫度要低於(yu) 其共晶點一個(ge) 範圍。因此擱板溫要加以控製，若製品已經部分幹燥，但溫度卻超過了其共晶點，此時將發生製品融化現象，而此時融化的液體(ti) ，對冰飽和，對溶質卻未飽和，因而幹燥的溶質將迅速溶解進去，zui後濃縮成一薄僵塊，外觀極為(wei) 不良，溶解速度很差，若製品的融化發生在大量升華後期，則由於(yu) 融化的液體(ti) 數量較少，因而被幹燥的孔性固體(ti) 所吸收，造成凍幹後塊狀物有所缺損，加水溶解時仍能發現溶解速度較慢。
    在大量升華過程，雖然擱板和製品溫度有很大懸殊，但由於(yu) 板溫、凝結器溫度和真空溫度基本不變，因而升華吸熱比較穩定，製品溫度相對恒定。隨著製品自上而下層層幹燥，冰層升華的阻力逐漸增大。製品溫度相應也會(hui) 小幅上升。直至用肉眼已不到冰晶的存在。此時90%以上的水分已除去。大量升華的過程至此已基本結束，為(wei) 了確保整箱製品大量升華完畢，板溫仍需保持一個(ge) 階段後再進行第二階段的升溫。剩餘(yu) 百分之幾的水分稱殘餘(yu) 水分，它與(yu) 自由狀態的水在物理化學性質上有所不同，殘餘(yu) 水分包括了化學結合之水與(yu) 物理結合之水，諸如化合的結晶水結晶、蛋白質通過氫鍵結合的水以及固體(ti) 表麵或毛細管中吸附水等。由於(yu) 殘餘(yu) 水分受到某種引力的束縛，其飽和蒸汽壓則是不同程度的降低，因而幹燥速度明顯下降。雖然提高製品溫度促進殘餘(yu) 水分的氣化，但若超過某極限溫度，生物活性也可能急劇下降。保證製品安全的zui高幹燥溫度要由實驗來確定。通常我們(men) 在第二階段將板溫+30℃左右，並保持恒定。在這一階段初期，由於(yu) 板溫升高，殘餘(yu) 水分少又不易氣化，因此製品溫度上升較快。但隨著製品溫度與(yu) 板溫逐漸靠攏，熱傳(chuan) 導變得更為(wei) 緩慢，需要耐心等待相當長的一段時間，實踐經驗表明，殘餘(yu) 水分幹燥的時間與(yu) 大量升華的時間幾乎相等有時甚至還會(hui) 超過。

    ㈣凍幹曲線
    將擱板溫度與(yu) 製品溫度隨時間的變化記錄下來，即可得到凍幹曲線。比較典型的凍幹曲線係將擱板升溫分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 階段，在大量升華時擱板溫度保持較低，根據實際情況，一般可控製在-10至+10之間。第二階段則根據製品性質將擱板溫度適當調高，此法適用於(yu) 其熔點較低的製品。若對製品的性能尚不清楚，機器性能較差或其工作不夠穩定時，用此法也比較穩妥。
    如果製品共晶點較高，係統的真空度也能保持良好，凝結器的製冷能力充裕，則也可采用一定的升溫速度，將擱板溫度升高至允許的zui高溫度，直至凍幹結束，但也需保證製品在大量升華時的溫度不得超過共晶點。
    若製品對熱不穩定，則第二階段板溫不宜過高。為(wei) 了提高*階段的升華速度，可將擱板溫度一次升高至製品允許的zui高溫度以上；待大量升華階段基本結束時，再將板溫降至允許的zui高溫度，這後兩(liang) 種方式雖然使大量的升華速度有一些提高，但其抗幹擾的能力相應降低，真空度和製冷能力的突然降低或停電都可能會(hui) 使製品融化。合理而靈活地掌握*種方式，仍是目前較常用的方式。