階段干燥

    在之前的章節(jié)中，我們介紹了Zirbus凍干機關(guān)于冷凍干燥方面的基本知識，冷凍干燥過程分析中我們簡單的分析了預(yù)凍階段，自本次章節(jié)起，我們正式進入干燥階段，干燥主要約分為兩個階段：

          階段干燥（主干燥階段或大量升華階段）

          第二階段干燥（解吸附干燥階段）

    兩個階段發(fā)揮的作用各不相同，階段主要去除凍干物料中的大部分自由水水，使物料中的水殘余<10%；第二階段使整個凍干物料體系中的含水量<5%或<3%，此階段用于除去結(jié)合水。在本篇文章中，我們主要介紹階段干燥。

    由水的三相圖可知，不論是階段干燥還是第二階段干燥，均需要在真空條件下進行（可參考之前的章節(jié)）。由于制品中所含的水分不是純水，而是含有鹽類、酸類或蛋白質(zhì)等成分，所以共晶點要比純水共晶點低（如之前所述純水共晶點0℃，加入氯化鈉成為2%的鹽水共晶點溫度則為-29℃）。以水為溶劑大部分制品升華時的溫度為-40~-30℃，查看右表，與之相對于的真空度為13~38Pa，整個體系真空度應(yīng)控制（真空控制——選配件）在此范圍內(nèi)，以保證冰晶體升華干燥的進行。真空控制是選配件，以后會將Zirbus的選配件做一一介紹。

    凍結(jié)的產(chǎn)品在升華階段需要熱量，1g冰全部升華變成水蒸氣大約需要吸收2820J左右的熱量，因此在冷凍干燥過程中的干燥階段需要給凍干物料提供熱量，用以補充升華熱。在階段干燥時，對產(chǎn)品的加熱量是有一定限度的，即不能使產(chǎn)品的溫度超過共晶點溫度；若高于共晶點溫度，凍結(jié)的物料可能發(fā)生融化，干燥后的產(chǎn)品將發(fā)生體積縮小、出現(xiàn)氣泡、顏色加深、復(fù)水性差等現(xiàn)象。因此，階段干燥的隔板加熱溫度要求接近共晶點溫度，但不能超過共晶點溫度。

• 階段干燥時間的確定

      階段干燥時間的長短的影響因素包括以下方面：

• 產(chǎn)品的品種。有些產(chǎn)品容易干燥，有些產(chǎn)品不易干燥。一般來說，共晶點溫度較高的產(chǎn)品容易干燥，升華的時間短些。如共晶點溫度為-19℃的物料比共晶點為-29℃的物料易于干燥。
• 產(chǎn)品的分裝厚度。正常的升華速率大約每小時使產(chǎn)品干燥層增加0.5~1mm，如10mm的物料高度，則階段干燥所需時長為10小時。
•  升華時的熱量。升華時若提供的熱量不足，則會減慢升華速率，延長升華階段，但也不能過多提供熱量，隔板溫度應(yīng)低于物料共晶點溫度。
• 傳熱。凍干托盤可以放置散裝凍干物料，但是當凍干西林瓶時，托盤作為中間物會影響加熱隔板與西林瓶的傳熱，Zirbus可以根據(jù)用戶需求，選配底部可抽式托盤，使西林瓶和加熱隔板直接接觸，增加傳熱的效率。
• 凍干機的性能。如真空性能（選用高性能真空泵如Edwards愛德華），冷凝器的溫度和效能等等將直接影響冷凍干燥整個過程。  

• 干燥過程壓力對冷凍干燥的影響——真空控制

    1g冰在壓力10Pa時大約能產(chǎn)生10 000L體積的蒸汽，為了排除大量的蒸汽，光靠機械真空泵是不行的。冷凝器可以使水蒸氣大量凝華在制冷表面上，因此冷凝器實際上起著水蒸氣泵的左右，大量的水蒸氣放出熱量使冷凝器的溫度發(fā)生回升，是正常的現(xiàn)象。為了冷凍干燥出良好的產(chǎn)品，需要保持系統(tǒng)內(nèi)具有良好的而且穩(wěn)定的真空度。

    * 系統(tǒng)壓力過低。壓力低當然有利于產(chǎn)品內(nèi)的冰升華，但壓力太低時對產(chǎn)熱不好，產(chǎn)品不易獲得熱量。在同樣的導(dǎo)熱隔板溫度下，壓力高于10Pa，產(chǎn)品容易獲得熱量，因此升華的速率增加。

    * 壓力過高的影響。壓力過高時，產(chǎn)品內(nèi)的冰的升華速率減慢，不利于水分子的移動。

    在設(shè)置整個系統(tǒng)的壓力時，應(yīng)結(jié)合共晶點溫度和冷凝器溫度而確定具體數(shù)值。當以水作為溶劑時，凍干系統(tǒng)內(nèi)部合適的壓力為10~30Pa，在此個壓力范圍內(nèi)，既有利于熱量的傳遞，又有利于升華的進行。

      Zirbus凍干機真空控制為選配件，而中試以上型為標配。