1、冷凍干燥機原理全解析
 

　　基本原理概述
 

　　冷凍干燥機，也叫凍干機，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呈現固態(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系，而冷凍干燥就是巧妙利用這種關系實現物料脫水的過程。
 

　　2、詳細工作過程原理
 

　　??預凍階段原理??
 

　　物料中通常含有大量的水分，這些水分以游離態(tài)和結合態(tài)存在于物料組織中。預凍的目的是將物料中的水分全部凍結成冰。當物料被冷卻到其共晶點溫度以下時，物料中的水分會迅速從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)冰。共晶點是物料中所有水分都凍結成冰時的溫度，不同物料的共晶點不同。例如，某些水果的共晶點可能在 -20℃左右，而一些生物制品的共晶點可能更低?？焖兕A凍可以使水分形成較小的冰晶，對物料細胞的損傷相對較小，能更好地保持物料的結構和活性；慢速預凍則會形成較大的冰晶，但可能會對物料的組織結構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行的。當物料預凍完成后，通過真空系統(tǒng)將凍干箱內的壓力降低到水的三相點壓力(約 610.5Pa)以下，同時維持較低的溫度。在這種環(huán)境下，物料中的冰會直接從固態(tài)升華為氣態(tài)的水蒸氣，而跳過了液態(tài)階段，這就是升華現象。為了使冰能夠持續(xù)升華，需要通過加熱系統(tǒng)為物料提供一定的熱量，以補充升華過程中所需的能量。但加熱溫度必須嚴格控制，不能超過物料所能承受的溫度，否則會導致物料中的生物活性物質失活、營養(yǎng)成分被破壞等問題。升華出的水蒸氣會在冷阱中被捕獲，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重新凝結成冰霜，從而實現水蒸氣與物料的分離。
 

　　??解析干燥階段原理??
 

　　經過升華干燥后，物料中大部分的水分已經被去除，但仍殘留有一部分結合水。結合水是與物料中的分子通過氫鍵、化學鍵等緊密結合的水分，其蒸發(fā)需要更高的能量和更低的壓力。在解析干燥階段，進一步提高凍干箱內的溫度(但仍在物料可承受范圍內)，同時繼續(xù)降低壓力，使結合水從物料中解析出來并升華。這個過程需要更長的時間和更嚴格的控制條件，以確保物料中的結合水被充分去除，從而得到含水量極低的干燥制品。
  

　　3、冷凍干燥機術語全解析
 

　　與干燥過程相關的術語
 

　　??共晶點??
 

　　定義：指物料中所有水分都凍結成冰時的溫度。當物料溫度降低到共晶點以下時，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。
 

　　意義：了解物料的共晶點對于確定預凍溫度至關重要。預凍溫度通常需要低于共晶點一定范圍，以確保物料中的水分凍結。例如，如果某物料的共晶點是 -20℃，那么預凍溫度可能會設置在 -30℃至 -40℃之間。
 

　　??崩解溫度??
 

　　定義：在解析干燥階段，當物料溫度升高到一定程度時，物料的結構會開始崩塌、變軟，這個溫度就是崩解溫度。崩解溫度與物料的性質有關，不同的物料有不同的崩解溫度。
 

　　意義：在解析干燥過程中，需要嚴格控制物料的溫度，使其低于崩解溫度，以保證物料的結構和性能不受破壞。例如，對于一些熱敏性的生物制品，其崩解溫度可能較低，因此在解析干燥時需要特別小心地控制溫度。
 

　　??升華速率??
 

　　定義：指單位時間內物料中冰升華的量。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程效率的重要指標之一。較高的升華速率可以縮短干燥時間，提高生產效率，但過高的升華速率可能會導致物料表面結殼、內部水分難以升華等問題。因此，需要根據物料的性質和干燥要求，合理控制升華速率。
 

　　與設備性能相關的術語
 

　　??極限真空度??
 

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

　　意義：極限真空度越低，說明真空系統(tǒng)能夠將凍干箱內的壓力降得越低，越有利于冰的升華。一般來說，極限真空度越低，干燥過程越容易進行，干燥時間也可能越短。例如，一些高性能的冷凍干燥機的極限真空度可以達到 1Pa 以下。
 

　　??捕水能力??
 

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

　　意義：捕水能力決定了設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的設備。例如，對于大規(guī)模生產的冷凍干燥機，其捕水能力可能達到幾十千克甚至更高。
 

　　??凍干面積??
 

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

　　意義：凍干面積越大，設備一次能夠處理的物料量就越多。在選擇冷凍干燥機時，需要根據生產規(guī)模和物料的處理量來選擇合適凍干面積的設備。
 

　　與物料相關的術語
 

　　??含水量??
 

　　定義：指物料中所含水分的質量與物料總質量的百分比。在冷凍干燥前后，物料的含水量會發(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。不同的物料對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；而一些食品可能對含水量的要求相對寬松一些。
 

　　??自由水??
 

　　定義：指物料中未與物料分子結合，能夠自由流動的水分。自由水在預凍階段會首先凍結成冰，在升華干燥階段會優(yōu)先升華。
 

　　意義：自由水的存在會影響物料的流動性、保質期等性質。通過冷凍干燥去除自由水，可以延長物料的保質期，提高物料的穩(wěn)定性。
 

　　??結合水??
 

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

　　意義：結合水的去除程度直接影響物料的最終含水量和干燥質量。如果結合水去除不充分，物料可能會在儲存過程中出現返潮、變質等問題。