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冷冻机干燥机的冻干过程解析

  冷冻干燥机(冻干机)由制冷系统、真空系统、加热系统、电器仪表控制系统所组成。主要部件为干燥箱、凝结器、冷冻机组、真空泵、加热/冷却装置等。冷冻干燥简称冻干,就是将含水物质,先冻结成固态,而后使其中的水分从固态升华成气态,以除去水分而保存物质的方法。冻干机起源于19世纪20年代的真空冷冻干燥技术经历了几十年的起伏和徘徊后,在最后的20年中取得了长足进展。进入21世纪,真空冻干技术凭借其它干燥方法无法比拟的优点,越来越受到人们的青睐,除了在医药、生物制品、食品、血液制品、活性物质领域得到广泛应用外,其应用规模和领域还在不断扩大中。为此,真空冷冻干燥必将成为21世纪的重要应用技术。       

  作为一般概念来讲,冻干技术实际上已经有几百年的历史了。古代的秘鲁印加人将安第斯山脉的峰顶作为天然的食物保存处。在高海拔下,温度和气压都极低,这种防止食物变质的方法与现代冷冻干燥机和冰箱冻结室如出一辙。这是低科技含量的冻干法之一。      

  冻干技术的基本原理是升华——从固态直接转化成气态。跟蒸发一样,升华也是当一个分子吸收了足够的能量后,从周围的分子中脱离开来的过程。如果水分子获得了使之脱离的足够能量,同时周围的环境又不容许液态水存在,那么水就会由固态(冰)升华为气态(水蒸气)。      

  某种物质会处于什么状态(固态、液态或者气态)主要由两个因素决定:热量和大气压。只有当温度和压强在特定范围内时,一种物质才会处于某一特定状态。如果这些条件不能满足,这种物质就不会以该状态存在。      

  这就是冷冻干燥机的原理。典型的冷冻干燥机由冷冻干燥仓(带有与加热部件相连的多个架子)、与制冷压缩机相连的制冷线圈和真空泵三部分组成。      

  可以知道,如果温度在海平面冰点(0摄氏度)和海平面沸点(100摄氏度)之间,水在海平面(压强为1个标准大气压)状态下就为液态。但是如果温度超过了0摄氏度,而大气压低于   0.06个标准大气压 (ATM),则温度足以让冰融化,但是却没有足够的压强使之转化成液态水。因此,它转化成了气态。      

  对大部分机器来说,您都要趁需要保存的原料未冷冻时将其置于架子上。将冷冻干燥仓密封,并开始冻干过程,这时机器将启动压缩机来降低仓内温度。之后原料会冻成固体,此时水依然存在,但在分子层面上它已经与周围的所有物质分开了。      

  接下来,机器会启动真空泵,将空气排出冷冻干燥仓,使仓内压强低于0.06个标准大气压。加热部件向架子输送很少的热量,以使冰改变状态。由于压强很低,冰就直接转化成了水蒸气。水蒸气从冷冻干燥仓中跑出,途经冷冻线圈。水蒸气在冷冻线圈上凝结成固态的冰,就像在寒冷的天气里水凝结成霜一样。       

  原料逐渐干透需要很多个小时(甚至几天)。这一过程之所以这么长,是因为过度加热原料会显著改变其成分和结构。另外,加快升华过程也会在一段时间内产生更多的水蒸气,需要真空泵将其抽到冷冻仓外。这可能会使原料复水,从而降低其质量。      

  原料充分干燥后,就会被密封在无水包装内,通常其中还会加入吸氧物质。只要该包装安全,里面的原料就能保存数年而不变质,直到加入一点水使它恢复原状为止(原料中总会残留极少量的湿气,所以它终究还是会变质的)。如果一切顺利,那么在整个冻干过程中,原料都将会毫无损伤!