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    冷凍干燥的原理與過程,不要只會操作不會理論!

    食品伙伴網   2021-12-09 07:56  253閱讀
    冷凍真空干燥(以下簡稱凍干)是一個穩定化的物質干燥過程。是將含水的物質,先凍結成固態,而后使其中的水分從固態直接升華變成氣態排除,以除去水分而保存物質的方法。溶液狀態的產品經冷凍處理后,先后經過升華和解吸作用,使產品中的溶劑減少到一定程度,從而阻止微生物的生成或溶質與溶劑間的化學反應,使產品得以長時間保存并保持原有的性質。

    真空冷凍干燥法是液態→固態→氣態的過程。在凍干過程中,溶質顆粒之間的&液態橋”已被凍成&固態橋”,兩顆粒間的相對位置已經被固定下來,并且兩顆粒之間不存在氣液界面的表面張力。隨著溶劑的不斷升華,&固橋”不斷減少,但兩顆粒之間的相對位置已不再發生變化,直至&固態橋”完全消失。

     

    水和溶液的性質

     

    水有三態,固態、液態、氣態。三種狀態可以相互轉化。對應 0 ℃ 、 610Pa 以下所有過程,只要符合一定的條件都可成為升華過程 。物質有固、液、汽三態。物質的狀態與其溫度和壓力有關。水 (H 2 O )的狀態。三條曲線分別表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽兩相共存時其壓力和溫度之間的關系。分別稱為溶化線、沸騰線、升華線。此三條曲線分成 I 、 II 、 III 三個區域,分別稱為固相區、液相區和氣相區。箭頭 1 、 2 、 3 分別表示冰溶化成水,水汽化成水蒸汽和冰升華成水蒸汽的過程。曲線 OB 的頂端有一點 K ,其溫度為 374 ℃ ,稱為臨界點。若水蒸汽的溫度高于其臨界溫度 374 ℃ 時,無論怎樣加大壓力,水蒸汽也不能變成水。三曲線的交點 為固、液、 汽三相共存的狀態,稱為三相點,其溫度為 0.01 ℃ ,壓力為 610Pa 。在三相點以下,不存在液相。若將冰面的壓力保持低于 610Pa ,且給冰加熱,冰就會不經液相直接變成氣相,這一過程稱為升華。

     

    溶液的冷凍干燥過程

     

    凍干溶液一般都是配置成含固體物質4%-25%的稀溶液。溶液里水的組成:
    1、大部分水是以水分子的形式存在于溶液中的自由水。
    2、少部分是吸附于固體物質晶格間隙中或以氫鍵方式結合在一些極性基因團上的結合水。
    3、固定于生物體和細胞中的水,大部分也是可以凍結和升華的自由水。也含有一些不能凍結、很難去除的結合水。
    凍干的目的就是在低溫、真空環境中除去物質中的自由水和一部分吸附于固體晶格間隙中的吸附水。

     

    凍干過程步驟

     


    預凍結:預凍是將溶液中的自由水固化,賦予干后產品與干燥前有相同的形態,防止抽空干燥時起泡、濃縮、收縮和溶質移動等不可逆變化發生。


    溶液在凍結過程中,需過冷到冰點以下,其內產生晶核以后,自由水才開始以純冰的形式結晶,同時放出結晶熱,使其溫度上升到冰點,隨著晶體的生長,溶液濃度增加,當濃度到達共晶濃度,溫度下降到共晶點以下時,溶液就全部凍結。


    冷卻速度愈快,過冷溫度越低,所形成的晶核數量越多,晶體來不及生長就被凍結,形成的晶粒數量越多,晶粒也細。冷卻速度慢,形成的晶粒數量越少,晶粒也粗大。凍干制品升華前,必須凍結到一定的溫度,這個溫度應設在制品的共熔點以下10至20℃左右,如不經過預凍直接抽真空,當壓力降到一定程度時,液體就會被抽去。這種情況也叫蒸發,這種蒸汽叫做不飽和蒸汽,如果制品凍結不實而抽真空,液體中的氣體迅速逸出而引起&沸騰”的現象。制品如在&沸騰”中凍結,有部分可能逸出瓶外,引起藥物損失或使制品表面凹凸不平。由此可見,共熔點的溫度是保證產品正常干燥的最安全的溫度,只能比它低,不能高于共溶點溫度。


    升華干燥(一次干燥)


    將凍結后的產品置于一閉的真空容器中加熱,其冰晶就會升華成水蒸氣逸出而使產品脫水干燥。干燥是從外表面開始逐步向內推移的,冰晶升華后殘留的空隙變成爾后升華水蒸氣的逸出通道。升華所需的熱量由以下幾種途徑得到:固體的傳導,輻射,氣體的對流。


    產品升華時受以下幾個溫度限制:產品凍結部分的溫度應低于產品共溶點的溫度。產品干燥部分的溫度要低于其崩解溫度或容許的最高溫度(不燒焦或性變)。最高擱板溫度。


    解析干燥(二次干燥)


    第一階段干燥是將水以冰晶的形式除去,因此其溫度和壓力都必須控制在產品共溶點以下,才不使冰晶溶化。對于吸附水,由于其吸附能量高,如果不提供足夠的能量,水就不可能從吸附中解析出來。為了使解析出來的水蒸氣有足夠的推動力逸出產品,必須使產品內外形成較大的蒸汽壓差,所以箱體內要保持高真空。第二階段干燥后,產品殘余水分的含量一般可以控制在0.4%-4% 之間。  
    內容來源于  食品伙伴網  原文鏈接
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