1.3 真空冷凍干燥的基本工藝過程

真空冷凍干燥過程主要分為冷凍、升華干燥和解析干燥三個階段。

真空冷凍干燥過程的第一步就是預凍結。預凍結是將物料中的自由水固化，使干燥后產品與干燥前有相同的形態，防止抽真空干燥時起泡、濃縮、收縮和溶質移動等不可逆變化產生，減少因溫度下降引起的物質可溶性降低和生命特性的變化。凍結過程關鍵的技術參數是凍結速率、凍結溫度和凍結時間，這些參數不僅影響干燥過程所需時間、能耗，還影響到產品的質量。

升華干燥也稱第一階段干燥。是將凍結后的產品，通過抽真空使其冰晶直接升華成水蒸氣逸出物料，從而使產品脫水干燥，升華干燥過程中還要不斷加熱，補充水蒸氣所需的升華熱。干燥是從物料外表面開始逐步向內推移的，冰晶升華后殘留下的孔隙便成為升華水蒸氣的逸出通道。已干燥層和凍結部分的分界面稱為升華界面。當全部冰晶除去時，第一階段干燥就完成了。

解析干燥也稱第二階段干燥。在第一階段干燥結束后，在干燥物質的毛細管壁和極性基團上還吸附有一部分水分，這些水分是未被凍結的。當它們達到一定含量，就為微生物的生長繁殖和某些化學反應提供了條件。實驗證明∶即使是單分子層吸附下的低含水量，也可成為某些化合物的溶液，產生與水溶液相同的移動性和反應性。為了改善產品的貯存穩定性，延長其保存期，需要除去這些水分。這就是解析干燥的目的。由于吸附水的吸附能量高，如果不給它們提供足夠高的能量，它們就不可能從吸附中解析出來。因此這個階段產品的溫度應足夠高，只要控制在崩解溫度以下即可。同時，為了使解析出來的水蒸氣有足夠高的推動力逸出產品，必須使產品內外形成較大的蒸汽壓差，因此該階段箱內必須是高真空。第二階段干燥后，產品內殘余水分的含量視產品種類和要求而定。目前終點判斷方法有壓力升高法、溫度趨近法、稱重法等。

1.4 真空冷凍干燥技術的特點

這里說的冷凍干燥技術的特點，是和普通干燥、真空干燥相比較而言的。凍干的特點可以用“高、低、貴、慢"四個字來概括。這里“高"是指干燥產品的品質高，質量好，“低"是指工藝溫度低，“貴"是指工藝運行費用高，“慢"是指工藝運行時間長，處理量小，效率低。

首先分析一下凍干技術的優點，就是品質高、溫度低這兩點。其實品質高就是源自干燥溫度低。通常說，凍干作業直接帶來的優點有∶

凍干作業溫度低，將物料凍結成固體帶來的優點有∶

以上我們說的是凍干技術的優點，下面分析凍干技術的缺點，就是“貴"和“慢"的問題。真空冷凍干燥的成本高是和其他干燥方式相比較而言，不僅比普通熱風干燥、太陽能干等使用低成本熱源的干燥形式“貴"，就是和常規的真空干燥相比也是更“貴"。以處理單脫水量來計算，凍干法是所有干燥技術中最“貴"最“慢"的。同時冷凍干燥的設備制造或采購的成本也高。“慢"是指工藝運行時間長，處理量小，效率低。凍干技術成本高、速度慢有這樣幾方面原因∶

首先是升華干燥階段的能耗高，普通干燥（包括真空干燥）只需提供濕相成分的液—汽相變潛熱，比如由水變為水蒸氣的汽化潛熱（約2500kJ/kg），而凍干過程卻需要提供濕相分的固-汽相變潛熱，就是由冰變成水蒸氣的升華熱（高于2800kJ/kg），這實際上包括了由冰變水的融化熱和由水變水蒸氣的汽化熱。這一過程還包括物料固相成分的升溫顯熱，其量值取決于固相成分的熱特性和凍結溫度。

同時，在真空條件下，把那么多的熱量輸送到物料的升華界面成本也是很高的。真空環境本身有絕熱作用，在真空中的傳熱形式就非常受限。而更為困難的是要在小溫差下傳遞熱量，因為我們必須保證物料的凍結層部分不融化，已干層部分不過熱，所以我們需要謹慎地控制供熱過程，這樣，“慢"就成了較明顯的特征。

我們這么說，還是在“傳熱控制"條件下的結論，也就是我們認為整個升華過程中物料水分排出非常及時，不受水分在已干層中的傳質過程約束。反之，如果物料的凍干是“傳質過程"控制，就是升華出來的水蒸氣在物料已干層中的輸運很困難，那么我們還不敢盡力地供熱，要防止物料中升華出來的水蒸氣因為積存而重新凝結成液態水，導致已干層物料發生崩塌。所以凍干的升華過程普遍很慢。

與升華過程相對應的另一方面是凍結過程的能耗，這包括兩個環節，首先是把常溫物料凍結至濕相成分的共晶點溫度以下，其次是把從物料中抽出的水蒸氣凝結在冷凝器盤管上。前者的有用能耗包括濕相成分的降溫顯熱、凝結相變潛熱和固相成分的降溫顯熱；后者的有用能耗則只有水蒸氣的凝華潛熱。這兩個過程也需要較多的能耗。需要強調的是，制冷機組供應同樣量值的冷量要比供熱效率更低，尤其是冷凝器盤管，是整個系統的較低溫度點，溫度越低，制冷系數越小，能耗越高。凍干方法的這些缺點，決定了它早期主要用于不得不用、附加值高和有*，效果的物料干燥上。一般而言，如果采用其他干燥方法能夠滿足產品的性能要求，就不必采用凍干工藝了。冷凍干燥技術要想持續發展，需要盡力解決“慢"和“貴"的問題。

四環福瑞科儀科技發展（北京）有限公司法人由原北京四環科學儀器廠有 限公司技術研發和管理負責人擔任，是為客戶提供專業真空冷凍干燥設備及解 決方案的服務供應商。我們秉承“以客戶為中心，追求最高的客戶滿意度"的 服務理念，個性服務、創新設計、高效處理、可靠保障，可根據用戶需求提供 和設計單個或多個符合 GMP 相關標準的凍干設備配套系統，如負壓和無菌隔 離器、自動進出料及外置 CIP 等系統。 

授權生產企業：四環科儀科技發展河北有限責任公司