真空冷冻干燥课件

1、真空冷冻干燥真空冷冻干燥1203023005 吴勰吴勰 真空冷冻干燥真空冷冻干燥 是一种常用的物质干燥方法是一种常用的物质干燥方法 一、真空冷冻干燥原理一、真空冷冻干燥原理真空冷冻干燥也叫真空冷冻干燥也叫升华干燥升华干燥或或冻干冻干。它是利用。它是利用升华的原理使物料脱水的一种干燥技术。物料升华的原理使物料脱水的一种干燥技术。物料经快速冷冻后，在真空（低于水的三相点压力）经快速冷冻后，在真空（低于水的三相点压力）环境下加热，使其中的水分从固体的冰直接升环境下加热，使其中的水分从固体的冰直接升华成水蒸气，不断移走水蒸气，从而使物料脱华成水蒸气，不断移走水蒸气，从而使物料脱水干燥。冷冻干燥得到的产

2、物称为水干燥。冷冻干燥得到的产物称为冻干物冻干物。到底什么才是真空冷冻干燥？你知道吗？冷冻干燥技术是在第二次世纪大战期间，因大冷冻干燥技术是在第二次世纪大战期间，因大量需要血浆和青霉素而发展起来的。现在除了量需要血浆和青霉素而发展起来的。现在除了应用化学、食品和医药工业，还被用于制备纳应用化学、食品和医药工业，还被用于制备纳米材料，制备催化剂和陶瓷超导体材料等。米材料，制备催化剂和陶瓷超导体材料等。真空冷冻干燥的起源 一冷冻干燥在低温下进行，因此对于许多热敏性一冷冻干燥在低温下进行，因此对于许多热敏性的物质特别适用。如蛋白质、微生物之类不会发生的物质特别适用。如蛋白质、微生物之类不会发生变性或

3、失去生物活力。因此在医药上得到广泛地应变性或失去生物活力。因此在医药上得到广泛地应用。用。 二在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成分损二在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小，适合一些化学产品，药品和食品干燥。失很小，适合一些化学产品，药品和食品干燥。 三在冷冻干燥过程中，微生物的生长和酶的作用三在冷冻干燥过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因此能保持原来的性状。无法进行，因此能保持原来的性状。一、冷冻干燥的特点一、冷冻干燥的特点v四由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎四由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。不变，保持了原来的结构，不

4、会发生浓缩现象。 v五干燥后的物质疏松多孔，呈海绵状，加水后溶五干燥后的物质疏松多孔，呈海绵状，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。v 六由于干燥在真空下进行，氧气极少，因此一些六由于干燥在真空下进行，氧气极少，因此一些易氧化的物质得到了保护。易氧化的物质得到了保护。 v七干燥能排除七干燥能排除95-99%以上的水份，使干燥后产以上的水份，使干燥后产品能长期保存而不致变质。品能长期保存而不致变质。二、冷冻干燥过程冻干蔬菜冻干蔬菜冻干香蕉冻干香蕉 对冻干物的质量要求通常是： 生物活性不变、外观色泽均匀、形态饱满、结构牢固、溶解速度快、残余水分低。

5、真空冷冻干燥一般分为预冻、升华、解析三个主要过程，其中升华和解析过程是在冷冻下进行的。合理有效的缩短冻干的周期在工业上具有明显的经济价值。1、预冻v预冻预冻是指在冷冻干燥前，先将制品溶液分装是指在冷冻干燥前，先将制品溶液分装入适宜的容器，然后在低温（入适宜的容器，然后在低温（-40 以下以下 ）下冻结，使物料固定，为升华干燥做准备。下冻结，使物料固定，为升华干燥做准备。或者说，预冻是真空冷冻干燥操作的准备阶或者说，预冻是真空冷冻干燥操作的准备阶段。段。v 在实际操作中，预冻阶段的在实际操作中，预冻阶段的最低温度、预最低温度、预冻速率冻速率和和预冻时间预冻时间是重要的工艺条件。是重要的工艺条件。

6、 预冻最低温度预冻最低温度 溶液的预冻与水或纯液体的冻结不一样，它不是溶液的预冻与水或纯液体的冻结不一样，它不是在某一固定温度下完全凝结成固体在某一固定温度下完全凝结成固体。而是而是在某一温度在某一温度下下，晶体开始析出晶体开始析出；随着温度的下降，晶体的数量不随着温度的下降，晶体的数量不断增加，直至全部凝结断增加，直至全部凝结。 这就是说，这就是说，溶液的冻结是在某一温度范围内溶液的冻结是在某一温度范围内（凝程）（凝程）。 当溶液在冷却时，开始析出晶体的温度常称当溶液在冷却时，开始析出晶体的温度常称为溶液的为溶液的冰点冰点；当溶液全部凝结时，此温度称为；当溶液全部凝结时，此温度称为溶液的溶液

7、的凝固点（或熔点）凝固点（或熔点）。 对于溶液而言，此凝固点就是溶质和溶剂的对于溶液而言，此凝固点就是溶质和溶剂的共熔点共熔点。 在真空冷冻干燥操作中，物料预冻的最低温在真空冷冻干燥操作中，物料预冻的最低温度应根据其共熔点来确定。度应根据其共熔点来确定。一般物料预冻的最低一般物料预冻的最低温度应低于其共熔点的温度。温度应低于其共熔点的温度。 预冻最优速率预冻最优速率 在溶液预冻过程中，预冻速率的快慢往往会在溶液预冻过程中，预冻速率的快慢往往会影响着生物活性以及形成晶体的大小，进而影响影响着生物活性以及形成晶体的大小，进而影响后续升华干燥速率及干燥产品的性状。后续升华干燥速率及干燥产品的性状。

8、因此，进行真空冷冻干燥操作前，须根据具因此，进行真空冷冻干燥操作前，须根据具体的干燥产品测定出预冻的最优速率，控制预冻体的干燥产品测定出预冻的最优速率，控制预冻操作。操作。 预冻时间预冻时间 预冻时间与预冻速率是相关的，可根据冻干物料种预冻时间与预冻速率是相关的，可根据冻干物料种类及冷冻设备情况确定。类及冷冻设备情况确定。 例如：对细胞悬浮液进行冷冻。例如：对细胞悬浮液进行冷冻。 若预冻时间缓慢，悬浮液大量的冰生成，会使细胞挤若预冻时间缓慢，悬浮液大量的冰生成，会使细胞挤在冰空隙中；空隙中，因冰的形成使溶液浓缩，迫使细在冰空隙中；空隙中，因冰的形成使溶液浓缩，迫使细胞内水渗透出，造成细胞内细胞

9、质的浓缩，不易结冰。胞内水渗透出，造成细胞内细胞质的浓缩，不易结冰。同时，冰的形成还将迫使细胞变小、变形。同时，冰的形成还将迫使细胞变小、变形。 若进行快速预冻，则可形成胞内冰。一般来说，冷冻若进行快速预冻，则可形成胞内冰。一般来说，冷冻速度越快，温度越低，胞内冰的形成越多。速度越快，温度越低，胞内冰的形成越多。 恰当的预冻时间除了须考虑冻干物料的种类外，还须恰当的预冻时间除了须考虑冻干物料的种类外，还须保证在抽真空前物料已冻实，不至于因抽真空使物料冒保证在抽真空前物料已冻实，不至于因抽真空使物料冒出容器。出容器。 在共熔点温度将冻结物质中的水分除去的过在共熔点温度将冻结物质中的水分除去的过程

10、称为程称为升华升华。升华阶段称为第一阶段干燥，主要。升华阶段称为第一阶段干燥，主要除去冻结物料中大部分（约除去冻结物料中大部分（约9090）非结晶水。升）非结晶水。升华干燥阶段的时间长短，主要与下列因素有关。华干燥阶段的时间长短，主要与下列因素有关。 升华干燥升华干燥 物料种物料种类类 不同种类的冻结物料，所需的升华干燥时间不同。一不同种类的冻结物料，所需的升华干燥时间不同。一般而言，共熔点温度较高的物料易于干燥，所需的升华般而言，共熔点温度较高的物料易于干燥，所需的升华干燥时间较短；反之，共熔点温度较低的物料难以干燥，干燥时间较短；反之，共熔点温度较低的物料难以干燥，所需的升华干燥时间较长。

11、所需的升华干燥时间较长。 物料装填厚度物料装填厚度 物料的装填厚度直接影响着升华干燥速率，物料装填物料的装填厚度直接影响着升华干燥速率，物料装填越厚，所需的升华干燥时间越长；反之，物料装填越薄，越厚，所需的升华干燥时间越长；反之，物料装填越薄，所需的升华干燥时间越短。所需的升华干燥时间越短。 热量热量 升华升华过程过程是一个吸热过程，升华时提供的热量直接影响是一个吸热过程，升华时提供的热量直接影响着升华干燥速率。着升华干燥速率。 在升华干燥过程中，在升华干燥过程中，若提供的热量不足，必然会减慢升若提供的热量不足，必然会减慢升华速率，延长升华干燥时间华速率，延长升华干燥时间；反之反之，会会加快加

12、快升华速率，升华速率，缩缩短短升华干燥时间。升华干燥时间。冰冰(s) 水蒸气水蒸气(g)升华、吸热升华、吸热凝华、放热凝华、放热注意：注意：若升华时提供的热量如果过多，会导致冰熔化，改若升华时提供的热量如果过多，会导致冰熔化，改变相变化路线，使干燥产品性状受到严重影响。变相变化路线，使干燥产品性状受到严重影响。 解析干燥解析干燥 升华干燥阶段只除去了冻结物料中约升华干燥阶段只除去了冻结物料中约9090的非结晶水，的非结晶水，还含有约还含有约1010的残余非结晶水。这部分水是未被冻结的，的残余非结晶水。这部分水是未被冻结的，是靠是靠范德华力范德华力吸附在物料毛细管壁上或靠吸附在物料毛细管壁上或靠

13、氢键氢键粘附在物料粘附在物料的极性基团上。的极性基团上。 为了使干燥产品的含水量达到标准，还需对物料进一为了使干燥产品的含水量达到标准，还需对物料进一步干燥，除去此部分水。此时的干燥常称为解析干燥，步干燥，除去此部分水。此时的干燥常称为解析干燥，或第二阶段干燥。或第二阶段干燥。资料卡片1.1.范德华力范德华力 范德华力是一种分子间作用力。按其实质来说，范德华力是一种电性的吸引范德华力是一种分子间作用力。按其实质来说，范德华力是一种电性的吸引力。范德华力可进一步分为取向力、诱导力和色散力。力。范德华力可进一步分为取向力、诱导力和色散力。2.2.取向力取向力 取向力发生在极性分子与极性分子之间。因

14、极性分子电取向力发生在极性分子与极性分子之间。因极性分子电性分布不均匀，一端带正电，一端带负电，形成偶极。当两性分布不均匀，一端带正电，一端带负电，形成偶极。当两个极性分子相互接近时，其偶极的同极相斥，异极相吸。个极性分子相互接近时，其偶极的同极相斥，异极相吸。+ -+ -3.3.诱导力诱导力 极性分子与非极性分子相遇时，在极性分子的诱导作用极性分子与非极性分子相遇时，在极性分子的诱导作用下，非极性分子变形而产生偶极。下，非极性分子变形而产生偶极。+ -取向力+ -+ -诱导力4.4.色散力色散力 非极性分子与非极性分子相遇时，因分子内电子的运动会产生瞬间偶极。在非极性分子与非极性分子相遇时，因分子内电子的运动会产生瞬间偶极。在瞬间偶极的作用下，非极性分子与非极性分子同样会相互吸引。瞬间偶极的作用下，非极性分子与非极性分子同样会相互吸引。 解析干燥阶段一般是通过升高干燥操作温度解析干燥阶段一般是通过升高干燥操作温度来来实现。在此阶段，可以使制品的温度迅速上升实现。在此阶段，可以使制品的温度迅速上升到该制品的最高容许温度，并在该温度下一直维到该制品的最高容许温度，并在该温度下一直维持到冻干结束。但应持到冻干结束。但应注意注意，解析干燥的温度不能，解析干燥的温度不能超过物料的最高允许