凍干機(jī)的工作原理是什么?

 

一、核心原理：水的三相變化與升華

 

水存在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種形態(tài)，其相變?nèi)Q于溫度和壓力。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.3kPa）下，水的冰點(diǎn)為0℃、沸點(diǎn)為100℃；但在真空環(huán)境（壓力低于610Pa，約0.006atm）中，冰的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)會(huì)重合（三相點(diǎn)），此時(shí)冰可直接升華成水蒸氣，無需經(jīng)過液態(tài)。

 

凍干機(jī)正是利用這一特性，通過低溫凍結(jié)使樣品中的水分固化為冰，再通過真空環(huán)境和加熱（提供升華潛熱）促使冰升華，最后通過冷凝器將水蒸氣重新凍結(jié)成冰（捕獲水分），從而實(shí)現(xiàn)樣品干燥。

 

二、三個(gè)關(guān)鍵工作階段

 

1.預(yù)凍結(jié)階段（Freezing）

 

目的：將樣品中的水分完全凍結(jié)成固態(tài)冰，避免后續(xù)真空環(huán)境中液態(tài)水直接蒸發(fā)導(dǎo)致樣品結(jié)構(gòu)破壞（如細(xì)胞破裂、溶質(zhì)遷移）。

 

操作：將樣品放入凍干機(jī)的物料盤，置于冷凍室（或直接在凍干腔體內(nèi)），通過制冷系統(tǒng)（如壓縮機(jī)、液氮）將溫度降至樣品共晶點(diǎn)以下（通常-40℃~-50℃，不同樣品共晶點(diǎn)不同，例如水溶液約-10℃~-30℃）。

 

關(guān)鍵：凍結(jié)速度影響干燥后樣品的結(jié)構(gòu)——快速凍結(jié)可形成細(xì)小冰晶，干燥后孔隙更均勻；緩慢凍結(jié)形成大冰晶，可能導(dǎo)致樣品收縮或開裂。

 

2.升華干燥階段（PrimaryDrying）

 

目的：在真空環(huán)境下，使凍結(jié)的冰直接升華成水蒸氣，移除樣品中約90%的水分。

 

操作：

 

啟動(dòng)真空系統(tǒng)（真空泵），將凍干腔體壓力降至610Pa以下（低于水的三相點(diǎn)壓力），創(chuàng)造升華條件。

 

通過加熱板（或輻射加熱）向樣品提供升華潛熱（冰升華需要吸收熱量），但溫度需嚴(yán)格控制在樣品共晶點(diǎn)以下，防止冰晶融化（否則會(huì)導(dǎo)致樣品塌陷）。

 

過程：冰升華產(chǎn)生的水蒸氣在真空作用下，從樣品內(nèi)部擴(kuò)散到表面，再通過腔體進(jìn)入冷凝器。

 

3.解析干燥階段（SecondaryDrying）

 

目的：移除樣品中殘留的吸附水（未凍結(jié)的結(jié)合水，約占總水分的10%），進(jìn)一步降低含水量（通常至0.5%以下），延長樣品保質(zhì)期。

 

操作：升華干燥結(jié)束后，提高加熱溫度（接近室溫），同時(shí)保持真空環(huán)境。此時(shí)樣品中已無冰晶，升溫可促使吸附在固體基質(zhì)上的水分解吸為水蒸氣，被冷凝器捕獲。

 

關(guān)鍵：溫度需根據(jù)樣品耐熱性調(diào)整（如生物制品需控制在較低溫度，避免活性成分失活）。

 

三、核心組件及其作用

 

制冷系統(tǒng)：提供低溫環(huán)境，用于預(yù)凍結(jié)樣品和冷凝升華產(chǎn)生的水蒸氣（冷凝器溫度通常低至-50℃~-80℃，確保水蒸氣快速凍結(jié)）。

 

真空系統(tǒng)：由真空泵（如旋片泵、羅茨泵）提供真空環(huán)境，降低水的三相點(diǎn)壓力，促進(jìn)冰的升華，并加速水蒸氣向冷凝器遷移。

 

加熱系統(tǒng)：通過加熱板或輻射加熱，為冰升華和吸附水解析提供熱量，需精確控溫以避免樣品融化或過熱。

 

控制系統(tǒng)：通過傳感器（溫度、壓力傳感器）實(shí)時(shí)監(jiān)測各階段參數(shù)（凍結(jié)溫度、真空度、加熱溫度），并自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

 

四、凍干機(jī)的優(yōu)勢

 

干燥后的樣品保留原有結(jié)構(gòu)和活性（如生物酶、微生物、細(xì)胞等不會(huì)因高溫失活）。

 

干燥后樣品呈多孔疏松狀，易復(fù)溶（加水后可快速恢復(fù)原有特性）。

 

低溫環(huán)境下干燥，避免熱敏性成分分解（如藥品、食品中的維生素、蛋白質(zhì)）。

 

因此，凍干機(jī)廣泛應(yīng)用于生物制藥（如疫苗、血清）、食品加工（如凍干水果、益生菌）、材料科學(xué)（如納米材料）等領(lǐng)域。