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真空冷凍干燥機的工作機制

來源: 真空冷凍干燥機  作者: 真空冷凍干燥機  Time: 2022-04-13

真空冷凍干燥機的工作機制

1、真空冷凍干燥機的核心:干燥
干燥是保持物質不致腐敗變質的方法之一。干燥的方法許多,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行。干燥所得的產品,一般是體積縮小、質地變硬,有些物質發生了氧化,一些易揮發的成分大部分會損失掉,有些熱敏性的物質,如蛋白質、維生素會發生變性。微生物會失去生物活力,干燥后的物質不易在水中溶解等。因此干燥后的產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,產品的干燥基本上在0℃以下的溫度進行,即在產品凍結的狀態下進行,直到后期,為了進一步降低產品的殘余水份含量,才讓產品升至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,預先進行降溫凍結成固體,然后在真空的條件下使水蒸汽直接升華出來,而物質本身剩留在凍結時的冰架中,因此它干燥后體積不變,疏松多孔在升華時要吸收熱量。引起產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,必須要對產品進行適當加熱。整個干燥是在較低的溫度下進行的。
冷凍干燥有下列優點:
一.冷凍干燥在低溫下進行,因此對于許多熱敏性的物質特別適用。如蛋白質、微生物之類不會發生變性或失去生物活力。因此在醫藥上得到廣泛地應用。
二.在低溫下干燥時,物質中的一些揮發性成分損失很小,適合一些化學產品,藥品和食品干燥。
三.在冷凍干燥過程中,微生物的生長和酶的作用無法進行,因此能保持原來的性裝。
四.由于在凍結的狀態下進行干燥,因此體積幾乎不變,保持了原來的結構,不會發生濃縮現象。
五.干燥后的物質疏松多孔,呈海綿狀,加水后溶解迅速而完全,幾乎立即恢復原來的性狀。
六.由于干燥在真空下進行,氧氣極少,因此一些易氧化的物質得到了保護。
七.干燥能排除95-99%以上的水份,使干燥后產品能長期保存而不致變質。
因此,冷凍干燥目前在醫藥工業,食品工業,科研和其他部門得到廣泛的應用。
 
2、真空冷凍干燥機的組成和凍干程序
產品的冷凍干燥需要在一定裝置中進行,這個裝置叫做真空冷凍干燥機,簡稱凍干機。
凍干機按系統分,由致冷系統、真空系統、加熱系統、和控制系統四個主要部分組成。按結構分,由凍干箱或稱干燥箱、冷凝器或稱水汽凝集器、冷凍機、真空泵和閥門、電氣控制元件等組成。
凍干箱是一個能夠致冷到-40℃左右,能夠加熱到+50℃左右的高低溫箱,也是一個能抽成真空的密閉容器。它是凍干機的主要部分,需要凍干的產品就放在箱內分層的金屬板層上,對產品進行冷凍,并在真空下加溫,使產品內的水份升華而干燥。
冷凝器同樣是一個真空密閉容器,在它的內部有一個較大表面積的金屬吸附面,吸附面的溫度能降到-40℃以下,并且能恒定地維持這個低溫。冷凝器的功用是把凍干箱內產品升華出來的水蒸氣凍結吸附在其金屬表面上。
凍干箱、冷凝器、真空管道和閥門,再加上真空泵,便構成凍干機的真空系統。真空系統要求沒有漏氣現象,真空泵是真空系統建立真空的重要部件。真空系統對于產品的迅速升華干燥是必不可少的。
致冷系統由冷凍機與凍干箱、冷凝器內部的管道等組成。冷凍機可以是互相獨立的二套,也可以合用一套。冷凍機的功用是對凍干箱和冷凝器進行致冷,以產生和維持它們工作時所需要的低溫,它有直接致冷和間接致冷二種方式。
加熱系統對于不同的凍干機有不同的加熱方式。有的是利用直接電加熱法;有的則利用中間介質來進行加熱,由一臺泵使中間介質不斷循環。加熱系統的作用是對凍干箱內的產品進行加熱,以使產品內的水份不斷升華,并達到規定的殘余水份要求。
控制系統由各種控制開關,指示調節儀表及一些自動裝置等組成,它可以較為簡單,也可以很復雜。一般自動化程度較高的凍干機則控制系統較為復雜??刂葡到y的功用是對凍干機進行手動或自動控制,操縱機器正常運轉,以凍干出合乎要求的產品來。
冷凍干燥的程序是這樣的:在凍干之前,把需要凍干的產品分裝在合適的容器內,一般是玻瓶或安瓶,裝量要均勻,蒸發表面盡量大而厚度盡量薄些;然后放入與凍干箱尺寸相適應的金屬盤內。裝箱之前,先將凍干箱進行空箱降溫,然后將產品放入凍干箱內進行預凍,抽真空之前要根據冷凝器冷凍機的降溫速度提前使冷凝器工作,抽真空時冷凝器應達到-40℃左右的溫度,待真空度達到一定數值后(通常應達到100uHg以上的真空度),即可對箱內產品進行加熱。一般加熱分兩步進行,第一步加溫不使產品的溫度超過共熔點的溫度;待產品內水份基本干完后進行第二步加溫,這時可迅速地使產品上升的規定的最高溫度。在最高溫度保持數小時后,即可結束凍干。
整個升華干燥的時間約12-24小時左右,與產品在每瓶內的裝量,總裝量,玻璃容器的形狀、規格,產品的種類,凍干曲線及機器的性能等等有關。
凍干結束后,要放干燥無菌的空氣進入干燥箱,然后盡快地進行加塞封口,以防重新吸收空氣中的水份。
在凍干過程中,把產品和板層的溫度、冷凝器溫度和真空度對照時間劃成曲線,叫做凍干曲線。一般以溫度為縱坐標,時間為橫坐標。凍干不同的產品采用不同的凍干曲線。同一產品使用不同的凍干曲線時,產品的質量也不相同,凍干曲線還與凍干機的性能有關。因此不同的產品,不同的凍干機應用不同的凍干曲線。圖十四是凍干曲線示意圖(其中沒有冷凝器的溫度曲線和真空度曲線)。
3、真空冷凍干燥機的工藝:共溶點及其測量方法
需要凍干的產品,一般是預先配制成水的溶液或懸濁液,因此它的冰點與水就不相同了,水在0℃時結冰,而海水卻要在低于0℃的溫度才結冰,因為海水也是多種物質的水溶液。實驗指出溶液的冰點將低于溶媒的冰點。
另外,溶液的結冰過程與純液體也不一樣,純液體如水在0℃時結冰,水的溫度并不下降,直到全部水結冰之后溫度才下降,這說明純液體有一個固定的結冰點。而溶液卻不一樣,它不是在某一固定溫度完全凝結成固體,而是在某一溫度時,晶體開始析出,隨著溫度的下降,晶體的數量不斷增加,直到最后,溶液才全部凝結。這樣,溶液并不是在某一固定溫度時凝結。而是在某一溫度范圍內凝結,當冷卻時開始析出晶體的溫度稱為溶液的冰點。而溶液全部凝結的溫度叫做溶液的凝固點。因為凝固點就是融化的開始點(既熔點),對于溶液來說也就是溶質和溶媒共同熔化的點。所以又叫做共熔點??梢娙芤旱谋c與共熔點是不相同的。共熔點才是溶液真正全部凝成固體的溫度。
顯然共熔點的概念對于冷凍干燥是重要的,因為凍干產品可能有鹽類、糖類、明膠、蛋白質、血球、組織、病毒、細菌等等的物質。因此它是一個復雜的液體,它的凍結過程肯定也是一個復雜的過程,與溶液相似,也有一個真正全部凝結成固體的溫度。即共熔點。由于冷凍干燥是在真空狀態下進行。只有產品全部凍結后才能在真空下進行升華,否則有部分液體存在時,在真空下不僅會迅速蒸發,造成液體的濃縮使凍干產品的體積縮??;而且溶解在水中的氣體在真空下會迅速冒出來,造成象液體沸騰的樣子,使凍干產品鼓泡,甚至冒出瓶外。這是我們所不希望的。為此凍干產品在升華開始時必須要冷到共熔點以下的溫度,使凍干產品真正全部凍結。
在凍結過程中,從外表的觀察來確定產品是否完全凍結成固體是不可能的;靠測量溫度也無法確定產品內部的結構狀態。而隨著產品結構發生變化時電性能的變化是極為有用的,特別是在凍結是電阻率的測量能使我們知道凍結是在進行還是已經完成了,全部凍結后電阻率將非常大,因此溶液是離子導電。凍結是離子將固定不能運動,因此電阻率明顯增大。而有少量液體存在時電阻率將顯著下降。因此測量產品的電阻率將能確定產品的共熔點。
正規的共熔點測量法是將一對白金電極浸入液體產品之中,并在產品中插一溫度計,把它們冷卻到-40℃以下的低溫,然后將凍結產品慢慢升溫。用惠斯頓電橋來測量其電阻,當發生電阻突然降低時,這時的溫度即為產品的共熔點。電橋要用交流電供電,因為直流電會發生電解作用,整個過程由儀表記錄。
也可用簡單的方法來測量,用二根適當粗細而又互相絕緣的銅絲插入盛放產品的容器中,作為電極。在銅電極附近插入一支溫度計,插入深度與電極差不多,把它們一起放入凍干箱內的觀察窗孔附近,并用適當方法把它們固定好,然后與其他產品一起預凍,這時我們用萬用表不斷地測量在降溫過程中的電阻數值,根據電阻數值的變化來確定共熔點。
把電極引線通過一個開關與萬用表相連,可以不分正負極。如果凍干箱沒有電線引出接頭,則可以用二根細導線從箱門縫處引出,在電線附近涂些真空密封蠟,這樣不致于影響真空度。
待溫度計降至0℃之后即開始測量并作記錄。把萬用表的轉換開關放在測量電阻的最高檔(×1K或×10K)。由于萬用表內使用的是直流電,為了防止電解作用,在每次測量完之后要把開關立即關掉,把每一次測量的溫度和電阻數值一一記錄下來。開始時電阻值很小,以后逐步增高。到某一溫度時電阻突然增大,幾乎是無窮大,這時的溫度值便是共熔點數值。
用這種方法測量的共熔點有一定的誤差,因為銅電極處多少有些電解作用。萬用表對于高阻值沒有電橋靈敏;另外,凍結過程與熔化過程電阻的變化情況并不完全相同,但所測之值仍有實用參考價值。
共熔點的數值從0℃到40℃不等,與產品的品種、保護劑的種類和濃度有關。