真空冷凍干燥的基本原理

真空冷凍干燥技術涉及的理論內容非常豐富，但其基本的原理卻可以簡單地概括為將待干燥的含水物料凍結后，置入密閉容器并維持系統的高真空，同時向系統供熱，使水分直接從固態升華為氣態，實現脫水。

現在我們來看水的相圖。

冷凍干燥基本原理是基于水的三態變化。水(H₂O)有三種相態，即固態、液態和氣態，三種相態既可以相互轉換又可以共存。其變化關系可由水(H₂O)的三相圖表示:

圖中OA、OB、OC三條曲線分別表示冰-水、水-水蒸氣、冰-水蒸氣兩相共存時水蒸汽與溫度之間的關系，分別稱為融化曲線、汽化山線和升華曲線。O點稱為三相點，所對應的溫度為0.01℃，水蒸氣壓為6.11mbar (4.58mmHG， 611Pa)， 在這樣的溫度和水蒸氣壓下，水、冰、水蒸氣三者可共存且相互平衡。當溫度或壓力變化，就會發生一相到另一相的突變。冷凍到固態的水溶液改變溫度或壓力就會發生由固態到氣態的相變升華。在高真空狀態下，利用升華原理，使預先凍結的物料中的水份，不經過冰的融化，直接以冰態升華為水燕汽被除去，從而達到冷凍干燥的目的。因此，真空冷凍干燥又被稱為升華干燥。從理論上說，真空冷凍干燥的操作區域只需在水的三相點以下即可。但實際的操作條件要苛刻得多，通常在0.5- -1 .5mbar的真空度和-25℃左右溫度下，才能保證冷凍干燥的順利進行。

1.1、真空條件

冰在一定溫度下的飽和蒸汽壓大于環境的水蒸氣分壓時即可開始升華,這是產生升華所必需的條件

    氣體分子在兩次連續碰撞之間所走的距離稱為平均自由程，它與壓力成反比。在常壓下，其值很小，升華的水分子很容易與氣體碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升華速度很慢。隨著壓力降低13.3Pa (0.133mbar)以下，平均自由程增大10⁵倍，使升華速度顯著加快，飛離出來的水分子很少改變自己的方面，從而形成了定向的蒸汽流。所以，環境的水蒸氣分壓低于冰在一定溫度 下的飽和蒸汽壓，即真空度是維持升華所必需的條件。

1.2溫度條件

比制品溫更低的冷阱(凝結器)對水水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維持升華所必需的條件。

真空泵在凍干機中起著抽除氣體的作用，以維護升華所必需的低壓強。1g ,水蒸氣在常壓下為1.25L而在0.133mbar時卻膨脹為10000升，普通的真空泵在單位時間內抽除如此大量的體積是不可能的。所以必須要讓這些水蒸氣重新凝結為冰而不返回產品，這就是專門]捕集水蒸氣的冷阱。制品與凝結的溫度差通常為-25°C與-50°C。冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分別為0.630mbar和0.040mbar,因而在升華面與冷凝面之間便產生了一個相當大的壓力差，如果此時系統內的不凝性氣體分壓可以忽略不計，它將促使制品升華出來的水蒸氣，以一定的流速定向地抵達凝結器表面結成冰霜。(下圖)因此，比制品溫更低的凝結器對水水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維護升華所必需的條件。

 1.3能量條件.

給產品一定程度的加熱，是加快并終完成凍干的能量條件。

出于兩個原因，給產品加熱是*的:.

1、分子束縛力

上面講到的實現產品凍干的條件沒有考察溶液成份的情況，實際上，按前面的凍干條件一般只能得到含水量10%的產品。實踐經驗表明，殘余水分干燥的時間與大量升華的時間幾乎相等有時甚至還會超過。

      這剩下的殘余水分，與自由狀態的水在物理化學性質上有所不同，殘余水分包括了化學結合之水與物理結合之水，諸如化合的結晶水結晶、蛋白質通過氫鍵結合的水以及固體表面或毛細管中吸附水等。由于殘余水分受到種引力的束縛，其飽和蒸汽壓則是不同程度的降低，因而干燥速度明顯下降。需要提高制品溫度促進殘余水分的氣化，但隨著制品溫度與板溫逐漸靠攏，熱傳導變得更為緩慢，需要耐心等待相當長的一段時間，

2、升華熱

冰的升華熱約為2822J/克，如果升華過程不供給熱量,那末制品只有降低內能來補償升華熱，直至其溫度與凝結器溫度平衡后，升華也就停止了。為了保持升華與冷凝來的溫度差，必須對制品提供足夠的熱量。

現代凍干技術，就是成功地從理論.上和實踐中滿足了實現凍干的三個條件，才使凍干技術得到長足發展。

升華的水分被真空泵抽走?

在干燥過程中產生的水蒸氣不是由真空泵抽走，而是由冷阱捕捉。真空泵的作用是，降低不凝結氣體的分壓使得水蒸氣由產品轉移到冷阱。當然也在凍干開始時，有少數的水蒸氣被真空泵抽走。因此，真空泵裝有氣體鎮流裝置。