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冷凍干燥的原理
一、凍干的概念、目的及應(yīng)用
冷凍干燥就是把含有大量水分的物質(zhì)，預(yù)先進(jìn)行降溫凍結(jié)成固體。然后在真空的條件下使水蒸汽直接從固體中升華出來(lái)，而物質(zhì)本身留在凍結(jié)的冰架子中，從而使得干燥制品不失原有的固體骨架結(jié)構(gòu)，保持物料原有的形態(tài),且制品復(fù)水性*。
利用冷凍干燥目的是為了貯存潮濕的物質(zhì)，通常是含有微生物組織的水溶液，或不含微生物組織的水溶液。產(chǎn)品在凍結(jié)之后置于一個(gè)低水氣壓下，這時(shí)包含冰的升華，直接由固態(tài)在不發(fā)生熔化的情況下變成汽態(tài)。與其他干燥方式相比避免了化學(xué)、物理和酶的變化，從而確保了制品物性在保存時(shí)不易改變。實(shí)際需要的低水汽壓是靠真空的狀況下達(dá)到的。
真空冷凍干燥技術(shù)主要應(yīng)用于：
(1) 熱穩(wěn)定性差的生物制品，生化類(lèi)制品，血液制品，基因工程類(lèi)制品等藥物凍干；
(2) 為保持生物組織結(jié)構(gòu)和活性，外科手術(shù)用的皮層、骨骼、角膜、心瓣膜等生物組織的處理；
(3) 以保持食物色、香、味和營(yíng)養(yǎng)成分以及能迅速?gòu)?fù)水的咖啡、調(diào)料、肉類(lèi)、海產(chǎn)品、果蔬的凍干；
(4) 在微膠囊制備、藥品控釋材料等方面的應(yīng)用。
以保持生鮮物質(zhì)不變性的人參、蜂皇漿、龜鱉等保健品及中草藥制劑的加工；
(5) 超微細(xì)粉末功能材料如：光導(dǎo)纖維、超導(dǎo)材料、微波介質(zhì)材料、磁粉以及能加速反應(yīng)工程的催化劑的處理等。
二、冷凍干燥的原理及優(yōu)點(diǎn)
1、
水的狀態(tài)平衡圖
物質(zhì)有固、液、汽三態(tài)，物質(zhì)的狀態(tài)與其溫度和壓力有關(guān)。圖1-1示出水（H2O）的狀態(tài)平衡圖。圖中OA、OB、OC三條曲線分別表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽兩相共存時(shí)其壓力和溫度之間的關(guān)系。分別稱(chēng)為溶化線、沸騰線和升華線。此三條曲線將圖面分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)區(qū)域，分別稱(chēng)為固相區(qū)、液相區(qū)和氣相區(qū)。箭頭1、2、3分別表示冰溶化成水，水汽化成水蒸汽和冰升華成水蒸汽的過(guò)程。曲線OB的頂端有一點(diǎn)K，其溫度為374℃，稱(chēng)為臨界點(diǎn)。若水蒸汽的溫度高于其臨界溫度374℃時(shí)，無(wú)論怎樣加大壓力，水蒸汽也不能變成水。三曲線的交點(diǎn)O，為固、液、汽三相其存的狀態(tài)，稱(chēng)為三相點(diǎn)，其溫度為0.01℃，壓力為610Pa。在三相點(diǎn)以下，不存在液相。
若將冰面的壓力保持低于610Pa，且給冰加熱，冰就會(huì)不經(jīng)液相直接變成汽相，這一過(guò)程稱(chēng)為升華。
真空冷凍干燥是先將濕料凍結(jié)到共晶點(diǎn)溫度以下,使水分變成固態(tài)的冰,然后在較高的真空度下,使冰直接升華為水蒸氣,再用真空系統(tǒng)中的水汽凝結(jié)器將水蒸氣冷凝,從而獲得干燥制品的技術(shù)。干燥過(guò)程是水的物態(tài)變化和移動(dòng)的過(guò)程。這種變化和移動(dòng)發(fā)生在低溫低壓下。因此，真空冷凍干燥的基本原理就是低溫低壓下傳質(zhì)傳熱的機(jī)理。
2、
冷凍干燥的優(yōu)點(diǎn)
冷凍干燥與常規(guī)的曬干、烘干、煮干、噴霧干燥及真空干燥相比，有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：
（1）
冷凍干燥在低溫下進(jìn)行，因此在對(duì)于許多熱敏性的物質(zhì)特別適用。如蛋白質(zhì)、微生物之類(lèi)，不會(huì)發(fā)生變性或失去生物活力。
（2）
在凍干過(guò)程中，微生物的生長(zhǎng)和酶的作用無(wú)法進(jìn)行。因此能保持原來(lái)的性狀。
（3）
在低溫下干燥時(shí)，物質(zhì)中的一些揮發(fā)性成份和受熱變性的營(yíng)養(yǎng)成分損失很小，適合一些化學(xué)制品、藥品和食品的干燥。
（4）
由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行干燥，因此制品的體積、形狀幾乎不變，保持了原來(lái)的結(jié)構(gòu)，不會(huì)發(fā)生濃縮現(xiàn)象。干燥后的物質(zhì)疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解迅速而*，幾乎立即恢復(fù)原來(lái)的性狀。
（5）
在真空下進(jìn)行干燥，物料處于高度缺氧狀態(tài)下，容易氧化的物質(zhì)得到了保護(hù)。
（6）
干燥能排除95-99%以上的水份，使干燥后產(chǎn)品能長(zhǎng)期保存而不變質(zhì)。
博醫(yī)康經(jīng)典中試凍干機(jī)（冷凍干燥機(jī)）Pilot3-6H
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