冷凍干燥（凍干）已經成為處理需要在高于冰點的溫度下長期儲存的敏感產品的一種公認方法。

我們將持續(xù)為您介紹相關的理論與工藝，包括典型的設備類型、基本的凍干理論和工藝步驟——從預處理、冷凍、初級干燥到二級干燥。我們還將深入探討一些需要注意或理解的參數。并介紹工藝監(jiān)測和驗證，以及對您進行設備選擇的建議和意見。

凍干工藝

凍干是一種在低溫和真空條件下對產品進行干燥的工藝。樣品中的水首先被凍結成固體，然后通過將冰轉化為蒸汽直接去除。這是在真空下完成的，不需要通過液態(tài)階段。凍干的獨特優(yōu)勢在于，樣品在整個干燥過程中保持低溫并保持冷凍狀態(tài)，從而保留了熱敏性成分（蛋白質、味道、顏色），同時保持原有的形狀和大小。干燥后的產品可以長期儲存，而不會改變成分（即酶、基因）或被微生物感染，這都是由于缺水而實現的。

換句話說，凍干是一種脫水技術。與其他脫水技術不同的是，凍干工藝是在產品處于冷凍狀態(tài)和真空狀態(tài)下進行的。這些條件穩(wěn)定了產品，將氧化和其他降解過程的影響降至最低。凍干已經成為處理需要在高于冰點的溫度下長期儲存的敏感產品的一種公認方法。

凍干被廣泛用于制藥以及其他行業(yè)，且由能耗高，是最昂貴的單元操作之一。傳統(tǒng)的凍干周期會導致較長的處理時間，從而增加生產成本。較長的凍干周期被認為是不理想的，因為它們往往不那么堅固，并且設備故障的可能性也會增加。凍干周期應進行優(yōu)化，以盡量縮短干燥時間而不影響產品質量。

凍干工藝是作為一種商業(yè)技術而開發(fā)的，它可以使血清在無需冷藏的情況下保持化學穩(wěn)定性和活性。該工藝被應用于青霉素，并被認為是保存生物制品的重要科學技術。凍干也被用作多種產品的保存或加工技術，如藥品、診斷試劑盒、被水破壞文件的修復、用于碳氫化合物分析準備的河流污泥、陶瓷、病毒或細菌培養(yǎng)物、為分析準備的組織、合成皮膚的制作以及以及歷史/再生文物的修復。

設備設計

任何凍干機都有三個基本組成部分。分別是產品室、冷凝器和真空泵。每個部分對凍干機的功能都至關重要。

產品室有兩種基本類型，一種用于西林瓶，一種用于托盤（散裝）。如果一個產品是相對復雜，化學成分復雜，需要轉售或無菌處理，那么西林瓶系統(tǒng)將是有利的。這種方法允許操作者對驅動凍干過程的參數進行最終控制。

當產品在西林瓶干燥器中進行處理時，液態(tài)產品被裝入西林瓶，并裝載在凍干機的擱板上。在那里，產品被預凍到略低于產品冰點的溫度，也稱為共晶點。

在初級干燥過程中，凍干機的真空泵將去除不可冷凝的蒸汽。這些蒸汽是由設備中的泄漏和凍干過程中產品不斷釋放的不可冷凝分子產生的。真空泵的使用建立了一個自由的蒸汽通道，通過去除室內的空氣來遷移可冷凝分子。

凍干工藝步驟

無論出于何種原因使用凍干工藝，都需要注意和了解四個基本步驟

? 預處理

? 冷凍

? 初級干燥（冰升華）

? 二級干燥（水分解吸）

01 預處理

預處理包括在冷凍前“改善”產品的任何方法。這可能包括濃縮產品、稀釋產品、修改配方（例如添加成分以提高穩(wěn)定性和/或改進加工）、減少高蒸氣壓溶劑或增加表面積。在許多情況下，決定對產品進行預處理是基于凍干的理論知識及其要求，由周期時間或產品質量考慮決定。

02 冷凍

冷凍，也稱為預凍，是指將樣品冷凍到低于其“共晶點”或安全冰點的溫度。這通常是在-40至-60°C的范圍內，而某些應用可以低至 -60 至 -80°C。在預凍期間，凍干機作為冷凍柜工作，因為不施加真空。預凍也可以與干燥器分開進行。

冷凍步驟至關重要，因為它決定了冰的形態(tài)和孔徑分布，這對工藝后期的成功非常重要。這似乎很簡單，但它往往是這個過程中最不易被理解和研究的步驟。

產品的冷凍可能導致液體在特定的溫度下突然凝固（共晶形成物）或液體不凝固，而只是變得越來越粘稠（玻璃形成物）。共晶形成物的凍結溫度等于相圖上產物的三相點。在這種情況下，產品在傳統(tǒng)意義上是冷凍的，在整個初級干燥過程中，溫度必須保持在該水平以下。為了正確冷凍產品，可以使用熱分析來幫助更好地了解其特性。

檢測共晶點的熱分析可以通過多種方式進行，但都不是 100% 有效的。

? 時間-溫度曲線

? 差示掃描量熱法

? 低溫顯微鏡

結構穩(wěn)定性差的材料一般最后會收縮、膨脹，或者可能看起來像玻璃狀且有粘性。這樣的樣品據說在凍干過程中已經坍塌了。結構穩(wěn)定性差加上干燥時間長，也會導致產品質量差。

一旦確定了產品的冰點（共晶點），還必須確定最佳的冷凍速率。凍結速度決定了晶體的大小。重要的是要記住，由于冷凍液體最終會從產品中升華出來，冷凍速度緩慢產生的較大晶體結構，將產生更多孔和快速干燥的產品。通常，這有利于冷凍干燥周期的優(yōu)化，但在再水化（重構）方面可能不會產生最佳產品。

另一方面，快速冷凍會導致產品以更快的速度失去活性并具有更小的晶體結構，這反過來會導致其顆粒化程度更高，因此更容易重構，即使它需要更長的凍干時間。

冷凍西林瓶產品的經驗法則是，產品容器的容量不得超過其總體積的一半。

周期已完成初級干燥階段的標志:

1. 產品溫度與擱板溫度相等或非常接近。這表明在這些位置之間沒有發(fā)生熱傳遞，且很少有蒸汽分子

（及其相關能量）離開產品。

2. 冷凝器溫度已恢復到原來的低溫。這表明冷凝器不再截留高負荷的蒸汽（及其相關能量）以導致溫度升高。

3. 系統(tǒng)壓力已恢復到原來的低值。這再次表明，蒸汽分子的運動已大大減少。

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