真空冷凍干燥的基本原理

真空冷凍干燥技術(shù)涉及的理論內容非常豐富，但其基本的原理卻可以簡(jiǎn)單地概括為將待干燥的含水物料凍結后，置入密閉容器并維持系統的高真空，同時(shí)向系統供熱，使水分直接從固態(tài)升華為氣態(tài)，實(shí)現脫水。

現在我們來(lái)看水的相圖。

冷凍干燥基本原理是基于水的三態(tài)變化。水(H₂O)有三種相態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，三種相態(tài)既可以相互轉換又可以共存。其變化關(guān)系可由水(H₂O)的三相圖表示:

圖中OA、OB、OC三條曲線(xiàn)分別表示冰-水、水-水蒸氣、冰-水蒸氣兩相共存時(shí)水蒸汽與溫度之間的關(guān)系，分別稱(chēng)為融化曲線(xiàn)、汽化山線(xiàn)和升華曲線(xiàn)。O點(diǎn)稱(chēng)為三相點(diǎn)，所對應的溫度為0.01℃，水蒸氣壓為6.11mbar (4.58mmHG， 611Pa)， 在這樣的溫度和水蒸氣壓下，水、冰、水蒸氣三者可共存且相互平衡。當溫度或壓力變化，就會(huì )發(fā)生一相到另一相的突變。冷凍到固態(tài)的水溶液改變溫度或壓力就會(huì )發(fā)生由固態(tài)到氣態(tài)的相變升華。在高真空狀態(tài)下，利用升華原理，使預先凍結的物料中的水份，不經(jīng)過(guò)冰的融化，直接以冰態(tài)升華為水燕汽被除去，從而達到冷凍干燥的目的。因此，真空冷凍干燥又被稱(chēng)為升華干燥。從理論上說(shuō)，真空冷凍干燥的操作區域只需在水的三相點(diǎn)以下即可。但實(shí)際的操作條件要苛刻得多，通常在0.5- -1 .5mbar的真空度和-25℃左右溫度下，才能保證冷凍干燥的順利進(jìn)行。

1.1、真空條件

冰在一定溫度下的飽和蒸汽壓大于環(huán)境的水蒸氣分壓時(shí)即可開(kāi)始升華,這是產(chǎn)生升華所必需的條件

    氣體分子在兩次連續碰撞之間所走的距離稱(chēng)為平均自由程，它與壓力成反比。在常壓下，其值很小，升華的水分子很容易與氣體碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升華速度很慢。隨著(zhù)壓力降低13.3Pa (0.133mbar)以下，平均自由程增大10⁵倍，使升華速度顯著(zhù)加快，飛離出來(lái)的水分子很少改變自己的方面，從而形成了定向的蒸汽流。所以，環(huán)境的水蒸氣分壓低于冰在一定溫度 下的飽和蒸汽壓，即真空度是維持升華所必需的條件。

1.2溫度條件

比制品溫更低的冷阱(凝結器)對水水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維持升華所必需的條件。

真空泵在凍干機中起著(zhù)抽除氣體的作用，以維護升華所必需的低壓強。1g ,水蒸氣在常壓下為1.25L而在0.133mbar時(shí)卻膨脹為10000升，普通的真空泵在單位時(shí)間內抽除如此大量的體積是不可能的。所以必須要讓這些水蒸氣重新凝結為冰而不返回產(chǎn)品，這就是專(zhuān)門(mén)]捕集水蒸氣的冷阱。制品與凝結的溫度差通常為-25°C與-50°C。冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分別為0.630mbar和0.040mbar,因而在升華面與冷凝面之間便產(chǎn)生了一個(gè)相當大的壓力差，如果此時(shí)系統內的不凝性氣體分壓可以忽略不計，它將促使制品升華出來(lái)的水蒸氣，以一定的流速定向地抵達凝結器表面結成冰霜。(下圖)因此，比制品溫更低的凝結器對水水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維護升華所必需的條件。

 1.3能量條件.

給產(chǎn)品一定程度的加熱，是加快并終完成凍干的能量條件。

出于兩個(gè)原因，給產(chǎn)品加熱是*的:.

1、分子束縛力

上面講到的實(shí)現產(chǎn)品凍干的條件沒(méi)有考察溶液成份的情況，實(shí)際上，按前面的凍干條件一般只能得到含水量10%的產(chǎn)品。實(shí)踐經(jīng)驗表明，殘余水分干燥的時(shí)間與大量升華的時(shí)間幾乎相等有時(shí)甚至還會(huì )超過(guò)。

      這剩下的殘余水分，與自由狀態(tài)的水在物理化學(xué)性質(zhì)上有所不同，殘余水分包括了化學(xué)結合之水與物理結合之水，諸如化合的結晶水結晶、蛋白質(zhì)通過(guò)氫鍵結合的水以及固體表面或毛細管中吸附水等。由于殘余水分受到種引力的束縛，其飽和蒸汽壓則是不同程度的降低，因而干燥速度明顯下降。需要提高制品溫度促進(jìn)殘余水分的氣化，但隨著(zhù)制品溫度與板溫逐漸靠攏，熱傳導變得更為緩慢，需要耐心等待相當長(cháng)的一段時(shí)間，

2、升華熱

冰的升華熱約為2822J/克，如果升華過(guò)程不供給熱量,那末制品只有降低內能來(lái)補償升華熱，直至其溫度與凝結器溫度平衡后，升華也就停止了。為了保持升華與冷凝來(lái)的溫度差，必須對制品提供足夠的熱量。

現代凍干技術(shù)，就是成功地從理論.上和實(shí)踐中滿(mǎn)足了實(shí)現凍干的三個(gè)條件，才使凍干技術(shù)得到長(cháng)足發(fā)展。

升華的水分被真空泵抽走?

在干燥過(guò)程中產(chǎn)生的水蒸氣不是由真空泵抽走，而是由冷阱捕捉。真空泵的作用是，降低不凝結氣體的分壓使得水蒸氣由產(chǎn)品轉移到冷阱。當然也在凍干開(kāi)始時(shí)，有少數的水蒸氣被真空泵抽走。因此，真空泵裝有氣體鎮流裝置。