真空冷凍干燥（簡(jiǎn)稱凍干）是先將濕物料凍結(jié)到共晶點(diǎn)溫度以下，使水分變成固態(tài)的冰，然后通過(guò)抽真空將物料中的水分由固態(tài)直接升華為氣態(tài)而排出物料之外的一種干燥方法。

真空冷凍干燥是一門(mén)古老的現(xiàn)代技術(shù)。說(shuō)它古老是因?yàn)樗某霈F(xiàn)比較早，發(fā)展歷史坎坷；說(shuō)它現(xiàn)代是因?yàn)樗?0世紀(jì)90年代開(kāi)始，其應(yīng)用進(jìn)入了高科技領(lǐng)域；說(shuō)它是現(xiàn)代技術(shù)是因?yàn)樗鼜?0世紀(jì)90年代開(kāi)始，已加入現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域的例列。人體各器官的保存和再植是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的課題之一。營(yíng)養(yǎng)保健食品是現(xiàn)代人們生活的追求。航天飛機(jī)用的超輕隔熱陶瓷，是現(xiàn)代科學(xué)的熱門(mén)話題之一。低溫超導(dǎo)材料等納米級(jí)超細(xì)微粉的制備等，都需要真空冷凍干燥技術(shù)與設(shè)備。

1.1 凍干技術(shù)在國(guó)際上的發(fā)展概況

真空冷凍干燥技術(shù)大約出現(xiàn)在1811年，當(dāng)時(shí)用于生物體的脫水。1813年美國(guó)人W.H. 沃拉斯頓（Wollaston）發(fā)現(xiàn)水的飽和蒸氣壓與水的溫度有關(guān)：在真空條件下，水容易汽化，水在汽化時(shí)將導(dǎo)致溫度的降低。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，沙克爾（Shackell）于1909 年試驗(yàn)用冷凍干燥的方法保存菌種、病毒和血清，取得較好的效果，使真空冷凍干燥技術(shù)得到了實(shí)際的應(yīng)用。

最早使用凍干法制作生物標(biāo)本的人是阿特曼（Altmann）。他于1890年采用凍干法干燥生物體的器官和組織，制成既能保持原來(lái)生物的組織結(jié)構(gòu)，又能長(zhǎng)期貯藏的生物標(biāo)本，供人們?cè)陲@微鏡下觀察，以便于學(xué)習(xí)和研究。1900年Shackell開(kāi)始用凍干法干燥血清和細(xì)菌，經(jīng)9年的努力，于1909年獲得成功，并且在 American Journal Physiology上發(fā)表了他的凍干實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這是凍干技術(shù)應(yīng)用發(fā)表最早的論文。1911年，D.L.Harris和L.F.Shackell把狂犬病腦組織凍干；1912年，Carrel 最先提出采用凍干技術(shù)保存器官組織，供外科移植用的設(shè)想；1921年，H.F.Swift提出了保存菌株用的標(biāo)準(zhǔn)凍干方法。

第一臺(tái)商業(yè)用凍干機(jī)的問(wèn)世在1935年，W.J.Elser 等在凍干機(jī)上最先采用了低溫冷阱，從而改變了用真空泵直接抽水蒸氣的方法；在凍干機(jī)上采用主動(dòng)加熱的辦法，使升華過(guò)程得到強(qiáng)化，干燥時(shí)間得到縮短，因而可用于生產(chǎn)。這時(shí)凍干產(chǎn)品擴(kuò)展到藥品，主要有培養(yǎng)基、荷爾蒙和維生素等。1940年凍干人血漿開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。1942年第二次世界大戰(zhàn)期間，由于輸血的需要，必須發(fā)展血液制品。同時(shí)，抗生素的需要量也急劇增加，促使凍干技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中得到了迅速的發(fā)展。最早把凍干血漿、血清提供給臨床使用的是美國(guó)賓州大學(xué)醫(yī)學(xué)系的 E.W.Flosdorf 和S.Mudd。在1941年12月珍珠港事件爆發(fā)、美國(guó)參戰(zhàn)之后的6個(gè)月，在紐約召開(kāi)了 American Human Seium Association年會(huì)。基于因德軍侵占使法國(guó)血庫(kù)遭到破壞的事實(shí)，會(huì)上做出了凍干血漿緊急籌集的決議，促使美國(guó)紅十字會(huì)實(shí)施這一計(jì)劃，于1942年真空冷凍干燥技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)藥工業(yè)。1943年在英國(guó)和丹麥制成并開(kāi)始使用大型食品凍干機(jī)。冷阱設(shè)在凍干箱內(nèi)，是現(xiàn)在這種凍干設(shè)備的原型。1944年 Wyckoff 和Logcdin采用雙管干冰阱，使捕水器溫度降低，捕水效果更好，從而又開(kāi)發(fā)出在外側(cè)直接與多歧管連接的裝置，成為現(xiàn)在歧管式凍干機(jī)最早的原型。用這種設(shè)備生產(chǎn)出凍干的血漿。在日本，軍醫(yī)中校內(nèi)藤良一主持了所謂防疫研究。實(shí)際上是在凍干細(xì)菌，為細(xì)菌戰(zhàn)做準(zhǔn)備。在1939～1943 年間進(jìn)行了免疫補(bǔ)體、血清、血漿、細(xì)菌、病毒等凍干研究，并于1943年將多歧管凍干機(jī)成功地改制成箱式凍干機(jī)。

凍干法加工和貯藏食品很早就被人類所利用。古代斯堪的納維亞人（Vikings）利用北冰洋干爽寒冷的空氣生產(chǎn)一種脆魚(yú)（Klip-fish），南美的古印第安人利用自然條件凍干生產(chǎn)一種稱為Chuno 的馬鈴薯淀粉。對(duì)食品進(jìn)行凍干研究始于1930年，F(xiàn)losdorf在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了食品的凍干實(shí)驗(yàn)。最原始的食品凍干設(shè)備于1943年出現(xiàn)在丹麥。對(duì)食品凍干的系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)50年代。其中規(guī)模大的是英國(guó)食品部于1950～1960年提出在蘇格蘭 Aberdeen 試驗(yàn)工廠進(jìn)行的研究，研究成果中最為著名的是加速凍干法（AFD）。1985 年日本有25家公司生產(chǎn)凍干食品，其銷售額達(dá)1700億日元。1992年日本凍干食品的年生產(chǎn)量為7000t。

凍干技術(shù)在材料科學(xué)中的應(yīng)用是最近幾十年的事情。從查到的資料看，最早發(fā)表文章的是Y.S.Kim 和F.R.Monforte，于1971年寫(xiě)出了用凍干法生產(chǎn)透光性氧化鋁的文章。20世紀(jì) 90年代，隨著納米科技（NST）的迅速崛起，制備納米級(jí)超細(xì)微粉的各種方法應(yīng)運(yùn)而生，凍干法也占得一席之地。

隨著凍干技術(shù)應(yīng)用的推廣，對(duì)凍干理論和工藝的研究也逐漸興旺起來(lái)。1944年，弗洛斯道夫（Flosdorf）出版了第一部有關(guān)冷凍干燥技術(shù)和理論的專著。1951年和1958年先后在倫敦召開(kāi)了第一屆和第二屆以真空冷凍干燥為主題的專題討論會(huì)。1963年，美國(guó)最先制定了GMP（Good Manu-factoring Practice）凍干藥品的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。1969年，世界各國(guó)紛紛制定GMP計(jì)劃，國(guó)際貿(mào)易組織共同決定 GMP標(biāo)準(zhǔn)。

有關(guān)描述真空冷凍干燥數(shù)學(xué)模型的研究方面，許多人提出了各種各樣的理論。提出最早和應(yīng)用*的模型是桑德?tīng)枺⊿andll）和金（King）的冰界面均勻向后移動(dòng)模型（The Uni-formly Retreating Ice Front Model），簡(jiǎn)稱URIF模型，屬于穩(wěn)態(tài)模型。其主要思想是熱量通過(guò)干燥層和冷凍層傳導(dǎo)到升華界面，冰升華得以進(jìn)行，產(chǎn)生的水蒸氣通過(guò)多孔的干燥層，在真空室內(nèi)擴(kuò)散，最后被真空泵抽到捕水器內(nèi)被捕集。隨著升華的進(jìn)行，冰界面向凍結(jié)層均勻地退卻，在其后產(chǎn)生多孔的干燥層。這種模型描述液態(tài)和固態(tài)物料的凍干過(guò)程是有效的。但是，實(shí)際的于燥過(guò)程是非穩(wěn)態(tài)的。為更接近于實(shí)際情況，1968年，D.Z.Dyre 和J.E.Sunderland 又提出了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。第三種模型是利奇菲爾德（Litchfield）和利亞皮斯（Liapis）于1979年提出來(lái)的，稱為解吸—升華模型。在該模型中，認(rèn)為冷凍層的冰升華和干燥層的吸附水解吸是同時(shí)進(jìn)行的。前兩種模型對(duì)于占物料含水量中75%～90%的自由水的升華是比較準(zhǔn)確的。還有一部分結(jié)合水，它們以物理吸附和化學(xué)吸附的方式存在著。雖然它們的比例較小，但把它們從物料中移出需要很長(zhǎng)的時(shí)間。在凍干過(guò)程中，凍干物料的溫度不斷升高，在冰升華的同時(shí)，干燥曾所吸附的水也會(huì)同時(shí)解吸。

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