1、冷凍干燥機(jī)原理全解析
 

　　基本原理概述
 

　　冷凍干燥機(jī)，也叫凍干機(jī)，其核心原理基于水的三相變化。水在不同溫度和壓力條件下會(huì)呈現(xiàn)固態(tài)(冰)、液態(tài)(水)和氣態(tài)(水蒸氣)三種狀態(tài)，這三種狀態(tài)之間存在特定的平衡關(guān)系，而冷凍干燥就是巧妙利用這種關(guān)系實(shí)現(xiàn)物料脫水的過(guò)程。
 

　　2、詳細(xì)工作過(guò)程原理
 

　　??預(yù)凍階段原理??
 

　　物料中通常含有大量的水分，這些水分以游離態(tài)和結(jié)合態(tài)存在于物料組織中。預(yù)凍的目的是將物料中的水分全部?jī)鼋Y(jié)成冰。當(dāng)物料被冷卻到其共晶點(diǎn)溫度以下時(shí)，物料中的水分會(huì)迅速?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)冰。共晶點(diǎn)是物料中所有水分都凍結(jié)成冰時(shí)的溫度，不同物料的共晶點(diǎn)不同。例如，某些水果的共晶點(diǎn)可能在 -20℃左右，而一些生物制品的共晶點(diǎn)可能更低。快速預(yù)凍可以使水分形成較小的冰晶，對(duì)物料細(xì)胞的損傷相對(duì)較小，能更好地保持物料的結(jié)構(gòu)和活性；慢速預(yù)凍則會(huì)形成較大的冰晶，但可能會(huì)對(duì)物料的組織結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞。
 

　　??升華干燥階段原理??
 

　　該階段是在低溫和低壓的條件下進(jìn)行的。當(dāng)物料預(yù)凍完成后，通過(guò)真空系統(tǒng)將凍干箱內(nèi)的壓力降低到水的三相點(diǎn)壓力(約 610.5Pa)以下，同時(shí)維持較低的溫度。在這種環(huán)境下，物料中的冰會(huì)直接從固態(tài)升華為氣態(tài)的水蒸氣，而跳過(guò)了液態(tài)階段，這就是升華現(xiàn)象。為了使冰能夠持續(xù)升華，需要通過(guò)加熱系統(tǒng)為物料提供一定的熱量，以補(bǔ)充升華過(guò)程中所需的能量。但加熱溫度必須嚴(yán)格控制，不能超過(guò)物料所能承受的溫度，否則會(huì)導(dǎo)致物料中的生物活性物質(zhì)失活、營(yíng)養(yǎng)成分被破壞等問(wèn)題。升華出的水蒸氣會(huì)在冷阱中被捕獲，冷阱的溫度通常很低(如 -40℃、 -60℃甚至更低)，水蒸氣遇到低溫的冷阱表面會(huì)重新凝結(jié)成冰霜，從而實(shí)現(xiàn)水蒸氣與物料的分離。
 

　　??解析干燥階段原理??
 

　　經(jīng)過(guò)升華干燥后，物料中大部分的水分已經(jīng)被去除，但仍殘留有一部分結(jié)合水。結(jié)合水是與物料中的分子通過(guò)氫鍵、化學(xué)鍵等緊密結(jié)合的水分，其蒸發(fā)需要更高的能量和更低的壓力。在解析干燥階段，進(jìn)一步提高凍干箱內(nèi)的溫度(但仍在物料可承受范圍內(nèi))，同時(shí)繼續(xù)降低壓力，使結(jié)合水從物料中解析出來(lái)并升華。這個(gè)過(guò)程需要更長(zhǎng)的時(shí)間和更嚴(yán)格的控制條件，以確保物料中的結(jié)合水被充分去除，從而得到含水量極低的干燥制品。
  

　　3、冷凍干燥機(jī)術(shù)語(yǔ)全解析
 

　　與干燥過(guò)程相關(guān)的術(shù)語(yǔ)
 

　　??共晶點(diǎn)??
 

　　定義：指物料中所有水分都凍結(jié)成冰時(shí)的溫度。當(dāng)物料溫度降低到共晶點(diǎn)以下時(shí)，物料中的水分全部以冰的形式存在，這為后續(xù)的升華干燥奠定了基礎(chǔ)。
 

　　意義：了解物料的共晶點(diǎn)對(duì)于確定預(yù)凍溫度至關(guān)重要。預(yù)凍溫度通常需要低于共晶點(diǎn)一定范圍，以確保物料中的水分凍結(jié)。例如，如果某物料的共晶點(diǎn)是 -20℃，那么預(yù)凍溫度可能會(huì)設(shè)置在 -30℃至 -40℃之間。
 

　　??崩解溫度??
 

　　定義：在解析干燥階段，當(dāng)物料溫度升高到一定程度時(shí)，物料的結(jié)構(gòu)會(huì)開(kāi)始崩塌、變軟，這個(gè)溫度就是崩解溫度。崩解溫度與物料的性質(zhì)有關(guān)，不同的物料有不同的崩解溫度。
 

　　意義：在解析干燥過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制物料的溫度，使其低于崩解溫度，以保證物料的結(jié)構(gòu)和性能不受破壞。例如，對(duì)于一些熱敏性的生物制品，其崩解溫度可能較低，因此在解析干燥時(shí)需要特別小心地控制溫度。
 

　　??升華速率??
 

　　定義：指單位時(shí)間內(nèi)物料中冰升華的量。升華速率受到多種因素的影響，如溫度、壓力、物料的表面積、加熱方式等。
 

　　意義：升華速率是衡量冷凍干燥過(guò)程效率的重要指標(biāo)之一。較高的升華速率可以縮短干燥時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，但過(guò)高的升華速率可能會(huì)導(dǎo)致物料表面結(jié)殼、內(nèi)部水分難以升華等問(wèn)題。因此，需要根據(jù)物料的性質(zhì)和干燥要求，合理控制升華速率。
 

　　與設(shè)備性能相關(guān)的術(shù)語(yǔ)
 

　　??極限真空度??
 

　　定義：指冷凍干燥機(jī)在理想狀態(tài)下(無(wú)氣體泄漏密封)，凍干箱內(nèi)能夠達(dá)到的真空度。它反映了真空系統(tǒng)的工作能力。
 

　　意義：極限真空度越低，說(shuō)明真空系統(tǒng)能夠?qū)龈上鋬?nèi)的壓力降得越低，越有利于冰的升華。一般來(lái)說(shuō)，極限真空度越低，干燥過(guò)程越容易進(jìn)行，干燥時(shí)間也可能越短。例如，一些高性能的冷凍干燥機(jī)的極限真空度可以達(dá)到 1Pa 以下。
 

　　??捕水能力??
 

　　定義：指冷阱在一定時(shí)間內(nèi)能夠捕獲的水蒸氣的最大量，通常以千克(kg)為單位。它體現(xiàn)了冷阱去除水蒸氣的能力。
 

　　意義：捕水能力決定了設(shè)備一次能夠處理的物料量。如果物料中的含水量較高，就需要選擇捕水能力較強(qiáng)的設(shè)備。例如，對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)的冷凍干燥機(jī)，其捕水能力可能達(dá)到幾十千克甚至更高。
 

　　??凍干面積??
 

　　定義：指凍干箱內(nèi)用于放置物料進(jìn)行干燥的有效面積，通常以平方米(m²)為單位。它決定了設(shè)備一次能夠干燥的物料的表面積大小。
 

　　意義：凍干面積越大，設(shè)備一次能夠處理的物料量就越多。在選擇冷凍干燥機(jī)時(shí)，需要根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和物料的處理量來(lái)選擇合適凍干面積的設(shè)備。
 

　　與物料相關(guān)的術(shù)語(yǔ)
 

　　??含水量??
 

　　定義：指物料中所含水分的質(zhì)量與物料總質(zhì)量的百分比。在冷凍干燥前后，物料的含水量會(huì)發(fā)生顯著變化。
 

　　意義：含水量是衡量物料干燥程度的重要指標(biāo)。不同的物料對(duì)干燥后的含水量有不同的要求，例如，藥品和生物制品通常要求干燥后的含水量極低，以保證其穩(wěn)定性和有效性；而一些食品可能對(duì)含水量的要求相對(duì)寬松一些。
 

　　??自由水??
 

　　定義：指物料中未與物料分子結(jié)合，能夠自由流動(dòng)的水分。自由水在預(yù)凍階段會(huì)首先凍結(jié)成冰，在升華干燥階段會(huì)優(yōu)先升華。
 

　　意義：自由水的存在會(huì)影響物料的流動(dòng)性、保質(zhì)期等性質(zhì)。通過(guò)冷凍干燥去除自由水，可以延長(zhǎng)物料的保質(zhì)期，提高物料的穩(wěn)定性。
 

　　??結(jié)合水??
 

　　定義：指與物料中的分子通過(guò)氫鍵、化學(xué)鍵等緊密結(jié)合的水分。結(jié)合水在升華干燥階段較難去除，需要在解析干燥階段通過(guò)提高溫度和降低壓力來(lái)使其解析升華。
 

　　意義：結(jié)合水的去除程度直接影響物料的最終含水量和干燥質(zhì)量。如果結(jié)合水去除不充分，物料可能會(huì)在儲(chǔ)存過(guò)程中出現(xiàn)返潮、變質(zhì)等問(wèn)題。