凍干機原理

        干燥是防止物質變質的方法之一。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或更高的溫度下進行的。干燥得到的產品一般體積縮小，質地變硬。一些物質被氧化，大部分揮發(fā)性成分會丟失，一些對熱敏感的物質，如蛋白質和維生素會變性。微生物會失去生物活性，干燥后的物質不易溶于水。因此，干燥后的產品與干燥前相比，性能有很大差異。
        冷凍干燥法不同于上述干燥法。產品的干燥基本上是在0℃以下的溫度下進行的，即產品處于冷凍狀態(tài)。直到后期，為了進一步降低產品的殘留水分，將產品升溫至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預先冷凍成固體，然后在真空條件下將水蒸氣直接升華，而物質本身在冷凍時仍留在冰架中，因此其體積經過烘干量不大。松散的多孔孔隙在升華過程中吸收熱量。產品本身溫度降低，升華速度減慢。為了提高升華速度和縮短干燥時間，產品必須適當加熱。整個干燥在較低溫度下進行。
        冷凍干燥具有以下優(yōu)點：
         1. 冷凍干燥在低溫下進行，因此特別適用于許多熱敏性物質。如蛋白質、微生物等不會變性或失去生物活性。因此，它在醫(yī)學上被廣泛使用。
        第二.低溫干燥時，物質中一些揮發(fā)性成分的損失很小，適用于一些化工產品、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，保持原有結構，不會出現濃縮現象。
        五.干燥后的物料疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而*，幾乎立即恢復原狀。
        六.由于干燥它是在真空下進行的，氧氣很少，因此可以保護一些可氧化的物質。
        七.干燥可去除95-99%以上的水分，使干燥后的產品可以保存而不會變質。
        因此，冷凍干燥目前廣泛應用于醫(yī)藥行業(yè)、食品行業(yè)、科研等部門。
        第二節(jié) 凍干機的組成和凍干程序
        產品的凍干需要在一定的設備中進行，稱為真空凍干機，簡稱凍干機。
        冷凍干燥機分為四個主要部分：制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。按結構分，由冷凍干燥箱或干燥箱、冷凝器或水蒸氣冷凝器、冷凍機、真空泵及閥門、電氣控制元件等組成。圖13是冷凍干燥機的組成示意圖。
        凍干箱為高低溫箱，可冷卻至-40℃左右，加熱至+50℃左右。它也是一個可以疏散的密閉容器。它是冷凍干燥機的主要部件。將需要凍干的產品放在箱內的分層金屬板上，在真空下對產品進行冷凍和加熱，使產品中的水分升華干燥。
        冷凝器也是一個真空密閉容器，內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低溫。冷凝器的作用是將冷凍干燥箱內產品升華產生的水蒸氣凍結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成冷凍干燥機的真空系統(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)對于產品的快速升華干燥至關重要。
        制冷系統(tǒng)由冷凍機、冷凍干燥箱和冷凝器內的管道組成。冷凍機可以是兩套獨立的，也可以一套一起使用。冷凍機的作用是對冷凍干燥箱和冷凝器進行冷藏，以產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；一些使用中間介質進行加熱，中間介質通過泵連續(xù)循環(huán)。加熱系統(tǒng)的作用是對凍干箱內的產品進行加熱，使產品中的水分不斷升華，達到規(guī)定的殘留水分要求。
        控制系統(tǒng)由各種控制開關、指示調節(jié)儀表和一些自動裝置等組成，可以比較簡單，也可以比較復雜。一般來說，自動化程度越高的冷凍干燥機，其控制系統(tǒng)就越復雜?？刂葡到y(tǒng)的功能是手動或自動控制凍干機，控制機器的正常運行，將符合要求的產品凍干。
        凍干程序如下： 凍干前，將待凍干產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。包裝前應先將凍干盒在空盒中冷卻，然后將產品放入凍干盒中進行預凍。抽真kong前，應根據冷凝器冷凍機的冷卻速度提前運行冷凝器。應達到-40℃左右的溫度，當真空度達到一定值時（一般應達到100uHg以上的真空度），即可對箱內產品進行加熱。通常，加熱分兩步進行。第一步加熱不使產品溫度超過共晶溫度；待制品中的水分基本干燥后進行第二步加熱，然后制品可迅速升溫至規(guī)定溫度。最高溫度。在最高溫度下幾個小時后可以終止冷凍干燥。
        整個升華干燥時間約為12-24小時，這與每瓶產品的灌裝量、總灌裝量、玻璃容器的形狀和規(guī)格、產品的類型、冷凍干燥有關曲線和機器的性能等。
        冷凍干燥后，將干燥、無菌的空氣放入干燥箱內，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，時間為橫坐標。不同的凍干產品使用不同的凍干曲線。當同一產品采用不同的凍干曲線時，產品的質量也不同。冷凍干燥機的性能。因此，不同的產品和不同的凍干機應用不同的凍干曲線。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)共熔點及其測定方法
        需要凍干的產品一般都是預先配制成水溶液或懸浮液，所以它們的冰點與水不同，水在0°C結冰，而海水在0°C以下才結冰，因為海水也是許多物質的水溶液。實驗表明溶液的冰點會低于溶劑的冰點。
        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℃時結冰，直到水全部結冰后水的溫度才下降，這意味著純液體有一個固定的冰點。解決方案不同。它在固定溫度下不會*凝結成固體，但在一定溫度下，晶體開始析出。隨著溫度的降低，晶體的數量增加，直到溶液*凝結。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凝結，冷卻時開始形成晶體的溫度稱為溶液的冰點。所有溶液凝結的溫度稱為溶液的冰點。因為冰點是熔化的起點（熔點），而對于溶液來說，它是溶質和溶劑一起熔化的點。所以它也被稱為共晶點?？梢娙芤旱谋c與共晶點是不一樣的。共晶點是溶液實際凝結成固體的溫度。
        顯然，共晶點的概念對于冷凍干燥很重要，因為冷凍干燥的產品可能含有鹽、糖、明膠、蛋白質、血細胞、組織、病毒、細菌等物質。因此，它是一種復雜的液體，它的凍結過程也一定是一個復雜的過程。與溶液類似，它也有一個溫度，在該溫度下它全部凝結成固體。共晶點。由于冷凍干燥是在真空下進行的。只有產品*冷凍后，才能在真空下升華。否則，當一些液體存在時，不僅會在真空下迅速蒸發(fā)，導致液體濃度降低，凍干產品的體積；溶解在水中的氣體在真空下會迅速蒸發(fā)。出來，導致液體沸騰凍干產品在冒泡，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冷卻至共晶點以下的溫度，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品是否*冷凍成固體；不可能通過測量溫度來確定產品的內部結構狀態(tài)。并且隨著產品結構的變化電性能的變化是非常有用的，特別是當凍結是電阻率的測量時，它可以讓我們知道凍結是在進行中還是已經完成。全部凍結后，電阻率會很大，所以溶液是離子導電的。凍結意味著離子被固定化，不能移動，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。因此測量產品的電阻率將確定產品的共晶點。
        正常的共晶點測量方法是將一對鉑電極浸入液體產品中，將溫度計插入產品中，將其冷卻至-40℃以下的低溫，然后緩慢加熱冷凍產品。電阻是用惠斯通電橋測量的。當電阻突然降低時，此時的溫度就是產品的共晶點。電橋采用交流電供電，因為直流電會電解，整個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。將兩根適當粗細且相互絕緣的銅線插入裝有產品的容器中作為電極。在銅電極附近插入溫度計，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，并以適當的方式固定，然后與其他產品一起預凍.這時，我們用萬用表在冷卻過程中連續(xù)測量電阻值，根據電阻值的變化來確定共晶點。
        將電極引線通過開關連接到萬用表，不分正負極。如果凍干箱內沒有電線引出接頭，可以用兩根細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。
        當溫度計降至 0°C 時，開始測量并記錄。將萬用表的開關置于被測電阻的z高檔位（×1K或×10K）。由于萬用表使用的是直流電，為防止電解，每次測量后應立即關閉開關，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，此時的溫度值就是共晶值。
        這種方法測得的共晶點有一定的誤差，因為銅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，但實測值仍有實用參考價值。
        共晶點值從0℃到40℃不等，這與產品的種類、保護劑的種類和濃度有關。