冷凍干燥機(jī)是一種利用升華原理對含水物質(zhì)進(jìn)行干燥的冷干設(shè)備。其工作原理是將含水物質(zhì)先凍結(jié)成固態(tài)，然后在真空環(huán)境下使固態(tài)水分直接升華成氣態(tài)，從而去除水分并保存物質(zhì)。冷凍干燥機(jī)廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物技術(shù)和化工等多個(gè)領(lǐng)域，因其能夠大限度地保持物料的營養(yǎng)成分、生物活性和原始形態(tài)而備受青睞。
一、基本原理
冷凍干燥的基本原理基于水的三態(tài)變化。在三相點(diǎn)(溫度為0.01℃，水蒸氣壓為610.5Pa)時(shí)，水、冰、水蒸氣三者可以共存且相互平衡。在高真空狀態(tài)下，利用升華原理，使預(yù)先凍結(jié)的物料中的水分不經(jīng)過冰的融化，直接以冰態(tài)升華為水蒸氣被除去，從而達(dá)到干燥的目的。
升華過程避免了液態(tài)水的出現(xiàn)，減少了物料因脫水而發(fā)生的濃縮現(xiàn)象，避免了由水蒸氣產(chǎn)生的泡沫、氧化等副作用。干燥后的物質(zhì)呈干海綿多孔狀，體積基本不變，極易溶于水而恢復(fù)原狀。
二、組成
冷凍干燥機(jī)主要由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和電器儀表控制系統(tǒng)組成。主要部件包括干燥箱、凝結(jié)器、冷凍機(jī)組、真空泵、加熱/冷卻裝置等。
制冷系統(tǒng)：通過制冷劑循環(huán)流動實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)的冷凍作用，將物質(zhì)中的水分凍結(jié)成冰。
真空系統(tǒng)：通過減壓作用將物料表面的冰在低溫下直接升華成水蒸氣，并維持干燥倉內(nèi)的低氣壓條件。
加熱系統(tǒng)：向物料提供升華所需的熱量，加速水分升華的過程。
電器儀表控制系統(tǒng)：對真空度、溫度、時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，確保干燥過程能夠穩(wěn)定進(jìn)行。
三、工作流程
1.預(yù)凍階段：將待干燥的物質(zhì)置于低溫環(huán)境中，使其中的水分快速凍結(jié)成固態(tài)。預(yù)凍過程中，應(yīng)控制降溫速度，避免形成過大的冰晶，以提高凍干效率。
2.升華階段：在真空系統(tǒng)的作用下，降低干燥倉內(nèi)的壓力，使冰晶在低溫下直接升華成水蒸氣。同時(shí)，加熱系統(tǒng)向物料提供升華所需的熱量，以維持升華過程的持續(xù)進(jìn)行。升華過程中，水蒸氣通過冷凝器凝結(jié)為液態(tài)水，從而實(shí)現(xiàn)干燥。
3.再凍干階段：在升華階段結(jié)束后，部分物料可能仍含有少量水分。此時(shí)需要進(jìn)一步降低溫度和提高真空度，進(jìn)行再凍干處理，以確保物料達(dá)到所需的干燥程度。
四、優(yōu)點(diǎn)
1.保留營養(yǎng)成分和生物活性：由于干燥過程在低溫下進(jìn)行，避免了高溫對物質(zhì)的破壞，因此能夠最大限度地保留物料中的營養(yǎng)成分和生物活性。
2.延長保質(zhì)期：干燥后的物質(zhì)水分含量極低，不易滋生微生物，從而延長了保質(zhì)期。
3.保持物料形態(tài)：干燥后的物質(zhì)呈干海綿多孔狀，體積和形態(tài)基本保持不變，易于長期保存和運(yùn)輸。
五、應(yīng)用領(lǐng)域
1.食品加工業(yè)
冷凍干燥技術(shù)在食品加工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。通過冷凍干燥處理，可以保留食品中原有的營養(yǎng)成分和口感，并大大延長其保質(zhì)期。例如，咖啡、茶葉、水果、蔬菜和肉類等食品都可以通過冷凍干燥技術(shù)制作成易于儲存和運(yùn)輸?shù)膬龈墒称?。這些食品不僅保留了原有的風(fēng)味和口感，還具有復(fù)水性好、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。
2.醫(yī)藥工業(yè)
在醫(yī)藥工業(yè)中，冷凍干燥機(jī)被用于制備各種生物制品和藥物制劑。通過冷凍干燥處理，可以將藥物制劑干燥成粉末或塊狀形式，便于儲存和使用。此外，冷凍干燥還可以提高藥物的穩(wěn)定性和生物利用度，從而延長藥物的保質(zhì)期和療效。在生物制品領(lǐng)域，如蛋白質(zhì)、酶、疫苗等的保存和運(yùn)輸中，冷凍干燥技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。
3.生物技術(shù)
在生物技術(shù)領(lǐng)域，冷凍干燥技術(shù)被用于保存各種生物制品，如細(xì)胞、酶和抗體等。這些生物制品在保存過程中需要保持其活性和結(jié)構(gòu)不受破壞。冷凍干燥技術(shù)可以在不破壞生物制品的活性和結(jié)構(gòu)的情況下，將其長期保存。這對于生物技術(shù)的研究和應(yīng)用具有重要意義。
4.化工工業(yè)
在化工工業(yè)中，冷凍干燥機(jī)被用于制備各種固體化學(xué)藥品和高純度氣體等。通過冷凍干燥處理，可以去除物料中的水分和雜質(zhì)，提高產(chǎn)品的純度和質(zhì)量。此外，冷凍干燥技術(shù)還可以用于催化劑和吸附劑等物料的干燥處理，以提高其性能和使用效果。
