真空冷冻干燥基本原理

真空冷冻干燥的基本原理

一、冻干的历史

  在冷冻干燥技术的早期发展中,有三件事具有里程碑的意义:

(1)美国宾州大学的E.W.Flosdorf和S.Mudd,在1933年用玻璃器皿系统实现血清的冷冻干燥。

(2)1928年,A.Fleming发现了青霉素;1938年,牛津大学的E.B.Chain 实现了青霉素的冷冻干燥,并和L.H.W.Florey 一起,使冻干的青霉素在第二次世界大战期间的临床医学上得到了重要的应用。他们三人于1945年获生理学-医学诺贝尔奖。

(3)为解决巴西咖啡过剩的问题,雀巢公司于1938年发明了咖啡的冷冻干燥。

  这三件事推动了当时微生物和食品冷冻于燥的发展。但是那时的冻干系统是由玻璃器皿组成的,冷源是干冰(固态CO2)。自1930年起,以氟利昂为制冷工质的机械式制冷装置的兴起,为冷冻干燥技术的推广应用提供了条件。1940~1960年是冷冻技术发展较快的时期,主要应用于微生物和咖啡等冷冻干燥。

  到20世纪90年代,由于生物药品的出现和发展,对冷冻于燥技术提出了许多新的近乎“苛刻”的要求,迫使其向“精致”的深入的方向发展。同时,80年代开始发展起来的“溶液玻璃化理论”和“食品聚合物科学”等也为冷冻于燥技术的发展提供了一些理论基础。

二、冻干的基本原理

  由物理学可知，水有三相，O点为三相共点，OA为冰的融解点。根据压力减小、沸点下降的原理，只要压力在三相点压力之下（图中压力为 646.5Pa以下，温度0℃以下），物料中的水分则可从水不经过液相而直接升华为水汽。根据这个原理，就可以先将食品的湿原料冻结至冰点之下，使原料中的水分变为固态冰，然后在适当的真空环境下，将冰直接转化为蒸汽而除去，再用真空系统中的水汽凝结器将水蒸汽冷凝，从而使物料得到干燥。这种利用真空冷冻获得干燥的方法，是水的物态变化和移动的过程，这个过程发生在低温低压下，因此，冷冻干燥的基本原理是在低温低压下传热传质的机理。

冷冻干燥不同于普通的加热干燥，物料中的水分基本上在0℃以下的冰冻的固体表面升华而进行干燥，物质本身则剩留在冻结时的冰架子中，因此，干燥后的产品体积不变、疏松多孔。冰在升华时需要热量，必须对物料进行适当加热，并使加热板与物料升华表面形成一定温度梯度，以利于传热的顺利进行。

制品的冷冻干燥过程包括冻结、升华干燥和解析干燥3个阶段。

（1）冻结

先将欲冻干物料用适宜冷却设备冷却至2℃左右，然后置于冷至约一40℃(13．33Pa)冻干箱内。关闭干燥箱，迅速通入制冷剂(氟里昂、氨)，使物料冷冻，并保捧攀邸h或更长时间，以克服溶液的过冷现象，使制品冻结，即可进行升华。

（2）升华干燥、也称一次干燥

制品的升华是在高度真空下进行的，在压力降低过程中，必须保持箱内物品的冰冻状态，以防溢出容器。待箱内压力降至一定程度后，再打开罗茨真空泵(或真空扩散泵)，压力降到1．33Pa，一60。C以下时，冰即开始升华，升华的水蒸气在冷凝器内结成冰晶。为保证冰的升华，应开启加热系统，将搁板加热，不断供给冰升华所需的热量。

（3）解析干燥、也称二次干燥

在升华阶段内，冰大量升华，此时制品的温度不宜超过共熔点，以防产品中产生僵块或产品外观上的缺损，在此阶段内搁板温度通常控制在±10℃之间。制品的解析干燥阶段所除去的水分为结合水分，此时固体表面的水蒸气压呈不同程度的降低，干燥速度明显下降。在保证产品质量的前提下，在此阶段内应适当提高搁板温度，以利于水分的蒸发，一般是将搁板加热至30～35。C，实际操作应按制品的冻干曲线(事先经多次实验绘制的温度、时间、真空度曲线)进行，直至制品温度与搁板温度重合达到干燥为止。