冷凍干燥機的原理及選型指南

　　一、冷凍干燥機簡介

　　冷凍干燥機是將含水物品預先凍結，然后將其水分在真空狀態下升華而獲得干燥物品的一種技術方法。經冷凍干燥處理的物品易于長期保存，加水后能恢復到凍干前的狀態并保持原有的生化特性。

　　真空冷凍干燥技術在生物工程、醫藥工業、食品工業、材料科學和農副產品深加工等領域有著廣泛的應用，且規模和領域還在不斷擴大中。為此，真空冷凍干燥必將成為21世紀的重要應用技術。

　　二、冷凍干燥機基本結構

　　冷凍干燥機系由制冷系統、真空系統、加熱系統、電器儀表控制系統所組成。主要部件為干燥箱、凝結器、冷凍機組、真空泵、加熱/冷卻裝置等。

　　制冷系統是凍干機的最重要的組成部分，被稱為“凍干機的心臟”。其制冷系統主要由以下部件組成：壓縮機,制冷劑,油分離器，水冷凝器，干燥過濾器，中間冷卻器，視液鏡，電磁閥，手閥(頂蓋閥)，膨脹閥，蒸發器(板式交換器，后箱冷凝盤管)，汽液分離器，回氣過濾器，壓力表，壓力控制繼電器， CPCE (能量調節器)，安全閥，制冷管道等。

　　三、冷凍干燥機工作原理

　　冷凍干燥是利用升華的原理進行干燥的一種技術，是將被干燥的物質在低溫下快速凍結,然后在適當的真空環境下,使凍結的水分子直接升華成為水蒸氣逸出的過程. 冷凍干燥得到的產物稱作凍干物(lyophilizer)，該過程稱作凍干(lyophilization)。

　　凍干機的工作原理(如下圖所示)是：液體制冷劑在蒸發器中吸收被冷卻物質的熱量后，汽化成低壓低溫的蒸汽，被壓縮機吸入，壓縮成高溫高壓的蒸汽后排入冷凝器，在冷凝器中向向冷卻介質(水或空氣)放熱，冷凝為高壓液體，經節流裝置節流為低壓低溫的液體，再次進入蒸發器吸熱汽化。

　　四、冷凍干燥機選型指南

　　1、凍干面積

　　凍干機型號中的數字代表該型號凍干機的凍干面積，例如，LGJ-18C型凍干機的凍干面積為0.18㎡。用戶應根據自己的需要，通過計算來確定需用多大凍干面積的凍干機。例如每批需凍干1.8公斤(升)液體量的產品,用物料盤裝載物料，每盤裝載10㎜厚，則可計算得凍干板層的負荷面積：

　　A(面積，㎡)=V(體積，m)/H(高度，m)=0.0018m/0.01m=0.18㎡

　　即需選用板層負荷面積為0.18㎡的凍干機。

　　2、冷阱溫度

　　冷阱是冷凍干燥過程捕獲水分的裝置，理論上講，冷阱溫度越低，冷阱的捕水能力越強，但冷阱溫度低，對制冷要求高，機器成本及運轉費用高。實驗系列冷凍干燥機的冷阱溫度主要有-45℃左右、-60℃左右、-80℃左右等幾個檔次。冷阱溫度為-45℃的凍干適用于一些容易凍干的產品，冷阱溫度為-60℃左右的凍干機適用于大部分產品的凍干，冷阱溫度為-80℃的凍干適用于一些特殊產品的凍干。冷阱溫度對捕水能力的影響實驗表明冷阱溫度從-35℃下降到-55℃，捕水能力有提升明顯，冷阱溫度低于-55℃，冷阱的捕水能力提升不明顯。因此，在沒有特殊需求的情況下，選用冷阱溫度-60℃左右是理想的選擇。

　　3、降溫速率

　　降溫速率體現制冷系統的制冷能力，在空載情況下,冷阱溫度應在1小時內達到指標規定的最低溫度。例如，冷阱溫度≤-60℃的凍干機，機器從打開制冷開始計時，冷阱溫度達到-60℃的時間應不大于1小時。

　　4、極限真空度

　　極限真空度體現凍干機的泄漏情況及真空泵的抽氣效率。凍干箱的真空度，過去的觀點認為真空度是越高越好，現在的觀點認為真空度應在一個合理的范圍之內。真空度太高了，不利于傳熱，干燥速度反而下降，但無論如何凍干箱的空載極限真空度應達到15Pa以上。

　　5、抽真空時間

　　凍干箱空載的抽空速度，應在半小時之內從大氣壓抽到15Pa。

　　6、板層溫度均勻性及平整度：

　　板層溫度的均勻性和平整度,對產品質量的均一性有很大的影響,溫度均勻性和平整度越好，則凍干產品質量的均一性也越好。凍干機擱板溫度控制有加熱器型和中間流體型，采用中間流體控制板層的凍干機擱板溫度均勻性和平整度好，這種凍干機板層為空心夾層結構，板層的制冷和加熱均通過中間流體在板層內部的流體通道循環來實現，因此板層溫度均勻一致。冷凍干燥機就采用擱板中間流體的技術。鐘罩型凍干機的擱板溫度控制基本上都是采用加熱器，板層溫度一致性稍差。但總體而言，醫藥用凍干機板層溫差應控制在±1．5℃，板內溫差為±l℃ ，食品凍干機可適當放寬。

　　7、控制系統

　　凍干機的控制系統類型及功能各異，對于實驗系列的凍干機，主要應用于物料的凍干工藝摸索和少量試生產。因此，控制系統應可實時顯示凍干過程參數并自動記錄；設定、修改及有效地執行凍干工藝程序；具備通訊接口，便于數據采集、保存。