真空冷凍干燥的基本原理

一、凍干的歷史

  在冷凍干燥技術的早期發展中,有三件事具有里程碑的意義:

(1)美國賓州大學的E.W.Flosdorf和S.Mudd,在1933年用玻璃器皿系統實現血清的冷凍干燥。

(2)1928年,A.Fleming發現了青霉素;1938年,牛津大學的E.B.Chain 實現了青霉素的冷凍干燥,并和L.H.W.Florey 一起,使凍干的青霉素在第二次世界大戰期間的臨床醫學上得到了重要的應用。他們三人于1945年獲生理學-醫學諾貝爾獎。

(3)為解決巴西咖啡過剩的問題,雀巢公司于1938年發明了咖啡的冷凍干燥。

  這三件事推動了當時微生物和食品冷凍于燥的發展。但是那時的凍干系統是由玻璃器皿組成的,冷源是干冰(固態CO2)。自1930年起,以氟利昂為制冷工質的機械式制冷裝置的興起,為冷凍干燥技術的推廣應用提供了條件。1940~1960年是冷凍技術發展較快的時期,主要應用于微生物和咖啡等冷凍干燥。

  到20世紀90年代,由于生物藥品的出現和發展,對冷凍于燥技術提出了許多新的近乎“苛刻”的要求,迫使其向“精致”的深入的方向發展。同時,80年代開始發展起來的“溶液玻璃化理論”和“食品聚合物科學”等也為冷凍于燥技術的發展提供了一些理論基礎。

二、凍干的基本原理

  由物理學可知，水有三相，O點為三相共點，OA為冰的融解點。根據壓力減小、沸點下降的原理，只要壓力在三相點壓力之下（圖中壓力為 646.5Pa以下，溫度0℃以下），物料中的水分則可從水不經過液相而直接升華為水汽。根據這個原理，就可以先將食品的濕原料凍結至冰點之下，使原料中的水分變為固態冰，然后在適當的真空環境下，將冰直接轉化為蒸汽而除去，再用真空系統中的水汽凝結器將水蒸汽冷凝，從而使物料得到干燥。這種利用真空冷凍獲得干燥的方法，是水的物態變化和移動的過程，這個過程發生在低溫低壓下，因此，冷凍干燥的基本原理是在低溫低壓下傳熱傳質的機理。

冷凍干燥不同于普通的加熱干燥，物料中的水分基本上在0℃以下的冰凍的固體表面升華而進行干燥，物質本身則剩留在凍結時的冰架子中，因此，干燥后的產品體積不變、疏松多孔。冰在升華時需要熱量，必須對物料進行適當加熱，并使加熱板與物料升華表面形成一定溫度梯度，以利于傳熱的順利進行。

制品的冷凍干燥過程包括凍結、升華干燥和解析干燥3個階段。

（1）凍結

先將欲凍干物料用適宜冷卻設備冷卻至2℃左右，然后置于冷至約一40℃(13．33Pa)凍干箱內。關閉干燥箱，迅速通入制冷劑(氟里昂、氨)，使物料冷凍，并保捧攀邸h或更長時間，以克服溶液的過冷現象，使制品凍結，即可進行升華。

（2）升華干燥、也稱一次干燥

制品的升華是在高度真空下進行的，在壓力降低過程中，必須保持箱內物品的冰凍狀態，以防溢出容器。待箱內壓力降至一定程度后，再打開羅茨真空泵(或真空擴散泵)，壓力降到1．33Pa，一60。C以下時，冰即開始升華，升華的水蒸氣在冷凝器內結成冰晶。為保證冰的升華，應開啟加熱系統，將擱板加熱，不斷供給冰升華所需的熱量。

（3）解析干燥、也稱二次干燥

在升華階段內，冰大量升華，此時制品的溫度不宜超過共熔點，以防產品中產生僵塊或產品外觀上的缺損，在此階段內擱板溫度通常控制在±10℃之間。制品的解析干燥階段所除去的水分為結合水分，此時固體表面的水蒸氣壓呈不同程度的降低，干燥速度明顯下降。在保證產品質量的前提下，在此階段內應適當提高擱板溫度，以利于水分的蒸發，一般是將擱板加熱至30～35。C，實際操作應按制品的凍干曲線(事先經多次實驗繪制的溫度、時間、真空度曲線)進行，直至制品溫度與擱板溫度重合達到干燥為止。