1、冷 冻 干 燥 技 术 与 设 备赵鹤皋郑效东黄良瑾季树广编著华中科技大学出版社图书在版编目（）数据冷冻干燥技术与设备 赵鹤皋等编著武汉：华中科技大学出版社， 年 月 唱 唱畅 畅 畅畅冷冻干燥技术与设备赵鹤皋等编著责任编辑：周芬娜责任校对：吴晗封面设计：责任监印：出版发行：华中科技大学出版社 武昌喻家山邮编：电话：（）录排：华中科技大学惠友文印中心印刷：开本： 印张： 字数：版次： 年 月 第 版印次： 年 月第 次印刷定价： 元 唱 唱 （本书若有印装质量问题，请向出版社发行部调换）内 容 提 要本书共分十章，内容包括冷冻干燥的物理学、细胞学基础，冻干过程中传热传质的数学分析方法，冻干中的
2、真空技术、制冷技术、测量技术和加工工艺，冻干机的设计、制造、性能验证和操作维修等。 本书是一本全面、系统介绍冷冻干燥基础理论和实际技术的专著。 本书可供冷冻干燥机理的研究人员，冻干设备的设计、制造和操作人员阅读和参考。前言冷冻干燥是一种优质的保存含水物质的干燥方法。 现已广泛应用在医药、食品、生物组织、标本制作、超细微粉制取等领域。 我们编写这本专著的目的，是想总结多年从事冻干机理研究、设备设计制造的心得体会，希望对我国冻干技术的发展，以及我国的冻干技术步入世界先进行列有所裨益。本书共分十章，内容包括冷冻干燥的物理学、细胞学基础，冻干过程中传热传质的数学分析方法，冻干中的真空技术、制冷技术、测
3、量技术和加工工艺，冻干设备的设计、制造、性能验证及操作维修等。 本书是一本全面、系统介绍冻干理论及实际技术的专著。可供冻干机理的研究人员，冻干设备的设计、制造人员和维修人员学习参考。被干燥的物质不同，其冻干工艺和设备也不相同，但其基本理论和加工过程还是差不多的。 因此，本书以目前应用最普遍的医药、生物制品冻干为主线，进行系统地阐述，同时也介绍食品和其他物质冻干的特点。本书由华中科技大学赵鹤皋、上海东富龙科技有限公司郑效东、上海浦东冷冻干燥设备有限公司黄良瑾、北京速原真空技术有限公司季树广共同撰写，由赵鹤皋统稿，特邀华中科技大学林秀诚教授、郑贤德教授、何国庚博士主审。在编审中曾得到多方支持和帮助
4、，在此特致谢忱。本书涉及的知识面很广，由于编审人员水平有限，缺点、错误在所难免，恳请各界读者批评指正。编著者 于武汉目录绪论（）第一章冷冻干燥的物理基础和方法（）第一节制品冻结的物理基础（）第二节制品的干燥（）第三节制品的冻结方法（）第四节制品的干燥方法（）第二章冷冻干燥中的传热传质（）第一节概述（）第二节稳态冻干模型（）第三节升华速率影响因素分析（）第四节非稳态冻干模型（）第五节亚稳态冻干模型（）第三章冷冻干燥的细胞学基础（）第一节细胞冻结的损伤机理（）第二节影响冻干细胞存活率的其他因素（）第三节冻干保护剂（）第四章冻干中的真空技术（）第一节概述（）第二节真空的获得真空泵（）第三节真空阀（）
5、第四节真空系统（）第五章冻干中的制冷技术（）第一节制冷循环（）第二节制冷机的工作温度对其性能的影响制冷机的工况（）第三节制冷剂、载冷剂、润滑油（）第四节制冷压缩机（）第五节制冷设备（）第六节制冷自控元件（）第七节冻干机的制冷系统（）第六章冷冻干燥设备（）第一节冻干箱（）第二节冷阱（）第三节压塞机构（）第四节医药冻干机的控制系统和安全保护装置（）第五节三重热交换捕集器及其制冷系统（）第六节中间取样装置（）第七节各配套设备的容量计算（）第八节食品冻干机（）第九节食品冻干机与医药冻干机设计理念的差异（）第十节冷阱的化霜（冰）（）第七章冷冻干燥工艺（）第一节生物制品、药品的冻干流程（）第二节清洗和消毒
6、（）第三节分装和密封（）第四节冻干曲线的制定（）第五节冻干过程的主要参数的调节与控制（）第六节冻干产品的质量分析（）第七节食品的冻干（）第八节标本的冻干（）第九节生物组织的冻干（）第十节超细微粉的冻干（）第八章冷冻干燥测量技术（）第一节共熔点的测量（）第二节温度测量（）第三节真空度测量（）第四节冻干产品的残余水分测量（）第九章冻干机的技术性能和验证（）第一节概述（）第二节冻干箱的降温、升温能力及搁板温度的均匀性验证（）第三节冷阱的捕水能力及其最低温度（）第四节真空系统的密封性能与抽真空能力（）第五节清洗、灭菌的有效性验证（）第六节冻干过程及其他项目的验证（）第十章冻干机的运转与维修（）第一节冻
7、干机的运转（）第二节冻干机的运转管理（）第三节冻干机的故障分析及处理（）第四节冻干机的维护检查（）附录 1水和冰的饱和蒸气压（）附录 2国产冻干机主要供应商及其系列产品介绍（）主要参考文献（）绪论一、冷冻干燥的特点和应用冷冻干燥（简称冻干）是将含水物质先冻结成固态，然后使其中的水从固态升华成气态，以除去水分而保存物质的方法。1冻干的优点冻干与通常的晒干、烘干、煮干、喷雾干燥及真空干燥相比有如下突出的优点。 冻干是在低温下干燥的，不会使蛋白质产生变性，但可使微生物等失去生物活力。 这对于那些热稳定性能差的生物活性制品、生物化学类制品、基因工程类制品和血液制品等的干燥保存特别适用。 由于是低温干燥
8、，使物质中的挥发性成分和受热变性的营养成分和芳香成分损失很小，因此是化学制品、药品和食品的优质干燥方法。 在低温干燥过程中，微生物的生长和酶的作用几乎无法进行，从而能最好地保持物质原来的性状。 干燥后体积、形状基本不变，物质呈海绵状，无干缩，复水时与水的接触面大，能迅速还原成原来的形状。 因一般是在真空下干燥，故氧气极少，使易氧化的物质得到了保护。 能除去物质中 的水分，制品的保存期长。2冻干的应用冻干是一种优质的干燥方法。 但是它需要比较昂贵的专用设备，干燥过程中的能耗较大，因此加工成本较高，目前主要应用在以下几个方面。 生物制品、药品方面：如抗菌素、抗毒素、诊断用品和疫苗的保存。 微生物和
9、藻类方面：如各种细菌、酵母、酵素、原生动物、微细藻类等的长期保存。 生物标本、生物组织方面：如制作各种动植物标本，干燥保存用于动物异种或同种移植的皮肤、角膜、骨骼、主动脉、心瓣膜等边缘组织。 制作用于光学显微镜、电子扫描和透射显微镜的小组织片。 食品的干燥方面：如咖啡、茶叶、肉鱼蛋类、海藻、水果、蔬菜、调料、豆腐、方便食品等。 高级营养品及中草药方面：如蜂王浆、蜂蜜、花粉、中草药制剂等。 超 细 微 粉 的 制 备 方 面： 如 制 取 、 、 、 、 等超细微粉。 其他方面：如化工中的催化剂，冻干后可提高催化效率 倍；将植物叶子、土壤冻干保存，用以研究土壤、肥料、气候对植物生长的影响及生长因
10、子的作用；潮湿的木制文物、淹坏的书籍稿件等用冻干法干燥，能最大限度地保持原状等。二、冷冻干燥的发展历史1冻干标本、医药品方面冻干能保存食物很早就为人们所知。 古代北欧的海盗利用干寒空气的自然条件来干燥和保存食物，就是其中一例。 但是，将冻干作为科学技术还是近百年来的事。 年 在制作标本时，为了防止标本中的物质在有机溶剂中溶解造成不可逆损失，改变过去用有机溶剂脱水的方法，而采用冷冻干燥法冻干了多种器官和组织。 他的工作确立了生物标本系统的冻干程序，这是冻干在制作生物标本中的最早应用。 年 将冻干引入细菌学和血清学领域。 他采用盐冰预冻，在真空状态下用硫酸作吸水剂，对补体、抗毒素、狂犬病毒、免疫血
11、清、肉和血液等进行冻干，其设备虽十分简陋，但却是后世先进冻干机的雏形。 他在研究与开发生物制品、蛋白质的冷冻干燥技术方面开创了一个新纪元。 年 首先提出用冻干技术为外科移植保存组织。此后，许多学者为发展冷冻干燥技术进行了大量的研究和试验，但由于未能很好地掌握低温同真空度以及有效地控制加热等的相互关系，冻干技术没有长足的进步，仍然停留在实验研究阶段。 直到 年间， 和 等分别研制了比较完善的冻干仪器和设备，才使冻干生物制品技术由实验室走向工业化大生产。 当时，正值第二次世界大战，需要大量制备干的人血浆和青霉素，因而使冻干生产得到迅速发展。 例如，美国冻干血浆产量达每周 单位。 及其同事 根据前人
12、 的经 验，总结了 三种 冻干方 法： 法，即用冷阱来捕集升华水蒸气； 法，即用硫酸钙等便宜的吸水剂来捕集升华水蒸气； 法，即用抽气机抽除升华水蒸气。 的贡献，是开发了立式旋冻机和离心真空干燥法，使制品在直立旋转状态下冻结，而后干燥，因升华界面面积大且不起泡，保证了制品的质量，也提高了干燥速率。 因此， 和 是冻干技术由实验室转向工业化大生产的奠基人。到 世纪 年代，冻干理论和设备的研究已逐步趋于完善。当时先进的冻干机已能满足正常医药冻干所需的各项功能和进行自动程序生产。 世纪 年代初，各国医药行业纷纷贯彻 （医药制造管理和品质管理规则），将“过程检验” 引入冻干生产，各厂商竞争的焦点变为产品
13、的安全性、生产的可靠性、生产过程的重复再现性，从而推动医药冻干技术的进一步发展。在我国， 年以前只在实验室用小型冻干装置进行冻干试验。 年，大连生物所用简易冻干装置生产了破伤风抗毒素、气性坏疽抗毒素等。 年军事医学科学院王克勤等研制了小型冻干机，生产了冻干动物和人的血浆。 第二次世界大战结束后，联合国救济总署曾赠送两台美国 公司生产的冻干机给中国，安装在武汉和北京两个生物制品研究所，参照该冻干机， 年武汉生物所陈畴等设计，上海合众机器厂等制造成功搁板面积 的冻干机，此冻干机是我国自制较大型冻干设备的开始，随后在各生物制品研究所和各兽药厂开始批量生产冻干医药品。 世纪 年代中期，我国已制成自行设
14、计的大、中、小型医药冻干机。 经过几十年的实践应用，冻干技术不断改进，现已成为一门成熟的技术了。 特别是 发布以后，在冻干机制造厂和使用厂掀起了贯彻 的热潮，使医药冻干生产在更高层次上迅速发展。2食品冻干方面 年 进行了食品冻干的试验，他在 年的著作中展望了冻干在食品和其他疏松材料方面应用的前景。 年英国的 利用热泵原理冻干食品。食品冻干的系统研究始于 世纪 年代。 其中规模最大的是英国食品部在 试验工厂进行的研究。 他们在综合了当时一些研究成果的基础上，于 年公布了试验成果，证明用冻干法加工食品是一种能获得优质食品的方法。 在 世纪 年代后期，欧美国家相继建立了一批冻干食品厂，开始了食品冻干
15、的工业生产。 到 年代初，美国农业部的“”报告预测食品冻干将有很大发展，在此推动下，许多制造商参与了食品冻干机的开发制造。 但到 世纪 年代后半期发现，实际与预测的差距很大。除冻干咖啡有较大增长外，各种固态食品（蔬菜、肉类、海产品）的冻干未见多大发展。 旅行、郊游食品也只是少量生产，致使许多食品冻干设备积压，或不得不改装成咖啡生产设备，限制了新设备的发展，食品冻干设备几乎没有什么改进。第一代食品冻干机的主要特征是，加工各种固态食品的冻干设备采用与医药冻干机相同的托盘 搁板方式，即用加热搁板、托盘与食品材料间的接触传热来提供升华热。 各厂商竞争的焦点在于如何提高接触传热的效率。 至于水蒸气的排除
16、，开始时是用蒸气喷射泵直接抽除，后来随着制冷技术的完善，改为冷阱捕集。 但是生产用装置与实验室条件是不同的，固体材料要像实验时那样均匀地装盘和均匀地接触传热是很困难的。 为避免局部过热和使已干层内残留的斑斑点点的未升华完的制品达到干燥，需很长时间；托盘操作的繁杂所带来的成本上升，也是问题之一。 总之，第一代食品冻干机冻干食品的生产效率是低的，成本是高的。 这也是当时食品冻干发展缓慢的主要原因之一。针对托盘 搁板 接触传热方式的缺点，人们提出了微波加热冻结干燥、大气压（ 减压） 对流冻结干燥、真空喷雾冻结干燥等方式。 但由于除咖啡以外的冻干设备市场需求量太少，因而许多厂商放弃了对托盘 搁板 接触
17、加热方式的改良，而将注意力集中到咖啡连续冻干装置的开发上。 在 世纪 年代后期和 年代初期相继开发了将浓缩咖啡冻结后，破碎成无定型颗粒，在冻干机内用振动筛，或旋转筒，或刮片（刀） 输送制品，并在输送过程中干燥制品的非托盘连续冻干机。 只有丹麦的 公司认为，这些输送制品方式会造成至少 以上的制品的飞散损失，且飞散的制品残留在设备中，这是一种难以克服的缺点。 他们仍然坚持用托盘装载制品，将托盘搁于吊笼（或小车）上，一盘一盘地向干燥室输送，并在箱内向箱的出口移动，用加热板从托盘上下两面辐射提供升华热，用双冷阱交替冷凝水蒸气和化霜的连续型冻干机，后来又开发了与连续型冻干方法相似的批次式冻干机。 这种将
18、制品置于托盘中在干燥室内的输送的方式，避免了制品微粉的飞散。 因此在竞争中， 取得了胜利，其产品几乎完全垄断了欧美市场。后来亚洲一些厂商生产的食品冻干机也均采用了这种方式。 这就是沿用至今的第二代食品冻干机。第二代食品冻干机的开发成功，缩短了食品冻干周期，降低了生产成本，对食品冻干的发展是一个有力的推动。 世纪 年代初，正当欧美食品冻干处于低潮之时，日本的民族饮食文化的发展，使冻干葱、蒜、豆酱、方便面、汤料等的需要量很大，使得日本的食品冻干业迅速发展起来。 食品冻干设备的制造业也跟着兴起，其中共和真空株式会社便是当今世界上生产食品冻干机和医药冻干机的主要厂商之一。 其食品冻干机机型亦以 公司的
19、托盘吊笼（小车）加热板辐射加热方式为基础。在我国，食品冻干起步较晚， 年原天津市通用机械工业公司利用法国的 型冻干机进行了蔬菜、水果、肉类食品的冻干试验，并于 年研制成功 型食品冻干机。 年原辽宁省机械研究所研制成功日处理原料 的冻干设备。 年原北京人民食品厂研制了日脱水 的冻干设备，并对许多果蔬、肉食的冻干工艺进行了研究。 年上海梅林罐头食品厂建成了年产 冻干食品的车间，采用的设备基本上属于第一代食品冻干设备，冻干食品的生产成本高，加之当时还未实行对外开放政策，国内消费水平又低，冻干食品缺乏销路，最终导致车间停产。进入 世纪 年代以后，冻干食品的生产在我国有了较大的发展。 进口了丹麦、日本等
20、国数十套食品冻干设备，也自行设计制造了一批设备，冻干食品除内销外，大部分用于出口，其产品也多数为我国的土特产品。 但在发展中也出现了盲目引进设备造成设备闲置和引进国外已淘汰的落后设备的现象，这是值得引以为戒的。3冻干机理和技术的研究 年 出版了他的世界上第一本有关冻干技术及理论的专著。 年、 年先后在英国伦敦召开了第一届和第二届以冻干为主题的专题讨论会。 后来国际制冷学会将冷冻干燥列为国际制冷学会 委员会的学术内容之一。 在尔后的各届国际制冷大会上陆续发表了大批的研究论文。在我国，这种研究主要集中在高等院校和一些生物制品研究所。 从 世纪 年代初至今中国制冷学会第六专业委员会冷冻干燥学组先后召
21、开了七次全国冷冻干燥学术交流会，会上交流了一百多篇论文。三、研究的课题1冻干机理和方法研究（） 传热传质数学模型的研究冻干自成为一门科学进行研究以来，人们一直将冻干过程的传热传质作为揭示冻干过程的物理本质开展了许多研究，发表了为数众多的物理数学模型。 但由于冻干过程的复杂性、多样性，这些模型或与实践存在一定的差距，或应用中有较大局限性，或计算过于复杂，因而目前冻干生产的控制仍以理论指导下的实验为基础。 现在，许多学者仍在继续努力，企图找到既有高度概括性，又能准确描述和使用方便的冻干数学模型，用以指导生产实际。（） 低温和干燥对细胞的损伤机理及冻干保护剂的保护机理的研究对于活的或具有活性的物质的
22、冻干，提高其存活率和活性，以及储存中的稳定性的研究备受关注，而这又是建立在细胞学的基础之上的，因此研究低温和干燥对细胞的损伤机理，研究保护剂对细胞的保护机理是其主要内容。 目前，虽然已提出了不少的假设，但看法并未统一。 在实践中目前已能冻干保存细胞级的活物质，但比细胞级更复杂的生物组织（或部分组织）、器官乃至生物个体的存活保存尚未实现。 因此，冻干细胞学的基础研究的深入，不仅可以促进现行活物质冻干存活率的提高，亦对存活生物组织甚至生物个体冻干保存的研究有所推动。（） 唱 干燥法（即液体干燥法）保存活物质唱 干燥法保存活物质实际上就是限制减压度使之在液态作减压干燥的冻干法的演变。 这也是研究者们
23、为避免活细胞冻结损伤产生异变的一个途径。2冻干设备和技术研究（） 医药冻干机医药冻干机发展到 世纪 年代，人们似乎认为冻干设备已经完善，因此在这期间技术上没有多大进步。 世纪 年代初，人们按 要求的观点重新审视当时生产的冻干机，发现还有许多方面存在缺陷。 因此这以后贯彻 成为推动医药冻干设备改造的动力。 至今已出现了在位清洗（ ），在位蒸气灭菌（），无人化装卸制品，能准确控制制品温度、表面压力、升温速率和冷阱温度的冻干机；出现了从制品原料进入到成品取出全过程密闭系统的冻干机。 将可能的污染减到最小，能重复再现冻干过程是这一时期医药冻干机发展的特点。 据对一些著名的医药冻干机生产商的不完全统计，
24、 年，所生产的带 的冻干机只有 ，而到 年就达到 以上，由此可见其发展概貌。 然而至今在制造商和用户间还没有形成统一的符合 要求的医药冻干机“性能标准”，都是按各自的理解来决定取舍，因此亦出现了分歧意见。 一些学者担心要完全彻底地贯彻“生产过程的再现”，势必会使冻干设备的造价进一步提高，甚至达到用户不能接受的地步。 因此，如何准确地贯彻 的要求，仍然是目前医药冻干机研究的课题之一。（） 食品冻干食品冻干研究的核心，仍然是降低冻干成本。 在缩短冻干周期方面，日本共和真空株式会社开发了无隔离干燥过程中冷阱除冰技术，可使除冰与干燥同步进行。 在创立全新理念的冻干设备方面，日本共和真空株式会社正在研制
25、 型液体食品密闭管式冻干机。 在将冻干与其他干燥相结合，以降低干燥成本方面，丹麦的 与 公司共同研究冷冻干燥与通风干燥相结合的干燥法，据说其冻干成本费用可降低 左右。 在采用新的冻干方法方面，法国的 发表了关于吸湿剂与冻结颗粒的混合，在大气压下冻结干燥的研究报告。3扩大应用领域的研究利用冻干法制备超细微粉的研究是近来扩大冻干应用领域研究中的一个亮点。 由于超细微粉表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物质所不具有的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等。 使之具有一系列比常规物质优越的电、磁、光、力学和化学宏观效应，因此成为当前科技界重点研究领域之一。 利用冻干法制备超细微粉与
26、其他方法相比，具有粉末尺寸小、形状规则、分布均匀、团聚少等特点，是一种极具前景的方法。现今已有许多用冻干法制备超细微粉的报道。此外，目的旨在提高催化效应的冻干催化剂研究和目的旨在提高使用效果的食用粉体（如各种维生素粉、各种蛋白酶粉、双歧杆菌粉等）的冻干研究亦在迅速发展之中。第一章冷冻干燥的物理基础和方法冷冻干燥的基本过程如下。 制品的制备（前处理）：如药物的培养、灭菌、分装、洗瓶、半加塞等，食品原料的挑选、清洗、切分、灭酶、分装等。 制品的冻结（预冻）：将制品冻结成固态。 第一阶段干燥（升华干燥）：将制品中的冰晶以升华方式除去。 第二阶段干燥（解吸干燥）：将残留于制品的水分在较高温度下蒸发一部
27、分，使残余水分达到预定要求。 密封包装：已干制品一般应在真空或充惰性气体条件下密封包装，以利于储存。本章主要介绍冻结、升华干燥、解吸干燥中的一些基本概念和温度、压力的限制，以及实现冻结和干燥的基本方法。第一节制品冻结的物理基础一、水的状态平衡图物质有固、液、气三态。 物质的状态与其温度和压力有关。 图唱 示出了水（）的状态平衡图。 图中 OL、OK、OS 三条曲线分别表示冰和水、水和水蒸气、冰和水蒸气两相共存时其压力和温度之间的关系，分别称为熔化线、沸腾线和升华线。 此三条曲线将图面分成固相区、液相区和气相区。 箭头分别表示冰融化成水，水蒸发成水蒸气和冰升华成水蒸气的过程。 曲线 OK 的顶端
28、点 K，其温度为 ，称为临界点。 当水蒸气的温度高于其临界温度 时，无论怎样加大压力，水蒸气也不能变成水。 三曲线的交点 O 为固、液、气三相共存的状态，称为三相点，其温度为 ，压力为 。 在三相点以下，不存在液相，若将冰面的压力保持在 以下，且给冰加热，则冰就会不经液相直接变成气相，这一过程称为升华。图唱 水的状态平衡图二、溶液及其冻结过程共晶点共熔点1溶液一种或几种物质以分子或离子状态均匀地分布于另一种物质中，所得到的均匀的、稳定的液体叫做溶液。 构成溶液的组分有溶质、溶剂之分，习惯上将占较大的比例的组分称为溶剂，占较小比例的组分称为溶质。 由水与其他物质组成的溶液称为水溶液，一般将水溶液
29、中的水称为溶剂，而不论其在溶液中比例的多少。为了说明一种溶液，除了基本参数（如压力、温度）外，还需指出它的成分（浓度）。 表示溶液成分的方法很多，常用的有质量摩尔浓度和质量浓度。（） 摩尔分数溶液中某一溶质 的摩尔分数 x为xn （n水n） n n总（唱 ）式中，n、n水、n及 n总分别为该种溶质的、水的、各种溶质的和溶液的摩尔数。（） 质量摩尔浓度 mmn m水式中， m水为 水 的 质 量 （ ）； m是 溶 质 的 质 量 摩 尔 浓 度（ ），即 水（溶剂）中所含某种溶质 的摩尔数。 x和m之间的关系是xn （n水n） m （M水m）（唱 ）式中，M水为水的摩尔质量，其值为 。（） 质
30、量分数 mm总（唱 ）式中，m、m总分别是指溶质 的质量和溶质溶剂总的质量（）。2稀溶液的一些依数性质对于水和不挥发性非电解质组成的二元溶液，存在下列关系。 稀溶液中水的蒸气压 p水等于该温度下纯水的蒸气压p水乘以溶液中水的摩尔分数 x水，即p水p水x水（唱 ）或p水 p水 p水（ x水） p水x（唱 ）式中，x为溶质的摩尔分数。 这个关系称为拉乌尔定律（）。 在相同的外压下，当温度降低时，若水和溶质不生成固溶体，而且生成的固态是纯冰，则稀溶液中水的冰点 T要低于纯水的冰点 T；其冰点的降低值正比于溶液的质量摩尔浓度，即 TTTkm（唱 ）kRM水（T） L（唱 ）式中，k为 凝 固 点 降
31、低 常 数； L为 冰 在 T温 度 下 的 摩 尔 熔化热；当 T 时，L ，可 得 k （ ）。3溶液的冻结过程，共晶点和共熔点图 唱 所示为氯化钠水溶液的温度唱 质量分数图。 图上的任意一点均表示溶液的某一状态，例如，点 A 表示温度为 T，质量分数为的氯化钠水溶液。 线 BE、CE 为饱和溶解度线，该线上的点所表示的溶液的溶解度均处于饱和状态，该线上部区域的点所表示的溶液的溶解度为未饱和状态，其下部的点为过饱和状态。图唱 氯化钠水溶液的温度唱 质量分数图若使状态为 A（温度 T，质量分数 ）的溶液冷却，开始时质量分数不变，温度下降，过程沿 AH 进行。 冷却到 H 以后，如溶液中有“种
32、冰”（或晶核），则溶液中的一部分水会结晶析出，剩下的溶液的浓度将上升，过程将沿析冰线 BE 进行，直到点 E。 溶液质量分数达到其共晶浓度，温度降到共晶温度以下，溶液才全部冻结。 E 点称为溶液的共晶点。 同理，若使状态为 A 的溶液冷却，到达 H 后先析出盐，然后沿析盐线 CE，一边析出盐一边温度下降，直到共晶点 E 才全部冻结。 其过程线为 A H E。当溶液冷却到平衡状态 H 时，溶液中无“晶核”存在，则溶液并不会结晶，温度将继续下降，直到溶液受外界干扰（如植入“种晶”、振动等）或冷却到某一所谓核化温度 T，在溶液中产生晶核，这时其超熔组分才会结晶，并迅速生长，同时放出结晶热，使溶液温度
33、升到平衡状态。 其浓度也随超熔组分的析出而变化。 其过程线为 AHGDE 或 A H G D E。 图 唱 示出上述过程在温度唱 时间曲线上的表示。图唱 典型的冷冻曲线完全冻结的溶液或制品，当温度升高至某一点时，开始出现冰晶熔化，该温度称为共熔点温度或简称共熔点。 一般来说，制品的共晶点和共熔点并不相等。 对升华来说，其温度必须低于共熔点。三、冻干制品溶液的共熔点、共晶点一般来说，冻干药品的溶液是由主要功能组分（如细菌等药用成分）、多种添加组分（抗冻剂、抗氧化剂、填充剂等）和蒸馏水混合而成的胶体悬浮液。 它与一般能互溶的溶液不完全相同，具有一系列的低共熔点温度。 对于冻干加工来说，需要确定一个
34、较高的安全操作温度，当在该温度以上时，产品中存在已熔化的液体；而在该温度以下时，产品将全部冻结，这个温度即为冻干产品的共熔点温度。 一些产品的共熔点温度列于表 唱 中。 与此相仿，制品溶液在降温冻结过程中，亦有一系列的共晶温度，其中温度最低的共晶点温度称为该溶液的共晶点温度。 一些物质的共晶点温度列于表 唱 中。表1唱 1一些饱和溶液的共熔点温度溶液名称摩尔溶解度（ 时）观察共熔温度 计算温度 甲基芬尼定磷酸盐 吩妥胺磷酸盐 甘露醇 乳糖 氯化钠 氯化钾 溴化钾 甘油水 二甲亚砜水 表1唱 2一些物质的共晶点温度物质名称共晶点 物质名称共晶点 纯水明胶， 葡萄糖溶液 氯化钠溶液 明胶， 蔗糖溶
35、液 蔗糖溶液 马血清 葡萄糖溶液 一般生物制品 脱脂牛奶 菠菜 人参 甘油水 四、冻结速率与冰晶大小和形状的关系溶液结晶的晶粒数量和大小除与溶液本身性质有关外，还与晶核生成速率和晶体生长速率有关，而这二者又都随冷却速率和温度的不同而变化。 一般来说，冷却速率越快、过冷温度越低，所形成的晶核数量越多，晶体来不及生长就被冻结，此时所形成的晶粒数量越多，晶粒就越细；反之，晶粒数量越少，晶粒就越大。 图唱 示出了水的结晶速率与温度的关系。 由图可知，在接近 时，晶核生成速率很小，但生长速率却迅速增加。 因此如果让溶液在接近于 冻结，则会得到粗而大的结晶。 若使之在较低温度下结晶，则将得到量多粒小的晶体
36、。图唱 水的结晶速率晶体的形状也与冻结温度有关。 在 附近开始冻结时，冰晶呈六角对称形，在六个主轴方向生长，同时还会延伸出若干副轴，所有冰晶连接起来，在溶液中形成一个网络结构。 随着过冷度的增加，冰晶将逐渐丧失容易辨认的六角对称形，加之成核数多，可能形成一种不规则的树枝状，它们是有任意数目轴的柱状体（轴柱），而不像六方晶型那样只有六条。 最高冷却速率时获得渐消球晶，它是一种初始的或不完全的球状结晶，通过重结晶可以完成其再结晶过程。生物体液（如血液血浆、肌肉浆液、玻璃体液等）结冰形成的结晶单元，往往与单一成分的水溶液形成冰晶类型相似。 结晶类型主要取决于冷却速率和液体浓度，例如，血浆、肌肉浆液等
37、在正常浓度下结冰时，在 以下较高温度和慢冷却速率下形成六方结晶单元，快速冷却至低温时形成不规则树枝状晶体。从冰晶的大小来看，慢速冻结会形成量少而粗大的冰晶，快速冻结会形成量多而细小的冰晶。 粗大而连续的冰晶在升华时可形成畅通的水蒸气逸出通道，利于提高干燥速率。 而细小或不连续的冰晶则反之，其干燥速率小。五、玻璃化冻结和脱玻如图 唱 所示，K 状态的溶液快速急冷，在未开始析冰的情况下温度降至 G 点以下，由于溶液的粘度很大，水分子来不及聚集结晶，就在原地被固化，此种冻结称为玻璃化冻结。 G 点的温度 T称为玻璃化温度，各种浓度下的 T组成的连线称为玻璃化温度线（图中点画线）。图唱 二元水溶液补充
38、相图T析冰温度； T玻璃化转变温度；T成核温度； T反玻璃化温度玻璃化冻结不形成结晶，亦无体积膨胀。 组成物料的分子被固化在原来位置，升华时水分子很难逸出。 对于冻干来说是很不利的。 因而需消除这种结晶。稀溶液的玻璃化冻结是不稳定的，如图 唱 中、区。 在急冷条件下获得的玻璃体中，不可避免地形成大量的细小晶核，急冷时来不及生长，一旦加热复温或在 T附近长期保温退火，这些晶核可能长大，发生反玻璃化转变。图中 T就是反玻璃化转变温度。 图中的双点画线称为反玻璃化温度线。由图 唱 还可看出，纯水的玻璃化温度为 。 这只有在冷却速率达 的数量级超急冷和小体积样品中才能实现。 但随着溶液质量分数的增加，
39、T逐步上升，特别是含糖量高的溶液，或者物料的表层由于冷却速率快，很容易形成玻璃化，对这些制品冻干时往往需要使之在共熔点以下升温再结晶，消除其玻璃化结晶，这一过程称之为脱玻。 当然亦可调整溶液质量分数使之不产生玻璃化，或采取一些措施（如将液体泡沫化，或再冻结），使制品易于干燥。第二节制品的干燥一、升华干燥升华干燥是将冻结后的产品置于密闭的真空容器中加热，其冰晶就会升华成水蒸气逸出而使产品脱水干燥。 干燥是从外表面开始，逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的空隙变成尔后升华水蒸气的逸出通道。 已干燥层和冻结部分的分界面（实际上是一薄层）称为升华界面。 在生物制品干燥中，升华界面约以 的速率向内推进。
40、当全部冰晶除去时，升华干燥就完成了，此时可除去全部水分的 左右。1制品中的温度分布制品中冰的升华是在升华界面处进行的。 升华时所需的热量由加热设备（通过搁板）提供，如图 唱 （）所示，从搁板传来的热量由下列途径传至产品的升华界面。图唱 产品的温度分布 固体的传导。 由玻璃瓶底与搁板接触部位传到玻璃瓶底，穿过瓶底和制品的冻结部分到达升华界面。 辐射。 上搁板的下表面和下搁板的上表面向玻璃瓶及产品干燥层上表面辐射，再通过玻璃瓶壁及冻结层或已干燥层的导热到达升华界面。 对流。 通过搁板表面与玻璃瓶外表面间残存气体的对流换热。由于传热中必须有传热温差，且各段传热温差与其相应热阻成正比，所以产品中形成了
41、图 唱 （）所示的温度分布。 例如，搁板表面温度为 ，到升华界面的温度约为 ，冰层最高温度约为 ，干燥层上表面温度可能为 。2升华时的温度限制、崩解温度产品升华时受下列几种温度限制。 产品冻结部分的温度应低于产品共熔点温度。 产品干燥部分的温度必须低于其干燥层表面容许的最高温度（不烧焦或变性）。 升华界面的温度应低于制品的崩解温度。液态制品冻结时形成的浓缩溶质“骨架”结构，当升华界面温度上升到某临界值时，其刚度会降低而塌陷，形成阻止升华水蒸气逸出的阻挡层，升华速率减慢，升华面所需热量减少，此时如不迅速减少加热，降低升华界面的温度，产品就会发生供热过剩而熔化报废，这个临界温度称为崩解温度。 所以
42、掌握产品的崩解温度是很重要的。 一些保护剂的崩解温度列于表 唱 和表 唱 中。表1唱 3一些保护剂的崩解温度保护剂崩解温度 葡聚糖： 分子量 分子量 分子量 果糖 右旋葡萄糖 蔗糖 乳糖 麦芽糖 卵清蛋白 聚乙烯乙二醇 聚乙烯吡咯烷酮 棉籽糖 续表保护剂崩解温度 氯化钾 糖醇 柠檬酸钠 柠檬酸（，w w） 明胶 肌醇 甲基纤维素 右旋果糖 葡萄糖 味精 表1唱 4果汁和咖啡提取液的崩解温度产品固形物含量 （）溶质平均相对分子质量观察到的崩解温度 橘子汁 葡萄汁 柠檬汁 李子汁 苹果汁 菠萝汁 咖啡提取液 崩解温度主要由溶液的成分所决定。 过低的崩解温度会延长干燥时间，而且可能是设备能力所不能达
43、到的。 这可通过选择合适的添加剂来提高崩解温度。 在固体食品冻干时，为了避免干燥层表面因温度过高而产生变性或干燥层表面烧坏，其温度应限制在某一安全值以下。 一些食品的干燥层表面最高允许温度列于表唱 中。表1唱 5一些制品冻结层温度及干燥层表面的允许最高温度食品物料干燥室压力 干燥层最高温度 冻结层（升华界面）温度 鸡肉丁 草莓片 续表食品物料干燥室压力 干燥层最高温度 冻结层（升华界面）温度 石榴汁 鲑鱼块 牛肉（速冻） 牛肉（慢冻） 注：本表所列温度系指热量经干燥层传入至升华界面的供热方式。二、解吸干燥解吸干燥也称第二阶段干燥。 在第一阶段干燥后，在干燥物质的毛细管壁和极性基团上还吸附有一部
44、分水分，这些水分是未被冻结的。 当它们达到一定含量时，就为微生物的生长繁殖和某些化学反应提供了条件。 实验证明，即使是单分子层吸附的低含水量，也可能成为某些化合物的溶液，产生与水溶液相同的移动性和反应性。 因此为了改善产品的储存稳定性，延长其保存期，需要除去这些水分中的大部分，只留下单分子层的水分。 这就是解吸干燥的目的。第一阶段干燥是将水以冰晶形式除去的，因此冻干层的温度和升华界面的压力都必须控制在产品共熔点（或崩解温度）以下，才不致使冰晶熔化。 但对于吸附水，其吸附能量高，如果不给它们提供足够的能量，它们就不可能从吸附中解吸出来。 因此，这一阶段产品的温度应足够地高，只要不超过允许的最高温
45、度，不烧毁产品和不造成产品过热而变性就可。 同时，为了使解吸出来的水蒸气有足够的推动力逸出产品，必须使产品内外形成较大的蒸气压差，因此此阶段中箱内必须高真空。第二阶段干燥后，产品内残余水分的含量视产品种类和要求而定。 一般在 之间。第三节制品的冻结方法制品冻结的冷源有如下几种。 干冰（固体）和乙醚混合。 最低可达 。 液氮。 最低可达 。 压缩式制冷机。 一般单级压缩机可达 （ 时制冷机的冷量很小），双级压缩机可达 （ ）。两个单级压缩机组成的复叠式循环可达 ，一个单级压缩机与一个双级压缩机组成的复叠循环可达 。 这是最经济而又方便的冷源，几乎所有生产用冻干机均采用此种冷源。 抽真空冻结。 利
46、用抽真空时，制品中的水分吸收制品本身的热量而蒸发，同时降低制品本身的温度而冻结。目前制品的冻结方法有如下几种。一、冻干机内搁板冻结冻干液态原料的生产用医药冻干机多采用干燥箱内搁板冻结，而冻干固态食品的冻干机多采用冻干机外冻结（冷库和冻结器冻结）。 这是因为液体和液体冻结后的固体的导热性能好，接触传热利于提高冻干速率。 而固态食品切分后装盘为松散堆砌物，固体之间有间隙，接触传热效果很差，冻结时需用吹风强制冷却，干燥时需用辐射加热，才能较均匀地将热量传到松散物内部。所以，生产用医药冻干机的干燥箱多做成搁板式，搁板内通冷（热）媒，既可制冷冻结，又可加热升华。 而冻干固态食品的食品冻结一般不用搁板冻结
47、，而采用下面将要介绍的冷库冻结。 采用搁板冻结时，制品用盘装或瓶装置于搁板上，搁板温度为 ，冻结时间一般为 。 为了均匀冻牢，在低温下还需保温一段时间。二、冷库冻结食品冻干的物品量大，而冷库或冻结器的造价比冻干机低廉得多。 为了充分利用冻干设备的生产能力，食品冻干中多采用专门的冷库或冻结器冻结。 库内设吊笼（或推车）输送轨道。 物品经前处理后装入托盘，托盘装入吊笼（或推车）由输送轨道送入冷库，冷库库温为 ，用吹风冷却。 冻结时间视食品尺寸而不同，冻结完后，由输送轨道送入冻干机的干燥箱中，干燥箱虽未设专门的制冷设备，但由于转运和装箱时间短，入箱后又用大容量真空泵抽空蒸发制冷，制品不会在转移中熔化
48、。三、抽空冻结1静止抽空冻结静止抽空冻结主要用于冻结固体制品，与一般箱内预冻装置很相似，所不同的是搁板内没有制冷管道，而是将含水的固体物质置于搁板上，将箱内抽成真空。 由于固体物质有一定的形状，水分均匀地分布在这些物质中，抽空时水分蒸发，随着压力的降低而蒸发量加大，由于外界没有提供蒸发所需的热量，故蒸发时吸收物质本身的热量而使之冻结，这种冻结是在三相点附近进行的，其压力为 ，温度为 。 当用油封机械真空泵来抽真空时，不能将水气直接抽入真空泵，否则会导致水蒸气污染油而使泵的效率降低，因此必须将水气凝结在冷阱中，若用蒸气喷射泵来抽真空时，则可将水气直接排至大气中。2旋转抽空冻结这种抽空冻结主要用于
49、液体的冻结，将装有液体的安瓿置于带有角度的离心机的真空箱内，先启动离心机，达到额定转速后，启动真空泵，此时安瓿内制品中的水分，因减压吸收其周围分子的热量而蒸发，未蒸发的部分因失热而冻结。 离心的主要作用是不使安瓿内的液体产生沸腾而起泡。 这种冻结方法可以除去 的水分，冻结后溶液的浓度会升高。3喷雾冻结喷雾冻结也是真空冻结方法之一，液体从喷嘴中呈雾状喷到一表面上，当容器内是真空时，由于水气的蒸发使之冻结。 该表面可以是一个旋转的圆盘或一条传送带，与喷嘴的距离为几厘米。喷嘴与圆盘的轴心平行。 从喷嘴喷出的液体不会马上冻结，喷到盘子表面的液珠从盘子表面移开之后才发生蒸发冻结。这种冻结装置也可以用圆筒
50、或鼓形物来代替圆盘，喷嘴与圆筒形的轴线相垂直，喷嘴置于圆筒形内部将液体喷在内壁上而产生冻结。四、旋转冻结器冻结当制品的装量比较大时采用旋转冻结，使制品冻结在瓶壁上，如人的血浆的冻结。 旋转冻结可分卧式旋冻和立式旋冻两种。图唱 旋转冻结器 卧式旋冻器的冻结方法是将瓶放置在旋转冻结器上，并置于冷溶液中，容器放成水平或倾斜 ，如图 唱 （ ） 所 示， 瓶 子 以 的速率旋转，但冻后有分层现象。 为了防止瓶子冻裂，可将瓶子先放在 的冷浴中数小时，然后再放入冷浴中旋冻。 立式旋冻器如图 唱 （） 所示，立式转轴带动制品瓶以 的转速旋转，制品因旋转时的离心力而紧贴于瓶壁内表面，瓶子浸于冷浴中放出热量而使
