凍干機(jī)的工作原理

        冷凍干燥是一種利用升華原理進(jìn)行干燥的技術(shù)。是將干燥后的物質(zhì)在低溫下快速冷凍，然后在合適的真空環(huán)境下，冷凍的水分子直接升華成水蒸氣逸出的過程。冷凍 干燥得到的產(chǎn)品稱為凍干機(jī)，這個過程稱為凍干。
        物質(zhì)在干燥前始終處于低溫（凍結(jié)狀態(tài)），冰晶均勻分布在物質(zhì)中。升華過程不會因脫水而濃縮，避免水蒸氣引起的起泡、氧化等副作用。干物質(zhì)呈干海綿狀，呈多孔狀，體積基本不變，易溶于水，恢復(fù)原狀。zui大程度地防止干物質(zhì)的物理、化學(xué)和生物變性。
        冷凍干燥機(jī)由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、電器儀表控制系統(tǒng)組成。主要部件有干燥箱、冷凝器、制冷機(jī)組、真空泵、加熱/冷卻裝置等。其工作原理是先將干燥的物品冷凍到三相點溫度以下，然后將固體水（冰）直接升華到在真空條件下將物品放入水蒸氣中，將其從物品中取出，然后將物品晾干。前處理后的物料送至速凍庫進(jìn)行冷凍，再送至干燥庫進(jìn)行升華脫水，再在后處理車間進(jìn)行包裝。真空系統(tǒng)為升華干燥室建立低壓條件，加熱系統(tǒng)為物料提供升華潛熱，制冷系統(tǒng)為冷阱和干燥室提供所需的冷能。本設(shè)備采用高效輻射加熱，物料受熱均勻；采用高效集水器，可實現(xiàn)快速除霜；采用高效真空裝置，可實現(xiàn)油水分離；采用并聯(lián)集中制冷系統(tǒng)，多路按需制冷，工況穩(wěn)定節(jié)能；采用人工智能控制，控制精度高，操作方便。
        凍干產(chǎn)品的質(zhì)量要求是：生物活性不變、外觀色澤均勻、形態(tài)飽滿、結(jié)構(gòu)牢固、溶解快、殘留水分低。要獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，您應(yīng)該對冷凍干燥的理論和技術(shù)有更全面的了解。冷凍干燥過程包括三個階段：預(yù)冷凍、升華和再冷凍。合理有效地縮短凍干周期在工業(yè)生產(chǎn)中具有明顯的經(jīng)濟(jì)價值。
        凍結(jié)產(chǎn)品
        溶液快速冷凍（10~50℃/min）時，在顯微鏡下仍能看到晶粒；相反，當(dāng)溶液緩慢冷凍（1℃/min）時，形成的晶體肉眼可見。粗晶在升華時留下較大間隙，可提高凍干效率，細(xì)晶則在上升。化后留下的縫隙很小，阻礙了下層的升華。速凍成品顆粒細(xì)，外觀均勻，比表面積大，多孔結(jié)構(gòu)好，溶解速度快，成品吸濕性相對較強(qiáng)。
        藥物在冷凍干燥機(jī)中的預(yù)凍有兩種方式：一種是產(chǎn)品和干燥箱同時冷卻；另一種是等待干燥箱的架子冷卻到-40℃左右，然后把產(chǎn)品放進(jìn)去，前者相當(dāng)于慢速冷凍，后者介于速凍和慢速冷凍之間，所以經(jīng)常使用要兼顧凍干效率和產(chǎn)品質(zhì)量。這種方法的缺點是當(dāng)產(chǎn)品放入箱中時，空氣中的水蒸氣會迅速凝結(jié)在貨架上。在升華初期，如果板片升溫很快，可能會因升華面積大而超過冷凝器的正常負(fù)荷。這種現(xiàn)象在夏季尤為明顯。
        產(chǎn)品的冷凍處于靜止?fàn)顟B(tài)。經(jīng)驗證明，在產(chǎn)品溫度達(dá)到共晶點之前，容易發(fā)生過冷。然而，溶質(zhì)仍然沒有結(jié)晶。為克服過冷現(xiàn)象，產(chǎn)品的冷凍溫度應(yīng)低于共晶點以下的一個范圍，并應(yīng)保持一段時間，直至產(chǎn)品*冷凍。
        二次升華的條件和速度
        當(dāng)冰在一定溫度下的飽和蒸氣壓大于環(huán)境中水蒸氣的分壓時，它就可以開始升華；冷凝器對溫度低于產(chǎn)品的水蒸氣的吸入和捕集，是維修的必要條件。
        氣體分子在兩次連續(xù)碰撞之間移動的距離稱為平均自由程，它與壓力成反比。在常壓下，它的值很小，升華后的水分子容易與氣體發(fā)生碰撞，回到蒸汽源表面，所以升華速度很慢。當(dāng)壓力降到13.3Pa以下時，平均自由程增加105倍，升華速度明顯加快，飛行的水分子很少改變它們的外觀，從而形成定向蒸汽流。
        真空泵在冷凍干燥機(jī)中起到抽取yong久性氣體的作用，以保持升華所需的低壓。 1g 水蒸氣在常壓下為 1.25L，但在 13.3Pa 下會膨脹到 10,000 升。普通的真空泵單位時間內(nèi)不可能抽出這么大的體積。冷凝器實際上形成了一個真空泵，專門捕獲水蒸氣。
        產(chǎn)品和冷凝溫度通常為-25℃和-50℃。該溫度下冰的飽和蒸氣壓分別為63.3Pa和1.1Pa，因此升華面和凝結(jié)面之間存在相當(dāng)大的壓差。如果此時系統(tǒng)中不凝性氣體的分壓可以忽略不計，就會導(dǎo)致從產(chǎn)品中升華的水蒸氣以一定的流速被導(dǎo)向。冷凝器表面結(jié)霜。
        冰的升華熱約為2822J/g。如果升華過程不供熱，則產(chǎn)品只能通過降低內(nèi)能來補(bǔ)償升華熱量，直到溫度等于冷凝器溫度，升華過程才會停止。為了保持升華和冷凝之間的溫差，必須為產(chǎn)品提供足夠的熱量。
        三升華工藝
        在加熱的第一階段（質(zhì)量升華階段），產(chǎn)品的溫度應(yīng)在其共晶點以下的范圍內(nèi)。因此，應(yīng)控制貨架溫度。如果產(chǎn)品已經(jīng)部分干燥但溫度超過其共晶點，此時產(chǎn)品會熔化，熔化的液體會被冰飽和但沒有被溶質(zhì)飽和，所以干燥的溶質(zhì)會迅速溶解，最后凝結(jié)變成薄而堅硬的團(tuán)塊。外觀極差，溶解速度極差。如果產(chǎn)品的熔化發(fā)生在大量升華的后期，則熔化的液體量會較少，因此多孔固體會被干燥。吸收造成凍干后的塊狀物有一些缺陷，溶解在水中時仍會發(fā)現(xiàn)溶解速度緩慢。
        在質(zhì)量升華過程中，雖然架子和產(chǎn)品的溫度相差很大，但由于板溫、冷凝器溫度和真空溫度基本不變，升華吸熱相對穩(wěn)定，產(chǎn)品溫度相對恒定。隨著產(chǎn)品從上到下干燥，冰層對升華的阻力逐漸增加。產(chǎn)品溫度會相應(yīng)略有升高。直到用肉眼，沒有冰晶。此時，90%以上的水分已被去除。質(zhì)量升華的過程基本結(jié)束。為了保證整箱產(chǎn)品的質(zhì)量升華完成，在第二階段加熱之前，還需要保持一個階段的板溫。剩下的百分之幾的水稱為殘余水，它在物理和化學(xué)性質(zhì)上不同于自由狀態(tài)的水。殘留水包括化學(xué)結(jié)合水和物理結(jié)合水，如通過氫氣化合的結(jié)晶水、結(jié)晶、蛋白質(zhì)等。固體表面或毛細(xì)管上的結(jié)合水和吸附水。由于殘留水分受一定重力束縛，其飽和蒸氣壓不同程度降低，因此干燥速度顯著降低。提高產(chǎn)品溫度雖然促進(jìn)了殘留水分的蒸發(fā)，但如果溫度超過一定限度，生物活性也可能急劇下降。保證產(chǎn)品安全的最高干燥溫度必須通過實驗確定。通常我們在第二階段將電路板溫度設(shè)置為+30℃左右并保持恒定。此階段初期，由于板溫升高，殘留水分較少，不易汽化，因此產(chǎn)品溫度上升較快。但隨著產(chǎn)品溫度和板溫逐漸接近，導(dǎo)熱變慢，需要耐心。經(jīng)過長時間的實踐，實踐經(jīng)驗表明，殘余水分的干燥時間幾乎等于大量升華的時間，有時甚至更長。
        四條凍干曲線
        記錄貨架溫度和產(chǎn)品溫度隨時間的變化，得到凍干曲線。典型的凍干曲線系統(tǒng)將貨架溫度分為兩個階段。在大量升華過程中，擱板溫度保持較低。根據(jù)實際情況，一般可控制在-10～+10之間。第二階段是根據(jù)產(chǎn)品的性質(zhì)適當(dāng)調(diào)整貨架溫度。此方法適用于熔點較低的產(chǎn)品。如果產(chǎn)品性能不明確，機(jī)器性能差或工作不夠穩(wěn)定，使用此方法比較安全。
        如果產(chǎn)品的共晶點高，可以很好地保持系統(tǒng)的真空度，冷凝器的制冷量足夠，也可以采用一定的升溫速率，將擱板溫度提高到最高允許溫度，直至達(dá)到最高允許溫度。是凍干的，但也要保證產(chǎn)品在大量升華過程中的溫度不超過共晶點。
        如果產(chǎn)品對熱不穩(wěn)定，則二級板溫度不宜過高。為提高第一階段的升華速度，可一次性將擱板溫度提高到產(chǎn)品最高允許溫度以上；基本升華階段基本結(jié)束后，將板溫降至最高允許溫度。后兩種方法雖然大大提高了升華速度，但其抗力也相應(yīng)降低。真空和制冷能力突然降低或停電可能導(dǎo)致產(chǎn)品熔化。合理靈活掌握第一種方法仍是目前比較常用的方法。