凍干機(jī)的原理

1、凍干機(jī)的原理枯燥是保持物質(zhì)不致腐敗變質(zhì)的方法之一。枯燥的方法很多，如曬干、煮干、烘干、噴霧枯燥和真空枯燥等。但這些枯燥方法都是在0以上或更高的溫度下進(jìn)展?？菰锼玫漠a(chǎn)品，一般是體積縮小、 質(zhì)地變硬，有些物質(zhì)發(fā)生了氧化，一些易揮發(fā)的成分大局部會(huì)損失掉，有些熱敏性的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、維生素會(huì)發(fā)生變性。微生物會(huì)失去生物活力，枯燥后的物質(zhì)不易在水中溶解等。因此枯燥后的產(chǎn)品與枯燥前相比在性狀上有很大的差異。 而冷凍枯燥法不同于以上的枯燥方法，產(chǎn)品的枯燥根本上在0以下的溫度進(jìn)展，即在產(chǎn)品凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)展，直到后期，為了進(jìn)一步降低產(chǎn)品的剩余水份含量， 才讓產(chǎn)品升至 0以上的溫度，但一般不超過 50。冷凍枯燥就

2、是把含有大量水分物質(zhì)，預(yù)先進(jìn)展降溫凍結(jié)成固體，然后在真空的條件下使水蒸汽直接升華出來，而物質(zhì)本身剩留在凍結(jié)時(shí)的冰架中，因此它枯燥后疏松多孔體積不變。引起產(chǎn)品本身溫度的下降而減慢升華速度，為了增加升華速度，縮短枯燥時(shí)間，必需要對產(chǎn)品進(jìn)展適當(dāng)加熱。整個(gè)枯燥是在較低的溫度下進(jìn)展的。物質(zhì)在枯燥前始終處于低溫(凍結(jié)狀態(tài)),同時(shí)冰晶均勻分布于 物質(zhì)中,升華過程不會(huì)因脫水而發(fā)生濃縮現(xiàn)象,避開了由水蒸氣產(chǎn)生 泡沫、氧化等副作用。枯燥物質(zhì)呈干海綿多孔狀，體積根本不變，極易溶于水而恢復(fù)原狀。在最大程度上防止枯燥物質(zhì)的理化和生物學(xué)方面的變性。它的工作原理是將被枯燥的物品先凍結(jié)到三相點(diǎn)溫度以下，然后在真空條件下使物品

3、中的固態(tài)水份冰直接升華成水蒸氣，從物品中排解，使物品枯燥。物料經(jīng)前處理后，先進(jìn)展速凍，再真空枯燥升華脫水，之后在后處理車間包裝。真空系統(tǒng)為升華枯燥倉建立低氣壓條件，加熱系統(tǒng)向物料供給升華潛熱，制冷系統(tǒng)向捕水器和枯燥倉供給所需的冷量。對凍干制品的質(zhì)量要求是：生物活性不變、外觀色澤均勻、形態(tài)飽滿、構(gòu)造結(jié)實(shí)、溶解速度快，剩余水分低。要獲得高質(zhì)量的制品，對凍干的理論和工藝應(yīng)有一個(gè)比較全面的了解。凍干工藝包括預(yù)凍、升華和再凍干三個(gè)分階段。合理而有效地縮短凍干的周期在工業(yè)生產(chǎn)上具有明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 制品的凍結(jié)溶液速凍時(shí)，晶粒保持在顯微鏡下可見的大?。幌喾绰齼鰰r(shí)，形成的結(jié)晶肉眼可見。粗晶在升華留下較大的空隙

4、，可以提高凍干的效率， 細(xì)晶在升華后留下的間隙較小，使下層升華受阻，速成凍的成品粒子細(xì)膩，外觀均勻，比外表積大，多孔構(gòu)造好，溶解速度快，便成品的引濕性相對也要強(qiáng)些。藥品在凍干機(jī)中預(yù)凍在兩種方式：一種是制品與枯燥箱同時(shí)降溫，； 另一種是待枯燥箱擱板降溫至-40左右，再將制品放入，前者相當(dāng)于慢凍，后者則介于速凍與慢凍之間，因而常被承受，以兼顧凍干效率與產(chǎn)品質(zhì)量。此法的缺點(diǎn)是制品入箱時(shí)，空氣中的水蒸氣將快速地分散在擱板上，而在升華初期，假設(shè)板升溫較快，由于大面積的升華將有可能超越分散器的正常負(fù)荷。此現(xiàn)象在夏季尤為顯著。制品的凍結(jié)處于靜止?fàn)顟B(tài)。閱歷證明，過冷現(xiàn)象簡潔發(fā)生至使制品溫度雖已到達(dá)共晶點(diǎn)。但溶

5、質(zhì)仍不結(jié)晶，為了抑制過冷現(xiàn)象，制品凍結(jié)的溫度應(yīng)低于共晶點(diǎn)以下一個(gè)范圍，并需保持一段時(shí)間，以待制品完全凍結(jié)。二升華的條件與速度冰在肯定溫度下的飽和蒸汽壓大于環(huán)境的水蒸氣分壓時(shí)即可開頭升華；比制品溫更低的分散器對水水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維持升華所必需的條件。氣體分子在兩次連續(xù)碰撞之間所走的距離稱為平均自由程，它與壓力成反比。在常壓下，其值很小，升華的水分子很簡潔與氣體碰撞又返回到蒸汽源外表，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轉(zhuǎn)變自己的方面，從而形成了定向的蒸汽流。真空泵在凍干機(jī)中起著抽除永久氣體的作用，以

6、維護(hù)升華所必需的低壓強(qiáng)。1g 水蒸氣在常壓下為 1.25L 而在 13.3Pa 時(shí)卻膨脹為 10000 升， 一般的真空泵在單位時(shí)間內(nèi)抽除如此大量的體積是不行能的。分散器實(shí)際上形成了特地捕集水蒸氣的真空泵。制品與分散的溫度通常為-25與-50。冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分別為 63.3Pa 與 1.1Pa,因而在升華面與冷凝面之間便產(chǎn)生了一個(gè)相當(dāng)大的壓力差,假設(shè)此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體分壓可以無視不計(jì),它將促使制品升華出來的水蒸氣,以肯定的流速定向地抵達(dá)分散器外表結(jié)成冰霜。冰的升華熱約為 2822J/克，假設(shè)升華過程不供給熱量，那末制品只有降低內(nèi)能來補(bǔ)償升華熱，直至其溫度與分散器溫度平衡后，升華也

7、就停頓了。為了保持升華與冷凝來的溫度差，必需對制品供給足夠的熱量。三升華過程在升溫的第一階段大量升華階段，制品溫度要低于其共晶點(diǎn)一個(gè)范圍。因此擱板溫要加以把握，假設(shè)制品已經(jīng)局部枯燥，但溫度卻超過了其共晶點(diǎn)，此時(shí)將發(fā)生制品溶化現(xiàn)象，而此時(shí)溶化的液體，對冰飽和，對溶質(zhì)卻未飽和，因而枯燥的溶質(zhì)將快速溶解進(jìn)去，最終濃縮成一薄僵塊，外觀極為不良，溶解速度很差，假設(shè)制品的溶化發(fā)生在大量升華后期，則由于溶化的液體數(shù)量較少，因而被枯燥的孔性固體所吸取，造成凍干后塊狀物有所缺損，加水溶解時(shí)仍能覺察溶解速度較 慢。在大量升華過程，雖然擱板和制品溫度有很大懸殊，但由于板溫、分散器溫度和真空溫度根本不變，因而升華吸熱

8、比較穩(wěn)定，制品溫度相對恒 定。隨著制品自上而下層層枯燥，冰層升華的阻力漸漸增大。制品溫度相應(yīng)也會(huì)小幅上升。直至用肉眼已看不到冰晶的存在。此時(shí)90%以上的水分已除去。大量升華的過程至此已根本完畢，為了確保整箱制品大量升華完畢，板溫仍需保持一個(gè)階段后再進(jìn)展其次階段的升溫。剩余百分之幾的水分稱剩余水分，它與自由狀態(tài)的水在物理化學(xué)性質(zhì)上有所不同，剩余水分包括了化學(xué)結(jié)合之水與物理結(jié)合之水，諸如化合的結(jié)晶水結(jié)晶、蛋白質(zhì)通過氫鍵結(jié)合的水以及固體外表或毛細(xì)管中吸附水等。由于剩余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，因而枯燥速度明顯下降。雖然提高制品溫度促進(jìn)剩余水分的氣化，但假設(shè)超過某極限溫度

9、，生物活性也可能急劇下降。保證制品安全的最高枯燥溫度要由試驗(yàn)來確定。通常我們在其次階段將板溫+30左右，并保持恒定。在這一階段初期，由于板溫上升，剩余水分少又不易氣化，因此制品溫度上升較快。但隨著制品溫度與板溫漸漸靠攏，熱傳導(dǎo)變得更為緩慢，需要急躁等待相當(dāng)長的一段時(shí)間， 實(shí)踐閱歷說明，剩余水分枯燥的時(shí)間與大量升華的時(shí)間幾乎相等有時(shí)甚至還會(huì)超過。真空冷凍枯燥的程序真空冷凍枯燥的程序是這樣的：在凍干之前，把需要凍干的產(chǎn)品分裝在適宜的容器內(nèi)，裝量要均勻，蒸發(fā)外表盡量大而厚度盡量薄些；然后放入與凍干箱尺寸相適應(yīng)的金屬盤內(nèi)。將產(chǎn)品放入凍干箱內(nèi)進(jìn)展預(yù)凍，抽真空之前要依據(jù)捕水器制冷壓縮機(jī)的降溫速度提前使捕水

10、器工作，抽真空時(shí)捕水器應(yīng)到達(dá)-40左右的溫度，待真空度到達(dá)肯定數(shù)值后通常應(yīng)到達(dá)100Pa 以上的真空度，即可對箱內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)展加熱。一般加熱分兩步進(jìn)展，第一步加溫不使產(chǎn)品的溫度超過共熔點(diǎn)的溫度；待產(chǎn)品內(nèi)水份根本干完后進(jìn)展其次步加溫，這時(shí)可快速地使產(chǎn)品上升到規(guī)定的最高溫度。在最高溫度保持?jǐn)?shù)小時(shí)后，即可完畢凍干。整個(gè)升華枯燥的時(shí)間約 12-24 小時(shí)左右，與產(chǎn)品的外形、規(guī)格，產(chǎn)品的種類，凍干曲線及機(jī)器的性能等等有關(guān)。凍干完畢后，要在出料間進(jìn)展空氣除濕，然后放枯燥無菌的空氣進(jìn)入枯燥箱，以防重吸取空氣中的水份。在凍干過程中，把產(chǎn)品和板層的溫度、捕水器溫度和真空度比照時(shí)間劃成曲線，叫做凍干曲線。一般以溫度和真空度為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)。凍干不同的產(chǎn)品承受不同的凍干曲線。同一產(chǎn)品使用不同的凍干曲線時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量也不一樣，凍干曲線還與凍干機(jī)的性能有關(guān)。因此不同的產(chǎn)品，不同的凍干機(jī)應(yīng)用不同的凍干曲線。真空冷凍枯燥的優(yōu)點(diǎn)一、冷凍枯燥在低溫下進(jìn)展，因此對于很多熱敏性的物質(zhì)特別適用。如蛋白質(zhì)、微生物之類不會(huì)發(fā)生變性或失去生物活力。因此在醫(yī)藥上得到廣泛地應(yīng)用。二、在低溫下枯燥時(shí)，物質(zhì)中的一些揮發(fā)性成分損失很小， 適合一些化學(xué)產(chǎn)品，藥品和食品枯燥。三、在冷凍枯燥過程中，微生物的生長和酶的作用無法進(jìn)展， 因此能保持原來的性狀。四、由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)展枯燥，因此