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?shù)恼婵窄h(huán)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(chǎn)物稱作凍干物(lyophilizer)，該過程稱作凍干(lyophilization)。

冷凍式干燥機采用了降溫結露的工作原理，主要由熱交換系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)三部分組成。壓縮空氣首先進入預冷卻器進行氣-氣或氣-水的熱交換，除去一部分熱能，然后進入冷熱空氣交換器，和已經(jīng)從蒸發(fā)器出來被冷卻到壓力露點的冷空氣進行熱交換，使壓縮空氣的溫度進一步降低。之后壓縮空氣進入蒸發(fā)器，與制冷劑進行熱交換，壓縮空氣的溫度降至0-8℃，空氣中的水份在此溫度下析出，通過氣水分離器分離后，經(jīng)過自動排水器排出。而干燥的低溫空氣則進入冷熱空氣交換器進行熱交換，溫度升高后輸出。

壓縮空氣中水蒸氣的量是由壓縮空氣的溫度決定的：在保持壓縮空氣壓力基本不變的情況下，降低壓縮空氣的溫度可減少壓縮空氣中的水蒸氣含量，而多余的水蒸氣會凝結成液體。冷凍干燥機就是利用這一原理采用制冷技術干燥壓縮空氣的。因此冷干機具有制冷系統(tǒng)。

冷凍干燥機的制冷系統(tǒng)屬于壓縮式制冷，由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥等四個基本部件組成。它們之間用管道次連接，形成一個密閉的系統(tǒng)，制冷劑在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動，發(fā)生狀態(tài)變化并與壓縮空氣和冷卻介質進行熱量交換。

制冷壓縮機將蒸發(fā)器內(nèi)的低壓(低溫)制冷劑吸入壓縮機汽缸內(nèi)，制冷劑蒸汽經(jīng)過壓縮，壓力、溫度同時升高；高壓高溫的制冷劑蒸汽被壓至冷凝器，在冷凝器內(nèi)，溫度較高的制冷劑蒸汽與溫度比較低的冷卻水或空氣進行熱交換，制冷劑的熱量被水或空氣帶走而冷凝下來，制冷劑蒸汽變成了液體。

這部分液體再被輸送至膨脹閥，經(jīng)過膨脹閥節(jié)流成了低溫低壓的液體并進入蒸發(fā)器；在蒸發(fā)器內(nèi)低溫、低壓的制冷劑液體吸收壓縮空氣的熱量而汽化(俗稱“蒸發(fā)”)，而壓縮空氣得到冷卻后凝結出大量的液體水；蒸發(fā)器中的制冷劑蒸汽又被壓縮機吸走，這樣制冷劑便在系統(tǒng)中經(jīng)過壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)這樣四個過程，從而完成了一個循環(huán)。

在冷凍干燥機的制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)器是輸送冷量的設備,制冷劑在其中吸收壓縮空氣的熱量，實現(xiàn)脫水干燥的目的。壓縮機是心臟，起著吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用。冷凝器是放出熱量的設備，將蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機輸入功率轉化的熱量一起傳遞給冷卻介質(如水或空氣)帶走。膨脹閥/節(jié)流閥對制冷劑起節(jié)流降壓作用、同時控制和調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器中制冷劑液體的數(shù)量，并將系統(tǒng)分為高壓側和低壓側兩大部分。

溶液速凍時(每分鐘降溫10~50℃)，晶粒保持在顯微鏡下可見的大小；相反慢凍時(1℃/分)，形成的結晶肉眼可見。粗晶在升華留下較大的空隙，可以提高凍干的效率，細晶在升華后留下的間隙較小，使下層升華受阻，速成凍的成品粒子細膩，外觀均勻，比表面積大，多孔結構好，溶解速度快，便成品的引濕性相對也要強些。

藥品在凍干機中預凍在兩種方式：一種是制品與干燥箱同時降溫，另一種是待干燥箱擱板降溫至-40℃左右，再將制品放入，前者相當于慢凍，后者則介于速凍與慢凍之間，因而常被采用，以兼顧凍干效率與產(chǎn)品質量。此法的缺點是制品入箱時，空氣中的水蒸氣將迅速地凝結在擱板上，而在升華初期，若板升溫較快，由于大面積的升華將有可能超越凝結器的正常負荷。此現(xiàn)象在夏季尤為顯著。

制品的凍結處于靜止狀態(tài)。經(jīng)驗證明，過冷現(xiàn)象容易發(fā)生至使制品溫度雖已達到共晶點。但溶質仍不結晶，為了克服過冷現(xiàn)象，制品凍結的溫度應低于共晶點以下一個范圍，并需保持一段時間，以待制品完全凍結。

冷凍干燥的基本原理是基于水的三態(tài)變化。水有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，三種相態(tài)既可以相互轉換又可以共存。 當水在三相點(溫度為0.01℃，水蒸氣壓為610.5Pa)時，水、冰、水蒸氣三者可共存且相互平衡。在高真空狀態(tài)下，利用升華原理，使預先凍結的物料中的水分，不經(jīng)過冰的融化，直接以冰態(tài)升華為水蒸汽被除去，從而達到冷凍干燥的目的。

凍干制品成海綿狀、無干縮、復水性極好、含水分極少，相應包裝后可在常溫下長時間保存和運輸。 由于冷凍式干燥機具有其它干燥方法無可比擬的優(yōu)點，因此該技術問世以來越來越受到人們的青睞，在醫(yī)藥、生物制品和食品方面的應用已日益廣泛。血清、菌種、中西醫(yī)藥等生物制品多為一些生物活性物質，冷凍干燥技術也為保存生物活性提供了良好的解決途徑。

08-20