冷冻干燥原理培训冻干原理

1.1 制冷系统
? 制冷系统由冷冻机与冻干箱、冷凝器 内部的管道等组成。冷冻机可以是互 相独立的二套，也可以合用一套。冷 冻机的功用是对冻干箱和冷凝器进行 致冷，以产生和维持它们工作时所需 要的低温，它有直接制冷和间接制冷 二种方式。
1.2 真空系统
? 冻干箱、冷凝器、真空管道和阀门， 再加上罗茨泵、真空泵，便构成冻干 机的真空系统。
2.制品冻结时的注意事项
? 2.4 为了改进热传递，有些金属盘制成可 分离式，进箱时把底抽走，让小瓶直接与 冻干箱的金属板接触；对于不可抽底的盘 子要求盘底平整，以利于产品热传递的均 一性；采用旋冻法的大血浆瓶要事先冻好， 然后再加上降过温的金属块后再进行冷冻。
3、制品的冻结过程
纯水结冰
冰晶的生长
? 5．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。
? 6．由于干燥在真空下进行，氧气极少， 因此一些易氧化的物质得到了保护。
? 7．干燥能排除95-99%以上的水份，使干 燥后产品能长期保存而不致变质。
三、冻干机的组成
1、冻干机的组成按系统分
? 1.1 制冷系统 ? 1.2 真空系统 ? 1.3 加热系统 ? 1.4 控制系统
4.2 溶质效应
? 4.2.2 溶质效应在某一温度范围 最为明显。这个温度范围在水的 冰点和该液体的全部固化温度之 间。
? 若制品能以较高的速度越过这一 温度范围，溶质效应所产生的影 响就能大大减弱。
4.2 溶质效应
? 4.2.3 冷冻时所形成冰晶体的大小在
很大程度上也影响干燥的速率和干燥 后制品的溶解速度。 ? 大的冰晶容易升华，小的冰晶不利于 升华；但大的冰晶溶解慢，小的冰晶 溶解快。冰晶越小、干燥后越能反映 产品的原来结构。
? 制品完全冻结后其内部离子将固定不动， 因此电阻率明显增大；如果制品没有完全 冻结，其内部会有少量液体存在，其电阻 率将显著下降。因此通过测量制品的电阻 率可以确定制品的共熔点。
4、一些物质的共熔点
物质
共熔点（℃）
0.85%氯化钠溶液
-22
10%蔗糖溶液
-26
40%蔗糖溶液
-33
10％蔗糖溶液、 10%葡萄糖
七、制品的第一阶段干燥
1.第一阶段干燥的简述
? 1.1 制品内的冰全部升华之前的阶段称第 一阶段干燥、也叫作解吸干燥阶段
? 1.2 制品在升华时要吸收热量，一克冰全 部变成水蒸汽大约需要吸收670卡左右的 热量，因此升华阶段必须对产品进行加热。 但对制品的加热量是有限度的，不能使制 品的温度超过其自身共熔点温度。
六、制品的冻结
1.制品冻结的简述
? 1.1 冻结的目的：是为了固定制品， 以便在真空下进行升华。没有冻实的 制品抽真空时制品会冒出瓶外；如果 制品温度冻的过低，则不仅浪费了能 源和时间，而且对于某些制品还会降 低活性。
1.制品冻结的简述
? 1.2 制品在进行冷冻干燥时，需要装 入适宜的容器，然后进行冻结，才能 进行升华干燥。
2.1 冻干箱
? 冻干箱是一个能够致冷到-40℃左右， 能够加热到+50℃左右的高低温箱， 也是一个能抽成真空的密闭容器。
? 它是冻干机的主要部分，需要冻干的 产品就放在箱内分层的金属板层上， 对产品进行冷冻，并在真空下加温， 使产品内的水份升华而干燥。
2.2冷凝器
? 冷凝器同样是一个真空密闭容器，在 它的内部有一个较大表面积的金属吸 附面，吸附面的温度能降到-40℃以 下，并且能恒定地维持这个低温。
4、冻干箱内的压强
? 4.3 当压强太高时，产品内冰的升华速率减慢， 产品吸热量将减少。于是产品自身的温度上升， 当高于共熔点温度时，产品将发生熔化，造成冻 干失败。
? 4.4 冻干箱的合适压强一般认为是在 10-30Pa 之间， 在这个压强范围内，既利于热量的传递又利于升 华的进行。超过 30Pa时，产品可能熔化，此时将 发出真空报警信号，切断对产品的加热，甚至启 动冷冻机对冻干箱进行降温，以保护产品不致发 生熔化。
冷冻干燥原理
一、冷冻干燥的综述
? 就是把含有大量水分的制品，预先进 行降温冻结成固体，然后在真空的条 件下使水蒸汽直接升华出来，而制品 本身保留在冻结时的冰架中，干燥后 的制品体积基本不变，疏松多孔，有 效地保证了生物制品的活性且易于保 存。在冷冻干燥过程中为了增加升华 速度，缩短干燥时间，要对产品进行 适当加热。整个干燥是在较低的温度 下进行的。
? 冷凝器的功用是把冻干箱内产品升华 出来的水蒸气冻结吸附在其金属表面 上。
四、共溶点及其测量方法
1.共熔点的概念
? 制品内的各种组份全部冻结成固体的 温度即为共熔点。
2、共熔点的意义
? 由于冷冻干燥是在真空状态下进行。只有 制品全部冻结后才能在真空下进行升华， 否则有部分液体存在时，在真空下不仅会 迅速蒸发，造成液体的浓缩使冻干制品的 体积缩小；而且溶解在水中的气体在真空 下会迅速冒出来，造成象液体沸腾的样子， 使冻干产品鼓泡，甚至冒出瓶外。
5、板层的温度应进行合理控制
? 在升华干燥阶段，冻干箱的板层为制品的 升华提供热量。
? 冻干制品在升华开始时必须要冷到共熔点 以下的温度，使冻干制品真正全部冻结。
3、共熔点的确定
? 在冻结过程中，从外表的观察来确定制品 是否完全冻结成固体是不可能的；靠测量 温度也无法确定制品内部是否完全冻结成 固体。而随着制品冻结温度的变化，其内 部冰晶结构也发生变化，同时制品的电阻 率也会发生相应变化。
2. 升华的制品温度与共熔点温度的 比较
? 2.1 升华的制品温度如果低于共熔点温度 过多，则升华的速率降低，升华阶段的时 间会延长；
? 2.2 如果高于共熔点温度，则产品会发生 熔化，干燥后的产品将发生体积缩小，出 现气泡，颜色加深，溶解困难等现象。
? 2.3 因此升华阶段制品的温度要求接近共 熔点温度，但又不能超过共熔点温度
2、冷冻干燥时间的影响因素
? 4.1 产品的种类 ? 4.2 产品的装量 ? 4.3 玻璃容器的形状、规格 ? 4.4 冻干曲线及机器的性能等。
3、冻干曲线
? 冻干曲线：在冻干过程中，以产品和板层 的温度、冷凝器温度和真空度为纵坐标， 时间为横坐标画成的曲线，叫做冻干曲线。
? 冻干不同的产品应采用不同的冻干曲线。 同一产品使用不同的冻干曲线时，产品的 质量也不相同，冻干曲线还与冻干机的性 能有关。
1.4 控制系统
? 控制系统由各种控制开关，指示调节 仪表及一些自动装置等组成，它可以 较为简单，也可以很复杂。一般自动 化程度较高的冻干机则控制系统较为 复杂。
? 控制系统的功用是对冻干机进行手动 或自动控制，操纵机器正常运转，以 冻干出合乎要求的产品来。
2、冻干机的组成按结构分
? 由冻干箱或称干燥箱、冷凝器或称水 汽凝集器、冷冻机、真空泵和阀门、 电气控制元件等组成。
1、冷冻干燥的程序
? 1.3一般加热分两步进行，第一步加 温不使制品的温度超过共熔点的温度； 待制品内水份基本干完后进行第二步 加温，这时可迅速地使制品上升的规 定的最高温度。在最高温度恒温保持 数小时后，即可结束冻干。
? 1.4冻干结束压塞后，放入无菌空气 进入干燥箱，然后尽快地出箱封口， 以防重新吸收空气中的水份。
电解质的浓缩 固
低温共熔混合物凝
变为固体
4、冷冻对细胞和生命体的破坏作用
? 其机理是非常复杂，目前尚无统一的 理论，一般认为主要是由以下两种效 应引起
? 4.1 机械效应 ? 4.2 溶质效应
4.1 机械效应
? 4.1.1 机械效应是由细胞内外冰晶 生长而产生的机械力量引起的。 特别是对于有细胞膜的生命体影 像较大。一般冰晶越大，细胞膜 越易破裂，从而造成细胞死亡； 冰晶小，对细胞膜的机械损伤也 较小。
? 真空系统要求没有漏气现象，真空泵 是真空系统建立真空的重要部件。
? 真空系统对于产品的升华干燥是必不 可少的。
1.3 加热系统
? 加热系统对于不同的冻干机有不同的 加热方式。有的是利用直接电加热法； 有的则利用中间介质来进行加热，由 一台循环泵泵使中间介质不断循环。
? 加热系统的作用是对冻干箱内的产品 进行加热，以使产品内的水份不断升 华，并达到规定的残余水份要求。
4.1 机械效应
? 4.1.2 缓慢冷冻产生的冰晶较大， 快速冷冻产生的冰晶较小；就此而 言。快速冷冻对细胞的影响较小。 缓慢冷冻容易引起细胞的死亡。
4.2 溶质效应
? 4.2.1 由于水的冻结使间隙液体逐渐 浓缩，从而使电解质的浓度增加。
? 由于蛋白质对电解质的浓度较敏感， 电解质浓度的增加会引起蛋白质的变 性，从而使细胞死亡；另外电解质浓 度的增加会使细胞脱水而死亡。间隙 液体浓度越高。上述原因引起的破坏 也越厉害。
5、冻结之前应确定的三个数据
? 5.1 冻结的速率 ：应根据产品不同而 试验出一个最优冷冻速率。
? 5.2 冻结的最低温度：应根据该产品 的共熔点来决定，预冻的最低温度应 低于共熔点的温度。
5、冻结之前应确定的三个数据
? 5.3 冻结的时间：根据机器的情况来 决定，保证抽真空之前所有产品均已 冻实，不致因抽真空而冒出瓶外；冻 干箱的每一板层之间，每一板层的各 部分之间温差越小，则预冻的时间可 以相应缩短，一般产品的温度达到冻 结最低温度1－2小时后，即可开始抽 真空，进行升华干燥。
? 1.3冻结过程不仅昰为了保护物质的 主要性能不变；而且要获得冻结后制 品有合理的结构以利于水份的升华； 还要有恰当的装量，以便日后的应用。
2.制品冻结时的注意事项
? 2.1 制品中物质的含量：需要冻干的产品 需配制成一定浓度的液体，为了能保证干
燥后有一定的形状，物质含量在20%左右
最佳。
? 2.2.1 制品分装到容器中要有一定的表面 积与厚度之比。表面积要大一些，厚度要 小些，这样才有利于制品中水分的升华。