Zirbus凍干機(jī)—預(yù)凍分析

     在之前的1.1和1.2中，我們介紹了真空冷凍干燥的由來、原理、共晶點(diǎn)概念，以及真空冷凍干燥的優(yōu)點(diǎn)，有興趣的朋友可以花一點(diǎn)時(shí)間閱讀。

    在給經(jīng)銷商朋友的培訓(xùn)中，經(jīng)常被何為預(yù)凍？為什么要預(yù)凍？何為原位凍干、何為原位凍干機(jī)？冷凍干燥經(jīng)過的過程有哪些？

    首先，我們通過一張冷凍干燥機(jī)的凍干曲線圖分析凍干過程

    上圖中我們可以看到，單個(gè)冷凍干燥周期大致為24小時(shí)，整個(gè)冷凍干燥過程分為三個(gè)階段：

l 預(yù)凍

l *階段升華（主干燥階段）

l 第二階段升華（解吸附階段）

預(yù) 凍

    可能有人會想，為什么要預(yù)凍？我們知道，真空冷凍干燥的原理是凍結(jié)的物料中的溶劑（一般為水）為狀態(tài)為固態(tài)，固態(tài)的溶劑在真空條件下升華，以除去溶劑的過程，因此將帶干燥物料凍結(jié)時(shí)冰升華的前提條件。根據(jù)預(yù)凍的位置我們可以分為原位凍干和非原位凍干，不論是哪個(gè)凍干機(jī)品牌，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室型凍干機(jī)幾乎都為非原位凍干（少數(shù)除外），言外之意是我們不能在凍干機(jī)中完成預(yù)凍；原位凍干則可以在凍干機(jī)中完成預(yù)凍。

    為什么實(shí)驗(yàn)室的不能原位凍干呢？實(shí)驗(yàn)室型凍干機(jī)由于成本原因，隔板不能降至很低溫度使物料*凍結(jié)，因此一般將待干燥的物料放置于實(shí)驗(yàn)室低溫冰箱中完成預(yù)凍。而中試凍干機(jī)或者生產(chǎn)型凍干機(jī)由于隔板有硅油作為制冷、加熱介質(zhì)，能將隔板控制在較寬的溫度范圍，如Zirbus凍干機(jī)可控制溫度范圍為-60℃~+60℃，足以完成以水為溶劑物料的預(yù)凍。

    Zirbus凍干機(jī)預(yù)凍過程不僅僅是為了保護(hù)物質(zhì)的主要性能不變，而且要使凍結(jié)后的產(chǎn)品有合理的結(jié)構(gòu)，以利于水分的升華。預(yù)凍和*階段升華和第二階段升華過程密切相關(guān)，預(yù)凍在一定程度上決定了干燥過程中水汽脫除的快慢和凍干產(chǎn)品的質(zhì)量。為了提高預(yù)凍效率，制品的表面積和容器之比應(yīng)盡量大些，即制品的表面積要大些，厚度宜小些。

1.1 預(yù)凍速率

    預(yù)凍根據(jù)隔板降溫速率，Zirbus凍干機(jī)分為快速預(yù)凍和慢速預(yù)凍

    快速預(yù)凍：降溫約10~15℃/min。快速預(yù)凍使冰晶小而均勻，對于后期水蒸汽升華擴(kuò)散阻力大，即不利于升華，但后期復(fù)水性好。一般認(rèn)為對于有細(xì)胞膜的生命體，冰晶越大，細(xì)胞膜越亦受冰晶擠壓產(chǎn)生變形或者破裂，從而易造成細(xì)胞死亡；冰晶小，對細(xì)胞膜的損傷也較小。

    慢速預(yù)凍：降溫約1℃/min。慢速預(yù)凍冰晶大而不規(guī)則，干燥時(shí)水蒸氣擴(kuò)散阻力小，有利于升華，但干燥后的復(fù)水性較差。

1.2 預(yù)凍zui低溫度

    之前我們介紹了共晶點(diǎn)的概念，相關(guān)資料及實(shí)踐證明，zui終預(yù)凍的溫度必須低于共晶點(diǎn)溫度，且至少低于共晶點(diǎn)溫度10℃左右。如共晶點(diǎn)溫度-29℃，則預(yù)凍的溫度至少應(yīng)該低于-39℃。只有使冷凍產(chǎn)品的zui終溫度低于共晶點(diǎn)溫度才能確保凍干物料被凍實(shí)，沒有*凍實(shí)的物料會因抽真空而出現(xiàn)“沸騰”現(xiàn)象或出現(xiàn)其他種種弊端。

1.3 預(yù)凍時(shí)間

    預(yù)凍時(shí)間我們理解為預(yù)凍的zui低溫度保持時(shí)間，大量研究證明，冷凍干燥的物料應(yīng)該至少保證預(yù)凍2小時(shí)，如1.2中應(yīng)至少保持-39℃的低溫2小時(shí)。

    冷凍速度對細(xì)胞和生物產(chǎn)品的影響。冷凍會對細(xì)胞和生命體產(chǎn)生一定的破壞作用，其機(jī)理是非常復(fù)雜的，目前尚無統(tǒng)一的結(jié)論，但一般認(rèn)為主要是由機(jī)械效應(yīng)和溶質(zhì)效應(yīng)引起。

 ? 機(jī)械效應(yīng)  

    機(jī)械效應(yīng)是細(xì)胞內(nèi)外冰晶生長而產(chǎn)生機(jī)械力量引起的，特別對有細(xì)胞膜的生命體影響較大，一般冰晶越大，細(xì)胞膜越容易破裂，從而造成細(xì)胞死亡；冰晶小，對細(xì)胞膜的機(jī)械損傷較小。

    緩慢凍結(jié)產(chǎn)生的冰晶較大，快速凍結(jié)產(chǎn)的冰晶較小，就此而言，快速凍結(jié)對細(xì)胞的影響較小，慢速凍結(jié)容易引起細(xì)胞的死亡。

 溶質(zhì)效應(yīng)

    溶質(zhì)效應(yīng)是由于水的凍結(jié)使間隙液體逐漸濃縮，從而使電解質(zhì)濃度增加。蛋白質(zhì)對電解質(zhì)比較敏感，電解質(zhì)的濃度增加引起蛋白質(zhì)變形而使細(xì)胞死亡；另外電解質(zhì)濃度的增加會使細(xì)胞脫水而死亡。間隙液體濃度越高，上述原因引起的破壞越厲害。

     溶質(zhì)效應(yīng)在某一溫度范圍內(nèi)zui為明顯。以水作為溶劑為例，這個(gè)溫度范圍在0℃和凍干物料的共晶點(diǎn)中間。若能以較高的速度越過這一范圍，溶質(zhì)效應(yīng)所產(chǎn)生的后果就能大大減弱。

     后期我們將介紹*階段干燥，第二階段干燥。