真空冷冻乾燥

1、真空冷凍乾燥一、實驗目的了解冷凍乾燥原理，探討樣品變數包括濃度、面積、厚度等對冷凍乾燥速率 之影響。、相關原理乾燥程序在樣品製備，以及生物製品、藥品與食物的保存是一項重要的程 序，在各種不同的脫水方法中例如噴霧乾燥、冷凍乾燥等，冷凍乾燥極適合應 用在對熱敏感的物質，此種非破壞性的程序可由冷凍乾燥後的病毒與微生物仍保 有繁殖能力而獲得證明。冷凍乾燥程序是將冷凍後的固態物質中的溶劑固態直接變成蒸氣亦即昇華，此程序包含冷凍樣品的吸熱以促使溶劑固態的昇華、使用真空幫浦以加強 樣品表層蒸氣的移除、蒸氣輸送至收集器、以及收集器中蒸氣的冷凝等。冷凍乾燥的效率與以下幾點有關:樣品的蒸發面積及厚度、 樣品的共

2、熔點及濃度、3收集器的溫度與真空度，下表為某些含水樣品之適當的冷凍乾 燥溫度及所需的乾燥時間。SAFE TEMPERATURE AND DRYING TIMES FOR EELEC 1 ED MATERIALSMaterial10mm ThickSafeTemperature°CCollectorTemperature°CHours (Approx.)Milk-5-4010Urea<7MO10Blood Plasma-10 to -25-4016Serum-25-4018Vaccinia-30 to -40-5022Influenza VaccineJO-5024Hu

3、m日ti Tissue-30 to -40-5048Vegetable Tissue-50-8060*Toral sample quantities are contingent on various freeze dryer capatitics.樣品的蒸發面積越大，冷凍乾燥的速率越快；再者，假设固定樣品的蒸發面積， 越厚的樣品，冷凍乾燥的速率越慢，這是因為升華所需的熱量通常吸收自樣品表 層的另一邊，熱量需穿過冷凍層才能使溶劑蒸發，同時，蒸氣也需穿過凍乾層才 能到達樣品的表層。當然，假设樣品的體積極少，蒸發外表積與厚度對乾燥速率的 影響是可忽略的；而對大體積樣品而言，應使其蒸發面積極大化、厚

4、度極小化。冷凍乾燥程序中，為使昇華發生，收集器的溫度最好低於樣品共熔點樣品的熔點1520 C, 一般生物製品的共熔點約-15-20 C間，而不同的溶質與 濃度皆會影響樣品共熔點的上下。在大氣壓下，樣品表層的蒸氣擴散至收集器 是極慢的，故需要維持低於0.133 mBar之真空度以提高擴散速率。冷凍乾燥速率直接正比於蒸氣壓，而蒸氣壓與 共熔點、樣品濃度有關，溶 液中所含非揮發性溶質是導致溶液之蒸氣壓下降、熔點下降的主因，以方程式 、2表示之，並如下圖所示：水溶液之蒸氣壓下降、沸點上升及熔點下降圖,蒸氣壓降厶P = i Xb P°a(1)熔點下降厶Tf = i Kf mXb :溶質之莫爾分

5、率POA :純溶劑之蒸氣壓Kf：某一溶劑之凝固點下降常數m：重量莫耳濃度i： van 'Hoff因子，即平均每個電解質游離出的粒子數*非電解質的i = 1有關溶液之蒸氣壓下降、熔點下降，例如鹽水的共熔點約-21C 純水為0C,鹽水的蒸氣壓僅為純水的1/16,故鹽水的冷凍乾燥的速率低於純水的。Freezing point Freezing poini TemperalureBoiling poini Boiling pointot soluiion of waterol water of solution樣品的冷凍乾燥是否能在控制下完成，除了與上面因素有關外，與冷凍乾燥機的規格亦有關連。

6、對某一台冷凍乾燥機而言，冷凍乾燥的冷凍容量capacity與共熔點上下、溶質濃度、樣品蒸發面積及熱量傳送至樣品的速率、真空度有 關，其中最重要的影響因素為共熔點上下。對不同溶劑而言，共熔點上下並 不一定代表蒸氣壓的上下；但對同一種溶劑系統而言，低的共熔點因溶液含非 揮發性溶質將導致低的蒸氣壓而降低乾燥速率。再者，太低的共熔點可能因冷 凍能力缺乏而使樣品液化，導致過高的蒸氣壓而超出冷凍乾燥機的容量負荷此時，樣品可能液化而導致突沸、及蒸氣壓會過高，使收集器無法及時冷凝。而冷凍乾燥機亦必須維持極高的真空度，當真空度無法維持時即表示超出其冷凍容 量負荷，因此樣品應盡量集中在較小的空間來進行乾燥。關於熱

7、量傳送至樣品的 速率，單位質量樣品的傳熱面積越大，則熱量傳送至樣品的速率越快，冷凍乾燥 越快。在某些情況，樣品或許含有高揮發性物質例如甲醇、乙醇等，這些高揮發 性物質將使樣品的共熔點降低，導致蒸氣壓增加，並可能使樣品液化假使冷凍 乾燥機的冷凍能力缺乏時，遇到此種情形時，以水稀釋樣品降低濃度，再進行 冷凍乾燥是解決問題的辦法。三、實驗裝置可不用畫！四、實驗方法1開機前，務必先漏掉chamber中的水。否則，在後段的冷凍乾燥過程可能使蒸 氣壓太大，超過負荷而 Alarm。2. 取奶粉溶液、純水各100、30、10 ml，分別倒入6隻容器中，放在-20C的冰 箱冷凍固化之，樣品變數包括濃度不同、蒸發

8、面積不同、厚度不同-此參數沒有。3. 開啟冷凍乾燥機auto操作，等達到所需的真空度、低溫，才可將已固化的樣 品放入樣本瓶中，再開啟 頸部通連開關，進行冷凍乾燥6小時以上，過程中約 60 min取出樣品秤重讀取數據至小數點以下第二位，至少5次以上。*不要將乾燥瓶至於凍乾燥機的散熱風扇兩旁，以免樣品液化。*須先關閉頸部通連開關，才可取出樣本瓶。*先取一瓶秤重後，裝回去繼續乾燥，才可取第二瓶秤重 。否則，過程太久會 使樣品液化。*取/裝樣本瓶、取/裝樣品等動作應小心，樣本瓶 NT 6000元/隻。4關機程序：實驗做完後，拆下樣本瓶-開啟頸部通連開關，通大氣-關機。 務必依此程序關機以防止真空油倒灌

9、。五、數據處理與計算範例實驗紀錄：冷凍溫度 、真空度tmin純水瓶區間損失重量(g)水溶液瓶區間損失重量(g)純水瓶區間損失重量(g)水溶液瓶區間損失重量(g)純水瓶區間損失重量(g)0-6060-120時間蒸發面積：1.54 cm2蒸發面積：25.94 cm蒸發面積：18 cm2min奶粉：10g/100g 水奶粉：10g/100g 水奶粉：10g/100g 水純水瓶r水溶液瓶純水瓶水溶液瓶純水瓶水溶液瓶重量(g)重量(g)重量(g)重量(g)重量(g)重量(g)0tmin純水瓶 損失重量累積(g)水溶液瓶 損失重量累積(g)純水瓶 損失重量累積(g)水溶液瓶 損失重量累積(g)純水瓶 損失重量累積(g)水溶液瓶 損失重量累積(g)0作圖：1. 畫出各樣品之損失重量累積量VS時間曲線於同一圖上圖1。此曲線上升的 趨勢越大，冷凍乾燥速率越快,冷凍乾燥速率= W/ t。2. 畫出各樣品之損失重量累積量十蒸發面積vs時間曲線於同一圖上圖2。3. 畫出各樣品之數據點間之損失重量宁蒸發面積宁時間區間即昇華通量vs. 時間曲線於同一圖上圖3。六、討論1.討論個1各樣品冷凍乾燥速率與時間的關係?探討濃度、蒸發面積因素對乾