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【冷冻干燥】冷冻干燥机的工作原理

发表时间:2020-05-08 08:00:00
【冷冻干燥】冷冻干燥机的工作原理

冷冻干燥是利用升华原理进行干燥的技术。它是将干燥的物料在低温下快速冷冻,然后在适当的真空环境下直接升华成水蒸气逸出的过程。冷冻干燥设备称为冻干机,即冻干机。物料在干燥前处于低温(冰冻状态),冰晶在物料中均匀分布。升华过程避免了蒸汽产生泡沫、氧化等副作用。干物质是多孔的,其体积几乎相同。***限度地防止干物质的物理、化学和生物变性。冷冻干燥机由制冷系统、真空系统、加热系统和电气仪表控制系统组成。主要部件有干燥箱、冷凝器、制冷机组、真空泵、加热/冷却装置等,其工作原理是先将干燥后的物体冷冻到三相点以下,然后在真空条件下将物体中的固体水(冰)直接升华成水蒸气,使其从使物体干燥。通常原料经预处理后,送速冻库冷冻,再送干燥库升华脱水,后处理车间包装。真空系统为升华干燥室建立低压条件,加热系统为物料提供升华潜热,制冷系统为冷井和干燥室提供所需的冷却能力。设备通常采用高效辐射加热,物料受热均匀;采用高效疏水器,可实现快速除霜;采用并联集中制冷系统,按需多通道冷却,工况稳定,节能效果好;采用智能控制,控制精度高,操作方便。为了获得高质量的产品,我们应该对冷冻干燥的理论和技术有一个全面的了解。合理有效地缩短冷冻干燥周期在工业生产中具有明显的经济价值。

当产品的冷冻溶液被快速冷冻时,晶粒尺寸在显微镜下仍然可见;相反,当缓慢冷冻时,所形成的晶体肉眼可见。粗晶在升华过程中留下较大的空间可以提高冷冻干燥的效率。细晶升华后留下的较小空间会阻碍下层升华。速冻成品颗粒细,外观均匀,比表面积大,多孔结构好,溶解速度快,对成品的吸湿性较强。药品在冻干机中有两种预冻方式:一种是将产品和干燥箱同时冷却;另一种是将干燥箱的架子冷却到适宜温度左右,然后放入,前者相当于慢冻,后者介于快冻和慢冻之间,所以经常使用对于液体膨胀机制冷,要考虑冻干效率和产品质量。这种方法的缺点是,当产品放入罐中时,空气中的水蒸气会很快在架子上凝结。升华初期,如果板温迅速上升,大面积升华可能超过冷凝器的正常负荷。这种现象在夏季尤为明显。经验证明,在产品温度达到共晶点之前,很容***生过冷。然而,溶质仍然没有结晶。为了克服过冷,产品的冷冻温度应低于共晶点以下的一个范围,并应保持一段时间直到产品完全冷冻。

升华过程在加热的***阶段(大量升华阶段),产品温度低于共晶点的一个范围。因此,应控制货架温度。如果产品已部分干燥,但温度超过其共晶点,则产品将熔化。此时,融化的液体将使冰饱和,而不是溶质。因此,干燥后的溶质会迅速溶解,凝结成一个薄而坚硬的块状物,外观极差,溶解速度也很差。如果产品大规模熔化,升华后期会大规模熔化,因为熔化的液体量较少,被干燥的多孔固体吸收,造成冻干后块体的缺陷,加水溶解时仍能找到缓慢的溶解速度。在大量的升华过程中,虽然搁板温度和产品温度相差很大,但板温、冷凝器温度和真空温度基本不变,因此升华吸热相对稳定,产品温度相对恒定。随着产品自上而下的干燥,冰的升华阻力逐渐增大。产品的温度会相应地略微升高。直到肉眼看不到冰晶。此时,超过90%的水分已经被去除。到目前为止,大规模升华的过程已经基本结束。

为了保证整箱产品大规模升华的完成,板材温度还需要在第二阶段加热前保持一个阶段。水的剩余百分比称为残余水,其物理化学性质不同于游离态水。残余水包括化学结合水和物理结合水,如结合结晶水、氢键结合的蛋白质水和固体表面或毛细管上的吸附水等,当残余水受到一定重力的束缚时,其饱和蒸气压有所降低,干燥速度加快明显减少了。虽然提高产品温度可以促进残余水的气化,但如果温度超过一定限度,生物活性也可能急剧下降。保证产品安全的***干燥温度应通过实验确定。在第二阶段,我们通常将板温提高适宜温度并保持恒定。在这一阶段的初期,由于板温的升高,残余水较少,不易气化,因此产品的温度上升较快。但是,随着产品温度和板温的逐渐接近,传热变得更加缓慢,需要等待相当长的时间。实践经验表明,残水的干燥时间与大量升华的干燥时间基本相同,有时甚至超过这个时间。

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