真空冷凍干燥的原理

真空冷凍干燥的原理第一節(jié)冷凍干燥的原理干燥是保持物質不致腐敗變質的方法之一。干燥的方法許多，如曬干、煮干、烘干、噴霧干燥和真空干燥等。但這些干燥方法都是在0C以上或更高的溫度下進行。干燥所得的產品，一般是體積縮小、質地變硬，有些物質發(fā)生了氧化，一些易揮發(fā)的成分大部分會損失掉，有些熱敏性的物質，如蛋白質、維生素會發(fā)生變性。微生物會失去生物活力，干燥后的物質不易在水中溶解等。因此干燥后的產品與干燥前相比在性狀上有很大的差別。而冷凍干燥法不同于以上的干燥方法，產品的干燥基本上在0C以下的溫度進行，即在產品凍結的狀態(tài)下進行，直到后期，為了進一步降低產品的殘余水份含量，才讓產品升至0C以上的溫度，但一般不超過40Co冷凍干燥就是把含有大量水分物質，預先進行降溫凍結成固體，然后在真空的條件下使水蒸汽直接升華出來，而物質本身剩留在凍結時的冰架中，因此它干燥后體積不變，疏松多孔在升華時要吸收熱量。引起產品本身溫度的下降而減慢升華速度，為了增加升華速度，縮短干燥時間，必須要對產品進行適當加熱。整個干燥是在較低的溫度下進行的。冷凍干燥有下列優(yōu)點：冷凍干燥在低溫下進行，因此對于許多熱敏性的物質特別適用。如蛋白質、微生物之類不會發(fā)生變性或失去生物活力。因此在醫(yī)藥上得到廣泛地應用。在低溫下干燥時，物質中的一些揮發(fā)性成分損失很小，適合一些化學產品，藥品和食品干燥。在冷凍干燥過程中，微生物的生長和酶的作用無法進行，因此能保持原來的性裝。由于在凍結的狀態(tài)下進行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結構，不會發(fā)生濃縮現(xiàn)象。干燥后的物質疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而完全，幾乎立即恢復原來的性狀。由于干燥在真空下進行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質得到了保護。干燥能排除95-99%以上的水份，使干燥后產品能長期保存而不致變質。因此，冷凍干燥目前在醫(yī)藥工業(yè)，食品工業(yè)，科研和其他部門得到廣泛的應用。第二節(jié) 凍干機的組成和凍干程序產品的冷凍干燥需要在一定裝置中進行，這個裝置叫做真空冷凍干燥機，簡稱凍干機。凍干機按系統(tǒng)分，由致冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、和控制系統(tǒng)四個主要部分組成。按結構分，由凍干箱或稱干燥箱、冷凝器或稱水汽凝集器、冷凍機、真空泵和閥門、電氣控制元件等組成。圖十三是凍干機組成示意圖。凍干箱是一個能夠致冷到-40C左右，能夠加熱到+50C左右的高低溫箱，也是一個能抽成真空的密閉容器。它是凍干機的主要部分，需要凍干的產品就放在箱內分層的金屬板層上，對產品進行冷凍，并在真空下加溫，使產品內的水份升華而干燥。冷凝器同樣是一個真空密閉容器，在它的內部有一個較大表面積的金屬吸附面，吸附面的溫度能降到-40C以下，并且能恒定地維持這個低溫。冷凝器的功用是把凍干箱內產品升華出來的水蒸氣凍結吸附在其金屬表面上。凍干箱、冷凝器、真空管道和閥門，再加上真空泵，便構成凍干機的真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)要求沒有漏氣現(xiàn)象，真空泵是真空系統(tǒng)建立真空的重要部件。真空系統(tǒng)對于產品的迅速升華干燥是必不可少的。致冷系統(tǒng)由冷凍機與凍干箱、冷凝器內部的管道等組成。冷凍機可以是互相獨立的二套，也可以合用一套。冷凍機的功用是對凍干箱和冷凝器進行致冷，以產生和維持它們工作時所需要的低溫，它有直接致冷和間接致冷二種方式。加熱系統(tǒng)對于不同的凍干機有不同的加熱方式。有的是利用直接電加熱法；有的則利用中間介質來進行加熱，由一臺泵使中間介質不斷循環(huán)。加熱系統(tǒng)的作用是對凍干箱內的產品進行加熱，以使產品內的水份不斷升華，并達到規(guī)定的殘余水份要求。控制系統(tǒng)由各種控制開關，指示調節(jié)儀表及一些自動裝置等組成，它可以較為簡單，也可以很復雜。一般自動化程度較高的凍干機則控制系統(tǒng)較為復雜?？刂葡到y(tǒng)的功用是對凍干機進行手動或自動控制，操縱機器正常運轉，以凍干出合乎要求的產品來。冷凍干燥的程序是這樣的：在凍干之前，把需要凍干的產品分裝在合適的容器內，一般是玻瓶或安瓶，裝量要均勻，蒸發(fā)表面盡量大而厚度盡量薄些；然后放入與凍干箱尺寸相適應的金屬盤內。裝箱之前，先將凍干箱進行空箱降溫，然后將產品放入凍干箱內進行預凍，抽真空之前要根據(jù)冷凝器冷凍機的降溫速度提前使冷凝器工作，抽真空時冷凝器應達到-40°C左右的溫度，待真空度達到一定數(shù)值后（通常應達到100uHg以上的真空度），即可對箱內產品進行加熱。一般加熱分兩步進行，第一步加溫不使產品的溫度超過共熔點的溫度；待產品內水份基本干完后進行第二步加溫，這時可迅速地使產品上升的規(guī)定的最高溫度。在最高溫度保持數(shù)小時后，即可結束凍干。整個升華干燥的時間約12-24小時左右，與產品在每瓶內的裝量，總裝量，玻璃容器的形狀、規(guī)格，產品的種類，凍干曲線及機器的性能等等有關。凍干結束后，要放干燥無菌的空氣進入干燥箱，然后盡快地進行加塞封口，以防重新吸收空氣中的水份。在凍干過程中，把產品和板層的溫度、冷凝器溫度和真空度對照時間劃成曲線，叫做凍干曲線。一般以溫度為縱坐標，時間為橫坐標。凍干不同的產品采用不同的凍干曲線。同一產品使用不同的凍干曲線時，產品的質量也不相同，凍干曲線還與凍干機的性能有關。因此不同的產品，不同的凍干機應用不同的凍干曲線。圖十四是凍干曲線示意圖（其中沒有冷凝器的溫度曲線和真空度曲線）。第三節(jié) 共溶點及其測量方法需要凍干的產品，一般是預先配制成水的溶液或懸濁液，因此它的冰點與水就不相同了，水在0C時結冰，而海水卻要在低于0C的溫度才結冰，因為海水也是多種物質的水溶液。實驗指出溶液的冰點將低于溶媒的冰點。另外，溶液的結冰過程與純液體也不一樣，純液體如水在0C時結冰，水的溫度并不下降，直到全部水結冰之后溫度才下降，這說明純液體有一個固定的結冰點。而溶液卻不一樣，它不是在某一固定溫度完全凝結成固體，而是在某一溫度時，晶體開始析出，隨著溫度的下降，晶體的數(shù)量不斷增加，直到最后，溶液才全部凝結。這樣，溶液并不是在某一固定溫度時凝結。而是在某一溫度范圍內凝結，當冷卻時開始析出晶體的溫度稱為溶液的冰點。而溶液全部凝結的溫度叫做溶液的凝固點。因為凝固點就是融化的開始點（既熔點），對于溶液來說也就是溶質和溶媒共同熔化的點。所以又叫做共熔點?？梢娙芤旱谋c與共熔點是不相同的。共熔點才是溶液真正全部凝成固體的溫度。顯然共熔點的概念對于冷凍干燥是重要的，因為凍干產品可能有鹽類、糖類、明膠、蛋白質、血球、組織、病毒、細菌等等的物質。因此它是一個復雜的液體，它的凍結過程肯定也是一個復雜的過程，與溶液相似，也有一個真正全部凝結成固體的溫度。即共熔點。由于冷凍干燥是在真空狀態(tài)下進行。只有產品全部凍結后才能在真空下進行升華，否則有部分液體存在時，在真空下不僅會迅速蒸發(fā)，造成液體的濃縮使凍干產品的體積縮??；而且溶解在水中的氣體在真空下會迅速冒出來，造成象液體沸騰的樣子，使凍干產品鼓泡，甚至冒出瓶外。這是我們所不希望的。為此凍干產品在升華開始時必須要冷到共熔點以下的溫度，使凍干產品真正全部凍結。在凍結過程中，從外表的觀察來確定產品是否完全凍結成固體是不可能的；靠測量溫度也無法確定產品內部的結構狀態(tài)。而隨著產品結構發(fā)生變化時電性能的變化是極為有用的，特別是在凍結是電阻率的測量能使我們知道凍結是在進行還是已經(jīng)完成了，全部凍結后電阻率將非常大，因此溶液是離子導電。凍結是離子將固定不能運動，因此電阻率明顯增大。而有少量液體存在時電阻率將顯著下降。因此測量產品的電阻率將能確定產品的共熔點。正規(guī)的共熔點測量法是將一對白金電極浸入液體產品之中，并在產品中插一溫度計，把它們冷卻到-40°C以下的低溫，然后將凍結產品慢慢升溫。用惠斯頓電橋來測量其電阻，當發(fā)生電阻突然降低時，這時的溫度即為產品的共熔點。電橋要用交流電供電，因為直流電會發(fā)生電解作用，整個過程由儀表記錄。（圖十六）也可用簡單的方法來測量，如圖十五所示。用二根適當粗細而又互相絕緣的銅絲插入盛放產品的容器中，作為電極。在銅電極附近插入一支溫度計，插入深度與電極差不多，把它們一起放入凍干箱內的觀察窗孔附近，并用適當方法把它們固定好，然后與其他產品一起預凍，這時我們用萬用表不斷地測量在降溫過程中的電阻數(shù)值，根據(jù)電阻數(shù)值的變化來確定共熔點。把電極引線通過一個開關與萬用表相連，可以不分正負極。如果凍干箱沒有電線引出接頭，則可以用二根細導線從箱門縫處引出，在電線附近涂些真空密封蠟，這樣不致于影響真空度。待溫度計降至0C之后即開始測量并作記錄。把萬用表的轉換開關放在測量電阻的最高檔（X1K或X10K）。由于萬用表內使用的是直流電，為了防止電解作用，在每次測量完之后要把開關立即關掉，把每一次測量的溫度和電阻數(shù)值一一記錄下來。開始時電阻值很小，以后逐步增高。到某一溫度時電阻突然增大，幾乎是無窮大，這時的溫度值便是共熔點數(shù)值。用這種方法測量的共熔點有一定的誤差，因為銅電極處多少有些電解作用。萬用表對于高阻值沒有電橋靈敏；另外，凍結過程與熔化過程電阻的變化情況并不完全相同，但所測之值仍有實用參考價值。共熔點的數(shù)值從0C到40C不等，與產品的品種、保護劑的種類和濃度有關。一些物質的共熔點列表二十二供參考，因實際的凍干產品還有其它成份。所以與此不相同。第四節(jié)產品的預凍產品在進行冷凍干燥時，需要裝入適宜的容器，然后進行預先凍結，才能進行升華干燥。預凍過程不僅是為了保護物質的主要性能不變;而且要獲得凍結后產品有合理的結構以利于水份的升華；還要有恰當?shù)难b量，以便日后的應用。產品的分裝通常有散裝和瓶裝二種方式。散裝可以采用金屬盤，飯盒或玻璃器皿；瓶裝采用玻璃瓶和安甑。玻璃瓶又有血漿瓶。疫苗瓶和青霉素小瓶等，安甑也有平底安甑、長安甑和圓安甑等；這些需根據(jù)產品的日后使用情況來決定，瓶子還需配上合適的膠塞。表二十二一些物質的共熔點（°C）物質共熔點0.85%氯化鈉溶液-2210%蔗糖溶液-2640%蔗糖溶液-3310%葡萄糖溶液-272%明膠、10%葡萄糖溶液-322%明膠、10%蔗糖溶液-1910%蔗糖溶液、10%葡萄糖溶液、0.85%氯化鈉溶液-36脫脂牛奶-26馬血清-35各種容器在分裝之前要求清洗干凈并進行滅菌處理。需要凍干的產品需配制成一定濃度的液體，為了能保證干燥后有一定的形狀，物質含量在10~15%之間最佳。產品分裝到容器有一定的表面積與厚度之比。表面積要大一些，厚度要小些。表面積大有利于升華，產品厚度大不利于升華。一般分裝厚度不大于10mm。有些產品需用大瓶。并凍干較大量的產品時，可以采用旋凍的方法凍成殼狀，或傾斜容器凍成斜面，以增大表面積，減小厚度。產品的預凍方法有凍干箱內預凍法和箱外預凍法。箱內預凍法是直接把產品放置在凍干機凍干箱內的多層擱板上，由凍干機的冷凍機來進行冷凍。大量的小瓶和安甑進行凍干時為了進箱和出箱方便，一般把小瓶或安甑分裝在若干金屬盤內，再裝進箱子。為了改進熱傳遞，有些金屬盤制成可分離式，進箱時把底抽走，讓小瓶直接與凍干箱的金屬板接觸；對于不可抽低的盤子要求盤底平整，以獲得產品的均一性。采用旋凍法的大血漿瓶要事先凍好后加上導熱用的金屬架或塊后再進行冷凍。箱外預凍有二種方法。有些小型凍干機沒有進行預凍產品的裝置。只能利用低溫冰箱或酒精加干冰來進行預凍。另一種是專用的旋凍器，它可把大瓶的產品邊旋轉邊冷凍成殼狀結構。然后再進入凍干箱內。還有一種特殊的離心式預凍法，離心式凍干機就采用此法。利用在真空下液體迅速蒸發(fā)，吸收本身的熱量而凍結。旋轉的離心力防止產品中的氣體溢出，使產品能''平靜地〃凍結成一定的形狀。轉速一般為800轉/分左右。冷凍會對細胞和生命體產生一定的破壞作用，其機理是非常復雜的。目前尚無統(tǒng)一的理論，但一般認為主要是由機械效應和溶質效應引起。生物物質的冷凍過程首先是從純水結冰開始，冰晶的生長逐步造成電解質的濃縮。隨后是低共熔混合物凝固。最后全部變?yōu)楣腆w。機械效應是細胞內外冰晶生長而產生的機械力量引起的。特別是對于有細胞膜的生命體影像較大。一般冰晶越大，細胞膜越易破裂，從而造成細胞死亡；冰晶小，對細胞膜的機械損傷也較小。緩慢冷凍產生的冰晶較大，快速冷凍產生的冰晶較??；就此而言?？焖倮鋬鰧毎挠绊戄^小。緩慢冷凍容易引起細胞的死亡。溶質效應是由于水的凍結使間隙液體逐漸濃縮，從而使電解質的濃度增加，蛋白質對電解質是較敏感的。電解質濃度的增加引起蛋白質的變性，而使細胞死亡；另外電解質濃度的增加會使細胞脫水而死亡。間隙液體濃度越高。上述原因引起的破壞也越厲害。溶質效應在某一溫度范圍最為明顯。這個溫度范圍在水的冰點和該液體的全部固化溫度之間。若能以較高的速度越過這一溫度范圍，溶質效應所產生的效果就能大大減弱。另外冷凍時所形成的晶體大小在很大程度上也影響干燥的速率和干燥后產品的溶解速度。大的冰晶容易升華，小的冰晶不利于升華；但大的冰晶溶解慢，小的冰晶溶解快。冰晶越小、干燥后越能反映產品的原來結構。綜上所述，需要有一個最優(yōu)的冷卻速率。以得到最高的細胞存活率，最好的產品物理性狀和溶解速度。當然提高存活率與在產品中加入抗低溫劑（保護劑之一）還有很大的關系。列如甘油、二甲亞砜、糖類等。這些抗低溫物質能幫助產品擴大最優(yōu)冷卻速率的范圍，以便使更多的細胞存活下來。-凍干保護劑為了獲的不同的降溫速度。就要采取不同的預凍方法；列如有時需裝箱之后才開始凍干箱的降溫，有時需讓機器預先降到低溫，再將產品裝入凍干箱內。預凍的目的也是為了固定產品，以便在真空下進行升華。如果沒有凍實。則抽真空時產品會冒出瓶外來，沒有一定的形狀；如果冷的過低，則不僅浪費了能源和時間，而且對某些產品還會降低存活率。因此預凍之前應確定三個數(shù)據(jù)。其一是預凍的速率，應根據(jù)產品不同而試驗出一個最優(yōu)冷凍速率。其二是預凍的最低溫度，應根據(jù)改產品的共熔點來決定，預凍的最低溫度應低于共熔點的溫度。其三是預凍的時間，根據(jù)機器的情況來決定，保證抽真空之前所有產品均已凍實。不致因抽真空而冒出瓶外，凍干箱的每一板層之間，每一板層的各部分之間溫差越小，則預凍的時間可以相應縮短，一般產品的溫度達到預凍最低溫度之后1—2小時即可開始抽真空升華。第五節(jié)產品的第一階段干躁產品的干燥可分為二個階段，在產品內的凍結冰消失之前稱第一階段干燥、也叫作解吸干燥階段。產品在升華時要吸收熱量，一克冰全部變成水蒸汽大約需要吸收670卡左右的熱量，因此升華階段必須對產品進行加熱。但對產品的加熱量是有限度的，不能使產品的溫度超過其自身共熔點溫度。升華的產品如果低于共熔點溫度過多，則升華的速率降低，升華階段的時間會延長；如果高于共熔點溫度，則產品會發(fā)生熔化，干燥后的產品將發(fā)生體積縮小，出現(xiàn)氣泡，顏色加深，溶解困難等現(xiàn)象。因此升華階段產品的溫度要求接近共熔點溫度，但又不能超過共熔點溫度。由于產品升華時，升華面不是固定的。而是在不斷的變化，并且隨著升華的進行，凍結產品越來越少。因此造成對產品溫度測量的困難，利用溫度計來測量均會有一定的誤差?？梢岳脷鈮簻y量法來確定升華時產品的溫度，把凍干箱和冷凝器之間的閥門迅速地關閉1—2秒的時間（切不可太長）。然后又迅速打開，在關閉的瞬間觀察凍干箱內的壓強升高情況，計下壓強升高到某一點的最高數(shù)值。從冰的不同溫度的飽和蒸汽壓曲線或表上可以查出相應數(shù)值，這個溫度值就是升華時產品的溫度。產品的溫度也能通過對升華產品的電阻的測量來推斷。如果測得產品的電阻大于共熔點時的電阻數(shù)值，則說明產品的溫度低于共熔點的溫度;如果測得的電阻接近共熔點時的電阻數(shù)值，則說明產品溫度已接近或達到共熔點的溫度。冷凍干燥時凍干箱內的壓強，過去認為是越低越好，現(xiàn)在則認為不是越低越好，而是要控制在一定的范圍之內。壓強低當然有利于產品內冰的升華。但由于壓強太低時對傳熱不利，產品不易獲得熱量，升華速率反而降低。實驗標明：在凍干箱的壓強低于0.1毫巴時，氣體的對流傳熱小到可以忽略不計；而壓強大于0.1毫巴時，氣體的對流傳熱就明顯增加。在同樣的板層溫度下，壓強高于0.1毫巴時，產品容易獲得熱量，因而升華速率增加。但是，當壓強太高時，產品內冰的升華速率減慢，產品吸熱量降減少。于是產品自身的溫度上升，當高于共熔點溫度時，產品將發(fā)生熔化，造成凍干失敗。凍干箱的合適壓強一般認為是在0.1~0.3毫巴之間，在這個壓強范圍內，既利于熱量的傳遞又利于升華的進行。超過0.3毫巴時，產品可能熔化，此時應發(fā)出真空報警信號，切斷對產品的加熱，甚至啟動冷凍機對凍干箱進行降溫，以保護產品不致發(fā)生熔化。凍干箱內的壓強是由空氣的分壓強和水蒸汽的分壓強組成的，因此要使用能測量全壓強的熱真空計來測量真空度；而不宜使用壓縮式真空計，以水銀為介質的壓縮式真空計由于水銀蒸汽有害產品應禁止使用。1克冰在壓強0.1毫巴時大約能產生10000升體積的蒸汽，為了排除大量的水蒸汽，光靠機械真空泵排除是不行的。冷凝器作為冷卻使大量水蒸汽凝結在其內部的制冷表面上，因此冷凝器實際上起著水蒸汽泵的作用。大量水蒸汽凝結時放出的熱量能使冷凝器的溫度發(fā)生回升，這是正常的現(xiàn)象。但由于冷凝器冷凍機的制冷能力不夠，冷凝器吸附水蒸汽的表面太小，或對產品提供熱量過多而產生過多的水蒸汽等原因，會引起冷凝器溫度的過度回升。當發(fā)生這種情況時。凍干箱和冷凝器之間的水蒸汽壓力差減小，從而導致升華速率的降低；與此同時凍干機系統(tǒng)內水蒸汽的分壓強增強，使真空度惡化，進而又引起升華速率的減慢，產品吸收熱量減少，產品溫度上升，致使產品發(fā)生熔化，凍干失敗。因此為了冷凍干燥出好的產品，需要保持系統(tǒng)內良好而穩(wěn)定的真空度。需要冷凝器始終能低于-40r以下的低溫，因為-40r時冰的蒸汽壓為0.1毫巴左右。在升華干燥階段，凍干箱的板層是產品熱量的來源。板層溫度高，產品獲得的熱量就多；板層溫度低，產品獲得的熱量就少；板層溫度過高，產品獲得過多的熱量使產品發(fā)生熔化；板層溫度過低，產品得不到足夠的熱量會延長升華干燥時間。因此，板層的溫度應進行合理的控制。板層溫度的高低應根據(jù)產品溫度、凍干箱的壓強（即凍干箱的真空度）、冷凝器溫度三個因素來確定。如果在升華干燥的時候，產品的溫度低于該產品的共熔點溫度較多，凍干箱內的壓強小于真空報警設定的壓強較多，冷凝器溫度也低于-40r較多，則板層的加熱溫度還可以繼續(xù)提高。如果板層溫度提高到某一數(shù)值之后產品的溫度已接近共熔點溫度，或者凍干箱的壓強上升到接近真空報警的數(shù)值或者冷凝器溫度回升到-40r，則板層溫度不可再繼續(xù)提高，不然會出現(xiàn)危險的情況。實際上升華時板層溫度的高低還與凍干機的性能有關，性能較好的凍干機，板層的加熱溫度可以升得高一些。升華階段時間的長短與下列因素有關：產品的品種：有些產品容易干燥，有些產品不容易干燥。一般來說，共熔點溫度較高的產品容易干燥，升華的時間短些。產品的分裝厚度：正常的干燥速率大約每小時使產品下降1毫米的厚度。因此分裝厚度大，升華時間也長。升華時提供的熱量：升華時若提供的熱量不足，則會減慢升華速率，延長升華階段的時間。當然熱量也不能過多地提供。凍干機本身的性能，這包括凍干機的真空性能，冷凝器的溫度和效能，甚至機器構造的幾何形狀等，性能良好的凍干機使升華階段的時間較短些。在產品的第一階段時，除了要保持凍結產品的溫度不能超過共熔點以外，還要保持已干燥的產品溫度不能超過崩解溫度。所謂崩解溫度是對已經(jīng)干燥的產品而言的。已干燥的產品應該是疏松多亂，保持一個穩(wěn)定的狀態(tài)，以便下層凍結產品中升華的水蒸汽順利通過，使全部的產品都良好的干燥。但某些已干燥的產品當溫度達到某一數(shù)值時會失去剛性，發(fā)生類似崩潰的現(xiàn)象，失去了疏松多亂的性質，使干燥產品有些發(fā)粘。比重增加，顏色加深。發(fā)生這種變化的溫度就叫做崩解溫度。干燥產品發(fā)生崩解之后，阻礙或影響下層凍結產品升華的水蒸汽的通過，于是升華速度減慢凍結產品吸收熱量減少，由板層繼續(xù)供給的熱量就有多余。將會造成凍結產品溫度上升，產品發(fā)生熔化發(fā)泡現(xiàn)象。崩解溫度與產品的種類和性質有關，因此應該合理的選擇產品的保護劑，使崩解溫度盡可能高一些，例如產品的崩解溫度應高于該產品的共熔點溫度。崩解溫度一般由試驗來確定，通過顯微冷凍干燥試驗可以觀察到崩解現(xiàn)象，從而確定崩解溫度。第六節(jié)產品的第二階段干燥一旦產品內冰升華完畢，產品的干燥變進入了第二階段。在該階段雖然產品內不存在凍結冰，但產品內還存在10%左右的水份，為了使產品達到合格的殘余水份含量，必須對產品進一步的干燥。在解吸階段，可以使產品的溫度迅速地上升到該產品的最高允許溫度，并在該溫度一直維持到凍干結束為止。迅速提高產品溫度有利于降低產品殘余水份含量和縮短解吸干燥的時間。產品的允許溫度視產品的品種而定，一般為25°C—40°C左右。病毒性產品為25°C，細菌性產品為30C，血清、抗菌素等可高達40Co在解吸干燥階段由于產品內逸出水份的減少，冷凝器溫度的下降又引起系統(tǒng)內水蒸汽壓力的下降，這樣往往使凍干箱的總壓力下降到低于0.1毫巴，這就使凍干箱內對流的熱傳遞幾乎消失。因此，即使板層的溫度已加熱到產品的最高允許溫度，但由于傳熱不良，產品溫度上升很緩慢。為了改進凍干箱傳熱，使產品溫度較快地達到最高允許溫度，以縮短解吸干燥階段時間。要對凍干箱內的壓強進行控制，控制的壓強范圍在0.15~0.3毫巴之間。一般使用校正漏孔法對凍干箱內的壓強進行控制。在凍干機的真空系統(tǒng)上（大都在凍干箱上），安裝一個人為的能校正的漏孔，由真空儀表進行控制；當凍干箱壓強下降到低于真空儀表的下限設定值時，漏孔電磁閥打開，向凍干箱放入干燥滅菌的惰性氣體，于是凍干箱內的壓強上升，當壓強上升到真空儀表的上限設定值時漏孔電磁閥關閉，停止進氣，凍干箱內壓強又下降，如此使凍干箱內的壓強控制在設定范圍內。壓強的控制也可采用間歇開關凍干箱和冷凝器之間閥門的方法，真空泵間歇運轉的方法。以及冷凝器冷凍機間歇運轉的方法等。一旦產品溫度達到許可溫度之后，為了進一步降低產品內的殘余水份含量，高真空的恢復是十分必要的。這時上述控制壓強的方法應停止使用。與凍干箱恢復高真空的同時，冷凝器由于負荷減少溫度下降也達到了最低的極限溫度。這樣使凍干箱和冷凝器之間水蒸汽壓力差達到了最大值。這樣的狀況非常有利于產品內殘余水份的逸出，一般應在狀況不小于2小時的時間，時間越長產品內殘余水份的含量越低。解吸階段的時間長短取決于下列因素：產品的品種：產品不同，干燥的難易不同，同時產品不同，最高許可溫度也不同，最高許可溫度較高的產品，時間可相應短些。殘余水份的含量：殘余水份的含量要求低的產品，干燥時間較長。產品的殘余水份的含量應有利于該產品的長期存放，太高太低均不好。應根據(jù)試驗來確定。凍干機的性能：在解吸階段后期能達到的真空度高，冷凝器的溫度低的凍干機，其解吸干燥的時間可短些。是否采用壓強控制法：如果采用壓強控制法，則改進了傳熱，使產品達到最高許可溫度的時間縮短，吸解干燥的時間也縮短。最后，凍干是否可以結束是這樣來確定的：產品溫度已達到最高許可溫度，并在這個溫度保持2小時以上的時間；關閉凍干箱和冷凝器之間的閥門，注意觀察凍干箱的壓力升高情況（這時關閉的時間應長些，約30秒到60秒）。如果凍干箱內的壓力沒有明顯的升高，則說明干燥已基本完成，可以結束凍干。如果壓力有明顯升高，則說明還有水份逸出，要延長時間繼續(xù)進行干燥。直到關閉凍干箱冷凝器之間的閥門之后無明顯上升為止。第七節(jié)影響干燥過程的因素冷凍干燥過程實際上是水的物質變化及其轉移過程。含有大量水份的生物制品首先凍結成固體，然后在真空狀態(tài)下固態(tài)冰直接升華成水蒸汽，水蒸汽又在冷凝器內凝華成冰霜，干燥結束后冰霜熔化排出。在凍干箱內得到了需要的冷凍干躁產品，干燥過程如圖十七所示。凍干過程有二個放熱過程和二個吸收過程：液體生物制品放出熱量凝固成固體生物制品，固體生物制品在真空下吸收熱量升華成水蒸汽。水蒸汽在冷凝器中放出熱量凝華成冰霜，凍干結束后冰霜在冷凝器中吸收熱量熔化成水。整個凍干過程中進行著熱量質量的傳遞現(xiàn)象。熱量的傳遞貫穿冷凍干燥的全過程中。預凍階段：干燥的第一階段和第二階段以及化霜階段均進行著熱量的傳遞；質量的傳遞僅在干燥階段進行，凍干箱制品中產生的水蒸汽到冷凝器內凝華成冰霜的過程，實際上也是質量傳遞的過程，只有發(fā)生了質量的傳遞產品才能獲得干燥。在干燥階段，熱的傳遞是為了促進質的傳遞，改善熱的傳遞也能改善質的傳遞。如果在產品的升華過程中不提供熱量，那么產品由于升華吸收自身的熱量使溫度下降，升華速率也逐漸下降，直到產品溫度相等于冷凝器的表面溫度，干燥便停止進行，這時從凍結產品到冷凝器表面的水蒸汽分子數(shù)與從冷凝器表面返回到凍結產品的水蒸汽分子數(shù)相等，凍干箱與冷凝器之間的水蒸汽壓力等于零，達到平衡狀態(tài)。不如果一個外界熱量加到凍結產品上，這個平衡狀態(tài)被破壞，凍結產品的溫度就高于冷凝器表面的溫度，凍干箱和冷凝器之間便產生了水蒸汽壓力差。形成了從凍干箱流向冷凝器的水蒸汽流。由于冷凝器制冷的表面凝華水蒸汽為冰霜，使冷凝器內的水蒸汽不斷地被吸附掉，冷凝器內便保持較低的蒸汽壓力;而凍干箱內流走的水蒸汽又不斷被產品中發(fā)生的水蒸汽得到補充，維持凍干箱內較高的水蒸汽壓力。這一過程的不斷進行，使產品不斷得到了干燥。升華首先從產品的表面開始，在干燥進行了一段時間之后，在凍結產品上面形成了一層已干燥的產品，產生了干燥產品與凍結產品之間的交界面。交界面隨著干燥的進行不斷下降，直到升華完畢交界面消失。當產生了交界面之后，水分子要穿越這層已干燥的產品才能進入空間；水分子跑出交界面之后，進入已經(jīng)干燥產品的某一間隔內。以后可能還要穿過許多這樣的間隔后，才能從產品的縫隙進入空間。也可以經(jīng)過一些轉折又回到凍結產品之中，干燥產品內的間隔有時象迷宮一樣。當水分子跑出產品表面以后，它的運動路徑還很曲折?？赡芘c玻璃瓶壁碰撞，可能凍干機的金屬板壁碰撞，也經(jīng)常發(fā)生水分子之間的相互碰撞，然后進入冷凝器內。當水分子與冷凝器的制冷表面發(fā)生碰撞時，由于該表面的溫度很低，低溫表面吸收了水分子的能量，這樣水分子便失去了動能，使其沒有能量再離開冷凝器的制冷表面，于是水分子被''捕獲〃了。大量水分子捕獲后在冷凝器表面形成一層冰霜，這樣就降低了系統(tǒng)內的水蒸汽壓力。使凍干箱的水蒸汽不斷的流向冷凝器。隨著時間的延長，凍干箱內不斷對產品進行加熱以及冷凝器的持久工作，產品逐漸得到了干燥。干燥的速率與凍干箱和冷凝器之間的水蒸汽壓力差成正比，與水蒸汽流動的阻力成反比。水蒸汽壓力差越大，流動的阻力越小，則干燥的速率越快。水蒸汽的壓力差取決與冷凝器的有效溫度和產品溫度的溫度差。因此要盡可能地降低冷凝器的有效溫度和最大限度地提高產品的溫度。水蒸汽的流動阻力來自以下幾個方面：產品內部的阻力，水分子通過已經(jīng)干燥的產品層的阻力。這個阻力的大小與干燥層的結構與產品的種類、成份、濃度、保護劑等有關。容器的阻力，容器的阻力主來自瓶口之處，因為瓶口的截面較小，瓶口處可能還有某些物品。例如：帶槽的橡皮塞、紗布等，瓶口截面大，則阻力小。機器本身的阻力。主要是凍干箱與冷凝器之間管道的阻力，管道粗、短、直則阻力小。另外阻力還與凍干箱的結構和幾何形狀有關。提高凍干箱內產品的溫度，能增加凍干箱內與水蒸汽壓力，加速水蒸汽流向冷凝器，加快質的傳遞，增加干燥速率。但是提高產品的溫度是有一定限度的，不能使產品溫度超過共熔點的溫度。降低冷凝器的溫度。也就降低了冷凝器內水蒸汽的壓力，也能加速水蒸汽從凍干箱流向冷凝器。同樣能加快質的傳遞，提高干燥速率。但是更多的降低冷凝器的溫度需增加投資和運行費用。減少水蒸汽的流動阻力也能加快質的傳遞，提高干燥速率。減小產品的分裝厚度；合理的設計瓶、塞、減少瓶口阻力；合理的設計凍干機，減少機器的管道阻力；選擇合適的濃度和保護劑，使干燥產品的結構疏松多亂，減少干燥層的阻力；試驗最優(yōu)的預凍方法，造成有利于升華的冰晶結構等。這些方法均能促進質的傳遞，提高干燥速率。第八節(jié) 凍干曲線時序的制定生物制品的冷凍干燥產品，需要有一定的物理形態(tài)；均勻的顏色、合格的殘余水份含量、良好的溶解性、高的存活率或效價、長的保存期。因此，不僅要對制苗過程和凍干后的密封保存進行控制。更重要的是對冷凍干燥過程的每一階段的各參數(shù)進行全面的控制，才能得到優(yōu)質的產品。凍干曲線和時序就是進行冷凍干燥過程控制的基本依據(jù)。凍干曲線和時序不僅是手工操作凍干機的依據(jù)，而且也是自動控制凍干機操作的依據(jù)。例如，利用凸輪法和滾筒法進行凍干機的自動控制時，凸輪和滾筒的刻劃依據(jù)就是凍干曲線和時序，在用微處理機對凍干機進行控制時，操作程序的編制依據(jù)也是凍干曲線和時序，按照微機的一定要求把凍干曲線和時序用操作鍵盤輸入微機的貯存器內。凍干曲線是凍干箱板層溫度與時間之間的關系曲線。一般以溫度為縱坐標，時間為橫坐標。它反映了在凍干過程中，不同時間板層溫度的變化情況。凍干時序是在凍干過程中不同時間，各種設備的啟閉運行情況。制定凍干曲線以板層為依據(jù)是因為產品溫度是受板層溫度支配的?？刂屏税鍖訙囟纫簿涂刂屏水a品溫度。制定凍干曲線要考慮下列因素：產品的品種：產品不同則共熔點亦不同，共熔點低的產品要求預凍的溫度低；加熱時板層的溫度亦相應要低些。有些產品受冷凍的影響較大，有些產品則影響較?。灰话慵毦缘漠a品受冷凍的影響較大，病毒性的產品受冷凍的影響較小。要根據(jù)試驗找出一個產品的最優(yōu)冷凍速率，以獲得高質量的產品和較短的冷凍干燥時間。另外產品不同，對殘余水份的要求也不同。為了長期保存產品，有些產品要求殘余水份含量低些。有些則要求高些。殘余水份含量要求低的產品，凍干時間需長些。殘余水份含量要求高的產品，凍干時間可縮短。裝量的多少也影響著凍干曲線的制定。一個是總裝量的多少，一個是每一容器內產品裝量的多少。裝量多的凍干時間也長。容器的品種也是需要考慮的因素，底部平整和較清潔的瓶子傳熱較好。底部不平或玻璃厚的瓶子傳熱較差，后者顯然凍干時間較長。凍干機性能的優(yōu)劣直接關系到凍干曲線的制定，凍干機有各種不同的型號，因此它們的性能也各不相同。有些機器的性能好，例如板層之間，每板層的各部分之間溫差小；冷凝器的溫度低，冰負荷能力大；凍干箱與冷凝器之間的水蒸汽流動阻力小；真空泵抽速快，真空度好而穩(wěn)定。有些機器則差一些。因此盡管是同一產品。當用不同型號的凍干機進行凍干時，曲線也是不一樣的，照搬其它型號機器的凍干曲線不一定能凍出好的產品來。制定凍干曲線和時序時要確定下列數(shù)據(jù)：預凍速度預凍速度大部分機器不能進行控制，因此只能以預凍溫度和裝箱時間來決定預凍的速率，要求預凍的速率快，則凍干箱先降至降低的溫度，然后才讓產品進箱；要求預凍的速率慢，則產品進箱之后在讓凍干箱降溫。預凍的最低溫度這個溫度取決于產品的共熔點溫度，預凍最低溫度應低于該產品的共熔點溫度。預凍的時間產品裝量多，使用的容器底厚而不平整，不是把產品直接放在凍干箱板層上凍干，凍干箱冷凍機能力差，每一板層之間以及每一板層的個部分之間溫差大的機器，則要求預凍時間長些。為了使箱內每一瓶產品全部凍實，一般要求在樣品的溫度達到預定的最低溫度之后再保持1-2小時的時間。冷凝器降溫的時間冷凝器要求在預凍末期，預凍尚未結束，抽真空之前開始降溫。之前多少時間要由冷凝器機器的降溫性能來決定。要求在預凍結束抽真空的時候，冷凝器的溫度要達到-40°C左右。好的機器一般之前半小時開始降溫。冷凝器的降溫通常從開始之后一直持續(xù)到凍干結束為止。溫度始終應在-40C以下。抽真空時間預凍結束就是開始抽真空的時間，要求在半小時左右的時間真空度能達到1x10-4毫巴。抽真空的同時，也是凍干箱冷凝器之間的真空閥打開的時候，真空泵和真空閥門打開同樣一直持續(xù)到凍干結束為止。預凍結束的時間預凍結束就是凍干箱冷凍機的運轉，通常在抽真空的同時或真空抽到規(guī)定要求時停止冷凍機的運轉。開始加熱時間一般認為開始加熱的時間（實際上抽真空開始升華即已開始）。開始加熱是在真空度達到1X10-1毫巴之后（接近1X10-1毫米汞柱），有些凍干機利用真空繼電器自動接通加熱，即空度達到1X10-1毫巴時，加熱便自動開始；有些凍干機是在抽真空之后半小時開始加熱，這時真空度已達到1X10-1毫巴甚至更高。真空報警工作時間由于真空度對于升華是極其重要的，因此新式的凍干機均設有真空報警裝置。真空報警裝置的工作時間在加熱開始之時到校正漏孔使用之前，或從一開始一直使用到凍干結束。一旦在升華過程中真空度下降而發(fā)生真空報警時，一方面發(fā)出報警信號，一方面自動切斷凍干箱的加熱。同時還啟動凍干箱的冷凍機對產品進行降溫，以保護產品不致發(fā)生熔化。校正漏孔的工作時間校正漏孔的目的是為了改進凍干箱內的熱量傳遞，通常在第二階段工作時使用，繼續(xù)恢復高真空狀態(tài)。使用時間的長短由產品的品種、裝量和調定的真空度的數(shù)值所決定。產品加熱的最高許可溫度板層加熱的最高許可溫度根據(jù)產品來決定，在升華時板層的加熱溫度可以超過產品的最高許可溫度因為這時產品仍停留在低溫階段，提高板層溫度可促進升華；但凍干后期板層溫度需下降到與產品的最高許可溫度相一致。由于傳熱的溫差，板層的溫度可比產品的最高許可溫度略高少許。凍干的總時間凍干的總時間是預凍時間，加上升華時間和第二階段工作的時間?？倳r間確定，凍干結束時間也確定。這個時間根據(jù)產品的品種，瓶子的品種、裝箱方式、裝量、機器性能等來決定，一般冷凍工作的時間較長，在18—24小時左右，有些特殊的產品需要幾天的時間