（培训体系）冻干工艺培训教材第二章真空冷冻干燥原理
冷冻干燥基础理论
第壹节冷冻干燥的原理
壹、冻干的概念、目的及应用
冷冻干燥就是把含有大量水分的物质，预先进行降温冻结成固体。然后于真空的条件下使水蒸汽直接从固体中升华出来，而物质本身留于冻结的冰架子中，从而使得干燥制品不失原有的固体骨架结构，保持物料原有的形态,且制品复水性极好。 超导量子比特芯片利用冷冻干燥目的是为了贮存潮湿的物质，通常是含有微生物组织的水溶液，或不含微生物组织的水溶液。产品于冻结之后置于壹个低水气压下，这时包含冰的升华，直接由固态于不发生熔化的情况下变成汽态。和其他干燥方式相比避免了化学、物理和酶的变化，从而确保了制品物性于保存时不易改变。实际需要的低水汽压是靠真空的情况下达到的。
真空冷冻干燥技术主要应用于：
(1) 热稳定性差的生物制品，生化类制品，血液制品，基因工程类制品等药物冻干；
(2) 为保持生物组织结构和活性，外科手术用的皮层、骨骼、角膜、心瓣膜等生物组织的处理；
(3) 破窗锤以保持食物、香、味和营养成分以及能迅速复水的咖啡、调料、肉类、海产品、果蔬的冻干；
(4) 于微胶囊制备、药品控释材料等方面的应用。以保持生鲜物质不变性的人参、蜂皇浆、龟鳖等保健品及中草药制剂的加工；
(5) 超微细粉末功能材料如：光导纤维、超导材料、微波介质材料、磁粉以及能加速反应工程的催化剂的处理等。
二、冷冻干燥的原理及优点
陶瓷运输1、水的状态平衡图
物质有固、液、汽三态，物质的状态和其温度和压力有关。图1-1示出水（H2O）的状态平
衡图。图中OA、OB、OC三条曲线分别表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽俩相共存时其压力和温度之间的关系。分别称为溶化线、沸腾线和升华线。此三条曲线将图面分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域，分别称为固相区、液相区和气相区。箭头1、2、3分别表示冰溶化成水，水汽化成水蒸汽和冰升华成水蒸汽的过程。曲线OB的顶端有壹点K，其温度为374℃，称为临界点。若水蒸汽的温度高于其临界温度374℃时，无论怎样加大压力，水蒸汽也不能变成水。三曲线的交点O，为固、液、汽三相其存的状态，称为三相点，其温度为0.01℃，压力为610Pa。于三相点以下，不存于液相。若将冰面的压力保持低于610Pa，且给冰加热，冰就会不经液相直接变成汽相，这壹过程称为升华。
图2-1水的三相平衡图
真空冷冻干燥是先将湿料冻结到共晶点温度以下,使水分变成固态的冰,然后于较高的真空度下,使冰直接升华为水蒸气,再用真空系统中的水汽凝结器将水蒸气冷凝,从而获得干燥制品的技术。干燥过程是水的物态变化和移动的过程。这种变化和移动发生于低温低压下。因此，真空冷冻干燥的基本原理就是低温低压下传质传热的机理。
2、冷冻干燥的优点
冷冻干燥和常规的晒干、烘干、煮干、喷雾干燥及真空干燥相比，有许多突出的优点：
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电子标签分拣系统（1） 冷冻干燥于低温下进行，因此于对于许多热敏性的物质特别适用。如蛋白质、微生物之类，不会发生变性或失去生物活力。
（2） 于冻干过程中，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。
（3） 于低温下干燥时，物质中的壹些挥发性成份和受热变性的营养成分损失很小，适合壹些化学制品、药品和食品的干燥。
（4） 由于于冻结的状态下进行干燥，因此制品的体积、形状几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。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。
（5） 于真空下进行干燥，物料处于高度缺氧状态下，容易氧化的物质得到了保护。
（6） 干燥能排除95-99%之上的水份，使干燥后产品能长期保存而不变质。
第二节冷冻干燥的壹般过程
需要冻干的物品需配制成壹定浓度的液体，为了能保证干燥后有壹定的形状，壹般冻干产品应配制成含固体物质浓度于4%～25%之间的稀溶液，以浓度为10%～15%最佳。微区扫描电化学工作站
这种溶液中的水，大部分是以分子的形式存于于溶液中的自由水；少部分是以分子吸附于固体物质晶格间隙中或以氢键方式结合于壹些极性基团上的结合水。固定于生物体和细胞中的水，大部分是能够冻结和升华的自由水，仍有壹部分不能冻结、很难除去的结合水。冻干就是于低温、真空环境中除却物质中的自由水和壹部分的吸附于固体晶格间隙中的结合水。因此，冷冻干燥过程壹般分三步进行，即预冻结、升华干燥（或称第壹阶段干燥）、解析干燥（或称第二阶段干燥）。
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