凍干機(jī)原理

        干燥是防止物質(zhì)變質(zhì)的方法之一。干燥方法有很多，如曬干、煮沸干燥、干燥、噴霧干燥和真空干燥。然而，這些干燥方法都是在高于0°C或更高的溫度下進(jìn)行的。干燥得到的產(chǎn)品一般體積縮小，質(zhì)地變硬。一些物質(zhì)被氧化，大部分揮發(fā)性成分會丟失，一些對熱敏感的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)和維生素會變性。微生物會失去生物活性，干燥后的物質(zhì)不易溶于水。因此，干燥后的產(chǎn)品與干燥前相比，性能有很大差異。
        冷凍干燥法不同于上述干燥法。產(chǎn)品的干燥基本上是在0℃以下的溫度下進(jìn)行的，即產(chǎn)品處于冷凍狀態(tài)。直到后期，為了進(jìn)一步降低產(chǎn)品的殘留水分，將產(chǎn)品升溫至0℃以上，但一般不超過40℃。
        冷凍干燥是將含有大量水分的物質(zhì)預(yù)先冷凍成固體，然后在真空條件下將水蒸氣直接升華，而物質(zhì)本身在冷凍時(shí)仍留在冰架中，因此其體積經(jīng)過烘干量不大。松散的多孔孔隙在升華過程中吸收熱量。產(chǎn)品本身溫度降低，升華速度減慢。為了提高升華速度和縮短干燥時(shí)間，產(chǎn)品必須適當(dāng)加熱。整個(gè)干燥在較低溫度下進(jìn)行。
        冷凍干燥具有以下優(yōu)點(diǎn)：
         1. 冷凍干燥在低溫下進(jìn)行，因此特別適用于許多熱敏性物質(zhì)。如蛋白質(zhì)、微生物等不會變性或失去生物活性。因此，它在醫(yī)學(xué)上被廣泛使用。
        第二.低溫干燥時(shí)，物質(zhì)中一些揮發(fā)性成分的損失很小，適用于一些化工產(chǎn)品、藥品和食品的干燥。

        三.在冷凍干燥過程中，微生物的生長和酶的作用無法進(jìn)行，因此可以保持原有的外觀。

        四.由于在冷凍狀態(tài)下干燥，體積幾乎不變，保持原有結(jié)構(gòu)，不會出現(xiàn)濃縮現(xiàn)象。
        五.干燥后的物料疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而*，幾乎立即恢復(fù)原狀。
        六.由于干燥它是在真空下進(jìn)行的，氧氣很少，因此可以保護(hù)一些可氧化的物質(zhì)。
        七.干燥可去除95-99%以上的水分，使干燥后的產(chǎn)品可以保存而不會變質(zhì)。
        因此，冷凍干燥目前廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)、食品行業(yè)、科研等部門。
        第二節(jié) 凍干機(jī)的組成和凍干程序
        產(chǎn)品的凍干需要在一定的設(shè)備中進(jìn)行，稱為真空凍干機(jī)，簡稱凍干機(jī)。
        冷凍干燥機(jī)分為四個(gè)主要部分：制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。按結(jié)構(gòu)分，由冷凍干燥箱或干燥箱、冷凝器或水蒸氣冷凝器、冷凍機(jī)、真空泵及閥門、電氣控制元件等組成。圖13是冷凍干燥機(jī)的組成示意圖。
        凍干箱為高低溫箱，可冷卻至-40℃左右，加熱至+50℃左右。它也是一個(gè)可以疏散的密閉容器。它是冷凍干燥機(jī)的主要部件。將需要凍干的產(chǎn)品放在箱內(nèi)的分層金屬板上，在真空下對產(chǎn)品進(jìn)行冷凍和加熱，使產(chǎn)品中的水分升華干燥。
        冷凝器也是一個(gè)真空密閉容器，內(nèi)部有大表面積的金屬吸附面。吸附面的溫度可以降到-40℃以下，并且可以一直保持在這個(gè)低溫。冷凝器的作用是將冷凍干燥箱內(nèi)產(chǎn)品升華產(chǎn)生的水蒸氣凍結(jié)并吸附在其金屬表面上。
        冷凍干燥箱、冷凝器、真空管道和閥門與真空泵一起構(gòu)成冷凍干燥機(jī)的真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)不需要漏氣。真空泵是真空系統(tǒng)建立真空的重要組成部分。真空系統(tǒng)對于產(chǎn)品的快速升華干燥至關(guān)重要。
        制冷系統(tǒng)由冷凍機(jī)、冷凍干燥箱和冷凝器內(nèi)的管道組成。冷凍機(jī)可以是兩套獨(dú)立的，也可以一套一起使用。冷凍機(jī)的作用是對冷凍干燥箱和冷凝器進(jìn)行冷藏，以產(chǎn)生和維持它們工作所需的低溫。它有兩種方法：直接制冷和間接制冷。
        加熱系統(tǒng)對不同的凍干機(jī)有不同的加熱方式。有的采用直接電加熱方式；一些使用中間介質(zhì)進(jìn)行加熱，中間介質(zhì)通過泵連續(xù)循環(huán)。加熱系統(tǒng)的作用是對凍干箱內(nèi)的產(chǎn)品進(jìn)行加熱，使產(chǎn)品中的水分不斷升華，達(dá)到規(guī)定的殘留水分要求。
        控制系統(tǒng)由各種控制開關(guān)、指示調(diào)節(jié)儀表和一些自動(dòng)裝置等組成，可以比較簡單，也可以比較復(fù)雜。一般來說，自動(dòng)化程度越高的冷凍干燥機(jī)，其控制系統(tǒng)就越復(fù)雜。控制系統(tǒng)的功能是手動(dòng)或自動(dòng)控制凍干機(jī)，控制機(jī)器的正常運(yùn)行，將符合要求的產(chǎn)品凍干。
        凍干程序如下： 凍干前，將待凍干產(chǎn)品裝入合適的容器中，通常是玻璃瓶或安瓿瓶。一些;然后放入適合冷凍干燥箱大小的金屬盤中。包裝前應(yīng)先將凍干盒在空盒中冷卻，然后將產(chǎn)品放入凍干盒中進(jìn)行預(yù)凍。抽真kong前，應(yīng)根據(jù)冷凝器冷凍機(jī)的冷卻速度提前運(yùn)行冷凝器。應(yīng)達(dá)到-40℃左右的溫度，當(dāng)真空度達(dá)到一定值時(shí)（一般應(yīng)達(dá)到100uHg以上的真空度），即可對箱內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)行加熱。通常，加熱分兩步進(jìn)行。第一步加熱不使產(chǎn)品溫度超過共晶溫度；待制品中的水分基本干燥后進(jìn)行第二步加熱，然后制品可迅速升溫至規(guī)定溫度。最高溫度。在最高溫度下幾個(gè)小時(shí)后可以終止冷凍干燥。
        整個(gè)升華干燥時(shí)間約為12-24小時(shí)，這與每瓶產(chǎn)品的灌裝量、總灌裝量、玻璃容器的形狀和規(guī)格、產(chǎn)品的類型、冷凍干燥有關(guān)曲線和機(jī)器的性能等。
        冷凍干燥后，將干燥、無菌的空氣放入干燥箱內(nèi)，然后盡快塞緊密封，以防止空氣中的水分重新吸收。
        在凍干過程中，將產(chǎn)品與板的溫度、冷凝器的溫度和真空度繪制成一條曲線，稱為凍干曲線。一般以溫度為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)。不同的凍干產(chǎn)品使用不同的凍干曲線。當(dāng)同一產(chǎn)品采用不同的凍干曲線時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量也不同。冷凍干燥機(jī)的性能。因此，不同的產(chǎn)品和不同的凍干機(jī)應(yīng)用不同的凍干曲線。圖14為凍干曲線示意圖（溫度曲線和真空度曲線，無冷凝器）。
        第三節(jié)共熔點(diǎn)及其測定方法
        需要凍干的產(chǎn)品一般都是預(yù)先配制成水溶液或懸浮液，所以它們的冰點(diǎn)與水不同，水在0°C結(jié)冰，而海水在0°C以下才結(jié)冰，因?yàn)楹Ｋ彩窃S多物質(zhì)的水溶液。實(shí)驗(yàn)表明溶液的冰點(diǎn)會低于溶劑的冰點(diǎn)。
        此外，溶液的冷凍過程與純液體的冷凍過程不同。純液體如水在0℃時(shí)結(jié)冰，直到水全部結(jié)冰后水的溫度才下降，這意味著純液體有一個(gè)固定的冰點(diǎn)。解決方案不同。它在固定溫度下不會*凝結(jié)成固體，但在一定溫度下，晶體開始析出。隨著溫度的降低，晶體的數(shù)量增加，直到溶液*凝結(jié)。這樣，溶液不會在固定溫度下冷凝。相反，它在一定的溫度范圍內(nèi)凝結(jié)，冷卻時(shí)開始形成晶體的溫度稱為溶液的冰點(diǎn)。所有溶液凝結(jié)的溫度稱為溶液的冰點(diǎn)。因?yàn)楸c(diǎn)是熔化的起點(diǎn)（熔點(diǎn)），而對于溶液來說，它是溶質(zhì)和溶劑一起熔化的點(diǎn)。所以它也被稱為共晶點(diǎn)。可見溶液的冰點(diǎn)與共晶點(diǎn)是不一樣的。共晶點(diǎn)是溶液實(shí)際凝結(jié)成固體的溫度。
        顯然，共晶點(diǎn)的概念對于冷凍干燥很重要，因?yàn)槔鋬龈稍锏漠a(chǎn)品可能含有鹽、糖、明膠、蛋白質(zhì)、血細(xì)胞、組織、病毒、細(xì)菌等物質(zhì)。因此，它是一種復(fù)雜的液體，它的凍結(jié)過程也一定是一個(gè)復(fù)雜的過程。與溶液類似，它也有一個(gè)溫度，在該溫度下它全部凝結(jié)成固體。共晶點(diǎn)。由于冷凍干燥是在真空下進(jìn)行的。只有產(chǎn)品*冷凍后，才能在真空下升華。否則，當(dāng)一些液體存在時(shí)，不僅會在真空下迅速蒸發(fā)，導(dǎo)致液體濃度降低，凍干產(chǎn)品的體積；溶解在水中的氣體在真空下會迅速蒸發(fā)。出來，導(dǎo)致液體沸騰凍干產(chǎn)品在冒泡，甚至從瓶中取出。這不是我們想要的。因此，凍干品必須在開始升華時(shí)冷卻至共晶點(diǎn)以下的溫度，才能真正使凍干品冷凍。
        在冷凍過程中，從外部觀察無法確定產(chǎn)品是否*冷凍成固體；不可能通過測量溫度來確定產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)。并且隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化電性能的變化是非常有用的，特別是當(dāng)凍結(jié)是電阻率的測量時(shí)，它可以讓我們知道凍結(jié)是在進(jìn)行中還是已經(jīng)完成。全部凍結(jié)后，電阻率會很大，所以溶液是離子導(dǎo)電的。凍結(jié)意味著離子被固定化，不能移動(dòng)，因此電阻率顯著增加。在少量液體存在的情況下，電阻率會顯著下降。因此測量產(chǎn)品的電阻率將確定產(chǎn)品的共晶點(diǎn)。
        正常的共晶點(diǎn)測量方法是將一對鉑電極浸入液體產(chǎn)品中，將溫度計(jì)插入產(chǎn)品中，將其冷卻至-40℃以下的低溫，然后緩慢加熱冷凍產(chǎn)品。電阻是用惠斯通電橋測量的。當(dāng)電阻突然降低時(shí)，此時(shí)的溫度就是產(chǎn)品的共晶點(diǎn)。電橋采用交流電供電，因?yàn)橹绷麟姇娊?，整個(gè)過程被電表記錄下來。 （圖 16）
        也可以用簡單的方法測量，如圖15所示。將兩根適當(dāng)粗細(xì)且相互絕緣的銅線插入裝有產(chǎn)品的容器中作為電極。在銅電極附近插入溫度計(jì)，插入深度與電極相近，將它們放在一起放在凍干箱觀察窗孔附近，并以適當(dāng)?shù)姆绞焦潭?，然后與其他產(chǎn)品一起預(yù)凍.這時(shí)，我們用萬用表在冷卻過程中連續(xù)測量電阻值，根據(jù)電阻值的變化來確定共晶點(diǎn)。
        將電極引線通過開關(guān)連接到萬用表，不分正負(fù)極。如果凍干箱內(nèi)沒有電線引出接頭，可以用兩根細(xì)電線從箱門縫中引出，并在電線附近涂抹一些真空密封蠟，以免影響真空程度。
        當(dāng)溫度計(jì)降至 0°C 時(shí)，開始測量并記錄。將萬用表的開關(guān)置于被測電阻的z高檔位（×1K或×10K）。由于萬用表使用的是直流電，為防止電解，每次測量后應(yīng)立即關(guān)閉開關(guān)，并一一記錄每次測量的溫度和電阻值。電阻值一開始很小，然后逐漸增大。在一定溫度下，電阻突然增大，幾乎無窮大，此時(shí)的溫度值就是共晶值。
        這種方法測得的共晶點(diǎn)有一定的誤差，因?yàn)殂~電極處有一定的電解作用。萬用表對電橋的高阻值不敏感；另外，冷凍過程和融化過程中的電阻變化并不*相同，但實(shí)測值仍有實(shí)用參考價(jià)值。
        共晶點(diǎn)值從0℃到40℃不等，這與產(chǎn)品的種類、保護(hù)劑的種類和濃度有關(guān)。