概要

冷凍干燥的基本過程。從凍干的基本概念，到發(fā)展歷史。從預(yù)凍、一次干燥、二次干燥以及其他輔助步驟的簡要介紹。此篇非常適合剛開始進(jìn)入凍干領(lǐng)域的初學(xué)者，對整個過程有一個基本藍(lán)圖。后續(xù)，在此基礎(chǔ)上再逐步鉆研每個步驟。解決特定問題。

一、冷凍干燥

冷凍干燥也叫凍干，是一個干燥過程，濕的產(chǎn)品先被冷凍成固體，隨后通過將其暴露在低的水分分壓下，溶劑直接通過升華變?yōu)闅庀?，整個過程不經(jīng)過液相。

凍干的英文“l(fā)yophilisation"，在希臘詞根中：

Lyo=Solvent  溶劑

Philo=Friend  友好

通過凍干獲得的干燥產(chǎn)品，具有很好地“溶劑親和性"。

二、歷史

印加文明-在馬丘比丘的高山上存儲他們的馬鈴薯和其他食物。

•  1906-凍干技術(shù)應(yīng)用在血清和疫苗的保存上。

•  1909-基本的凍干（Shackell）

•  1937-雀巢開始在巴西凍干咖啡

•  1939-1945-二戰(zhàn)，凍干用于保存血液制品。

•  1945-發(fā)明盤尼西林，凍干技術(shù)用于抗生素（Chain）

•  至今-用于生物技術(shù)、納米技術(shù)樣品、脂質(zhì)體、蛋白等

三、水的不同相

水的相圖和不同的干燥方法：

•  熱空氣干燥：溶劑在大氣壓和“高溫"下蒸發(fā)

•  真空干燥：溶劑在“低"壓力和溫度下蒸發(fā)

•  凍干：溶液先冷凍然后在真空下溶劑升華

四、凍干過程（原理）

三相圖解釋了冰如何升華為水蒸氣：

(1)  水在大氣壓下冷凍成固體

(2)  壓力降低到低于三相點以下

(3)  升高溫度冰升華為水蒸氣

(4)  升華的水蒸氣以冰的形式捕捉在冷阱里

(5)  干燥結(jié)束后，被捕捉的冰融化成水排出

五、凍干過程中的主要步驟

•  冷凍：樣品獲得一個剛性的結(jié)構(gòu)，不發(fā)生變性、低溫濃縮或者其他化學(xué)變化。

•  真空干燥：去除溶劑（通常是水），分兩步進(jìn)行。

•  一次干燥：以升華的方式去除冰。

•  二次干燥 ：通過解吸干燥的方式去除殘余的水分。

•  最終條件：使得凍干的產(chǎn)品不會受環(huán)境濕度、氧氣、光照的影響，通常是在一定真空度的條件下。

六、水的變化

結(jié)合上圖，水在整個過程中經(jīng)歷了以下變化：

•  樣品在液體狀態(tài)下降溫

•  可凝結(jié)性的水冷凍成冰

•  溶質(zhì)開始結(jié)晶

•  無定型物質(zhì)濃縮，形成一個剛性的結(jié)構(gòu)

•  冰升華

•  吸附水和結(jié)合水以解析干燥的方式去除

•  升華的水汽凝結(jié)在冷阱里

•  冷阱里除霜排出

七、過程

凍干是一個以升華的方式去除溶劑的干燥過程：

•  溶液冷凍到低于共晶點溫度或者關(guān)鍵溫度（通常是低于關(guān)鍵溫度10-15℃）

•  溶劑晶體通過升華的方式去除

•  剩余水分通過解析干燥的方式去除

八、一個西林瓶的樣品，在中式及工業(yè)凍干設(shè)備中的過程

升華是在一個“面"上發(fā)生的過程，而不是整瓶樣品一起升華。

九、西林瓶內(nèi)外不同位置的真空度

壓力差，是升華的主要動力。

十、凍干機(jī)的P&ID圖

作為凍干工藝摸索的研發(fā)人員，看懂上圖是屬于必須。

十一、能量流

十二、為什么要有真空？

真空是讓凍干過程很好進(jìn)行的必要條件，凍干過程中需要對真空進(jìn)行精準(zhǔn)的控制以及通過控制真空把凍干過程控制在一個“合理"的速率。

預(yù)凍完成之后，系統(tǒng)將真空度降低到可以升華的真空數(shù)值。

升華開始之后，真空泵只負(fù)責(zé)：

•  補償設(shè)備泄露氣體

•  移除產(chǎn)品中的不可凝結(jié)性氣體

•  補償滲氣閥進(jìn)入的氣體

羅茨泵可以使得抽真空速率更快以及達(dá)到一個更低的真空度。

十三、干燥速度

•  干燥速度通常為1mm/h。

•  一個12-13mm高度的產(chǎn)品，完成整個凍干過程通常需要20-24小時（包含上料、下料、預(yù)凍、二次干燥和壓塞時間）。

•  散裝產(chǎn)品干燥速度比西林瓶樣品慢（沒有瓶壁帶來的額外傳熱）。每個裝載面積上的產(chǎn)品更多，也容易使得冷阱過載。

•  理論上說，升華從上往下平行進(jìn)行。實際因為傳熱的原因，是從上往下同時從外往里進(jìn)行。

十四、濃度

樣品初始濃度通常為3-15%之間：

•  濃度低于2%，則需要加入額外賦形劑，不然很難形成蛋糕狀。

•  濃度太高，升華通道不順暢。升華界面蒸氣壓容易升高，從而導(dǎo)致升華界面溫度升高。帶來塌陷和融化的風(fēng)險。

樣品裝載量通常不會高于西林瓶容量的一半，以利于重建。

十五、凍干設(shè)備

此篇全部內(nèi)容，屬于凍干領(lǐng)域?qū)I(yè)人員必會內(nèi)容。如果對任何一個點有困惑和不解，都需要去弄懂?；蛘呷タ磿蛘呷ド险n。

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