冷冻干燥机的原理及选型指南

2021.7.25

　　一、冷冻干燥机简介

　　冷冻干燥机是将含水物品预先冻结，然后将其水分在真空状态下升华而获得干燥物品的一种技术方法。经冷冻干燥处理的物品易于长期保存，加水后能恢复到冻干前的状态并保持原有的生化特性。

　　真空冷冻干燥技术在生物工程、医药工业、食品工业、材料科学和农副产品深加工等领域有着广泛的应用，且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。

　　二、冷冻干燥机基本结构

　　冷冻干燥机系由制冷系统、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。

　　制冷系统是冻干机的最重要的组成部分，被称为“冻干机的心脏”。其制冷系统主要由以下部件组成：压缩机,制冷剂,油分离器，水冷凝器，干燥过滤器，中间冷却器，视液镜，电磁阀，手阀(顶盖阀)，膨胀阀，蒸发器(板式交换器，后箱冷凝盘管)，汽液分离器，回气过滤器，压力表，压力控制继电器， CPCE (能量调节器)，安全阀，制冷管道等。

　　三、冷冻干燥机工作原理

　　冷冻干燥是利用升华的原理进行干燥的一种技术，是将被干燥的物质在低温下快速冻结,然后在适当的真空环境下,使冻结的水分子直接升华成为水蒸气逸出的过程. 冷冻干燥得到的产物称作冻干物(lyophilizer)，该过程称作冻干(lyophilization)。

　　冻干机的工作原理(如下图所示)是：液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物质的热量后，汽化成低压低温的蒸汽，被压缩机吸入，压缩成高温高压的蒸汽后排入冷凝器，在冷凝器中向向冷却介质(水或空气)放热，冷凝为高压液体，经节流装置节流为低压低温的液体，再次进入蒸发器吸热汽化。

　　四、冷冻干燥机选型指南

　　1、冻干面积

　　冻干机型号中的数字代表该型号冻干机的冻干面积，例如，LGJ-18C型冻干机的冻干面积为0.18㎡。用户应根据自己的需要，通过计算来确定需用多大冻干面积的冻干机。例如每批需冻干1.8公斤(升)液体量的产品,用物料盘装载物料，每盘装载10㎜厚，则可计算得冻干板层的负荷面积：

　　A(面积，㎡)=V(体积，m)/H(高度，m)=0.0018m/0.01m=0.18㎡

　　即需选用板层负荷面积为0.18㎡的冻干机。

　　2、冷阱温度

　　冷阱是冷冻干燥过程捕获水分的装置，理论上讲，冷阱温度越低，冷阱的捕水能力越强，但冷阱温度低，对制冷要求高，机器成本及运转费用高。实验系列冷冻干燥机的冷阱温度主要有-45℃左右、-60℃左右、-80℃左右等几个档次。冷阱温度为-45℃的冻干适用于一些容易冻干的产品，冷阱温度为-60℃左右的冻干机适用于大部分产品的冻干，冷阱温度为-80℃的冻干适用于一些特殊产品的冻干。冷阱温度对捕水能力的影响实验表明冷阱温度从-35℃下降到-55℃，捕水能力有提升明显，冷阱温度低于-55℃，冷阱的捕水能力提升不明显。因此，在没有特殊需求的情况下，选用冷阱温度-60℃左右是理想的选择。

　　3、降温速率

　　降温速率体现制冷系统的制冷能力，在空载情况下,冷阱温度应在1小时内达到指标规定的最低温度。例如，冷阱温度≤-60℃的冻干机，机器从打开制冷开始计时，冷阱温度达到-60℃的时间应不大于1小时。

　　4、极限真空度

　　极限真空度体现冻干机的泄漏情况及真空泵的抽气效率。冻干箱的真空度，过去的观点认为真空度是越高越好，现在的观点认为真空度应在一个合理的范围之内。真空度太高了，不利于传热，干燥速度反而下降，但无论如何冻干箱的空载极限真空度应达到15Pa以上。

　　5、抽真空时间

　　冻干箱空载的抽空速度，应在半小时之内从大气压抽到15Pa。

　　6、板层温度均匀性及平整度：

　　板层温度的均匀性和平整度,对产品质量的均一性有很大的影响,温度均匀性和平整度越好，则冻干产品质量的均一性也越好。冻干机搁板温度控制有加热器型和中间流体型，采用中间流体控制板层的冻干机搁板温度均匀性和平整度好，这种冻干机板层为空心夹层结构，板层的制冷和加热均通过中间流体在板层内部的流体通道循环来实现，因此板层温度均匀一致。冷冻干燥机就采用搁板中间流体的技术。钟罩型冻干机的搁板温度控制基本上都是采用加热器，板层温度一致性稍差。但总体而言，医药用冻干机板层温差应控制在±1．5℃，板内温差为±l℃ ，食品冻干机可适当放宽。

　　7、控制系统

　　冻干机的控制系统类型及功能各异，对于实验系列的冻干机，主要应用于物料的冻干工艺摸索和少量试生产。因此，控制系统应可实时显示冻干过程参数并自动记录；设定、修改及有效地执行冻干工艺程序；具备通讯接口，便于数据采集、保存。

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