冷冻干燥过程中预冻速率对物料的影响

冻干理论的书籍提到，降温速率越大，溶液的过冷度和过饱和度愈大，临界结晶的粒度则愈小，成核速度越快，容易形成颗粒较多尺寸较小的细晶。因而冰晶升华后，物料内形成的孔隙尺寸较小，干燥速率低，但干后复水性好；相反，慢速冻结容易形成大颗粒的冰晶,冰晶升华后形成的水气逸出通道尺寸较大，有利于提高干燥速率，但干后复水性差。 这样说当然没有错，可是不要忘记，这种理论是在受热均匀的前提下得出来的，然而我们厂里的医药冻干机所提供的冻干条件却没有这么理想，所谓快冻慢冻，可不是导热油降温快慢一句话可以了得的。相对而言，我还是比较赞成某论坛战友的提法。他把快冻慢冻分为以下几类：1、板温降得较快，且板温比品温低很多，则制品底部先冻结产生结晶，但上部液体仍较热，所以不至于瞬间全部结晶，结晶会缓慢生长，就得到了慢冻的效果。2、板温降得较慢，板温与品温相差不大，则制品整体均匀降温，并形成过冷，当能量积累足够时，瞬间全部结晶，得到了快冻的效果。3、板温降得很慢，并在低于共熔点的适宜温度保持（或缓慢降温），则制品形成较小的过冷度，液体中先出现少量结晶，这些结晶现象在进一步降温的条件下继续缓慢进行，如此便得到较大的晶体，这即是真正的慢冻。4、制品浸入超低温环境（如液氮），整体瞬间结晶，形成极细小的晶体（或处于无定形态），这即是真正的快冻。对于这位战友提到的这几种现象，我大多曾在试验过程中观察过，因此，我还是比较赞成这种划分方法的。 何况，企业大多数情况下还是采用瓶冻的冻干方法的，瓶冻的受热不均匀现象就更明显了。根据对瓶装制品搁板预冻过程的研究，样品初温越高，料液上下部分的温度梯度越大，冰晶生长速度越慢。若降温速率较慢，则溶液形成的冰晶比较粗大，冰界面由下向上推进的速度较慢，溶液中溶质迁移时间充足，溶液表面冻结层溶质的积聚也就相对密集。因而导致上表层的溶质往往较多，密度较高，而下底层密度较小，结构疏松。这种分层现象，在骨架差的制品上体现得最为明显，或者底部萎缩，或者中间断层，或者顶部突起，或者顶部脱落一层硬壳，不一而足。 为了瓶冻分层的现象，在实践中，有人提倡使用三步法，即将样品从室温先冷却至样品的初始冻结温度；然后停止降温过程，使样品内温度自动平衡，消除其中的温度梯度；最后再迅速降温。由于此时样品上下部分的温度离结晶温度都较近，故样品在冻结过程中温度梯度会相对较小，冰晶生长速度因此而加快。这样，便提高了预冻速率，解决了溶质聚集在上层的问题。不过，并不是所有的品种使用了三步法后都能取得明显效果的。 如果想从事以上方面研究选型冻干机是非常重要的，一般的实验型、小型电加热系列是无法真正意义实现的，最基本的也要选择硅油系列的冷冻干燥机，欣谕公司的硅油XY-FD-S系列，并且具备冻干过程斜率控制功能，真正意义实现升降温速率可控。