真空冷冻干燥与设备

种状态是一种不稳定的状态，称为“亚稳状态”。
⑶单相区
p
相图中的三个区域为单相区，AOB区
B
是固相区，BOC 区是液相区，AOC区是气
超临界区
相区。
固相区 液相区 C
若我们继续对气－液平衡体系进行 增加压强（或升温）实验，则会得到水 的超临界区。其中，C点就是临界点。
D
O
A
气相区
T
水的平衡相图(p－T图)
DLeabharlann Baidu
O
A
气相区
走水蒸气，使物料脱水而干燥。即：
水分
Tf
T
水的平衡相图(p－T图)
湿物料
预冻
(物料冻结)
升华干燥
(除非结晶水)
解析干燥
(除残余水分)
真空冷冻干燥流程框图 冻干产品
3.真空冷冻干燥过程
真空冷冻干燥流程可知，该过程可粗略地分为预冻、升华、解析三个主 要步骤，其中升华和解析是在真空条件下进行的。
1.水的平衡相图
生产中采用真空冷冻技术对固体湿物料的干燥，通常是除去物料中的
水分。因此，要了解真空冷冻原理，首先须了解水的有关物性。
我们知道，水通常有三种聚集状态，在指定的温度、压力下可以互成
平衡。即： 冰(s)
熔化 凝固
水(l)
升华
气化 液化
水蒸气(g)
凝华
p
若根据实验数据，将水在各种平衡条件 B
B
A
A(l)－B(l)
共熔点
A(s)－B(l)
A(l)－B(s)
E
A(s)－B(s)
组成
二组分简单低共熔相图
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，进而影响后续升华干燥速率及干燥产品的性状。
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，控制预冻操作。
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。
②物料装填厚度
冻干胡萝卜块
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，所需的升华干燥时间越短。
③热量 升华过程是一个吸热过程，升华时提供的热量直接影响着升华干燥速
③预冻时间 预冻时间与预冻速率是相关的，可根据冻干物料种类及冷冻设备情况
确定。 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，造成细胞内细胞质 的浓缩，不易结冰。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 冻速度越快，温度越低，胞内冰的形成越多。
⑶解析干燥
升华干燥阶段只除去了冻结物料中约90％的非结晶水，还含有约10％
⑴预冻 预冻是指干燥前须将物料进行在低温下冻结，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段。 在实际操作中，预冻阶段的最低温度、预冻速率和预冻时间是重要的工
艺条件。 ①预冻最低温度
溶液的预冻与水或纯液体的冻结不一样，它不是在某一固定温度下完全 凝结成固体。而是在某一温度下，晶体开始析出；随着温度的下降，晶体的 数量不断增加，直至全部凝结。
这就是说，溶液的冻结是在某一温度范围内（凝程）。
当溶液在冷却时，开始析出晶体的温度常称为溶液的冰点；当溶液全部
凝结时，此温度称为溶液的凝固点（或熔点）。
对于溶液而言，此凝固点就是溶质和溶 温度
剂的共熔点。 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。一般物料预 冻的最低温度应低于其共熔点的温度。 ②预冻最优速率
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 冒出容器。
⑵升华干燥 升华干燥是使冻结物料中的冰升华为水蒸气，使物料脱水。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90％）非结晶水。升
华干燥阶段的时间长短，主要与下列因素有关。
①物料种类 不同种类的冻结物料，所需的升华干燥
当水的气－液平衡曲线(OC线)达到临界点(C点)后，平衡体系的性质变
得均一，气－液相界面消失，体系不再分为气体和液体。
2.真空冷冻干燥原理
p
真空冷冻干燥就是先将固体湿料冷冻
B
到“三相点”以下，使湿料中的水分变成
固相区 液相区 C
固态（冰）；然后在真空环境下加热，使
冰直接升华为水蒸气逸出；并通过不断移
下，温度和压力的对应关系绘制成图，就得
到水的平衡相图(p－T图)。
C
D
O
A
T
水的平衡相图(p－T图)
⑴三相点 相图中的 O点是水蒸气、水、冰三相
平衡共存的点，称为“三相点”，常称为
p
B
水的“冰点”。
⑵连线 OA 线是冰与水蒸气两相平衡共存曲
线，又称为“升华曲线”；它表示固－气 平衡时，温度与蒸气压的对应关系。
真空冷冻技术起源于十九世纪20年代。进入二十一世纪，真空冷冻 技术在生物化工离域得到长足进展。
例如：卡介苗在保冷情况下，有效期只有3个月，而其安全试验就需 耗时2个月才能完成。采用冻干技术，可使卡介苗的活菌数经 4－5 年存 放后仍保持在合格水平。
又如：在胸腺素的生产中，将小牛（或 猪）的胸腺，通过预处理、分离提取、浓缩 后，经色谱分离得到的脱洗液，通过冷冻干 燥便可得到胸腺素的精制产品。
率。
冰(s) 升华、吸热 水蒸气(g)
凝华、放热
在升华干燥过程中，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；反之，会加快升华速率，缩短升华干燥时间。
注意：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。
冰(s)
升华 凝华
水蒸气(g)
熔化
气化
水(l)
固相区 液相区 C
D
O
A
气相区
T
水的平衡相图(p－T图)
OC 线是水蒸气与水两相平衡共存曲线，又称为“蒸发曲线”；它表示
气－液平衡时，温度与蒸气压的对应关系。
OB 线是冰与水两相平衡共存曲线，又称为“熔化曲线”；表示固－液
平衡时，温度与蒸气压的对应关系。
OC 线能向下延伸为虚线OD曲线，是过冷水与水蒸气平衡共存曲线；这
真空冷冻干燥与设备
The vacuum refrigeration aridity and equipments
一、真空冷冻干燥原理 二、真空冷冻干燥的特点 三、真空冷冻干燥器
一、真空冷冻原理
真空冷冻干燥又称为升华干燥，简称“冻干”(freeze-drying)，是 生物化工生产中固体湿物料干燥或产品保存的一种常用的脱水传质单元 操作。