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、外观色泽均匀、形态饱满杏彩体育平台冻干机原理_百度文库、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 较全面的了解。杏彩体育平台冻干工艺包括预冻、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；相反慢冻时 （1℃/分） ，形成的结晶肉眼可见。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。 药品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
加温，这时可迅速地使产品上升的规定的最高温度。在最高温度保持数小时后，即 可结束冻干。 整个升华干燥的时间约 12-24 小时左右，与产品在每瓶内的装量，总装量，玻璃容 器的形状、规格，产品的种类，冻干曲线及机器的性能等等有关。 冻干结束后，要放干燥无菌的空气进入干燥箱，然后尽快地进行加塞封口，以防重 新吸收空气中的水份。 在冻干过程中，把产品和板层的温度、冷凝器温度和真空度对照时间划成曲线，叫 做冻干曲线。一般以温度为纵坐标，时间为横坐标。冻干不同的产品采用不同的冻 干曲线。同一产品使用不同的冻干曲线时，产品的质量也不相同，冻干曲线还与冻 干机的性能有关。因此不同的产品，不同的冻干机应用不同的冻干曲线。图十四是 冻干曲线示意图（其中没有冷凝器的温度曲线和真空度曲线）。 第三节 共溶点及其测量方法 需要冻干的产品，一般是预先配制成水的溶液或悬浊液，因此它的冰点与水就不相 同了，水在 0℃时结冰，而海水却要在低于 0℃的温度才结冰，因为海水也是多种 物质的水溶液。实验指出溶液的冰点将低于溶媒的冰点。 另外，溶液的结冰过程与纯液体也不一样，纯液体如水在 0℃时结冰，水的温度并 不下降，直到全部水结冰之后温度才下降，这说明纯液体有一个固定的结冰点。而 溶液却不一样，它不是在某一固定温度完全凝结成固体，而是在某一温度时，晶体 开始析出，随着温度的下降，晶体的数量不断增加，直到最后，溶液才全部凝结。 这样，溶液并不是在某一固定温度时凝结。而是在某一温度范围内凝结，当冷却时 开始析出晶体的温度称为溶液的冰点。而溶液全部凝结的温度叫做溶液的凝固点。 因为凝固点就是融化的开始点（既熔点），对于溶液来说也就是溶质和溶媒共同熔 化的点。所以又叫做共熔点。可见溶液的冰点与共熔点是不相同的。共熔点才是溶 液真正全部凝成固体的温度。
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，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。
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（大量升华阶段） ，制品温度要低于其共晶点一个范围。因此搁板 温要加以控制，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，
干燥是保持物质不致变质的方法之一。干燥的方法许多，如晒干、煮干、烘干、 喷雾干燥和真空干燥等。但这些干燥方法都是在 0℃以上或更高的温度下进行。干 燥所得的产品，一般是体积缩小、质地变硬，有些物质发生了氧化，一些易挥发的 成分大部分会损失掉，有些热敏性的物质，如蛋白质、维生素会发生变性。微生物 会失去生物活力，干燥后的物质不易在水中溶解等。因此干燥后的产品与干燥前相 比在性状上有很大的差别。 而冷冻干燥法不同于以上的干燥方法，产品的干燥基本上在 0℃以下的温度进行， 即在产品冻结的状态下进行，直到后期，为了进一步降低产品的残余水份含量，才 让产品升至 0℃以上的温度，但一般不超过 40℃。 冷冻干燥就是把含有大量水分物质，预先进行降温冻结成固体，然后在真空的条件 下使水蒸汽直接升华出来，而物质本身剩留在冻结时的冰架中，因此它干燥后体积 不变，疏松多孔在升华时要吸收热量。引起产品本身温度的下降而减慢升华速度， 为了增加升华速度，缩短干燥时间，必须要对产品进行适当加热。整个干燥是在较 低的温度下进行的。 冷冻干燥有下列优点： 一．冷冻干燥在低温下进行，因此对于许多热敏性的物质特别适用。如蛋白质、微 生物之类不会发生变性或失去生物活力。因此在医药上得到广泛地应用。 二．在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小，适合一些化学产品，药 品和食品干燥。 三．在冷冻干燥过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因此能保持原来的性 装。 四．由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎不变，保持了原来的结构，不会 发生浓缩现象。 五．干燥后的物质疏松多孔，呈海绵状，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原 来的性状。 六．由于干燥在真空下进行，氧气极少，因此一些易氧化的物质得到了保护。 七．干燥能排除 95-99%以上的水份，使干燥后产品能长期保存而不致变质。 因此，冷冻干燥目前在医药工业，食品工业，科研和其他部门得到广泛的应用。 第二节 冻干机的组成和冻干程序
产品的冷冻干燥需要在一定装置中进行，这个装置叫做真空冷冻干燥机，简称冻干 机。 冻干机按系统分，由致冷系统、真空系统、加热系统、和控制系统四个主要部分组 成。按结构分，由冻干箱或称干燥箱、冷凝器或称水汽凝集器、冷冻机、真空泵和 阀门、电气控制元件等组成。图十三是冻干机组成示意图。 冻干箱是一个能够致冷到-40℃左右，能够加热到50℃左右的高低温箱，也是一个 能抽成真空的密闭容器。它是冻干机的主要部分，需要冻干的产品就放在箱内分层 的金属板层上，对产品进行冷冻，并在真空下加温，使产品内的水份升华而干燥。 冷凝器同样是一个真空密闭容器，在它的内部有一个较大表面积的金属吸附面，吸 附面的温度能降到-40℃以下， 并且能恒定地维持这个低温。 冷凝器的功用是把冻干 箱内产品升华出来的水蒸气冻结吸附在其金属表面上。 冻干箱、冷凝器、真空管道和阀门，再加上真空泵，便构成冻干机的真空系统。真 空系统要求没有漏气现象，真空泵是真空系统建立真空的重要部件。真空系统对于 产品的迅速升华干燥是必不可少的。 致冷系统由冷冻机与冻干箱、Байду номын сангаас凝器内部的管道等组成。冷冻机可以是互相独立的 二套，也可以合用一套。冷冻机的功用是对冻干箱和冷凝器进行致冷，以产生和维 持它们工作时所需要的低温，它有直接致冷和间接致冷二种方式。 加热系统对于不同的冻干机有不同的加热方式。有的是利用直接电加热法；有的则 利用中间介质来进行加热，由一台泵使中间介质不断循环。加热系统的作用是对冻 干箱内的产品进行加热， 以使产品内的水份不断升华， 并达到规定的残余水份要求。 控制系统由各种控制开关， 指示调节仪表及一些自动装置等组成， 它可以较为简单， 也可以很复杂。一般自动化程度较高的冻干机则控制系统较为复杂。控制系统的功 用是对冻干机进行手动或自动控制，操纵机器正常运转，以冻干出合乎要求的产品 来。 冷冻干燥的程序是这样的：在冻干之前，把需要冻干的产品分装在合适的容器内， 一般是玻瓶或安瓶，装量要均匀，蒸发表面尽量大而厚度尽量薄些；然后放入与冻 干箱尺寸相适应的金属盘内。装箱之前，先将冻干箱进行空箱降温，然后将产品放 入冻干箱内进行预冻，抽真空之前要根据冷凝器冷冻机的降温速度提前使冷凝器工 作，抽线℃左右的温度，待真空度达到一定数值后（通常应达 到 100uHg 以上的真空度），即可对箱内产品进行加热。一般加热分两步进行，第 一步加温不使产品的温度超过共熔点的温度；待产品内水份基本干完后进行第二步
