冷凍干燥技術(shù)基礎(chǔ)知識課件

冷凍干燥技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)問上海東富龍科技有限公司基礎(chǔ)學(xué)問－物態(tài)的變更⒈物質(zhì)三態(tài)一般物質(zhì)存在三種形態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。即使同一種物質(zhì)也有三種形態(tài)。例如水H2O，在0℃時能結(jié)成冰變成固態(tài)。而在100℃時則變成蒸氣而成氣態(tài)。在0～100℃之間則是液態(tài)。可見在確定的條件下，物質(zhì)的形態(tài)能夠相互轉(zhuǎn)化?；A(chǔ)學(xué)問－物態(tài)的變更物態(tài)變更時的熱量變更以水H2O為例說明基礎(chǔ)學(xué)問－物態(tài)的變更⑴熔化固態(tài)吸取熱量變成液態(tài)的過程，此時溫度叫熔點(diǎn)。⑵熔化熱單位質(zhì)量的物質(zhì)，由固體變?yōu)橥瑴囟鹊囊后w所須要吸取的熱量。單位：kcal/kg

⑶凝固由液體放出熱量變?yōu)楣腆w的過程。凝固是熔化的逆過程。放出的熱量與該物質(zhì)的熔化熱相等。凝固是在與熔化相同的溫度下進(jìn)行的，所以同一物質(zhì)的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)是一樣的?；A(chǔ)學(xué)問－物態(tài)的變更蒸發(fā)、沸騰、升華物質(zhì)由液態(tài)變成氣態(tài)或固態(tài)干脆變成氣態(tài)的過程都稱為汽化過程，它可分為蒸發(fā)、沸騰和升華三種狀況。⑴蒸發(fā)在任何溫度下（只要低于臨界溫度如水為374℃）液體表面的汽化過程。在制冷技術(shù)中，“蒸發(fā)”通常代表液體的沸騰過程。⑵沸騰將液體加熱到確定的溫度，液體漸漸變成蒸氣；當(dāng)蒸汽的形成不僅來自液體表面，而且來自液體內(nèi)部，且形成很多小汽泡上升至液面上方空間時，這一現(xiàn)象稱為沸騰。也就是溫度上升到液體的蒸汽壓力與四周的空間壓力相等時，液體即起先沸騰。液體起先沸騰時的溫度叫做沸點(diǎn)。沸騰也是同時發(fā)生在液體內(nèi)部和表面的汽化現(xiàn)象。⑶升華某些固體不經(jīng)過液態(tài)而干脆變成氣態(tài)的汽化現(xiàn)象叫做升華。升華是固體的干脆汽化過程，簡潔升華的固體叫揮發(fā)性固體。物質(zhì)在汽化時要吸取熱量，單位質(zhì)量的液體變成同溫度的汽體所吸取的熱量叫做汽化熱，因?yàn)橐彩钦舭l(fā)時所吸取的熱量，所以也可叫做蒸發(fā)熱。熔化熱和汽化熱都叫做物體的潛熱。基礎(chǔ)學(xué)問－物態(tài)的變更冷凝與凝化在溫度和壓力都要小于氣體臨界值的條件下，將蒸汽冷卻或與壓縮同時進(jìn)行時，使蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的過程叫做液化。單位重量的蒸汽變成同溫度的液體所移去的熱量稱為冷凝熱。冷凝時的溫度叫做冷凝溫度，冷凝溫度在冷凝過程中保持不變。它與冷凝蒸汽的壓力有關(guān)。當(dāng)蒸汽遇到比該蒸汽物質(zhì)的凝固溫度低的物體時，則蒸汽不經(jīng)過液體能干脆凝固成固體而附在低溫物體的表面，叫做凝華。例如水蒸汽遇到比水的冰點(diǎn)低的物體時，它就在低溫物體的表面結(jié)成冰霜，它事實(shí)上是升華的逆過程，這一過程明顯是要放出熱量的。這一現(xiàn)象在制冷和凍干中是常常遇到的?；A(chǔ)學(xué)問－物態(tài)的變更臨界溫度與臨界壓力氣體和蒸汽都是物質(zhì)的氣態(tài)狀態(tài)，物質(zhì)的臨界溫度可以作為推斷氣態(tài)物質(zhì)是氣體還是蒸汽的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)溫度高于該物質(zhì)的臨界溫度時，該物質(zhì)的氣態(tài)稱為氣態(tài)；當(dāng)溫度低于該物質(zhì)的臨界溫度時，該物質(zhì)的氣態(tài)稱為蒸汽。氣體的液化溫度是與壓力有關(guān)的。氣體的壓力越小時，則其液化溫度越低；隨著壓力的增加，氣體的液化溫度也上升。對于某一種物質(zhì)的氣體，有一個固定的溫度值。超出這個溫度時，物質(zhì)只能處于氣態(tài)，無論加多大的壓力也不能使其壓縮成液體，這個溫度就稱為該物質(zhì)氣體的臨界溫度。在臨界溫度時使該氣體液化所須要的最小壓力，稱為該物質(zhì)氣體的臨界壓力。水蒸汽的臨界溫度為374℃，臨界壓力是217.7atm。溫度降低時水蒸汽很簡潔液化。在不同的溫度水和冰均有不同的蒸汽壓。溫度降低時，冰和水的蒸汽壓也隨之降低?；A(chǔ)學(xué)問－物態(tài)的變更

飽和蒸汽壓任何液體物質(zhì)，當(dāng)在一密閉容器內(nèi)蒸發(fā)時，達(dá)到確定的程度后，液體汽化與蒸汽的液化就處于平衡狀態(tài)。這時密閉容器內(nèi)的蒸汽稱為飽和蒸氣；密閉容器內(nèi)的蒸汽壓強(qiáng)稱為飽和蒸汽壓。飽和蒸汽壓隨溫度的上升而增大，隨溫度的降低而減小。對于同一蒸汽，在不同的溫度有不同的飽和蒸汽壓。假如飽和蒸汽接著得到熱量，則溫度將比飽和時的溫度高，但壓力仍保持原飽和溫度時相應(yīng)壓力值，這樣的蒸汽稱超熱蒸汽。假如在某一密閉系統(tǒng)內(nèi)，有一個蒸汽源，而該系統(tǒng)內(nèi)各部份有不同的溫度差時，則該密閉系統(tǒng)的飽和蒸汽壓由最低的溫度所確定，即最低溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓。基礎(chǔ)學(xué)問－熱與溫度

溫標(biāo)⑴攝氏溫標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，以水的冰點(diǎn)為0℃。水的沸點(diǎn)為100℃。在0～100之間分成100等分，每一等分叫1℃。這種溫標(biāo)就叫做攝氏溫標(biāo)，用符號℃表示。⑵華氏溫標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，以水的冰點(diǎn)為32。水的沸點(diǎn)為212，在32～212之間分成180等分，每一等分叫1°F。這種溫標(biāo)就叫做華氏溫標(biāo)，用符號°F表示。華氏和攝氏可用下面的公式進(jìn)行換：華氏換攝氏：℃=5/9×（°F－32）攝氏換華氏：°F=９／５℃＋32⑶開氏溫標(biāo)以攝氏零下273.15℃作為零度，也就是開氏零度等于攝氏零下273.15℃。開氏溫標(biāo)用符號°K表示，開氏溫標(biāo)也叫確定溫標(biāo)；開氏零度即零下273.15℃，也叫做確定零度。確定零度是達(dá)不到的。開氏溫度：°Ｋ＝℃＋273.15基礎(chǔ)學(xué)問－熱與溫度熱量及單位

⑴溫度只能表示物體冷或熱的程度。溫度高或溫度低，不能從數(shù)量上來表示物體熱能的多少。⑵熱量物體吸取或放出熱能的多少叫做熱量。計(jì)算熱量的單位是卡（cal）或千卡（kcal），千卡又叫大卡，1大卡（kcal）=1000卡（cal）。⑶卡（cal）的單位規(guī)定把1g水的溫度上升或降低1℃所吸取或放出的熱量規(guī)定為1卡（cal）。⑷比熱質(zhì)量相同的不同物質(zhì)溫度上升1℃時所須要的熱量是不相同的，我們把單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度上升或降低1℃時所吸取或放出的熱量，叫做這種物質(zhì)的比熱。單位是卡/克·度（cal/g·℃）、（千卡/公斤·℃）kcal/kg·℃⑸熱量數(shù)學(xué)表達(dá)式：Q=C·m（t2－t1）千卡（kcal）1kcal（千卡）=3.6×10＋6J(焦耳)=3.6×10＋3KJ(千焦)基礎(chǔ)學(xué)問－熱與溫度熱量的傳遞方式⑴傳導(dǎo)在受熱不勻整的物體中，熱從高溫處依靠物體的分子漸漸傳到低溫處的現(xiàn)象，稱為熱的傳導(dǎo)。這種方式的熱交換始終進(jìn)行到整個物體的溫度相等為止。傳導(dǎo)在固體、液體和氣體之間均能發(fā)生，傳導(dǎo)作用必須要使物體相互接觸才能完成。⑵對流在液體或氣體包括蒸汽中，熱量靠物質(zhì)的流淌從一部分向另一部分轉(zhuǎn)移的傳遞方式稱為對流。含熱的液體或氣體，體積因熱而膨脹，密度削減，于是因重量減輕而上升，其四周冷的部份就被補(bǔ)充其原來地位，形成了對流。熱的對流只發(fā)生在液體或氣體中，而且必與傳導(dǎo)同時發(fā)生。⑶輻射高溫?zé)嵩赐ㄟ^空間射向低溫物體，使低溫物體受熱升溫，這種熱量的傳遞方式叫做輻射。熱輻射與光相像，它以直線方式進(jìn)行，可以在真空中傳播；輻射可以通過空氣和玻璃等透亮介質(zhì)，而這些透亮介質(zhì)本身吸熱極少。表面黑、粗糙的物體擅長吸取熱；表面白亮光滑的物體不擅長吸取熱和輻射熱，但擅長反射熱。熱量傳遞的三種方式并非單獨(dú)進(jìn)行，而是一種方式伴隨著另一種方式同時進(jìn)行，或者是三種方式同時進(jìn)行的?；A(chǔ)學(xué)問－熱與溫度熱力學(xué)定律⑴熱力學(xué)第確定律在任何發(fā)生能量轉(zhuǎn)換的熱力過程中，轉(zhuǎn)換前后能量的總量維持恒定。熱力學(xué)第確定律就量能量守定律，即能量既不能殲滅也不能創(chuàng)生。只能以一種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量。⑵熱力學(xué)其次定律熱量只能從高溫物體傳到低溫物體，不行能把熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變更。制冷裝置就是依據(jù)熱力學(xué)其次定律，消耗確定的機(jī)械能，使熱量從低溫傳到高溫。⑶熱力學(xué)第三定律不行能用任何方法使一個物體冷卻到確定溫度的零度。此定律指出了確定溫度是達(dá)不到的?；A(chǔ)學(xué)問－熱與溫度溫度的測量為了衡量物體溫度凹凸的程度，就須要對溫度進(jìn)行測量，溫度的測量是利用溫度計(jì)來完成的。凍干機(jī)中常見的溫度計(jì)有熱電阻、熱電偶和熱敏電阻等。⑴熱電阻熱電阻是利用了金屬絲的電阻溫度系數(shù)原理制成的。確定長度的金屬絲，當(dāng)溫度上升時電阻增加，溫度降低時電阻下降。利用惠斯頓電橋能測知溫度的凹凸。熱電阻一般用鉑絲制作，因此又稱鉑熱電阻。常用Pt100鉑電阻，0℃時電阻值100Ω，測量范圍－200～+600℃，精度A級，充許誤差：±0.15+0.2%t（JB/T8622-1997等效于IEC751)⑵熱電偶熱電偶是利用不同的金屬絲一端焊接在一起時，在它們的二個游離端會隨溫度的變更而產(chǎn)生不同的電動勢，測量這個電動勢的大小便知道溫度的凹凸。凍干機(jī)上一般用”T“型熱偶溫度（銅-康銅），測量范圍：－200～300℃，精度Ⅰ級，充許誤差±0.5℃或0.4％t（JB/T9238-1999等效于IEC751）基礎(chǔ)學(xué)問－水和溶液的特性

制品中的水分⑴游離水(自由水)系附著于物料中，用離心、過濾法或一般干燥溫度即可簡潔除去的水份，游離水可被微生物利用，是造成干燥物料腐敗的因素之一。

⑵結(jié)合水在物料中以氫鍵結(jié)合在物料的成分如蛋白質(zhì)或碳水化合物上的水分，因其與物料緊密結(jié)合，所以很難以一般方法和操作加以分別，亦不被微生物利用。⒉溶液一種或多種物質(zhì)勻整地混合在另一種物質(zhì)中所組成的混合液。溶液一般由溶劑和溶質(zhì)組成。含量多的叫溶劑，含量少的叫溶質(zhì)。以水為溶劑的混合物叫水溶液?；A(chǔ)學(xué)問－水和溶液的特性溶液的凍結(jié)過程和共晶溫度⑴區(qū)為溶液完全以液態(tài)存在的條件。⑵區(qū)因溶液的溶解度太小，部分液態(tài)及有部份溶劑因溶質(zhì)之不足而形成固態(tài)的狀態(tài)，故為一液、固態(tài)混合物。⑶區(qū)因溶液的溶解度太大，部份液態(tài)及部份過量溶質(zhì)析出為固態(tài)的狀態(tài)，故亦為一液、固態(tài)混合物。⑷區(qū)因溶液的溫度太低，且低于溶液能以液態(tài)形成的溫度，故完全凝固為固態(tài)，為部份溶劑與溶液的固態(tài)混合物。⑸區(qū)因溶液的溫度太低，且低于溶液能以液態(tài)形成的溫度，故完全凝固為固態(tài)，為部份溶質(zhì)與溶液的固態(tài)混合物。這五區(qū)的共同交會點(diǎn)即溶液所能達(dá)到的最低凍結(jié)溫度，故此點(diǎn)稱為共晶溫度，由此狀態(tài)下的溶液稱為共晶溶液?；A(chǔ)學(xué)問－水和溶液的特性圖中A：溶劑，B：溶質(zhì)

Ta/Te，Te/T飽和溶解度線基礎(chǔ)學(xué)問－水和溶液的特性水的特性及相態(tài)圖水的分子由二個氫原子和一個氧原子組成，化學(xué)符號為H2O。分子量為18。水的密度在+4℃時最大，為1g/cm3，溫度上升或降低時均削減。冰的密度為0.92g/cm3，所以冰比水輕，并且結(jié)冰時發(fā)生體積膨脹現(xiàn)象。在1atm下水的冰點(diǎn)是0℃。壓力增加時冰點(diǎn)反而下降。壓力為130atm時，冰下降1℃。壓力降低時，熔點(diǎn)上升。當(dāng)水的蒸汽壓等于外界壓力時，它就沸騰。在1atm下水的沸點(diǎn)為100℃，當(dāng)壓力減小時沸點(diǎn)會降低；壓力增加時沸點(diǎn)會上升?；A(chǔ)學(xué)問－水和溶液的特性

水的特性及相態(tài)圖OC線表示水的蒸汽壓曲線，蒸汽壓隨溫度增加而上升；OC線是水、汽共存線OA線冰的熔點(diǎn)與壓力的關(guān)系；OA線是冰、水共存線OB線表示冰的蒸汽壓曲線，冰的蒸汽壓隨溫度的增加而上升；OB線是冰、汽共存線O點(diǎn)是冰、水、汽三態(tài)平衡點(diǎn)，在這個溫度和壓力時，冰、水、汽可以同時共存，它的溫度為0.01℃和壓力為610Pa從圖可以看出，當(dāng)壓力低于610Pa時，不管溫度如何變更，水的液態(tài)不能存在，這時只有固態(tài)和氣態(tài)二種形態(tài)。水蒸汽的臨界溫度為374℃，臨界壓力是217.7atm。溫度降低時水蒸汽很簡潔液化。在不同的溫度水和冰均有不同的蒸汽壓。溫度降低時，冰和水的蒸汽壓也隨之降低?；A(chǔ)學(xué)問－水和溶液的特性水或水蒸汽飽和溫度與飽和蒸汽壓對應(yīng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)學(xué)問－共晶點(diǎn)測量方法將一對白金電極浸入液體產(chǎn)品之中，并在產(chǎn)品中插一支溫度計(jì)，把它們冷卻到－40℃以下的低溫，然后將凍結(jié)產(chǎn)品漸漸升溫。用惠斯頓電橋來測量其電阻，當(dāng)發(fā)生電阻突然降低時，這時的溫度即為產(chǎn)品的共熔點(diǎn)。電橋要用溝通電供電，因?yàn)橹绷麟姇l(fā)生電解作用，整個過程由儀表記錄。完全凍結(jié)的溶液或制品，當(dāng)溫度上升至某一點(diǎn)時，起先出現(xiàn)冰晶熔化，該溫度稱為共熔點(diǎn)溫度或共熔點(diǎn)。共熔點(diǎn)溫度并不等于共晶點(diǎn)溫度。對升華來說，制品溫度必需低于共熔點(diǎn)。基礎(chǔ)學(xué)問－凍干產(chǎn)品的崩解溫度

升華界面的概念：一個正常升華的產(chǎn)品，當(dāng)升華進(jìn)行到確定的時候，就會出現(xiàn)上層的干燥層和下層的凍結(jié)層，這二層之間的交界面就是升華界面。升華界面是隨著升華的進(jìn)行而不斷下降的。基礎(chǔ)學(xué)問－凍干產(chǎn)品的崩解溫度

產(chǎn)品崩解溫度：某些已經(jīng)干燥的產(chǎn)品當(dāng)溫度上升到某一數(shù)值時，會失去剛性，變得有粘性，發(fā)生類似塌陷的崩解現(xiàn)象，使干燥產(chǎn)品失去疏松多孔的狀態(tài)，封閉了下層凍結(jié)產(chǎn)品水蒸汽的逸出通路，阻礙了升華的接著進(jìn)行。發(fā)生崩解時的溫度叫做該產(chǎn)品的崩解溫度。對于產(chǎn)品要獲得良好的干燥，只有保持升華中的干燥產(chǎn)品的溫度在崩解點(diǎn)以下，直到凍結(jié)產(chǎn)品全部升華完畢為止，才能使產(chǎn)品溫度接著上升。這時由于產(chǎn)品中已不存在凍結(jié)冰（自由水），干燥產(chǎn)品即使發(fā)生崩解也不會影響產(chǎn)品的干燥，因?yàn)楫a(chǎn)品已從升華階段轉(zhuǎn)入解吸干燥階段。產(chǎn)品的崩解溫度取決于產(chǎn)品本身的品種和疼惜劑的種類；混合物質(zhì)的崩解溫度取決于各組分的崩解溫度。因此在選擇產(chǎn)品的凍干疼惜劑時，應(yīng)選擇具有較高崩解溫度的材料，使升華干燥能在不很低的溫度下進(jìn)行，以節(jié)約凍干的能耗和時間，提高生產(chǎn)率?；A(chǔ)學(xué)問－凍干疼惜劑疼惜劑概念：在凍干的液體制品中，除了那些有活性、有生命或有治療效果的組分之外，統(tǒng)稱為凍干疼惜劑。有些液體制品能單獨(dú)地進(jìn)行冷凍干燥，也有些液體制品進(jìn)行凍干往往不易成功。為了使某些制品能成功地進(jìn)行凍干，改善凍干產(chǎn)品的溶解性和穩(wěn)定性，或使凍干產(chǎn)品有美觀的外形，須要在制品中加入一些附加物質(zhì)，它們就是疼惜劑，也可以稱懸浮介質(zhì)、填充劑、賦形劑、緩沖劑、基礎(chǔ)物等。疼惜劑對于凍干制品必需是化學(xué)隋性的?；A(chǔ)學(xué)問－凍干疼惜劑

疼惜劑的作用：⑴細(xì)菌和病毒須要在特定的培育介質(zhì)下生長繁殖，但有些培育介質(zhì)與細(xì)菌和病毒往往難以分別，它們一般能成功地凍干在這些培育介質(zhì)中。⑵有些活性物質(zhì)濃度微小，干物質(zhì)含量極少。在凍干時已經(jīng)干燥的物質(zhì)會被升華的氣流帶走。為了改善濃度，增加干物質(zhì)含量，使凍干后的產(chǎn)品能形成較志向的團(tuán)塊。因此須要加入填充物質(zhì)，使固體物質(zhì)的濃度在4～25％之間。⑶有些活性物質(zhì)特殊脆弱，在冷凍干燥時由于物理或化學(xué)緣由會受到危害，因此加入一些疼惜劑或防凍劑，以削減冷凍干燥中的損害。⑷加入某些物質(zhì)可以提高產(chǎn)品的崩解溫度，以得到良好的產(chǎn)品并簡潔凍干。⑸為了變更凍干液體制劑的酸堿度，從而變更共熔點(diǎn)以利于凍干。⑹為了變更產(chǎn)品貯藏的穩(wěn)定性、提高貯藏溫度，增加貯藏時間。對于不同的凍干制品也沒有一個疼惜劑的通用配方。每種產(chǎn)品的適宜疼惜劑需通過反復(fù)的試驗(yàn)才能確定。基礎(chǔ)學(xué)問－壓強(qiáng)與真空壓力/壓強(qiáng)的概念：壓在某一物體表面上的力稱為壓力，而單位面積上所受到的力稱為壓強(qiáng)。壓力的單位是克或公斤（千克、kg）、壓強(qiáng)的單位是克/厘米2（g/cm2）或公斤/厘米2（kg/cm2）。國際標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位：帕Pa或KPa、MPa。液體和氣體同樣對處于其中的一切物體產(chǎn)生壓強(qiáng)。地球的表面包圍著一層厚厚的空氣，叫做大氣層，這個大氣層所產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫做大氣壓。固體的壓強(qiáng)只產(chǎn)生于重力方向，液體的壓強(qiáng)產(chǎn)生于與液體相接觸的任何一面，而氣體的壓強(qiáng)產(chǎn)生于全部的方向上。所以氣體的壓力也可以說明為氣體分子不停地運(yùn)動而撞擊容器內(nèi)壁的結(jié)果。常用壓力換算關(guān)系基礎(chǔ)學(xué)問－壓強(qiáng)與真空大氣壓力的大小可以通過試驗(yàn)來測得。拿一根大約1米（m）長，一端封閉的細(xì)玻璃管，里面灌滿水銀，把它倒立在水銀槽中，便可見到水銀柱的下降現(xiàn)象，降到確定的高度便維持不動，在玻璃管上方形成一個沒有空氣的空間（真空），測量水銀柱的高度約為760mm。試驗(yàn)表明：760mm高的水銀柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)正好與大氣壓強(qiáng)相平衡。即1atm=760mmHg水銀所產(chǎn)生的壓強(qiáng)=比重×高度=13.6×76=1033.6g/cm2=1.0336㎏/cm2≈1.0㎏/cm2大氣壓與高度有關(guān)。離海平面越高，大氣壓越低。在離海平面2000米的高度內(nèi)，平均每上升12米（m），水銀柱約下降1毫米（mm）?；A(chǔ)學(xué)問－壓強(qiáng)與真空大氣壓力的大小可以通過試驗(yàn)來測得。拿一根大約1米（m）長，一端封閉的細(xì)玻璃管，里面灌滿水銀，把它倒立在水銀槽中，便可見到水銀柱的下降現(xiàn)象，降到確定的高度便維持不動，在玻璃管上方形成一個沒有空氣的空間（真空），測量水銀柱的高度約為760mm。試驗(yàn)表明：760mm高的水銀柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)正好與大氣壓強(qiáng)相平衡。即1atm=760mmHg水銀所產(chǎn)生的壓強(qiáng)=比重×高度=13.6×76=1033.6g/cm2=1.0336㎏/cm2≈1.0㎏/cm2大氣壓與高度有關(guān)。離海平面越高，大氣壓越低。在離海平面2000米的高度內(nèi)，平均每上升12米（m），水銀柱約下降1毫米（mm）?；A(chǔ)學(xué)問－壓強(qiáng)與真空

真空：真空是指低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，1m3體積中氣體的分子數(shù)為2.7×1019個。而真空與大氣狀態(tài)相比較，單位體積中氣體的分子數(shù)目較少了。真空凹凸的程度叫做真空度，真空度用氣體壓強(qiáng)的大小來表示。壓強(qiáng)越低，表示真空度越高；反之，壓強(qiáng)越高，表示真空度越低。若壓強(qiáng)高到760mm即一個大氣壓就是沒有真空了。若壓強(qiáng)接著升高，就產(chǎn)生了正壓。因此，低于大氣壓又可稱為負(fù)壓?；A(chǔ)學(xué)問－壓強(qiáng)與真空壓強(qiáng)的三種表示方法：確定壓力、表壓力和真空度。三者的數(shù)學(xué)關(guān)系：確定壓力=表壓力+1atm換算關(guān)系：1kg/cm2≈0.1MPa=760mmHg=760Torr=105Pa=103mbar=1bar基礎(chǔ)學(xué)問－壓強(qiáng)與真空氣體的特點(diǎn)無確定形態(tài)、也無確定體積。氣體能無限地膨脹而完全充溢于任何體積的容器中；氣體又能勻整地混合；數(shù)種不同種類的氣體，不管其比例如何，均能混合成一勻整狀態(tài)。物質(zhì)的氣體狀態(tài)由壓強(qiáng)、體積和溫度三個因素來確定。當(dāng)氣體壓縮時，壓強(qiáng)增加，體積縮小，溫度上升；當(dāng)氣體膨脹時，壓強(qiáng)降低，體積增大，溫度降低。氣體的基本定律來概括氣體狀態(tài)變更的一些規(guī)律。⒈波義爾―馬略特定律：P1·V1=P2·V2=常數(shù)⒉蓋―呂薩克定律：V=常數(shù)×T⒊道爾頓定律：P=P1+P2+P3+……+PN⒋阿費(fèi)加德羅定律：等體積的任何種類氣體，在同溫度和同壓強(qiáng)下均有相同的分子數(shù)。例如每立方厘米的氣體在一個大氣壓和20℃的狀況下分子數(shù)為：2.69×1019個。氣體的基本定律適用于氣體，對于蒸汽不確定適用。基礎(chǔ)學(xué)問－壓強(qiáng)與真空真空下的氣體運(yùn)動狀態(tài)在常和順常壓下，由于空氣分子的平均自由程很小，從液體蒸發(fā)出來的分子或從固體升華出來的分子，很簡潔與氣體分子碰撞而返回到原來液體或固體的表面，因此蒸發(fā)和升華的速度很快。隨著真空度的上升，氣體分子變得越來越稀，分子的平均自由程漸漸增大，于是分子間的碰撞機(jī)會將較少發(fā)生。這時液體的蒸發(fā)速度和固體的升華速度將快速增加，大量的分子將會從蒸汽源飛離出來，甚至形成蒸汽流。另外，在真空度較高的狀況下，由于氣體的分子較少，分子間的碰撞機(jī)會很少發(fā)生，氣體的對流就不行能形成，因此在真空度較高的狀況下，依靠對流的熱量傳遞方式將削減甚至消逝；依靠氣體分子的熱傳導(dǎo)也將減小甚至消逝。這時，真空系統(tǒng)內(nèi)依靠固體的熱傳導(dǎo)和輻射仍照舊存在。試驗(yàn)得出：當(dāng)真空度達(dá)到10Pa以下數(shù)值時，氣體分子的熱傳導(dǎo)和對流可以忽視不計(jì)。這時熱量的傳遞依靠固體的傳導(dǎo)和輻射（輻射熱很?。┻M(jìn)行；而真空度上升到10Pa以上數(shù)值時，通過氣體分子的熱傳導(dǎo)和對流立刻變得顯著活躍起來?；A(chǔ)學(xué)問－壓強(qiáng)與真空凍干機(jī)的真空系統(tǒng)由凍干箱、水汽凝合器（冷凝器）、真空閥門和真空泵等組成。凍干時的真空度范圍大約是67～0.13Pa。系統(tǒng)預(yù)抽真空時要求在30min左右達(dá)到所要求的真空度。真空的獲得方式⑴抽氣機(jī)（即真空泵或稱壓縮式、容積式）⑵用特殊的吸氣劑吸氣如CLCA2等⑶用水汽凝合器(低溫冷阱)捕獲氣體真空區(qū)域劃分凍干技術(shù)－冷凍干燥技術(shù)原理⒈冷凍干燥概念(簡稱凍干)干燥是保持物質(zhì)不致腐敗變質(zhì)的方法之一。干燥的方法有很多，如曬干、煮干、烘干、噴霧干燥和真空干燥等。但這些干燥方法都是在0℃以上或更高的溫度下進(jìn)行。干燥所得的產(chǎn)品，一般是體積縮小、質(zhì)地變硬，有些物質(zhì)發(fā)生了氧化，一些易揮發(fā)的成分大部分會損失掉，有些熱敏性的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、維生素會發(fā)生變性。微生物會失去生物活力，干燥后的物質(zhì)不易在水中溶解等。因此干燥后的產(chǎn)品與干燥前相比在性狀上有很大的差別。而冷凍干燥法不同于以上的干燥方法，產(chǎn)品的干燥基本上在0℃以下的溫度進(jìn)行，即在產(chǎn)品凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行，直到后期，為了進(jìn)一步降低干燥產(chǎn)品的殘余水份含量，才讓產(chǎn)品升至0℃以上的溫度，但一般不超過40℃。冷凍干燥就是把含有大量水分物質(zhì)，預(yù)先進(jìn)行降溫凍結(jié)成固體，然后在真空的條件下使水蒸汽干脆升華出來。而物質(zhì)本身剩留在凍結(jié)時的架子中，因此它干燥后體積不變，疏松多孔。在升華時凍結(jié)產(chǎn)品內(nèi)的冰或其它溶劑要吸取熱量。引起產(chǎn)品本身溫度的下降而減慢升華速度，為了增加升華速度，縮短干燥時間，必須要對產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)加熱。整個干燥是在較低的溫度下進(jìn)行的。凍干技術(shù)－冷凍干燥技術(shù)原理凍干特點(diǎn)⑴凍干在低溫下進(jìn)行，因此對于很多熱敏性的物質(zhì)特殊適用。如蛋白質(zhì)、微生物之類不會發(fā)生變性或失去生物活力。因此在醫(yī)藥上得到廣泛地應(yīng)用。⑵在低溫下干燥時，物質(zhì)中的一些揮發(fā)性成分損失很小，適合一些化學(xué)產(chǎn)品、藥品和食品干燥。⑶在冷凍干燥過程中，微生物的生長和酶的作用無法進(jìn)行，因此能保持原來的性狀。⑷由于在凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行干燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結(jié)構(gòu)，不會發(fā)生濃縮現(xiàn)象。⑸干燥后的物質(zhì)疏松多孔，呈海綿狀，加水后溶解快速而完全，幾乎立刻復(fù)原原來的性狀。⑹由于干燥在真空下進(jìn)行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質(zhì)得到了疼惜。⑺干燥能解除95-99％以上的水分，使干燥后產(chǎn)品能長期保存而不致變質(zhì)。⒊凍干的應(yīng)用⑴制藥工業(yè)、生物制品：如抗菌素、抗毒素、診斷試劑和疫苗等；⑵生物組織、微生物類：動植物如角模、皮層等和酵母、藻類等；⑶食品工業(yè)：咖啡、茶葉、蔬菜、調(diào)料、水果、便利食品等；⑷化學(xué)工業(yè)：金屬超微小粉、化工中的催化劑等；⑸保健品類：蜂王漿、花粉、中草藥制劑等；⑹考古領(lǐng)域：古物類保存。凍干技術(shù)－冷凍干燥技術(shù)原理凍干程序⑴在凍干之前，把須要凍干的產(chǎn)品分裝在合適的容器內(nèi)，一般是玻璃模子瓶、玻璃管子瓶、有的經(jīng)離心處理的大瓶，裝量要勻整一樣，蒸發(fā)表面盡量大而厚度盡量薄一些；⑵然后放入與凍干箱擱板尺寸相適應(yīng)的金屬盤內(nèi)。對瓶裝一般接受脫底盤，有利于熱量的有效傳遞。⑶裝箱之前，先將凍干箱進(jìn)行空箱降溫，然后將產(chǎn)品放入凍干箱內(nèi)進(jìn)行預(yù)凍；或者將產(chǎn)品放入凍干箱內(nèi)板層上同時進(jìn)行預(yù)凍；⑷抽真空之前要依據(jù)冷凝器制冷機(jī)的降溫速度提前使冷凝器工作，抽真空時冷凝器至少應(yīng)達(dá)到－45℃的溫度；⑸待真空度達(dá)到確定數(shù)值后（通常應(yīng)達(dá)到13Pa～26Pa內(nèi)的真空度），或者有的凍干工藝要求達(dá)到所要求的真空度后即可對箱內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)行加熱。一般加熱分兩步進(jìn)行，第一步加溫不使產(chǎn)品的溫度超過共熔點(diǎn)或稱共晶點(diǎn)的溫度；待產(chǎn)品內(nèi)水分基本干完后進(jìn)行其次步加溫，這時可快速地使產(chǎn)品上升的規(guī)定的最高許可溫度。在最高許可溫度保持2h以上后，即可結(jié)束凍干。凍干結(jié)束后，要充入干燥無菌的空氣進(jìn)入干燥箱，然后盡快地進(jìn)行加塞封口，以防重新吸取空氣中的水分。凍干技術(shù)－冷凍干燥技術(shù)原理凍干曲線和凍干時序不僅是手工操作凍干機(jī)的依據(jù)，而且也是自動限制凍干機(jī)操作的依據(jù)。⒈凍干曲線凍干箱擱板溫度與時間之間的關(guān)系曲線。一般以溫度為縱坐標(biāo)，時間為橫坐標(biāo)。它反映了在凍干過程中，不同時間擱板溫度的變更狀況。⒉凍干時序在凍干過程中不同時間的各種設(shè)備的啟閉運(yùn)行狀況。制定凍干曲線以擱板為依據(jù)是因?yàn)楫a(chǎn)品溫度是受擱板溫度支配的。限制了擱板溫度也就限制了產(chǎn)品溫度。⒊凍干曲線制定要考濾產(chǎn)品的品種產(chǎn)品不同則共熔點(diǎn)亦不同，共熔點(diǎn)低的產(chǎn)品要求預(yù)凍的溫度低；加熱時板層的溫度亦相應(yīng)要低些。有些產(chǎn)品受冷凍的影響較大，有些產(chǎn)品則影響較?。灰话慵?xì)菌性的產(chǎn)品受冷凍的影響較大，病毒性的產(chǎn)品受冷凍的影響較小。要依據(jù)試驗(yàn)找出一個產(chǎn)品的最優(yōu)冷凍速率，以獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品和較短的冷凍干燥時間。另外產(chǎn)品不同，對殘余水分的要求也不同。為了長期保存產(chǎn)品，有些產(chǎn)品要求殘余水分含量低些。有些則要求高些。殘余水分含量要求低的產(chǎn)品，凍干時間可短。殘余水分含量要求高的產(chǎn)品，凍干時間需延長時間。凍干技術(shù)－冷凍干燥技術(shù)原理凍干產(chǎn)品用的疼惜劑除人血漿等少數(shù)含干物質(zhì)多的原料可以干脆凍干外，大多數(shù)生物制品在凍干時都須要添加某種物質(zhì)，制成混合液后才能進(jìn)行凍干。這種物質(zhì)在干燥后起支撐作用，在凍干過程中起疼惜作用，因此稱為疼惜劑。有時也稱填充劑、賦形劑、緩沖劑等。⒌裝箱前產(chǎn)品的分裝生物制劑調(diào)配好之后應(yīng)裝在確定形態(tài)的容器中，再放入凍干箱內(nèi)預(yù)凍。①分裝容器生物制品一般用瓶裝。瓶子有安瓶、小玻璃瓶和血漿瓶。中國FDA已發(fā)布叮囑禁止在凍干產(chǎn)品上運(yùn)用安瓶。小瓶塞子材料一般為丁基橡膠制造，頂部為塞蓋，中間為直徑與瓶口內(nèi)徑協(xié)作緊密的圓柱部，下部為帶槽的支撐部。在產(chǎn)品分裝后由半加塞機(jī)將塞子放在瓶口上。②溶液分裝分裝在分裝機(jī)上進(jìn)行。溶液在托盤、小瓶中的高度一般為10～15mm，最深不得超過18mm。這樣凍干生產(chǎn)周期可限制在18～24h內(nèi)。為減小溶液凍結(jié)后的深度，對裝量大的產(chǎn)品可接受水平或立式旋轉(zhuǎn)凍結(jié)成殼狀，以增大其外表面積，可大大縮短干燥時間。凍干技術(shù)－冷凍干燥技術(shù)原理⑵裝量的多少裝量的多少也影響凍干曲線的制定。一個是總裝量的多少，一個是每一容器內(nèi)產(chǎn)品裝量的多少。裝量多的凍干時間也長。⑶容器的品種容器的品種也是須要考慮的因素，底部平整和較薄的瓶子傳熱較好。底部不平或玻璃厚的瓶子傳熱較差，后者明顯凍干時間較長。⑷凍干機(jī)性能的優(yōu)劣凍干機(jī)性能的優(yōu)劣干脆關(guān)系到凍干曲線的制定。各種不同的型號，其性能也各不相同。如：擱板與擱板之間、同一擱板上溫差；冷凝器應(yīng)對水蒸汽負(fù)荷的實(shí)力、抽氣時間長短、加溫速率等。即使同一產(chǎn)品，在不同型號的凍干機(jī)凍干時，其凍干曲線也不一樣。凍干技術(shù)－冷凍干燥技術(shù)原理制定凍干曲線和時序時要確定下列數(shù)據(jù)⑴預(yù)凍速度預(yù)凍速度大部分機(jī)器手動程序不能進(jìn)行限制，因此只能以預(yù)凍溫度和裝箱時間來確定預(yù)凍的速率。運(yùn)行自動限制程序可以限制降溫速率但最快不能超過設(shè)備設(shè)計(jì)性能；①要求預(yù)凍的速率快，則凍干箱先降至降低的溫度，然后才讓產(chǎn)品進(jìn)箱；②要求預(yù)凍的速率慢，則產(chǎn)品進(jìn)箱之后在讓凍干箱降溫。⑵預(yù)凍的最低溫度這個溫度取決于產(chǎn)品的共熔點(diǎn)溫度，預(yù)凍最低溫度應(yīng)低于該產(chǎn)品的共熔點(diǎn)溫度5～10℃。⑶預(yù)凍的時間為了使箱內(nèi)每一瓶產(chǎn)品全部凍堅(jiān)固，一般要求在樣品的溫度達(dá)到預(yù)定的最低溫度之后再保持1～2h的時間。⑷冷凝器降溫的時間冷凝器要求在預(yù)凍末期，抽真空之前起先降溫。要求在預(yù)凍結(jié)束抽真空的時候，冷凝器的溫度至少要達(dá)到－45℃左右。一般抽真空之前30min起先降溫。冷凝器的降溫通常從起先之后始終持續(xù)到凍干結(jié)束為止。溫度始終應(yīng)在－45℃以下。凍干技術(shù)－冷凍干燥技術(shù)原理制定凍干曲線和時序時要確定下列數(shù)據(jù)⑸抽真空時間預(yù)凍結(jié)束、冷凝器降溫達(dá)到要求后就是起先抽真空的時間，要求在30min左右的時間真空度能達(dá)到13Pa。始終持續(xù)到凍干結(jié)束為止。⑹預(yù)凍結(jié)束的時間預(yù)凍結(jié)束就是停止凍干箱板層制冷機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通常在抽真空的同時停止制冷機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。⑺起先加熱時間一般認(rèn)為起先加熱的時間（事實(shí)上抽真空起先升華即已起先）。起先加熱是在真空度達(dá)到13Pa或設(shè)定值之后。⑻真空報(bào)警工作時間由于真空度對于升華是極其重要的，因此，凍干機(jī)均設(shè)有真空報(bào)警裝置。真空報(bào)警裝置的工作時間在加熱起先之時到校正漏孔運(yùn)用之前，或從一起先始終運(yùn)用到凍干結(jié)束。一旦在升華過程中真空度下降而發(fā)生真空報(bào)警時，一方面發(fā)出報(bào)警信號，一方面自動切斷凍干箱的加熱，同時還啟動凍干箱的制冷機(jī)對產(chǎn)品進(jìn)行降溫，以疼惜產(chǎn)品不致發(fā)生熔化。凍干技術(shù)－冷凍干燥技術(shù)原理⒋制定凍干曲線和時序時要確定下列數(shù)據(jù)⑼校正漏孔(或稱有限泄漏法)的工作時間校正漏孔的目的是為了改進(jìn)凍干箱內(nèi)的熱量傳遞，通常在其次干燥階段工作時運(yùn)用。等凍干產(chǎn)品達(dá)到最高許可溫度時，才停止運(yùn)用該功能，接著復(fù)原高真空狀態(tài)。⑽產(chǎn)品加熱的最高許可溫度板層加熱的最高許可溫度依據(jù)產(chǎn)品來確定，在升華時板層的加熱溫度可以超過產(chǎn)品的最高許可溫度，因?yàn)檫@時產(chǎn)品仍停留在低溫階段，提高板層溫度可促進(jìn)升華；但凍干后期板層溫度需下降到與產(chǎn)品的最高許可溫度相一樣。由于傳熱的溫差，板層的溫度可比產(chǎn)品的最高許可溫度略高少許。⑾凍干的總時間凍干的總時間是預(yù)凍時間、升華干燥時間和解析干燥工作的時間總和?？倳r間確定，凍干結(jié)束時間也確定。一般冷凍干燥的時間較長，在18～24h左右。有些特殊的產(chǎn)品須要幾天時間。凍干技術(shù)－冷凍干燥技術(shù)原理⒈產(chǎn)品的預(yù)凍為滿足凍干工藝要求，制品進(jìn)入干燥箱后必需進(jìn)行預(yù)凍。預(yù)凍溫度取決于制品固有特性。一般制品溫度低于其共晶點(diǎn)溫度5～10℃左右。假如要得到精細(xì)結(jié)構(gòu)，可接受擱板先預(yù)凍至工藝要求的溫度，然后將制品送入擱板上即快凍；反之，則接受先把制品送入擱板上，與擱板一起進(jìn)行預(yù)凍即所謂慢凍。有些產(chǎn)品干燥比較因難，可以實(shí)行重結(jié)晶或再結(jié)晶處理。一般把產(chǎn)品預(yù)凍到一個遠(yuǎn)低于其共熔點(diǎn)的溫度，然后使產(chǎn)品回升至共熔點(diǎn)旁邊、但不超過共熔點(diǎn)，維持30～60min，再降溫至－40℃左右的溫度，以獲得凍結(jié)產(chǎn)品晶體結(jié)構(gòu)的重組，再抽真空升華。預(yù)凍之前應(yīng)確定三個數(shù)據(jù)⑴預(yù)凍的速率，應(yīng)依據(jù)產(chǎn)品不同而試驗(yàn)出一個最優(yōu)冷凍速率；⑵預(yù)凍的最低溫度，應(yīng)依據(jù)該產(chǎn)品的共熔點(diǎn)來確定，預(yù)凍的最低溫度應(yīng)低于共熔點(diǎn)的溫度；⑶預(yù)凍的時間，依據(jù)機(jī)器的狀況來確定，保證抽真空之前全部產(chǎn)品均已凍實(shí)。凍干技術(shù)－冷凍干燥技術(shù)原理⒉產(chǎn)品的第一階段干躁(升華干燥或主干燥)產(chǎn)品的干燥可分為二個階段，在產(chǎn)品內(nèi)的凍結(jié)冰消逝之前稱第一干燥階段、也叫作升華干燥階段。制品的升華干燥過程是一個吸熱過程，1kg冰轉(zhuǎn)化為水蒸汽須要吸取約670kcal的熱量。因此升華階段必需對產(chǎn)品進(jìn)行加熱。但對產(chǎn)品的加熱量是有限度的，不能使產(chǎn)品的溫度超過其自身的共熔點(diǎn)溫度。對大多數(shù)制品升華過程中所需的真空度范圍為10Pa～30Pa即利于熱量的傳遞又利于升華的進(jìn)行。超過30Pa時，產(chǎn)品可能熔化，此時應(yīng)發(fā)出真空報(bào)警信號，切斷對產(chǎn)品的加熱，甚至啟動制冷壓縮機(jī)對干燥箱擱板進(jìn)行降溫，以疼惜產(chǎn)品不致發(fā)生熔化。干燥過程中，