真空冷冻干燥的基本原理

真空冷冻干燥技术涉及的理论内容非常丰富，但其基本的原理却可以简单地概括为将待干燥的含水物料冻结后，置入密闭容器并维持系统的高真空，同时向系统供热，使水分直接从固态升华为气态，实现脱水。

现在我们来看水的相图。

冷冻干燥基本原理是基于水的三态变化。水(H₂O)有三种相态，即固态、液态和气态，三种相态既可以相互转换又可以共存。其变化关系可由水(H₂O)的三相图表示:

图中OA、OB、OC三条曲线分别表示冰-水、水-水蒸气、冰-水蒸气两相共存时水蒸汽与温度之间的关系，分别称为融化曲线、汽化山线和升华曲线。O点称为三相点，所对应的温度为0.01℃，水蒸气压为6.11mbar (4.58mmHG， 611Pa)， 在这样的温度和水蒸气压下，水、冰、水蒸气三者可共存且相互平衡。当温度或压力变化，就会发生一相到另一相的突变。冷冻到固态的水溶液改变温度或压力就会发生由固态到气态的相变升华。在高真空状态下，利用升华原理，使预先冻结的物料中的水份，不经过冰的融化，直接以冰态升华为水燕汽被除去，从而达到冷冻干燥的目的。因此，真空冷冻干燥又被称为升华干燥。从理论上说，真空冷冻干燥的操作区域只需在水的三相点以下即可。但实际的操作条件要苛刻得多，通常在0.5- -1 .5mbar的真空度和-25℃左右温度下，才能保证冷冻干燥的顺利进行。

1.1、真空条件

冰在一定温度下的饱和蒸汽压大于环境的水蒸气分压时即可开始升华,这是产生升华所必需的条件

    气体分子在两次连续碰撞之间所走的距离称为平均自由程，它与压力成反比。在常压下，其值很小，升华的水分子很容易与气体碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升华速度很慢。随着压力降低13.3Pa (0.133mbar)以下，平均自由程增大10⁵倍，使升华速度显著加快，飞离出来的水分子很少改变自己的方面，从而形成了定向的蒸汽流。所以，环境的水蒸气分压低于冰在一定温度 下的饱和蒸汽压，即真空度是维持升华所必需的条件。

1.2温度条件

比制品温更低的冷阱(凝结器)对水水蒸气的抽吸与捕获作用，则是维持升华所必需的条件。

真空泵在冻干机中起着抽除气体的作用，以维护升华所必需的低压强。1g ,水蒸气在常压下为1.25L而在0.133mbar时却膨胀为10000升，普通的真空泵在单位时间内抽除如此大量的体积是不可能的。所以必须要让这些水蒸气重新凝结为冰而不返回产品，这就是专门]捕集水蒸气的冷阱。制品与凝结的温度差通常为-25°C与-50°C。冰在该温度下的饱和蒸汽压分别为0.630mbar和0.040mbar,因而在升华面与冷凝面之间便产生了一个相当大的压力差，如果此时系统内的不凝性气体分压可以忽略不计，它将促使制品升华出来的水蒸气，以一定的流速定向地抵达凝结器表面结成冰霜。(下图)因此，比制品温更低的凝结器对水水蒸气的抽吸与捕获作用，则是维护升华所必需的条件。

 1.3能量条件.

给产品一定程度的加热，是加快并终完成冻干的能量条件。

出于两个原因，给产品加热是*的:.

1、分子束缚力

上面讲到的实现产品冻干的条件没有考察溶液成份的情况，实际上，按前面的冻干条件一般只能得到含水量10%的产品。实践经验表明，残余水分干燥的时间与大量升华的时间几乎相等有时甚至还会超过。

      这剩下的残余水分，与自由状态的水在物理化学性质上有所不同，残余水分包括了化学结合之水与物理结合之水，诸如化合的结晶水结晶、蛋白质通过氢键结合的水以及固体表面或毛细管中吸附水等。由于残余水分受到种引力的束缚，其饱和蒸汽压则是不同程度的降低，因而干燥速度明显下降。需要提高制品温度促进残余水分的气化，但随着制品温度与板温逐渐靠拢，热传导变得更为缓慢，需要耐心等待相当长的一段时间，

2、升华热

冰的升华热约为2822J/克，如果升华过程不供给热量,那末制品只有降低内能来补偿升华热，直至其温度与凝结器温度平衡后，升华也就停止了。为了保持升华与冷凝来的温度差，必须对制品提供足够的热量。

现代冻干技术，就是成功地从理论.上和实践中满足了实现冻干的三个条件，才使冻干技术得到长足发展。

升华的水分被真空泵抽走?

在干燥过程中产生的水蒸气不是由真空泵抽走，而是由冷阱捕捉。真空泵的作用是，降低不凝结气体的分压使得水蒸气由产品转移到冷阱。当然也在冻干开始时，有少数的水蒸气被真空泵抽走。因此，真空泵装有气体镇流装置。