冷凍干燥機的工作原理    冷凍干燥是利用升華的原理進行干燥的一種技術，是將被干燥的物質在低溫下快速凍結,然后在適當?shù)恼婵窄h(huán)境下,使凍結的水分子直接升華成為水蒸氣逸出的過程.     冷凍干燥得到的產(chǎn)物稱作凍干物（lyophilizer）,，該過程稱作凍干（lyophilization）,。    物質在干燥前始終處于低溫（凍結狀態(tài)）,同時冰晶均勻分布于物質中,升華過程不會因脫水而發(fā)生濃縮現(xiàn)象,避免了由水蒸氣產(chǎn)生泡沫、氧化等副作用。干燥物質呈干海綿多孔狀，體積基本不變，極易溶于水而恢復原狀,。在zui大程度上防止干燥物質的理化和生物學方面的變性。     冷凍干燥機系由制冷系統(tǒng),、真空系統(tǒng),、加熱系統(tǒng),、電器儀表控制系統(tǒng)所組成。主要部件為干燥箱,、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干燥的物品先凍結到三相點溫度以下，然后在真空條件下使物品中的固態(tài)水份（冰）直接升華成水蒸氣,，從物品中排除,，使物品干燥。物料經(jīng)前處理后,，被送入速凍倉凍結,，再送入干燥倉升華脫水，之后在后處理車間包裝,。真空系統(tǒng)為升華干燥倉建立低氣壓條件,，加熱系統(tǒng)向物料提供升華潛熱，制冷系統(tǒng)向冷阱和干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,，并可實現(xiàn)快速化霜,；采用真空機組，并可實現(xiàn)油水分離,；采用并聯(lián)集中制冷系統(tǒng),，多路按需供冷，工況穩(wěn)定,，有利節(jié)能,；采用人工智能控制，控制精度高,，操作方便,。    對凍干制品的質量要求是：生物活性不變、外觀色澤均勻,、形態(tài)飽滿、結構牢固,、溶解速度快,，殘余水分低。要獲得高質量的制品,，對凍干的理論和工藝應有一個比較全面的了解,。凍干工藝包括預凍,、升華和再凍干三個分階段。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)濟價值,。     一 制品的凍結     溶液速凍時（每分鐘降溫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,，可以提高凍干的效率,，細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膩,，外觀均勻，比表面積大,，多孔結構好,，溶解速度快，便成品的引濕性相對也要強些,。     藥品在凍干機中預凍在兩種方式：一種是制品與干燥箱同時降溫,，；另一種是待干燥箱擱板降溫至-40℃左右,，再將制品放入,，前者相當于慢凍，后者則介于速凍與慢凍之間,，因而常被采用,，以兼顧凍干效率與產(chǎn)品質量。此法的缺點是制品入箱時,，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,，由于大面積的升華將有可能超越凝結器的正常負荷,。此現(xiàn)象在夏季尤為顯著。     制品的凍結處于靜止狀態(tài),。經(jīng)驗證明,，過冷現(xiàn)象容易發(fā)生至使制品溫度雖已達到共晶點。但溶質仍不結晶,，為了克服過冷現(xiàn)象,，制品凍結的溫度應低于共晶點以下一個范圍，并需保持一段時間,，以待制品*凍結,。     二升華的條件與速度     冰在一定溫度下的飽和蒸汽壓大于環(huán)境的水蒸氣分壓時即可開始升華,；比制品溫更低的凝結器對水水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維護升所必需的條件,。     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,，升華的水分子很容易與氣體碰撞又返回到蒸汽源表面，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面,，從而形成了定向的蒸汽流。     真空泵在凍干機中起著抽除*氣體的作用,，以維護升華所必需的低壓強,。1g水蒸氣在常壓下為1.25L而在13.3Pa時卻膨脹為10000升，普通的真空泵在單位時間內抽除如此大量的體積是不可能的,。凝結器實際上形成了專門捕集水蒸氣的真空泵,。     制品與凝結的溫度通常為-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)生了一個相當大的壓力差,如果此時系統(tǒng)內的不凝性氣體分壓可以忽略不計,它將促使制品升華出來的水蒸氣,以一定的流速定向地抵達凝結器表面結成冰霜,。     冰的升華熱約為2822J/克,，如果升華過程不供給熱量，那末制品只有降低內能來補償升華熱,，直至其溫度與凝結器溫度平衡后,，升華也就停止了。為了保持升華與冷凝來的溫度差,，必須對制品提供足夠的熱量,。     三升華過程     在升溫的*階段（大量升華階段），制品溫度要低于其共晶點一個范圍,。因此擱板溫要加以控制,，若制品已經(jīng)部分干燥，但溫度卻超過了其共晶點,，此時將發(fā)生制品融化現(xiàn)象,，而此時融化的液體，對冰飽和,，對溶質卻未飽和,，因而干燥的溶質將迅速溶解進去，zui后濃縮成一薄僵塊,，外觀極為不良,，溶解速度很差，若制品的融化發(fā)生在大量升華后期,，則由于融化的液體數(shù)量較少,，因而被干燥的孔性固體所吸收，造成凍干后塊狀物有所缺損,，加水溶解時仍能發(fā)現(xiàn)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,、凝結器溫度和真空溫度基本不變，因而升華吸熱比較穩(wěn)定,，制品溫度相對恒定,。隨著制品自上而下層層干燥，冰層升華的阻力逐漸增大,。制品溫度相應也會小幅上升,。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,，為了確保整箱制品大量升華完畢，板溫仍需保持一個階段后再進行第二階段的升溫,。剩余百分之幾的水分稱殘余水分,，它與自由狀態(tài)的水在物理化學性質上有所不同，殘余水分包括了化學結合之水與物理結合之水,，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表面或毛細管中吸附水等。由于殘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,，因而干燥速度明顯下降。雖然提高制品溫度促進殘余水分的氣化,，但若超過某極限溫度,，生物活性也可能急劇下降。保證制品安全的zui高干燥溫度要由實驗來確定,。通常我們在第二階段將板溫+30℃左右,，并保持恒定。在這一階段初期,，由于板溫升高,，殘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逐漸靠攏,，熱傳導變得更為緩慢,，需要耐心等待相當長的一段時間，實踐經(jīng)驗表明,，殘余水分干燥的時間與大量升華的時間幾乎相等有時甚至還會超過,。     四凍干曲線    將擱板溫度與制品溫度隨時間的變化記錄下來，即可得到凍干曲線,。比較典型的凍干曲線系將擱板升溫分為兩個階段,，在大量升華時擱板溫度保持較低，根據(jù)實際情況,，一般可控制在-10至+10之間,。第二階段則根據(jù)制品性質將擱板溫度適當調高，此法適用于其熔點較低的制品,。若對制品的性能尚不清楚,，機器性能較差或其工作不夠穩(wěn)定時，用此法也比較穩(wěn)妥,。     如果制品共晶點較高,，系統(tǒng)的真空度也能保持良好，凝結器的制冷能力充裕,，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，直至凍干結束,，但也需保證制品在大量升華時的溫度不得超過共晶點,。     若制品對熱不穩(wěn)定，則第二階段板溫不宜過高,。為了提高*階段的升華速度,，可將擱板溫度一次升高至制品允許的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,，這后兩種方式雖然使大量的升華速度有一些提高，但其抗干擾的能力相應降低,，真空度和制冷能力的突然降低或停電都可能會使制品融化,。合理而靈活地掌握*種方式，仍是目前較常用的方式,。