冷冻干燥原理 (一)

冷冻干机的原理

枯燥是保持物质不致腐败变质的方法之一。枯燥的方法很多，

如哂干、煮干、烘干、喷雾枯燥和真空枯燥等。但这些枯燥方法都是

在以上或更高的温度下进展。枯燥所得的产品，一般是体积缩

小、质地变硬，有些物质发生了氧化，一些易挥发的成分大局部会

损失掉，有些热敏性的物质，如蛋白质、绥生素会发生变性。微生物

会失去生物活力，枯燥后的物质不易在水中溶解等。因此枯燥后的产

品与枯燥前相比在性状上有很大的差异。而冷冻枯燥法不同于以上

的枯燥方法，产品的枯燥根本上在0℃以下的温度进展，即在产品冻

结的状态下进展，直到后期，为了进一步降低产品的剩余水份含量，

才让产品升至0℃以上的温度，但一般不超过50℃。

冷冻枯燥就是把含有大量水分物质，预先进展降温冻结成固体，

然后在真空的条件下使水蒸汽干脆升华出来，而物质本身剩留在冻结

时的冰架中，因此它枯燥后疏松多孔体积不变。引起产品本身温度的

下降而减慢升华速度，为了增加升华速度，缩短枯燥时间，必须要对

产品进展适当加热。整个枯燥是在较低的温度下进展的。

物质在枯燥前始终处于低温（冻结状态），同时冰晶匀称分布于

物质中，升华过程不会因脱水而发生浓缩现象，防止了由水蒸气产生

泡沫、氧化等副作用。枯燥物质呈干海绵多孔状，体积根本不变，极

易溶于水而复原原状。在最大程度上防止枯燥物质的理化和生物学方

面的变性。

它的工作原理是将被枯燥的物品先冻结到三相点温度以下,

D

、d

高L

a1XK

1O7

相

因相\/

6103气相

00.01374温度/P

水的相平衡图

然后在真空条件下使物品中的固态水分（冰）干脆升华成水蒸气，

从物品中解除，使物品枯燥。物料经前处理后，先进展速冻，再真空

枯燥升华脱水，之后在后处理车间包装。真空系统为升华枯燥仓建立

低气压条件，加热系统向物料供应升华潜热，制冷系统向捕水器和枯

燥仓供应所需的冷量。对冻干制品的质量要求是：生物活性不变、外

观色泽匀称、形态饱满、构造牢固、溶解速度快，剩余水分低。要获

得高质量的制品，对冻干的理论和T艺应有一个比拟全面的了解。冻

干工艺包括预冻、升华和再冻干三个分阶段。合理而有效地缩短冻干

的周期在工一业生产上具有明显的经济价值。

制品的冻结（预冻）

在真空冷冻枯燥过程中，须要先对被枯燥的药品进展预冻，然后

在真空状态下，使水分干脆由冰变为气而使药品枯燥。在整个升华阶

段，药品必需保持在冻结状态，否则就不能得到性状良好的产品。

溶液速冻时，晶粒保持在显微镜下可见的大小；相反慢冻时，形

成的结晶肉眼可见。粗晶在升华留下较大的空隙，可以提高冻干的效

率，细晶在升华后留下的间隙较小，使下层升华受阻，速成冻的成品

粒子细腻，外观匀称，比外表积大，多孔构造好，溶解速度快，便成

品的引湿性相对也要强些。

药品在冻干机中预冻在两种方式：一种是制品与枯燥箱同时降

温；另一种是待枯燥箱搁板降温至-40℃左右，再将制品放入，前者

相当于慢冻，后者那么介于速冻与慢冻之间，因而常被采纳，以兼顾

冻干效率与产品质量。此法的缺点是制品入箱时，空气中的水蒸气将

快速地凝聚在搁板上，而在升华初期，假设板升温较快，由于大面积

的升华将有可能超越凝聚器的正常负荷。此现象在夏季尤为显著。

制品的冻结处于静止状态。经验证明，过冷现象简单发生致使制

品温度虽已到达共晶点，但溶质仍不结晶，为了克制过冷现象，制品

冻结的温度应低于共晶点以下一个范围，并需保持一段时间，以待制

品完全冻结。

预冻温度：进展真空冷冻枯燥，必需保证预冻温度足够低。由于物料的多样性，对有

共晶点的物料，一般的处理方法是低于共晶点的5至10摄氏度；对于不存在共晶点的物料

［以非晶态、玻璃态或两种状态共存）就须要进展屡次试验，确认预冻温度。

预冻时间：整个预冻须要持续一段时间，物料的冻结过程也是一个放热的过程。为了能

使预冻的效果更好，通常在到达预冻温度的时候，保持一段时间。通常的时间为2小时左右，

当然这只是一个估计经验值，详细须要依据物料的特性进展计算。

预冻速率：速率与物料有很大的关系，缓慢冷冻产生的冰晶较大，枯燥速率较快，

对于一般的药品的冻干很有帮助;而较为快速冷冻产生的冰晶就较小，对应的枯燥速率较慢,

对r生物制品枯燥的效果较好。对于速率的调整须要针对不同的物料进展区分，如生物细胞

就不能过慢的冷冻，会造成其蛋白质的变性，生命体死亡，我们称这种现象为溶质效应，是

须要我们在直空冷冻枯燥须要防止的。

二升华的条件与速度

冰在肯定温度下的饱和蒸汽压大于环境的水蒸气分压时即可开

场升华；比制品温更低的凝聚器对水水蒸气的抽吸与捕获作用，那么

是维持升华所必需的条件。

气体分子在两次连续碰撞之间所走的距离称为平均自由程，它与

压力成反比。在常压下，其值很小，升华的水分子很简单与气体碰撞

又返回到蒸汽源外表，因而升华速度很漫C随着压力降低以下，平均

自由程增大105倍，使升华速度显著加快，飞离出来的水分子很少变

更自己的方面，从而形成了定向的蒸汽流。

真空泵在冻干机中起着抽除永久气体的作用，以维护升华所必需

的低压强。1g水蒸气在常压下为L而在时却膨胀为100()0升，一般

的真空泵在单位时间内抽除如此大量的体枳是不行能的。凝聚器事实

上形成了特地捕集水蒸气的真空泵。

制品与凝聚器的温度通常为-25℃与-50℃。冰在该温度下的饱和

蒸汽压分别为与，因而在升华面与冷凝面之间便产生了一个相当大的

压力差，假如此时系统内的不凝性气体分压可以忽视不计，它将促使

制品升华出来的水蒸气，以肯定的流速定向地抵达凝聚器外表结成冰

霜。

冰的升华热约为2822J/克，假如升华过程不供应热量，那末制品

只有降低内能来补偿升华热，直至其温度与凝聚器温度平衡后，升华

也就停顿了。为了保持升华与冷凝来的温度差，必需对制品供应足够

的热量。

三升华过程

在升温的第一阶段（大量升华阶段），制品温度要低于其共晶点

一个范围。因此搁板温要加以限制，假设制品已经局部枯燥，但温度

却超过了其共晶点，此时将发生制品溶化现象，而此时溶化的液体，

对冰饱和，对溶质却未饱和，因而枯燥的溶质将快速溶解进去，最终

浓缩成一薄僵块，外观极为不良，溶解速度很差，假设制品的溶化发

生在大量升华后期，那么由于溶化的液体数量较少，因而被枯燥的孔

性固体所汲取，造成冻干后块状物有所缺损，加水溶解时仍能发觉溶

解速度较慢。

物料基质

今

营

冻干时冰晶消失留下孔隙（穴）示意图

在大量升华过程，虽然搁板和制品温度有很大悬殊，但由于板温、

凝聚器温度和真空温度根本不变，因而升华吸热比拟稳定，制品温度

相对恒定。随着制品自上而下层层枯燥，冰层升华的阻力渐渐增大。

制品温度相应也会小幅上升。直至用肉眼已看不到冰晶的存在。此时

90%以上的水分已除去。大量升华的过程至此已根本完毕，为了确保

整箱制品大量升华完毕，板温仍需保持一个阶段后再进展其次阶段的

升温°剩余百分之几的水分称剩余水分，它与自由状态的水在物理化

学性质上有所不同，剩余水分包括了化学结合之水与物理结合之水，

诸如化合的结晶水结晶、蛋白质通过氢键结合的水以及固体外表或毛

细管中吸附水等。由于剩余水分受到某种引力的束缚，其饱和蒸汽压

那么是不同程度的降低，因而枯燥速度明显下降。虽然提高制品温度

促进剩余水分的气化，但假设超过某极限温度，生物活性也可能急剧

下降。保证制品平安的最高枯燥温度要由试验来确定。通常我们在其

次阶段（解析枯燥）将板温+30C左右，并保持恒定。在这一阶段初期,

由于板温上升，剩余水分少又不易气化，因此制品温度上升较快。但

随着制品温度与板温渐渐靠拢，热传导变得更为缓慢，须要耐性等待

相当长的一段时间，实践经验说明，剩余水分枯燥的时间与大量升华

的时间几乎相等有时甚至还会超过。

四真空冷冻枯燥的程序

真空冷冻枯燥的程序是这样的：在冻干之前，把须要冻干的产品

分装在相宜的容器内，装量要匀称，蒸发外表尽量大而厚度尽量薄些;

然后放入与冻干箱尺寸相适应的金属盘内。将产品放入冻干箱内进展

预冻，抽真空之前要依据捕水器制冷压缩机的降温速度提前使捕水器

工作，抽真空时捕水器应到达-40℃左右的温度，待真空度到达肯定

数值后（通常应到达lOOPa以上的真空度），即可对箱内产品进展加

热。一般加热分两步进展，第一步加温不使产品的温度超过共熔点的

温度；待产品内水份根本干完后进展其次步加温，这时可快速地使产

品上升到规定的最高温度。在最高温度保持数小时后，即可完毕冻干。

整个升华枯燥的时间约12-24小时左右，与产品的形态、规