冻干机的真空冷冻干燥原理绪论冷冻干燥是将含水物质，先冻结成固态，而后使其中的水分从固态升华成气态，以除去水分而保存物质的方法。这种干燥方法
与通常的晒干、烘干、煮干、喷雾干燥及真空干燥相比有许多突出的优点，如：（1）它是在低温下干燥，不使蛋白质、微生物之类产生变性或失去
生物活力。这对于那些热敏性物质，如疫苗、菌类、毒种、血液制品等的干燥保存特别适用。（2）由于是低温干燥，使物质中的挥发性成分和受热
变性的营养成分损失很小，是化学制品、药品和食品的优质干燥方法。（3）在低温干燥过程中，微生物的生长和酶的作用几乎无法进行，能最好地
保持物质原来的性状。（4）干燥后体积、形状基本不变，物质呈海棉状，无干缩；复水时，与水的接触面大，能迅速还原成原来的性状。（5）因
系真空下干燥，氧气极少，使易氧化的物质得到了保护。（6）能除去物质中95～99%的水分，制品的保存期长。总之，冷冻干燥是一种优质的
干燥方法。但是它需要比较昂贵的专用设备，干燥过程中的耗能较大，因此加工成本高，目前主要应用在以下一些方面：（1）生物制品、药品方面
：如抗菌素、抗毒素、诊断用品和疫苗等。（2）微生物和藻类方面：如酵母、酵素、原生物、微细藻类等。（3）生物标本、活组织方面：如制作
各种动植物标本，干燥保存用于动物异种移植或同种移植的皮层、角膜、骨骼、主动脉、心瓣膜等边缘组织。（4）制作用于光学显微镜、电子扫描
和投射显微镜的小组织片。（5）食品的干燥：如咖啡、茶叶、鱼肉蛋类、海藻、水果、蔬菜、调料、豆腐、方便食品等。（6）高级营养品及中草
药方面：如蜂王浆、蜂蜜、花粉、中草药制剂等。（7）其他：如化工中的催化剂，冻干后可提高催化效率5-20倍；将植物叶子、土壤冻干后保
存，用以研究土壤、肥料、气候对植物生长的影响及生长因子的作用；潮湿的木制文物、淹坏的书籍稿件等用冻干法干燥，能最大限度的保持原状等
。冷冻干燥能保存食物很早就为人们所知。古代北欧的海盗利用干寒空气的自然条件来干燥和保存食物，就是其中一列。但是，将冷冻干燥作为科学
技术还是近百年来的事。1890年啊特曼（Altmann）在制作标本时，为了防止标本中的物质在有机溶剂中溶解，造成不可逆损失，改变过
去用有机溶剂脱水的方法，采用冷冻干燥法冻干各种器官和组织。他的工作确立了生物标本系统的冻干程序，这是冻干在制作生物标本中的最早应用
。1909年谢盖尔（Shackell）将冻干引入细菌学和血清学领域。他采用了盐水预冻，在真空状态下，用硫酸做吸水剂，对补体、抗毒素
、狂犬病毒等进行冻干，其设备虽十分简陋，但却是后世先进冻干机的雏形。1912年卡瑞尔（Carrel）首先提出用冻干技术为外科移植保
存组织。1935年第一台商用冻干机问世。1940年冻干人血浆开始投入市场。第二次世界大战中，由于需要大量的冻干人血浆和青霉素，因而
冻干在医药、血液制品等方面的应用得到迅速的发展。艾尔塞（Elser）、沸烙斯道夫（Flosdorf）、格雷夫斯（Greaves）和
他们的同事们，一方面进行冻干基础理论的研究，一方面进行装置大型化、现代化的改进，使冻干技术从实验室阶段向工业生产和产品商品化发展。
战后，冻干法又迅速扩展到各种疫苗、药品等领域。1930年沸烙斯道夫进行了食品冻干的试验，1949年他在著作中展望了冻干在食品和其他
疏松材料方面应用的前景。二次世界大战后，英国食品部在啊伯丁（Aberdeen）的试验工厂也进行了食品冻干的研究。他们在综合了当时的
一些研究成果的基础上，于1961年公布了试验成果，证明冻干法用于食品加工是一种能获得优质食品的方法。随后在美、日、英、加等国相继建
立起冻干食品的工厂，到1965年全球已有食品冻干工厂50多家，后来随着越南战争的需要，美国军需定货增多，加之冻干工艺的改进，生产成
本的降低，在日、美等国食品冻干的发展就更为迅速。现在冻干食品除在宇宙航行、军队、登山、航海、探险等特殊场合受到欢迎外，在一般民用食
品中也确立了稳定的地位。1985年仅日本就有25家公司生产冻干食品，其总销售额为1700亿日元。随着冻干技术的应用和发展，冻干机理
和技术的研究也随之发展起来。1949年沸烙斯道夫出版了他的世界上第一本有关冻干技术及理论的专著。1951年和1958年先后在英国伦
敦召开了第一界和第二界以冻干为主题的专题讨论会。后来国际制冷学会将冷冻干燥列为C1委员会的学术内容之一。经过约半个世纪的发展，冻干
设备和技术已趋于完善。现代先进的冻干设备不仅能能满足各种冻干工艺加工的要求，在操作控制上已成功地采用了电子计算机全自动控制；在工艺
上发明了为改善加热条件，缩短冻干周期的循环压力法，调压升华法和监控干燥结束的压力检查法；在医药品冻干中，可在真空条件下对小瓶自动加
塞，对安瓶的自动溶封等。此外冷冻干燥还应用于非水溶液的干燥。当然冻干技术还有许多尚待解决的问题。如妨碍冻干技术更为广泛应用的最大障
碍是生产成本高，因此如何缩短冻干周期进行能源的综合利用、强化装置的功能，降低装置的功能，降低设备造价都是冻干行业特别是食品冻干行业
发展学要解决的重要课题。在我国，解放前只在实验室用简易的冻干装置进行保存菌种的试验。1953年卫生部所属北京、武汉两生物制品研究所
先后安装了大型冻干设备，迈开了我国生物制品冻干工业化的第一步。后来在其他人用、兽用生物药品厂、生化药厂等制药行业得到发展，目前全国
大约有200家左右的工厂和研究单位使用冻干机进行生物制品、医药品的生产和研究。在食品冻干方面，60年代后期在北京、上海、大连等地相
继建立了一些实验性冻干设备，70年代中起在上海建立了年产3000吨的食品冻干车间。但是当时我国的人民生活水平低，人们有爱吃新鲜食品
的习惯，冻干食品在国内市场不大；而当时的“闭关锁国”政策，冻干食品也未能打入国际市场，致使这些工厂相继停产。现在除北京、福建、广东
、青岛等地还在生产俏销的蘑菇、调料以外，食品冻干几乎没有发展。我国可用于冻干加工的食品资源特别是土特产十分丰富，如豆制品、蘑菇、苔
菜、猕猴桃、椰汁、大蒜、茶叶、蜂蜜等产品在世界上都是有名的。随着党对外开放、对内搞活政策方针的贯彻和我国人民食品结构的改变，食品冻
干业在我国将会得到迅速发展。第一章冷冻干燥基础第一节水和溶液的一些性质一、水的状态平衡图物质有固、液、汽三态。物质的状态与其温
度和压力有关。图1-1示出水（H2O）的状态平衡图。图中OA、OB、OC、三条曲线分别表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽两相共存时
其压力和温度之间的关系。分别称为溶化线、沸腾线、和升华线。此三条线将图面分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域，分别表示冰溶化成水，水汽化成水蒸气
和冰升华成水蒸气的过程。曲线OB的顶端有一点K，其温度为374℃，称为临界点。若水蒸气的温度高于其临界点温度374℃时，无论怎样加
大压力，水蒸气也不能变成水。三曲线的交点O，为固、液、汽三相共存的状态，称为三相点，其温度为0.01℃，压力为610Pa。在三相点
以下，不存在液相。若将冰面的压力保持低于610Pa，且给冰加热，冰就会不经液相直接变成汽相，这一过程称为升华。二、溶液及其结晶过程
1.溶液一种或几种物质以分子或离子状态均匀地分布于另一种物质中，所得到的均匀的、稳定的液体叫做溶液。构成溶液的组分有溶质、溶剂之分
，习惯上将占较大比例的组分成为溶剂，占较少比例的组分称为溶质，由水与其他物质组成的溶液称为水溶液一般将水溶液中的水成为溶剂，而不论
其在溶液中比例的多少。为了说明一种溶液，除了基本参数（例如压力、温度）外还需指出它的成分（或浓度）。表示溶液成分的方法很多，最常用
的是用质量成分表示。对于二元溶液（即两种组分组成的溶液），如用ξ1、ξ2分别表示第一组分和第二组分的质量成分，用m1、m2分别表示
相应的质量，则溶液的溶点、沸点与溶质溶剂的溶点、沸点均不相同，且随溶液的浓度不同而异。图1-2为氯化钠水溶液的温度—浓度图。图上的
任意一点均表示溶液的某一状态，例如点A表示温度为t1，浓度为ξ1的氯化钠水溶液。线BE、CE为饱和溶解度线，该线上的点所表示的溶液
的溶解度均处于饱和状态，该线上部区域的点所表示的溶液的溶解度为未饱和状态，其下部的为过饱和状态，E点称为溶液的共晶点。2.溶液的结
晶过程使状态为A（温度t1,浓度ξ1）的溶液冷却，开始时浓度ξ1不变，温度下降，过程沿AH进行，冷却到H以后，如溶液中有“种冰”（
或晶核），则溶液中的一部分水会结晶析出，剩下的溶液的浓度则上升、过程将沿析冰线BE进行，直到点E，溶液浓度达到其共晶浓度，温度降到
共晶温度以下，溶液才全部冻结。E点成为溶液的共晶点。同理，若使状态为A′的溶液冷却，达到H′后先析出盐，然后沿析盐线CE，一边析出
盐一边温度下降，直到共晶点E才全部冻结。其过程线为A′—H′—E。若溶液冷却到平衡状态时，溶液中无“晶核”存在，则溶液并不会结晶，
温度将继续下降，直到溶液由于外界干扰（如植入“种晶”、振动等）或冷却到某一所谓核化温度Thet，在溶液中产生晶核，这时其超溶组
分才会结晶，并迅速生长，同时放出结晶热，使溶液温度升到平衡状态。其浓度也随超溶组分的析出而变化。其过程线为A—H—G—D—E或A′
—H′—G′—D′—E。三、冻干产品的溶液一般来说，冻干产品的溶液是由主要功能组分（如药用成分）、多种添加组分（如抗氧化剂、填充剂
等等）和蒸馏水混合而成的胶体悬浮液。它与一般能互溶的溶液不完全相同，具有一系列的低共溶点温度。对于冻干加工来说，需要确定一个较高的
安全操作温度，使得在该温度以上时，产品中存在未冻结的液体，而在该温度以上时，产品将全部冻结，这个温度就是冻干产品的共溶点温度。一些
产品的共溶点温度列于表1-1。表1-1一些饱和溶液的共溶温度溶液名称摩尔溶解度（30℃时）观察共溶温度（℃）计算温度（℃）甲基
芬尼定磷酸盐1.953—4.29—3.97吩妥胺磷酸盐0.120—0.75—0.88甘露醇1.0—2.24乳糖0.6—5.4
0氯化钠6.12—21.6—24.0氯化钾4.97—11.1—12.66溴化钾5.93—12.9—13.26甘油水
——46.5二甲亚砜水——73第二节溶液的冷冻干燥过程为了有利于干燥，一般冻干产品溶液配制成含固体物质4%-15%的稀有溶液。这
种溶液中的水，大部分是以分子形式存在于溶液中的自由水；少部分是吸收于固体物质晶格间隙中或以氢键方式结合在一些极性基团上的结合水；至
于固定于生物和细胞中能冻结、很难除去的结合水。冻干的目的就是在低温、真空环境中除去物质中的自由水和一部分吸附于固体晶格间隙中的吸附
水。因此冷冻干燥过程一般分三步进行，即预冻结、升华干燥（或称第一阶段干燥）、解析干燥（或称第二阶段干燥）。一、预冻结（预冻）预冻就
是将溶液中的自由水固化，赋予干后产品与干燥前有相同的形态，防止抽空干燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不可逆变化产生，减少因温度下降
引起的物质可溶性降低和生命特性的变化。溶液的冻结过程如图1-3所示。溶液需过冷到冰点以下，其内产生晶核以后，自由水才开始以纯冰的形
式结晶，同时放出结晶热使其温度上升到冰点，随着晶体的生长，溶液浓度增加，当浓度达到共晶浓度，温度下降到共晶点以下时。溶液就全部冻结
。溶液结晶的晶粒数量和大小除与溶液本身性质有关外，还与晶核生成速率和晶体生长速度有关，而这两者又都随冷却速度和温度而变化。一般来说
，冷却速度愈快、过冷温度越底，形成的晶核数量越多，晶体来不及生长就被冻结，此时所形成的晶体数量越多，晶粒越细，反之晶粒数量越少晶粒
越大。图1-4示出水的结晶速率很小，但生长速率却迅速增加。因此如果让溶液在接近于0℃晶核生长速率很小，但生长速率却迅速增加。因此如
多让溶液在接近于0℃冻结，则会得到粗而大的结晶，若使之在较低温度下结晶，则将得到量多粒小的晶体。晶体的形状也与冻结温度有关。在0℃
附近开始冻结时，冰晶呈六角对称形，在六个主轴方向向前生长，同时还会出现若干副轴，所有冰晶将逐渐丧失容易辨认的六角对称形式，加之成核
数多，冻结速度快可能形成一种不规则的树枝型他们有任意数目的轴向柱壮体（轴柱），而不象六方晶型那样只有六条。最高冷却速度时获得渐消球
晶，它是一种初始的或不完全的球型结晶，通过重结晶可以再完成其结晶过程。生物液体（如血液血浆、肌肉浆液、玻璃体液等）结冰形成的结晶单
元，往往与单一成分的水溶液形成的冰晶类型相似。结晶类型主要取决于冷却速度和体液浓度，例如血浆、肌肉浆液等在正常浓度下结冰时，在较高
零下温度、慢冷却速度下形成六方结晶单元，快速冷却至低温时形成不规则树枝壮晶体。细胞悬浮液（如红血球、白血球、精子、细菌等悬浮于蒸馏
水、血浆或其他悬浮介质中），在高零下温度缓慢结冰时，悬浮液中大量的冰生长，将细胞挤在两冰柱之间的狭窄管道中，管道内的悬浮介质因水析
出结冰而溶质浓缩，细胞内的水通过细胞膜渗透出细胞，又造成细胞内溶质的浓缩。与此同时，胞外冰的生长，还将迫使细胞物质体积缩小、变形。
但此时细胞内不结冰。当在低温下快速结冰时，则细胞内将形成胞内冰，冰的大小、形状和分布与冷却速度、保护剂的存在与否、保护的性质以及细
胞内的含量有关，一般来说，冷却速度越快、温度越低，细胞内形成的冰越多。悬浮液中添加象蔗糖之类的非渗透保护剂，可以使快速结冰时细胞内
形成的冰数目减少。溶液的结晶形式对冻干速率有直接影响。结晶升华后留下的空隙是后续冰晶升华时水蒸气逸出的通道，大而连续的六方晶体升华
后留下的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干燥速度快；反之树枝形和不连续的球状冰晶通道小或不连续，水蒸汽靠扩散或渗透方能逸出
，因而干燥速度慢。因此仅从干燥速率来说慢冻为好。冻结对细胞和生命体的破坏作用的机理，目前研究不够，也无统一的看法。在为数众多的看法
中有代表性的看法是：造成细胞死亡的主要原因是溶质、特别是特殊溶质（如结构蛋白）的浓缩、细胞脱水和胞内冰的形成。在溶液结冰过程中，水
析出结冰，剩下的溶液浓度增加。我们知道，反应物的浓度增大，能促使其化学反映速度加快。此外，溶质的沉淀，还会引起PH值的变化，结冰时
环境的变化，可能引起蛋白质等生物大分子变性增大。如果这些变化中的某些成为不可逆的，就会导致细胞的死亡。在高零下温度慢速冷却时，细胞
内虽不结冰，但细胞外水结冰后，蒸汽压降低，造成细胞内外的蒸汽压差，细胞内的水通过细胞膜渗透到胞外，造成细胞脱水。冻结的速度越慢，渗
透的时间越长，其脱水也越厉害。这种情况发生在高渗性（指水）的细胞中。有人认为，胞内冰的形成，引起胞内溶质的浓缩或细胞膜的破裂，是造
成细胞死亡的原因，这种观点已为一些实验所证实，但其通用性尚待进一步研究。然而，对于许多物质来说，胞内冰的形成对细胞的损害是明显的。
上述机理均尚不具普通性，在冻干的实践中还需根据具体条件进行分析和实验验证，找出合适的冻结速度。此外，冻结的速率还与冻结设备的种类、
能力和传热介质等有关。据爱得华冻干手册介绍，对于10mm厚的产品，冷冻到-25℃的最佳冷冻速度、最佳结晶结构和较快的干燥时间是：在
冻干机外部的风冷箱式冻结箱中冻结为1—2小时；壳状冻结器用酒精作传热介质时，若用机械制冷则为10—20分钟，若用干冰制冷则为5—1
0分钟；垂直冻结器若用液体冷却时则为5-10分钟，若用气体冷却时则为15-20分钟；在冻干机干燥箱内冻结用搁板冷冻时为1-1.5小
时二、升华干燥升华干燥也称第一阶段干燥。将冻结后的产品置于密闭的真空容器中加热，其冰晶就会升华成水蒸汽逸出而使产品脱水干燥，干燥是
从外表面开始逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的空隙变成尔后升华水蒸气的逸出通道。已干燥层和冻结部分的分界面称为升华界面。在生物制品
干燥中，升华界面约以每小时1mm的速度向下推进。当全部冰晶除去时，第一阶段干燥就完成了，此时约除去全部水分的90%左右。1.产品中
温度分布产品中冰的升华是在升华界面处进行，升华时所需的热量由加热设备（通过搁板）提供。如图1-5所示。从搁板传来的热量由下列途径传
至产品的升华界面：（1）故体的传导。由玻璃瓶底与搁板接触部位传到玻璃瓶底、穿过瓶底和产品的冻结部分到达升华界面；（2）辐射。上搁板
的下表面和下搁板的上表面向玻璃瓶及产品干燥层表面辐射，再通过玻璃瓶及冻结层或已干燥的导热到达升华界面；（3）通过搁板与玻璃瓶外表面
间残存的气体的对流。由于传热中必需有传热温差，且各段传热温差与其相应热阻成正比，所以产品中形成了图1-5所示的温度分布。例如：搁板
表面温度为50℃，到升华界面的温度可能约为-25℃冰层最高温度约为-20℃，干燥层上表面温度可能为+25℃。表1-2主要药品的冷冻
干燥温度（崩解临界温度）物质浓度温度（℃）司库乐5-50%-25葡萄糖10%—38～—40乳糖10%—18～—19马尼妥10
%—2～—4山梨糖醇桔西乐10%—41～—42多缩葡萄糖低m.wt.10%—2高m.wt10%—3PEG600010%—9
～—10古力辛10%—3α-氨基丙酸10%—2～—3β-A10%—13精氨酸10%—33～35EACA110%—15变压器用AMC
HA25%—2～—4GABA110%—18～—20NaC110%—21～—22KC110%—10～—11醋酸10%—26～—27拘
掾酸10%＜—50硫胺素硝酸盐10%—5吡哆醇10%—4抗坏血酸5%—36～—37抗坏血酸10%—36～—37钠·啊斯考派脱10%
—30～—33烟酰胺10%—3～—4钙、潘妥颠10%—18～—19乙酰胺10%—25钠、巴比妥10%—4表1—3主要食品的冷冻干燥
温度食品名称厚度（mm）干燥板温度（℃）压力（Pa）干燥时间（h）牛肉（煮熟）8～10551.3×1026金枪鱼（生）6401.3
×1026牡蛎（生）10～15406.6×10～1.314蟹（水煮）10～20406.6×10～1.38虾（半刨水煮）8～2045
6.6×10～1.36蛋白（生）5406.6×10～1.34蛋黄（生）5406.6×10～1.33全蛋（生）5406.6×10～1
.33～4白桃（8等分）10～20456.6×10～1.314罐头桃10～15456.6×10～1.312香蕉（切断）5456.6
×10～1.36番茄汁5506.6×10～1.34～5圆辣椒4501.3×1025圆辣椒（早饭）4501.3×1024卷心菜1～2
501.3×1022～3洋葱3～4501.3×1025胡萝卜4501.3×1025藕4501.3×1024土豆10551.3×10
25山芋菜2～3501.3×1023浆果2501.3×1023～4松蘑10456.6×10～1.35酱油3456.6×10～1.3
3豆油4451.3×1024～5绿茶（浓茶水）4406.6×10～1.33红茶（浓茶水）4406.6×10～1.33咖啡（浓）44
06.6×10～1.33果子冻4406.6×10～1.32～32.升华时的温度限制产品升华时受下列几种温度限制：（1）产品冻结部分
的温度应低于产品共溶点温度；（2）产品干燥部分的温度必须低于其崩解温度或容许的最高温度（不烧焦或性变）；（3）最高搁板温度。所谓崩
解温度是液态产品已干部分构成的“骨架”，当温度上升到一定数值时，其刚度降低，变的有粘性而塌陷，封闭了已干部分的海绵状微孔，阻止升华
的进行，升华速度减慢。由于所需热量减少，当出现这种状态时，如不迅速加热，降低温度，产品就会发生供热过剩融化报废。所以掌握产品的崩解
温度是很重要的，一些制品的崩解温度列于表1-2。崩解温度主要由溶液的成分所决定。过低的崩解温度会延长干燥时间，甚至是设备能力所不能
达到的。这可通过选择合适的添加剂来提高崩解温度。在固体食品冻干时，为了避免因搁板温度过高而产生变性或烧坏，搁板温度应限制在某一安全
值以下。一些食品的搁板安全温度列于表1-3。3.升华速率纯冰的升华速率：纯冰的绝对升华速率G。可用Knudsen方程来表示G.=α
p.(M/2πRT)1/2［kg/s·m2］式中：α——蒸发系数p.——冰升华面温度T时饱和蒸汽压，［kPa］;M——水蒸汽的分子
量，［kg/lmol］；R——气体常数，［kl/kmol·K］；T——冰的绝对温度，［K］。因p.随冰的饱和温度T增大而增大，所以
升华面温度越高，其升华量G也越大。在冷冻干燥产品时，若传给升华界面的热量等于从升华界面逸出的水蒸汽升华时所需的热量时，则升华界面的
温度和压力均达到平衡，升华正常进行。若供给的热量不足，水的升华夺走了制品自身的热量而使升华界面的温度降低，若逸出的水蒸汽少于升华的
水蒸气，多余的水蒸气聚集在升华界面使其压力增高，升华温度提高，最后将导致制品融化。所以，冷冻干燥的升华速率一方面取决于提供给升华界
面热量的多少；另一方面取决于从升华界面通过干燥层逸出水蒸汽的快慢。传热量为了简化计算，将冻干的传热传质简化成图1-6所示模型。通
过冻层和已干燥层的传热量可用下列公式表示Qˊ=Aλi（Tw—Tι）/Χι［W］(1-5)Q〞=Aλd（Tˊw—Tι）/Χd［
W］(1-6)式中：A——升华面积，［m2］；λi，λd——冻层和干层的导热系数，［W］；Tw，Tˊw——冻层底部和干层外表
面的绝对温度，［W/m·K］；Tι——升华界面的绝对温度，［K］；Χι、Χd——冻层厚度和干层厚度，［m］。蒸汽传输量升华出来的
水蒸气通过已干燥层和箱内空间输送到水汽凝结器。其传输速率（即升华速率）可用下式表示G=A(Pι-PO)/Rd+RS+k1—1［
kg/s］式中：A——升华界面面积；Pι，PO——升华界面和水汽凝结器的压力；Rd、RS——干燥层的阻力和干燥层表面到水汽凝结器之
间的空间的阻力，［Pa·m2·s/kg］;k1——由升华物质的分子量所决定的常数，［kg/Pa·m2·s］。从上述几个公式可见，
欲提高升华速率，应使：（1）冻层底部或干层表面的温度在允许的最高值以下尽可能高。（2）制品厚度越薄其热阻和流动阻力越小，热量和质量
传输越快，升华速率越高。但每批制品的产量与厚度成正比，而每批加工的辅助工作量又大致相等，因而制品太薄会造成产品总成本的提高。由厚到
薄之间存在一个总成本最低的最佳厚度。一般来说，生物制品的厚度为10～15mm。（3）冻结层的导热系数λi主要决定于制品的成分；已干
燥层的导热系数λd还决定于压力和气体的成分，其变化关系参见图1-7。由图可见，为了提高冻干层的导热系数，箱内压力越高越好。也可视为
PO越高，又会使水蒸气不易从升华面逸出，造成升华面温度过高，冻层融化和干燥面崩解。为了两者兼顾，根据产品不同一般可将箱内压力控制在
13Pa—130Pa之间。（4）蒸气的排除还取决于Rd、Rs。由实验知，Rd比Rs大6-10倍。也就是说，穿过已干多孔层的水蒸气的
流率大体上决定了干燥速率。而Rd主要与干层厚度和晶粒大小有关。一般来说，粗大而连续的网状冰晶，升华后也形成粗大而连续的网状间隙通道
，水蒸气逸出时流动阻力较小，升华速率快。细小而不连续的空隙之间，水蒸气是靠渗透穿过已干的固体膜层的，很难干燥。三、解析干燥解析干燥
也称第二阶段干燥。在第一阶段干燥结束后，在干燥物质的毛细血管壁和极性基团上还吸附有一部分水分，这些水分是未被冻结的，当他们达到一定
含量，就为微生物的生长繁殖和某些化学反应提供了条件。实验证明：即使是单分子层吸附以下的低含水量，也可以成为某些化和物的溶液，产生与
水溶液相同的移动性和反应性。因此为了改善产品的储存稳定性，延长其保存期，需要除去这些水分。这就是解析干燥的目的。第一阶段是将水以冰
晶的形式除去，因此其温度和压力都必须控制在产品共溶点以下，才不致使冰晶溶化。但对于吸附水，由于其吸附能量高，如果不给它们提供足够的
能量，如果不给它们提供足够的能量，它们就不可能从吸附中解析出来。因此，这一阶段产品的温度应足够的高，只要烧毁产品和不造成主品过热泪
盈眶而变性就可。同时，为了使解吸出来的水蒸气有足够的推动力逸出产品，必须使产品内外形成较大的蒸汽压差，因此此阶段中箱内必须是高真空
。第二阶段干燥后，产品内残余水分的含量视产品种类和要求而定。一般在0.5—4%之间。第三节传热学基础当物体之间存在温度差时，就有
能量的传递。这种能量称之为“热”。冷冻干燥过程中，无论是冻结，还是加热升华，自始至终伴随着热量的传递。热量的传递（简称传热）在实践
中虽是多种多样，但就其物理本质来说可分为三种基本形式，这就是导热、对流、和辐射。如图1-8所示：在静态介质中存在着温度差时。不论介
质是固体还是流体，都会发生传热，这种传热过程成为导热；当一个表面和一种运动流体处于不同温度时，它们之间发生的传热称为对流；具有一定
温度的表面都以电磁波的形式发射能量，这种温度不同而又互不接触的两表面间，如果没有传热介质存在，它们之间的热交换就是净热辐射。一、导
热导热可以看作是由于物质的质点（分子、原子）间的相互作用，能量较大的质点向能量较小的质点传输能量的过程。1.单层平壁导热如图1-9
所示，设一维平壁其两侧表面温度分别为t1，t2，壁厚δ，则在单位时间垂直于热流方向的单位面积上的传热量qx与两表面间的温差成正比，
与壁厚成反比。qx成为通过平壁的热流密度。可表示为qx=-λ（t1—t2）/δ=（t1—t2）/δ/λ=△t/Rp［W/m2］
（1-8）或qx=-λ（dt/dx）［W/m2］（1-9）式中：△t——在厚度δ上的温差或温压；Rp——平壁在δ上
的热阻，［m2·K/W］λ——壁的导热系数［W/m·K］常用材料的导热系数见表1-4表1-4常用材料的导热系数物质λ
物质λ铝203软木板0.041～0.07铜384水0.59`钢45冰2.34铸铁63空气0.025玻璃0.74聚氨酯泡沫塑料0.
041～0.046不锈钢17.5聚苯乙烯泡沫塑料0.029～0.046稻壳0.12若平壁面积为A，则总的传热两Q为Q=Aqx［W
］（1-10）2.多层平壁导热假定有一个多层平壁如图1-10所示，在稳定导热时，单位时间内各层的导热量应该是相等的。即Q12
=Q23=Q34=Q或者Q=λ1/δ1·A(t1—t2)=λ2/δ2·A(t2—t3)=λ3/δ3·A(t3—t3)解此连等式
，消去t2，t3得Q=（t1—t4）A/（δ1/λ1+δ2/λ2+δ3/λ3）=ΔtA/ΣRpi［W］（1-11）q=Δt
/ΣRpi［W/m2］3.圆筒壁导热一个长l米的圆筒，其内、外半径为r1和r2（直径为d1、d2），内、外壁温度为t1、t2，
且t1＞t2。对于任取半径r厚dr的薄壁圆筒来说，可视为一厚dr，表面积为2πrl的平壁，于是其传热量Q=-λ2πr·l(dt/
dr)或-dt=(Qdr/λ2πlr)积分上式可得t1—t2=(Q/λ·2πl)ln(r2/r1)Q=(t1—t2)/［
（1/2πλl）ln（r1/r2）］=Δt/R［W］（1-12）式中：R=（1/2πλl）ln（r1/r2）=（1/2πλl）ln
（d1/d2）称为圆筒壁的热阻，单位为［K/W］。对于多层（例如三层）圆筒壁，若各层筒壁热阻分别为Rr1=ln（d2/d1）/2
πλl，Rr2=ln（d3/d2）/2πλl；Rr3=ln（d4/d3）/2πλl则其传热量Q=（t1—t4）/Rr1+R
r2+Rr3［W］（1-13）冻干机的换热管、外包绝热材料的管道等都是属于多层圆筒壁。但换热器中的换热管因其壁厚很小，且污垢层
很薄，我们通常按多层平壁导热来计算已足够准确。二、对流对流是指流体各部分发生相对位移所引起的热交换过程，它既包括流体各部分相对位移
所引起的对流作用，也包括流体分子间的导热作用。对流传热是和流体运动紧密地联系在一起的，其换热机理与流体运动的性质密切相关。1.层流
和紊流流体在流道中运动有两种不同性质的流动。当流速较小，流体成层状平行于流道流动时称为“层流”；当流速增加时，上诉流动性质遭到破坏
，流体的流动出现了旋涡，流体分子除按主流速度方向运行外，并在垂直于流动的方向上产生脉动相互参合，这种流动成为“紊流”。实验证明：层
流和紊流可用无因次数Re=wmd/y的大小开判别，这个数称为雷若数。式中wm为流体的平均流速，d为定型尺寸（对于圆管为直径d），y
为流体的运动粘度。由实验测出，水在管内流动时，Re＜2200为层流；Re＞104为紊流；2200＜Re＜104为过度流。2.自由对
流和受迫对流对流换热的强度除与流动性质有关外，还和流动产生的原因、流体的物理性质及放热表面的形状大小等密切相关。因流体各部分间密度
差而引起流体的运动称为“强制对流”。因某种机械（风机、泵）的驱动的流动称“强制对流”。强制对流总是伴随有自然对流，其强度也大于自然
对流，所以其放热强度也大于自然对流时的放热强度。3.对流放热系数仿照导热量的计算公式，对流放热的计算式可写成：Q=aΑ（t1—t
2）［W］（1-14）q=a（t1—t2）［W/m2］（1-15）式中：t1、t2——流体与壁面的温度；F——换热表面
面积；a——对流放热系数，［W/（m2·K）］。引入对流换热系数a的目的是试图把所有影响对流传热的因素都包含在这个单一的量中。由于
影响a的因素太多，很难用某个统一的理论公式进行计算，现在人们都是根据计算对象的流动状态、性质等采用合适于计算条件的经验公式或半经验
半理论公式进行计算。这些公式从有关热学的书籍或手册中查得。表1-5列出某些条件下a的数值范围。表1-5对流放热系数的大致范围流体
a［W/（m2·K）］凝结蒸汽（膜状冷凝）5800～9300沸腾的水1700～3500有机物蒸汽冷凝580～1700垂直于管束的空
气强制对流17～46自然对流5.8～9.3过热蒸汽23～58水在管内受迫运动50～11600三、辐射热辐射是处于一定温度下的物质以
电磁波辐射能量的形式。不仅固体表面有辐射，液体和气体以及凡是具有一定温度的物质都可以辐射能量。这种辐射是因为组成物质的原子或分子中
电子排列位置的改变造成的。这种辐射传热不象导热和对流那样需要物质作媒介，实际上在真空中辐射传热最为有效。1.吸收率、反射率、穿透率
、绝对黑体如图1-12所示，投射到物体上的总能量Q可以分成三部分：一部分QA被物体所吸收，一部分QR被反射；另一部分QD穿透过物体
。于是有Q=QA+QR+QD或QA/Q+QR/Q+QD/Q=A+R+D=1（1-16）式中：A——称为吸收率，表示物体吸收辐射能的
能力；R——称为反射率，D——称为穿透率。如果某物体的A=1，R=D=0，则落在其上的辐射能全部都被吸收，这种物体叫绝对白体或
白体。对于D=1，A=R=0的物体称为绝对透明或透明体。在自然界中没有绝对的黑体、白体、和透明体。这样定义只是为了研究辐射现象方便
而假定的。必须指出，这里所讲的黑体、白体和透明体不是对可见光线，而是对热射线而言的。例如：玻璃对可见光来说是透明的，但对热射线来说
几乎是不透明体。又如白色表面只反射可见光线，对于热射线白布、黑布一样能吸收。一个表面所能发射的最大辐射能流密度是斯蒂芬—波尔兹曼定
律给出q=σT4s=co（T/100）4［W/m2］（1-17）TS是表面的绝对温度［K］，是斯蒂芬—波尔兹曼常数（σ=5.
67×10—8W/（m2·K4））。它表明黑体的辐射力与其绝对温度的四次方成正比。工程上一般材料都遵循斯蒂芬—波尔兹曼定律，这种材
料称为“灰体”。对灰体而言E=c（T/100）4［W/m2］（1-18）将灰体的辐射力E与同一温度绝对黑体的辐射力Eo相比可
得物体的另一特征量ε，称为黑度或辐射率ε=E/Eo=c/co式中，c、co分别为黑体和灰体的辐射系数E=εEo=εc（T/
100）4［W/m2］（1-19）2.辐射放热的计算各种表面之间的辐射换热是很复杂的，这里仅介绍几个特列。（1）一个凸面被另一个
面完全包围时如图1-13。表面①［表面积F1、辐射率ε1、温度t1］被表面②［F2、ε2、t2］完全包围时，其两面间的传热量Q
1、Q2为Q1=-Q2=σεF1（t4—t42）［W］式中：ε=ε1ε2/（ε2+F1/F2（1—ε2）ε1）称为平均黑度Q的符
号：散热面的为正，吸热面的为负。当F2→∞时，ε=ε1。（2）在平行平面情况下如图1-14所示两平行平面的放热量Q1/F1=-
Q2/F2=σε（t41—t42）［W/m2］（1-19）平均辐射率ε=ε1ε2/（ε2+（1—ε2）ε1）（1-20）（3
）在两个表面之间插入几块搁板的情况下，如图1-15。面①、②的面积均为F，辐射率ε，温度t1、t2，插入几块热板（F、ε）时的传热
量Qn。四、平均温差在换热器计算时经常遇到对数平均温差的计算。这里仅列出顺流和逆流的两流体通过间壁换热时的对数平均温差。设⊿t
i=thi-tci⊿te=the-tce其中⊿ti＞⊿te则θ=（⊿ti-⊿te）/ln
（⊿ti/⊿te）[K]（1-24）式中thi、tci、the、tce分别表示两流体在进口端、出
口端的温度，其中thi、tci表示温差较大一端两流体的温度。另有一种平均温差称为算术平均温差。θ=1/2（⊿ti
=⊿te）[K]（1-25）当⊿te/⊿ti＞0.6时，算术平均温差与对数平均温差之差小于3%。这时用算术平均温
差计算，其精确度已足够。五、换热器的计算换热器是将一种热流体的热传给另一种冷流体的装置。按其运行原理不同，可分为间壁式、储热式和混
合式。冻干机中冷冻机的冷凝器、蒸发器，干燥箱的搁板、水汽凝结器的凝华盘管都是换热器，且一般都是间壁式换热器。换热器计算的基本方程为
传热方程式Q=kFθ[W]（1-26）热平衡方程式Q=mkch（thi–the）=mc·C
c（tce–tci）[W]（1-27）式中：k—传热系数[W/（m2k）]；F—传热面积[m2]mk
、mc—分别为两流体的质量流量；[kg/s]。ck、cc—分别为两流体的比热；[Js/（kg·K）]。对于如图1-17所
示的换热管，管内流体进、出口温度tci、tce，管外流体进出口温度为thi、the，管壁厚δ、导热系数λ，管外流体
与管壁的放热系数为ak，管内流体与管壁放热系数为ai，管内、外污垢层热阻分别为ri和ro，则管内外流体间的传热系数若按管外表面积为
计算基准时k=1/[1/ak+ro+δ/λ+（rI+1/ai）d2/d1][W/m2·K]
（1-28）第四章冷冻干燥设备第一节概述含水物质的冷冻干燥是在真空冷冻干燥设备中实现的，根据所冻干的物质、要求、用途等不同
，相应的冻干设备也不同。按所冻干的物质不同，一般可分为冻干生物制品（或药品）的冻干设备和冻干食品的冻干设备，按运行方式不同可分为间
歇式和连续式冻干设备，按冻干物质的容量不同可分为工业用和实验用冻干设备；按箱体内能否进行预动可分为能预动和不能预动的冻干设备等等。
冻干设备的结构形式是多种多样的，但无论何种冻干设备均由干燥箱，水汽凝结器（这两部件有时也结合成一体）、制冷系统、真空系统、加热系统
、控制系统等所组成。连续性是冻干机如图4-1所示，这种冻干设备主要用于食品的冻干，从进料到出料可以连续进行。需冻干的食品先在冷冻室
冻结，然后在装料室装盘，且将其装入吊装运输器，送入装料隔离室，开启闸阀进入冻干通道，使食品在连续地向前移动的过程中，不断地析出水汽
而干燥，最后经出口隔离室进入卸料室卸料并包装，运输器经清洗后再送回进口处装料。间歇式冻干设备如图4-2所示，这种冻干设备需周期性地
冷却和加热搁板，从节能的角度它不如连续式。这种冻干设备设有干燥箱1，箱内有搁板，它是用来搁置被冻干的制品，当制品在箱内预冻时，则该
搁板既能冷却又能加热，为了使板层的温度均匀，可以利用中间介质既作冷媒有作热媒；也可以用制冷剂直接冷却，加热采用间接形式。当制品不在
箱内预冻时，则搁板只起加热作用。目前大多数的干燥箱都带有预冻结功能，使制品在其中能冻结至共融点以下的温度，然后在真空下使搁板加热升
温，提供水汽升华所必须的热量。水汽凝结器2是用来凝结制品中升华的水汽，它与干燥箱用管道连接，一般中间装有真空阀门，水汽凝结器的温度
要求在-40℃以下，制冷系统一般为两级压缩制冷循环或复叠式制冷循环。真空系统3是为了保持干燥箱和水汽凝结器内所必要的真空度和抽除从
连接管道和阀门等处泄露入系统中的空气和不凝性气体，根据冻干机的要求，一般采用两级抽空。除了上述组成以外，现代的冻干设备，对于干燥箱
还要求有清洗消毒装置，自动加塞装置以及必要的自动控制系统。清洗消毒装置为了保证箱内的清洁和消毒灭菌，在箱内装有清洁液的喷淋喷嘴，通
过泵升压使清洁液喷向箱内各部分进行清洗，清洗完毕将清洗液从箱体内放出。消毒有蒸汽消毒和化学药品消毒两种方法。蒸汽消毒是在箱内通以1
21℃以上的高温蒸汽并维持一定时间（例如121℃时为30分钟）进行杀菌。采用这种消毒方式，要求干燥箱和水汽凝结器的强度高，视镜、箱
门等均能承受内压，干燥箱外壁最好设有冷却盘管，以便消毒后能迅速降到室温。若用化学药品消毒，则对干燥箱结构无特殊要求，现代药品冻干机
，多具有在冻干箱内自动加塞的功能，以免制品干燥后箱外封装时空气中的水分、细菌污染制品，所谓自动加塞是在制品装箱前用半加塞机将一种带
凹槽的瓶塞放在每个瓶子的瓶口上，升华时水汽从凹槽中逸出瓶外，干燥完毕后，则用液压或其他动力推动搁板（或搁板报上的加塞板），将瓶塞压
入瓶口。制品出箱后，再进行压铝帽或封蜡。控制系统根据要求可分为手动操作，仪表显示，半自动挖制；全自动控制和微处理机控制四类。目前国
内大部分采用继电式的半自动控制，按制品的不同冻干工艺设定温度和时间来控制整个工艺过程。利用计算机的控制也已在有些冻干设备上使用，但
还不十分普遍。冻干设备的布置根据容量的大小有几种方式，主要是针对箱体与水汽凝结器的相对位置来分，对于小型实验用冻干机，水汽凝结器放
在箱体的下面，称为下置式；对于中大型工业用冻干机有箱侧连接式；和箱后连接式。为了便于布置，对于箱后连接的一般箱体的抽空管口在侧壁的
正中偏上。以前还有从箱顶开抽空管口，但由于管道弯头多，阻力大，现在很少采用。另外，根据水汽凝结器的放置位置，可以是臣式布置和立式布
置两种，这些布置各有其优缺点。至于其他系统的布置可根据情况而定，这里不多赘述。第二节干燥箱干燥箱是冻干机中重要部件之一，它的性
能好坏，直接影响到整个冻干机的性能，它是一个密闭容器，在其中内部主要有搁置制品的搁板，搁板的温度根据要求而定。一、对箱体与搁板的
要求（一）箱体1．箱体要有足够的强度，防止抽真空时变形；2．箱体的泄漏应满足真空密封的要求；3．箱体壁面内部直角处有一定的圆弧半径
，低面应有一定的坡度，坡向清洗排出口，以利于清洗液的排出，箱内应避免死角，以防清洗和消毒不净而发生的污染；4．若用液压装置在箱内实
现自动加塞时，搁板应能上下移动，移动时不得倾斜以致卡死；5．箱内零部件布置尽量减少升华水汽流向水汽凝结器的流动阻力。（二）搁板1．
要有一定的冷却和加热速度，冷却速率一般要求为0.1-1.5℃/min，加热速率为0.1-1.2℃/min；2．要求平整、光化、传热
性能好，以减少传热热阻和传热温差；3．搁板各部分的温度应均匀一致，这样才可能使制品在冻结和升华时的温度均匀一致。4．搁板要有一定的
强度，以便承受加塞力而不致于产生搁板弯曲。二、干燥箱和搁板的结构形式干燥箱的形状有圆柱形和矩形两种，如图4-6和图4-7所示。从
强度考虑、圆柱形优于矩形，但空间利用率而言，则刚好相反，从目前各国生产的冻干机情况看，用于工业生产的多数采用矩形结构。矩形结构由于
受力差，箱壁一般采用外加加强筋加固、箱板的材料视对冻干制品的要求而定，对于医用冻干机，必需采用优质不锈钢，耐腐蚀性好，含碳量少。加
强筋一般用碳素钢的矩形钢，槽钢或工字钢等，视箱体的大小而定。圆柱形筒壁由于受力好，一般当长径比较小时可不采用加强筋，而底部和箱门根
据形状不同需采取一些措施，以免受力时变形。工业用冻干机搁板一般做成相同的规格（指同一台冻干箱体），按制冷与加热的形式不同可分为四种
类型。1.直接制冷，直接加热对于这种形式的搁板，一般采用铝合金材料，内埋钢管或铜管，制冷剂在管内直接蒸发，为了使搁板温度均匀，制冷
剂蒸发管也可以用逆流式。加热可用电热丝，直接对搁板加热，可防在搁板底部，其原理如图4-8所示。这种搁板的优点是温度均匀，但加热时热
惰性大。此外，也有采用微波或红外加热制品的报导。2.直接制冷，间接加热直接制冷即制冷剂在搁板内直接蒸发，间接加热即利用各种加热源在
外部先将载热介质加热，再用泵送入搁板内。在搁板中制冷管与加热管相间布置，如图4-9所示：共有四根管子，其中两根做制冷用，另外两根作
为加热用，相互为逆向流动，适合与冻干机中用的载热介质有硅油以及乙醇、已二醇和水的混合物等。加热介质的热惰性相对于前一种搁板要小些。
3.间接制冷，直接加热制冷剂在蒸发器中冷却中间介质，然后将被冷却的介质用泵送入搁板，加热却同第一种搁板形式，这种搁板目前较少采用。
4.间接制冷，间接加热这种制冷和加热形式的搁板目前使用的较普遍，被冷却和加热的中间介质都是同一种工质，中间介质的冷却和加热都在箱外
进行，然后用泵将中间介质送入搁板，这种搁板可以用不锈钢板焊接成中空的带有多流道的中空板，如图4-10所示。由于这种搁板与流体的接触
面积大，板内流体流量大，进出口温差小，因此温度均匀，但由于采用中间介质，与直接制冷相比，在相同的冷量下机器的尺寸要大一些，功耗也要
增加。三、干燥箱设计干燥箱设计计算包括下列内容：（一）搁板面积搁板面积大小根据所冻干的物质容积的大小来确定，对于生物制品的冻干，一
般都是瓶装制品，可按瓶子的直径进行计算，一块搁板的面积还应与搁板的层数和箱体的体积相适应，使之设计的箱体既美观又大方，又要受力均匀
，因此必须综合考虑。若瓶子的直径为Dmm，总瓶数为N，每块搁板的瓶数为Nˊ，每排瓶数为Nw，每列瓶数为Nι，则W=（Nw+0.5）
D+（20～30）［mm］L=0.87(Nι+0.5)D+(20～30)［mm］(4-1)W与L的尺寸如图4-11所示。搁板
面积f=W×L［mm2］搁板数n=N/Nˊ搁板尺寸也可以事先确定，反过来再计算每箱的装量。（二）箱体内容积箱体内容积除了考虑
搁板的尺寸外，还应考虑到搁板之间的净高，搁板离箱壁之间的距离和内部其它一些部件（如液压板、连接软管等）的一些布置以及有良好的水蒸气
流动通道。搁板之间的净高可根据不同的要求而定，一般为80～120mm，用于冻干人血浆的冻干机，净高应不小于240mm，至于四周所留
的空间视具体情况而定，所确定的容积最好是接近正方形，这样箱体各侧面的受力较均匀。（三）箱体的强度计算在水汽升华阶段，箱内为真空，因
此箱体为一受外压的容器，箱体的强度应引起足够的重视，这里仅介绍矩形箱体的强度计算，为了节省材料，一般均采用较薄的钢板再在外部焊接加
强筋，如图4-12所示。1.最小壁厚箱壁可按矩形平板计算，周边固定，受外力为0.98×102kPa，则实际壁厚s为：s=so+
c［m］so=0.72B√p/［σ］弯［m］上式：so——箱壁的计算壁厚；B——对于无加强筋的矩形平板为窄边的宽度，对于
有加强筋的平板，为被加强筋分割的小矩形平板的窄边宽度。如图4-12（a）中的l，（b）中的b，（c）中的l和b中较小者；［σ］弯
——为材料弯曲时的许用应力，一般取简单拉伸压缩许用应力；p——为绝对压力，可取为0.98×102[kPa]。当需进行水压实验
时，则矩形板的应力为：σ=0.5B2P水/(s—c)2≤0.9σ。式中：σ。——材料的屈服极限，［Pa］c——板的裕度，［m］
p水——水压实验压力，可取1.96×102kPa。用蒸汽消毒的冻干机需进行内压实验，其实验压力应为工作压力的1.5倍。一般冻干
机不进行水压试验。2.加强筋计算加强筋的计算，做如下假定，加强筋上所承受的载荷是被它所分割的小平面载荷的一半，并以均匀载荷作用在加
强筋上，则抗弯截面模量为：对于（a）图：wp=B2lp/2k［σ］弯［m3］（4-6）对于（b）图：wp=L2
bp/2k［σ］弯［m3］（4-6）对于（a）图：wp1=B2lp/4k［σ］弯［m3］（4-6）对于
（b）图：wp2=L2bp/4k［σ］弯［m3］（4-6）式中：wp——加强筋的截面模量：p——设计压力，当
进行水压实验时，p为1.96×102kPa，当不进行水压实验时，p为0.98×102kPa；k——系数，与筋两端的固定方式有关，
若为刚性固定（如法兰连接或筋与筋相连）时k=12，若为非刚性连接，则k=8。求的截面模量后，可按有关手册来确定加强筋的断面几何尺寸
。对于型钢，可直接查有关手册中该钢的截面模量，所用型钢的截面模量必须等于或大于计算值。除了强度计算以外，还要进行箱壁的挠度计算，所
计算得的挠度应小于允许值。若所计算的强度已足够，而挠度超过允许值，则必须使挠度在合理的范围内来配置加强筋，否则箱体会产生变形。（四
）箱体热负荷及制冷机的选配在冻干过程中，干燥箱只有降温和保温两阶段需要供冷。降温阶段就是将搁板（装载有产品）从室温降到冻结所需的最
低温度的阶段，保温阶段就是保持搁板在上述最低温度下一段时间以使产品冻牢，由于后者的热负荷大大小于前者，设计中只按前者的热负荷选配制
冷机即可。1.降温时间降温时间的选定极大的影响到制冷机选配的大小。所定降温时间越短，需配置冷机越大。确定降温时间主要应考虑下述几个
因素：（1）应满足产品降温速率的要求，因为降温速率对产品晶格的大小、活菌率、干燥速率等有直接影响，所设计的冻干机必须首先满足产品冻
干工艺的要求，才能生产出优质合格的产品。（2）整个冻干周期应有利于生产的组织。整个冻干周期包括产品进箱、箱体降温、保温、第一阶段升
华、第二阶段升华、产品出箱等阶段和箱体清洗消毒、水汽凝结器化霜等辅助时间。为了使操作人员有规律的上班、换班，便于组织生产，要求在一
昼夜不超过（24小时）内安排一批或两批生产，这就要求每批的冻干周期不超过24小时或12小时。分配给降温阶段的时间也受整个冻干周期时
间的限制。（3）箱体降温所配置制冷机的容量应与水汽凝结器配置的制冷机的容量综合考虑，使之可以共用或互为备用，以提高机器的安全可靠性
和降低造价。2.降温温度搁板温度一般比产品冻结点温度低5-10℃。3.降温阶段的热负荷降温阶段的热负荷包括（1）产品降温的热负荷Q
1Q1=｛ΣGι1cι1（tc1—td1）+G2（c2tc1+r－C5td）｝/τ［kW］（4-10
）式中：Gι1、cι1——托盘、瓶子、瓶塞等的质量和比热，单位为［㎏］和［kl/㎏·K］；G2——产品的质量，［㎏］；
C2、cb——产品的液体比热、固体比热，［kJ/kg·K］，一般可按水和冰的比热计算，r——制品的凝固潜热，可按水的凝
固潜热计算，［kJ/kg］；tc1、td1——产品的初温和终温；估算时可假定td1高于搁板温度10～20℃τ——
降温时间，［s］。（2）箱内零件降温的热负荷Q2Q2=ΣGι2cι2（tc2—td2）/τ［kW］（4-11
）式中：Gι2、cι2——搁板、液压板、导向杆等箱内零件的质量和比热；tc2、td2——搁板终温和初温。（3）载冷介质
降温的热负荷Q3Q3=G3c3（tc3—td3）/τ［kW］（4-12）式中：G3、c3——循环介
质的质量和比热，tc3、td3——载冷介质的初温和终温，可假定与tc2—td2相同。（4）箱壁降温的热负荷Q4
Q4=G4c4（tc4—td4）/τ［kW］（4-13）式中：G4c4——箱壁（包括门壁）的质量
和比热tc4、td4——箱壁的出温和终温，在估算时可取高于搁板温度20～30℃（5）通过箱壁传热的热负荷Q5Q5
=kFp（tH—t4）［kW］式中：k——包括热绝缘层在内的箱壁传热系数；Fp——箱壁内、外表面积的平均值T
H——环境空气温度；T4——箱内壁温度，由于降温过程中箱内温度是连续下降的。估算时可假定为环境温度和箱内终温td2的平均值
。（6）开门冷损Q6若产品进箱前箱体不预冷时，则不计算Q6；若产品进箱前需空箱预冷时，则计算Q6Q6=G6c6
（tc6—td6）/τ［kW］（4-13）式中：G6c6——箱门的质量和比热；tc6、td6——开门前和关门时
箱门的温度；可假定比搁板最低温度高20～30℃，td6可按下式计算td6=tc6-（tH-tc6）e–（
aF6/G6c6）τk（4-16）τk为开门时间，F6为箱门面积，a为箱门放热系数，c6为将通过箱口的吸热量视为与
箱门的相等。（7）载冷介质循环泵所耗的冷量Q7Q7=Nη［kW］（4-17）式中：N——循环泵额定功率；η——
循环泵效率。（8）其他Q8如载冷介质容器、管道降温的热负荷和冷损等，以全部热负荷的15%计。4.降温阶段制冷机的选配在降温
阶段搁板和箱内空间的温度是不断下降的，因而从箱外传入的热量也是随时间而不断变化的，制冷机的蒸发温度和相应的制冷量也随时间不同而变化
，因此计算起来比较复杂。为了简化起见，可按下述步骤计算：(1)凭经验估计取降温终了时搁板、箱内空间、箱壁的温度，按上述公式计算出
整个降温阶段的、总的平均热负荷，并按此初步选出制冷压缩机。(2)计算出在设定的冷凝温度tk下，各中蒸发温度（加入—15%℃～—5
0℃）时制冷机的制冷量Q0，并汇出Q0～t0曲线。(3)效核箱体降温时间是否满足设定要求，否则重新选配制冷压缩机，重复步骤（2）
、（3），直到实际降温时间略小于设定时间为止。5.箱体降温时间的校核正如前述，在降温过程中，箱体的热负荷和制冷机的制冷量均是变化的
。为了精确的计算降温时间，应采用计算机计算。这里介绍一种分段计算法。所谓分段计算就是将整个降温过程分成若干小段，按每段温度区间，计
算出制冷机冷量的平均值和降温时间，再反推箱壁温度看与原假设的该区段箱壁温是否符合，否则需重新假设并重复计算，直到两者基本相等为止，
最后计算出该区段的降温时间。各区段降温时间之和即为降温阶段所需的时间。具体步骤如下：(1)假定第一区段搁板、箱内空间、箱壁的终温
td2、td7（=td2+10）、td4，按式（4-10）到（4-17）[每式中均乘以假设的该区段的降温时间r]分别计算出各分热负
荷Qi1，及总热负荷Q1。(2)确定该段制冷机的制冷量。制冷机的蒸发温度to1：对于直接冷却搁板to1比该区段搁板的平均温度低2
-4℃；对于间接制冷搁板to1比该区段搁板温度低10-14℃（to1高时取大值，to1小时取小值）。由to1从制冷机的Qo-to曲
线中求出制冷机的制冷量Qo1。则该区段的降温时间τ1为τ1=Q01/Q1［s］（4-18）（3）校核该区段箱壁终温td4。（
空）式中：td7——箱内空间温度；tc4——该区段箱壁的初温；α——箱内壁的对流换热系数；λ、δ、α——箱壁的导热系数、当最厚
度、导温系数［m2/s］，所谓当最后度即是将加强筋的体积平摊在整个箱壁平面上所得厚度与箱壁板厚度之和；τ1——该段降温时间（五）干
燥箱加热负荷的确定在升华阶段，需要提供产品中冰的升华热。一般间接加热所用热源为电热、蒸汽、压缩机排汽或其他热源，目前以电热为最多
。加热量的大小主要取决于升华速率、箱体内部部件的质量和载热介质的质量。可按下列式计算：（空）根据对一些冻干机所配备的加热功率统计资
料来看，每平方米搁板面积功率为1.6～3.3kw，相差甚大，这主要是考虑升华速率不同，则式（4-20）中的k值的范围为2.9～6，
对于大型冻干机取小值，小型冻干机取大值。水汽冷结器（冷阱）在冷冻干燥时须不断地排除制品中的水汽，捕捉水汽可以用化学吸附法，既利用被
冷却的表面来使水汽凝结成水，这种容器称为水汽凝结器或冷阱。水汽凝结器安装在干燥箱与真空泵之间，水汽的凝结是靠箱体与水汽凝结器之间的
温差热形成的压力差作为推动力，故水汽凝结器冷表面的温度要比干燥箱的低。一．对水汽凝结器的要求水汽凝结器亦是真空系统容器之一，但它与
箱体所起的作用不同，在设计时提出如下的要求。间体应有足够的强度水汽凝结器一般采用圆柱形，受力较好，若长径比满足表4-1的要求，则可
不作计算，若超出了表4-1中的长径比规定，则要另作计算。容器的长与直公称直径4005006007008009001000
120014001600180020002200间体壁厚12345334444.5566888103444.55668810
101212444.55688881012141444.5568881010121414164566881010121214141
6间体的泄露应满足真空密封的要求。检体内应有足够满足真空密封的要求。由于冰是热的不良导体，当捕水面积越小，则结冰厚度越厚，冰温提高
。图4-13表示出不同的冰层厚度时所需的管子长度，纵坐标为结冰量，横坐标为管长，管子尺寸为φ25×2mm，不同的冰层厚度可以得到不
同的长度。目前国内所设计的冰层厚度可以得到不同的长度。目前国内所设计的冰层厚度都比较薄，一般为4～6mm，严格地说，最佳冰层厚度应
根据技术经济指标来确定，冰层薄，金属材料消耗量大，但制冷机的投资费和运行费用低，所以必须按我国国情来合理地确定冰层厚度。4.便于水
蒸气的流动，但又不能产生短路。水汽凝结器内水蒸气的流动阻力要小，否则会使容器内压力升高。同时要求结冰尽可能均匀，这样才可以充分利用
水汽凝结器中的传热面积。另外要求水蒸气能全部凝结在水汽凝结器中，不应有未被凝结水汽被真空泵抽走热污染真空泵油，使泵的抽气速率降低5
.水汽凝结器的传热表面温度应与凝华压力相适应。在冻干机中，升华的水蒸气的流动取决于干燥箱和水汽凝结器之间的压力差。这个压力差是由于
两者之间的温差所形成的。但是这并不意味着水汽凝结器的温度越低越好。这是因为：在两者之间通道截面不变的情况下，水汽凝结器的温度越低、
既压力越低，相应的干燥箱内的压力也会降低，使箱内对流换热和通过干燥曾的导热作用减小，即给升华界面提供的升华热减少，升华面的温度也会
降低，则经升华面向干燥层外逸出水蒸气的压差也随之减小，因而升华速率反而减慢。因此，水汽凝结器的温度，只要比搁板温度低10℃左右即可
，随着升华进入解析阶段，需要箱内的压力降到更低，以利于解析水蒸气的逸出，由于凝华水蒸气的负荷大大减小，水汽凝结器的温度还会不断降低
的。二、结构形式水汽凝结器的结构形式多种多样，按放置的方式分，有立式与卧式，按圆筒内凝结面的形状分单螺旋管式、多层螺旋管式、蛇管式
和板式等，如图4-14和4-17所示。一般前两种为立式布置，后两种为卧式布置。如4-14为单螺旋管式水汽凝结器，螺旋管材料为不锈钢
管、紫铜管或紫铜罗纹管，按凝结水量水量的多少在筒内安装有若干个相同节距和中径的罗纹管，图式为4个单螺旋管，当捕水量较少时，沿圆周方
向布置一圈，当捕水量较大时，沿径向布置两圈。采用的管材直径和螺旋管中径视捕捉水量而定，一般管子为φ16mm至25mm，中径为φ16
0mm至250mm，当采用滚扎翅片管时，由于面积大，对升华开始阶段是有利的，但当翅片之间结满冰之后，翅片所增加的传热面积就不起作用
。为了防止水汽与铜作用所产生的铜绿对人体有害，当整个芯体焊接好之后用搪纯锡的方法来处理。图4-15为多层螺旋管水汽凝结器，这种型式
结构紧凑，螺旋管的直径和圈数视凝结水量多少而定，管材直径为φ16～25mm的不锈钢或紫铜管。对于这种结构型式要考虑由于外层的结冰不
能堵塞水汽进入内层螺旋管通道，否则内层螺旋管的表面积利用率很低，可以采用内外层螺旋管不同的节距来防止通道的堵塞，即可以加大外层的节
距。对于多层螺旋管，由于内外层螺旋管的通道长度不同、影响到制冷剂分配的均匀性，故要考虑每个通道的长度基本上要做到一致，而且阻力不能
大于规定值，对于R22每根管子的压力将应小于2℃时的饱和蒸汽压力值。图4-16为蛇形螺旋管式水汽凝结器，蛇形管为水平放置、沿间体轴
向布置，制冷剂通过分液头进入每一根蛇形管，管间距由所使用的管材的最小弯曲半径来确定，以不弯扁为原则，而横向间距以保证有足够的结冰厚
度和水蒸气通路来确定，管材直径由凝结水量来选取，抽真空连接管应远离与箱体的连接管，不致使水汽短路。图4-17为板式水汽凝结器，在板
内布置有制冷管道，这种形式的传热面积大，结冰也较均匀，板的布置基本上有两种，一种是平行布置，水汽沿平板流动，另一种是扇形布置，靠近
箱体连接管处板间距大，而另一端间距小，板的厚度视实际情况而定。水汽凝结器的结构还有其它一些型式，如图4-18所示，结冰的面积为圆筒
形，在筒壁上开有圆孔，水汽一边在内筒壁上凝结，未凝结部分又流向外筒体凝结。端盖上有观察窗，可观察水汽凝结器内的结冰情况。三、水汽凝
结器的设计水汽凝结器设计包括两方面，既筒体设计和传热面计算。（一）间体设计1.间体是一受外压的容器，压力是一恒定值即一般为大气压，
故可按稳定条件来计算厚壁so=1.25DB(P/E·l/D)0.4［mm］式中：so——间体计算壁厚［mm］；DB——圆筒内径
［mm］p——外压的设计压力；l——圆筒计算长度[mm]；Et材料温度为t时的弹性模量[Pa]圆筒的实际壁厚s为S=
So+C[mm]（4—24）C为壁厚附加量[mm]。式（4—23）除了满足泊桑系数μ=0·3以外还要满足下面两个条件：≤
DB/l≤8（p/Et-l/DB0.4≤0.523由于水汽凝结器的间体l/D均小于5，因此可以不考虑筒外再加加强筋。2．封头受
外压的凸形封头，一般可以按筒体相同壁厚的凸形封头，如蝶形封头，椭圆形封头等。当采用平面或锥形封头时，要进行强度计算。圆形平盖厚度
ss=D（√kp+[σ]）+c式中：D——计算直径；[mm]；k——结构特征系数，根据不同的结构型式，取值范围为0.15～0.
4；p——设计承受的外压力；[σ]——许用应力，[Pa]；c——壁原附加量。当在平壁上采用加强筋时，屏平壁厚度s由下述方法确定：
α.加强筋之间平板的计算直径b.加强筋尺寸筋条尺寸可以用近似计算法，即平面上的全部载荷都由加强筋来承受，则筋的断面模量（二）
传热面积计算由于水汽凝华过程机理比较复杂，同时随时间的增加冰层厚度亦增加，帮属于不稳定传热过程。但冰层的增加速度很慢，对于某一单位
时间而言可以认为不变，故可用平均的冰层厚度来计算，将不稳定传热过程转变为稳定过程引起的误差对于工程计算是允许的。1、管式传热面按结
冰厚度来确定管长式中：G冰——结冰量[kg]；D——冰层外径[m]d2——管子外径[m]p冰的密度，一般可取900[
kg/m3]冰层外径按实际所需的冰层厚来计算。传热面积对于滚轧翅片管一般按翅根到冰层外表面作为计算厚度，这时要扣除翅片所占体积
。当管长确定之后，还要进行核算传热面积是否足够，若不考虑管材热阻，可按下式计算式中：冰层外表面至管内的温差；管内蒸发时的放热系数
；冰层平均放热系数；a2=（为冰的导热系数，为冻层厚度；d1——管子内径。一般可按5左可来选取，若所计算的Q大于水汽凝华所
需的冷量，则所确定的传热面是合理的，否则须加大传热面。2、板式板式传热面亦按所须的结冰厚度来确定所能传递的冷量符号的含义同式（4-
32）。冻结装置的方法本节所叙述的冻结装置是除真空箱内由搁板冻结以外的其它冻结装置，它是满足特殊冻结工艺要求而设置的，因此所介绍的
这些冻结装置与冻结工艺是联系在一起的。抽空冻结装置1、静止抽空冻结静止抽空冻结主要用于冻结固体制品，与一般箱内预冻装置很相似，所不
同的是搁板内没有制冷管道，而是将含水的固体物质置于搁板上，将箱内抽成真空，由于固体物质有一定的形状，水分均匀地分布在这些物质中。抽
空时水分蒸发，随着压力的降低蒸发量越大，由于外界没有提供蒸发所需的热量，故蒸发时吸收物质本身的热量而使之冻结，这种冻结是在三相点附
近进行，其压力为，温度为0℃。当用机械真空泵来抽空时，不能将水汽直接抽入真空泵，这样会导致水汽污染油而使泵的效率降低，因此必需将水
汽凝结在水汽凝结器中，若用蒸汽喷射泵来抽空时，则可将水汽直接排到上气中。2、旋转抽空冻结这种抽空冻结主要用于液体的冻结，将装有液体
安瓿置于带有角度的离心机的真空箱内，先启动离心机，达到额定转速后，启动真空泵，此时安瓿内制品中的水分，因减压而吸收其周围分子的热量
而蒸发，未蒸发的部分因失热而冻结，离心的主要作用是不使安瓿内的液体产生沸腾起泡。这种方法冻结可以除去约125~20%的水分，冻结后
溶液的浓度会变高。3、喷雾冻结喷雾冻结也是真空冻结方法之一，液体从喷嘴中呈雾状喷到一表面上，当容器内是真空时，则由于水汽的蒸发使之
冻结，该面可以是一个旋转的圆盘或一条传送带，与喷嘴的距离为几厘米，喷嘴与圆盘的轴心平行。从喷嘴喷出的液体不会马上冻结，喷到盘子表面
液珠从盘子表面移开之后才发生蒸发冻结。这种冻结装置也可以用圆筒或鼓形物来代替圆盘，喷嘴与圆筒形的轴线相垂直，喷嘴置于圆筒形内部将液
体喷在内壁上而产生冻结。流化床冻结器流化床冻结器的工作原量是用一般向上吹的高压气流吹入颗粒食品，其风速大到足以使颗粒食品不断地运动
，如图4-20所示，图未为盘式流化床冻结器。运行中的风速决定于弗雷德准则数Fr式中：w——通过颗粒产品风速[m/s]；D——颗粒
当量直径D=6·[m]；（V为颗粒的容积，S为颗粒外表面积）当风速超过某一值时，使产品出现漂浮状态，颗粒被吹起，一般Fr在100
~120之间为较合适，图4-21为风速与颗粒直径之间的关系。风压决定于被冻结产品的密度和厚度，所需的压力能以吹起被冻结产品并使之
流通过产品层的压力降式中：Ho——产品层高度：Po、Po——分别为产品与空气的密度。为了使产品快速冻结，一般蒸发温度为-34
~-40℃为宜，此时空气温度为-26~-30℃，冻结后的产品温度可达到-15℃左右，表4-2示出一些食品流化冻结的性能。盘子的孔
径视产品的颗粒大小而定，孔径要小于颗粒的直径，否则产吕会掉到蒸发器上而影响正常工作。采用这种冻结器的优点是（1）防止颗粒洗涤后因
水膜使产品粘结而形成颗粒结块；（2）便于生产过程机械化和自动化；（3）缩短冻结时间。表4-2一些流体化冻结的性能食品D（mm）H
H（mm）冻结时间（min）豌豆、整粒玉米6~1030~383~5青豆6~1250~755~12胡萝卜丁6~832~385~7切
片和小个的整胡萝卜——8~10法国式油炸土豆10~1275~1008~12蓝莓—30~404~5木莓8~15一层4~8草莓1
5~30一层9~15樱桃15~20—6~12小虾——6~15鱼片——12~15三、二次冻结和分层冻结法1、二次冻结这种冻
结方法是将慢冻和快冻结合在一起，慢冻是从液体的外部开始，细胞内的自由水通过细胞壁渗透到细胞外结冰，避免了细胞内结冰，但细胞在一个相
当长的时间内外于越来越浓的溶液中，对细胞不利。快冻不仅在细胞外冻结，而且在细胞内结冰，则细胞在内外冰的作用下细胞的外形会受到损坏。
因此，采用慢冻与快冻相结合的二次冻结，即先4℃慢冻至-30℃，再从-30℃用液氮速冻，并在液氮中保存，这种冻结需在特殊的冻结装置中
进行，主要用于保存活细胞。2、分层冻结对于多联的冻干制品，为了防止制品的相互干扰而影响质量，或者使溶解的共融点温度低于组成这一溶液
的单独组分的温度，而采用在特殊的装置中分层冻结，既在瓶中先装进一种溶液进行冻结，待冻结后再装进另一种溶液，如果在装进第二种溶液时会
使已冻的第一种溶液融化而影响质量，则可在这两种溶液之间装一层惰性材料，将两种溶液分隔开。采用这种冻结方法往往将共融点温度低的一种溶
液后装，虽然这种冻结手续麻烦，但使用很方便，可节省安瓿，包装材料，减少封口次数和运输，但复水后一般要立即使用。四、旋转冻结器当制品
的装量比较大时采用旋转冻结，使制品冻结在瓶壁上，如人血浆的冻结。可分卧式旋动二种（1）卧式旋冻器的冻结方法是将瓶放置在旋转冻结器上
，它置于冷容器，容器方成水平或倾斜70%，如图4-22（α）所示，瓶子先放在1℃冷浴中数小时，然后再放入冷浴中旋冻。（2）立式旋冻
器：如图4-22（b）所示，立式旋轴带动制品瓶以900转/min的转速旋转，制品因旋转时的离心力而紧贴于瓶壁内表面，瓶子侵于冷浴中
防除热量而冻结。立式旋冻由于有离心力，制品冻结厚比卧式的薄、紧密、无分层现象。第五节加热系统及设备在冷冻干燥装置中为了使冻结后的
制品水汽不短的从冷架中升华出来，必须要提供水汽升华所需的足够热量，因此要有加热系统，加热热量的多少决定于升华速率的快慢，一小时若要
升华1kg的水汽大约需提供2815kl的热量。按热量的提供方式不同可分为直接加热和间接加热两种。一、直接加热方式直接加热方式一般采
用电热法或红外加热器。图4-8为用电加热的搁板，将金属片电加热器粘贴或紧密地固定在搁板的下面，金属片可以是薄不锈钢板或其它电阻值
勤较大的金属材料，其形状如图4-23所。电加热片与搁板绝缘，电加热器的热量应能根据所需的升华热用电阻自动变送器或能量调节器进行调节
，以免提供过多的热量而使制品发生融化，由于电热的热惰性较大，所以对控制要求较高。加热泪盈眶量可按式（4-20）计算。二、间接加热方
式间接加热在当前冻干设备中使用最为普遍，它是用载热体先加热载热介质，再将载热介质用泵送入搁板，载热体可以用蒸汽，电加热器或压缩机排
气，目前用得最多的还是电加热器。1、蒸汽加热器蒸汽加热器是一壳管式加热器，如图4-24所示。蒸汽在管外流动，从壳体上部进入，冷凝水
从壳体下部排出，载热剂在管内流动，从下面进，上面出。根据载热剂的性质不同，传热管可以是铜管或无缝钢管，型式可以是U型管也可以是直管
，管内流速一般不超过去1.5m/s，当流量较少时，为了增加管内流速，可以增加流程数，使载热剂在管内来回流动几次，一般为4~6程，如
图4-25所示的为四回程的换热器形式。2、电加热器最普通的电加热器是管式电加热器，如图4-26所示，电热丝埋在管子的内部，电热管沉
浸在载热剂的液体之中，不得露于液体之外，否则电热丝容易烧断，为了增强载热剂和电热管之间热交换，可以在壳体内加隔板以增加扰动。3、压
缩机排气加热器在冷冻干燥装置中，当搁板需要热量加热升华时，正当水汽凝结器需要冷量的时刻，一般在制冷压缩机运行时，排气在热量是由冷凝
器的冷却水带走的，而搁板所需的热量又要利用其它热源程序，这必然导致无谓的能量消耗。为了节省能源，在水汽升华的相当长的一段时间内可使
水汽凝结器的压缩机按热泵方式运行，将压缩机排气作为搁板的加热热源，其系统如图4-27所示。压缩机排气通过电磁阀13引入搁板载热介质
热泪盈眶交换器9，在循环泵7的作用下使载热介质在搁板中循环，而制冷剂被冷凝后经热力膨胀阀6供给水汽凝结器冷量，当热量不足时，不足部
分由辅助电加热器8来补充，当排气的热量过多时，则制冷压缩机切换成制冷循环，关闭电磁阀13，开启电磁阀14，热量由冷凝器材所带走。这
时搁板的加热完全利用辅助电加热器8供给。三、循环泵的选择当用载热介质来加热搁板时，需要用循环泵来输送载热介质，循环泵的大小需要根据
流量和压头来选择。1、流量G2、阻力损失泵的压头需要根据流动阻力损失来选择，流动阻力主要决定于载热介质冷却器或加热器以及搁板中的流
动阻力。当载热介质通过有折流板换热器在管外流动时，其流动阻力由四部分组成：流经进出口管执着头时的阻国，流经折流板缺口时的阴力，与管
子平行流动时的阻力以及横掠管束时的阻力。当通过搁板时，按沿程阻力和局部阻力来计算。有关阻力的计算参考其它一些手册，这里不说桩这。3
、泵的选择泵功率的计算可按下式计算：式中：G——流量[kg/S]——阻力损失——泵效率p——载热介质的密度第六节冻干机的
监控冷冻干燥机的控制包括制冷机，真空泵和循环泵的起停、温度、加热量、真空度和时间的控制，根据所要求自动化程度不同，对控制要求也不相
同，可分为手动控制（即按钮控制），半自动控制、全自动控制和微机控制四大类，下面就一些典型冻干机的控制进行分析。一、手动控制LGj-
Ⅱ型医用冷冻干燥机为手动控制系统，用按钮或开关进行操作，并配有温度和真空度的显示仪表，温度、真空度和断水断电的报警装置。该冻干机系
统配有三台2F6.3制冷压缩机，其中一台供干燥箱冷量，二台供水汽凝结器冷量；两台2X-15旋片式真空泵并联再与ZJ-150机械增加
压泵串联组成两级抽空系统；提供升华热量由三组成1.5kW电加热器和油循环泵所组成。电气原理图如附页图4-28所示，其动作顺序如下：
当按下AN1按钮，此时循环油泵连锁触头J7闭合，线圈J1通电，若压力控制器KD-255和热继电器JR处于正常位置，则接触器C1通电
，供干燥箱冷量的压缩机起动，DQ-4电磁阀开起，箱体开始降温，当按下按钮AN19，则接通仪表电源，XCT-1温度指示仪工作，拨动温
度选择开关WKZ来选择指示搁板的温度当温度降到预定值时，可开门放制品，放毕关门，温度重新下降到要求值勤，则按下按钮AN3和AN5
，起动二台水汽凝结器制冷压缩机，并开起BQ-5和DQ-6供液电磁阀，水汽凝结器降温，温度仍由XCT-1温度指示仪显示。当温度达到预
定值，按下按钮AN7和AN9，两台旋片式真空泵起动，同时关闭DQ-1和DQ-2电磁带放所气真空阀，与机械增压泵并联的DQ-3电磁真
空阀因C4、C5触头闭合而开起，系统抽真空，同时也为增压泵的起动作准备。当真空达到一定值后，按下按钮AN11，则增加泵起动，DQ-
3电磁阀的C。常闭触点断开而断电关闭，此时增压泵与旋片式真空泵串联运行，干燥箱和泵组的真空度由XW电位差计显示。当真空度达到要求时
，可对搁板进行加热，即按下按钮AN13和AN15，循环油泵起动油加热器通电，干燥箱制冷压缩机因J7常闭触点断开而停车，此时水汽开始
升华，搁板温度转换为由XCT-2温度显示仪显示，并由该仪表来控制加热量，当温度达到调定值上限时，电加热器断电，当温度外于调定值下限
时电加热器通电加热，一直到冻干结束。当水汽干燥完毕后按下相当的按钮，使各设备停止运行。在控制系统中还配有相应煌经绿灯指示相应的中间
继电器和电气设备的动作，同时还有加热温度过高、真空过低和断电断水报警装置。当温度过高或真空过低发生报警后，应即刻按下按钮AN16切
断油加热器电源，同时按下AN17使油箱冷却水电磁阀DQ-7开起，对油箱降温，当真空达到要求后再恢复正常工作。二、半自动控制LZG-
5Y型冷冻干燥机的控制属于半自动控制，它是由轮程序控制仪，电阻显示控制仪、真空设定控制仪和各种按钮、开关配合来实现对冻干工艺的控制
，在介绍控制之前先介绍上述一些控制仪。轮程序控制仪如图4-29所示，由轮板和开关所组成。轮板上的等分半径值对应于所控制的温度，半径
值时60到25mm，所对应的温度为-50到+50℃，同时刻有24等分时间线，即每一刻为15°。按照轮板上的曲率半径和时间线可粗略地
制作出所要求的冻干曲线，轮由同步微电机带动旋转，转速根据仪表面板上的速度变换表来变换变速齿轮，调速范围为每转时间分别为48、36、
24、16和12小时，旋转方向为逆时针。按装在轮板后面的小轮和微动开关，用来自动控制电加热的功率，微动开关触头在原始位置，二组电加
热器同时工作，按下微动开关触头，触头在原始位置，二组电加热器同时工作，按下微动开关触头，一组电加热器工作。根据实际操作经验，可以用
小轮和轮板配合使用，确定每段程序电加热功率。电阻显示控制仪是根据共融点附近的电阻值发生突变的原理制作的，由电表和电子调节器所组成，
对制品的电阻值进行测量和设定，电阻值的设定是根据不同的制品共融点电阻值，按照电表上电阻值的对应刻度，调节电子调节器上的旋钮来设定，
当所测得的共融点电阻值小于设定值时，则可切断电加热器的电源。真空设定控制仪是根据不同的制品升华时所对应不同的真空度而设定，以用来控
制加热器功率，当真空度下降时，切断电加热器功率，不致于使制品发生融化。自动控制过程如下，按钮是用来起动各个机组，按钮分两类。见附页
图4-30的控制原理图，一种是直接起动按钮（简称T启动），如两台制冷压缩机的起动按钮LK1和LK3等，即可直接按下按钮起动；另一种
是按下起动按钮AN之后才能起动（简称A起动），LK2和LK4等属于这种按钮。制冷机I可以直接按动LK1，若保护装置均处于闭合状态，
便可起动运行，但到载冷介质蒸发器的冷凝器出液电磁阀DF1必须在循环泵起动之后，C5触点闭合，同时按下起动按钮AC使Co闭合，这时按
下LK2，电磁阀DF1才能通电开启，否则不能开启。制冷机II也可以直接按动LK3起动，而冷凝器出液电磁阀DF2与制冷机同步，而载冷
介质蒸发器电磁阀DF7需按下SK按钮能开启，但如果制冷机II不运行，由于DF2关闭只开启DF7，也不能向蒸发器供液；按下按钮BK，
则向水汽凝结器供液电磁阀DF8开启，同样DF2关闭时，DF8也不起作用。循环泵起动属于A起动，需按下按钮GK才能起动。按下按钮ZK
，则旋片式真空泵起动，同时泵放气电磁阀DF4通电关闭，当SJ1延时，继电器调定的时间到，则罗茨泵SJ1触头闭全，为它的起动作准备，
当泵组真空度达到电接点真空压力表的调定值时，则触点HDJ闭合罗茨泵起动。按下RK1，第一组电加热器加热，按下RK2，第二组电加热器
接通。按下按钮K，轮程序控制仪参加工作。当AN按钮接通，则仪表电源、真空芳显示控制仪和制品电阻显示控制仪均参与控制工作。若轮程序控
制仪所控制的温度高于调节器定值，则触点JT2作用，使电加热器断电停止加热。同样若真空度下降，则触头Jtor跳下；若制品电阻值下降，
则JR触点跳开；均使电加热器断电停止加热，不致产生制品融化。在控制系统中还装有连锁装置，如只有在循环泵起动后才能使供液电磁阀DF1
开；制冷供液电磁阀DF1与电加热器互锁；自动加塞装置的板层上升阀Dfo与下降阀Dfjo开锁。同时还具有报警功能，真空度下降报警，断
水断电报警，按动面板上按钮HK，则报警音响消除，但报警红灯一直到故障排除后才熄灭。三、全自动控制ZLG-10型冻干机可采用手动控制
，亦可以自动程序控制。该机主要设备有间接制冷间接加热搁板的真空箱，并可在箱内实现自动加塞，水汽凝结器为板式，制冷剂直接冷却。制冷系
统配有三台JZS-1/3F10氟利昂制冷压缩机，制冷剂为R22，其中一台专供箱体搁板冷量，一台专供水汽凝结器冷量，一台为箱体和水汽
凝结器共用，三元混合液作为载冷和载热介质，载冷介质在干式蒸发器中冷却后用循环泵送入搁板。真空系统配有可独立或并联运行的两台2X-7
0型旋片式真空泵和一台ZJ-150型机械增压泵串联，管路上配有一个400和三个100气动真空蝶阀以及其它一些真空电磁阀。加热系统为
四组4kW的电加热器（共16kW）加热三元混合液。自动加塞采用油压加塞系统，由油缸、油泵和电磁换向阀等电气设备所组成。这一系统的手
动控制不作介绍，只介绍自动程序控制部分。该机从产品预冻开始到冻干结束全部可采用自动控制，即由轮程序控制仪或制品电阻控制仪来实现，这
里只介绍轮程序控制仪，它是半自动控制的基础上加时间计数继电器来设定各机组的工作时间来达到的。时间计数器由五个计数继电器，一个计数器
和一个时标信号源所组成。时标信号源每一分钟产生一个脉冲信号给计数继电器、计数器。计数继电器上有数字设定位和计数们，当计数继电器得到
一个脉冲信号，数字设定位预先设定的数减去1，而计数位上加上1，当数字设定位的数字减到0时（即计数位加数加到预先设定的数计数继电器内
的触头动作，当再来脉冲信号时不再计数。再按下复位按钮，计数闪复零，数字设定位恢复到以前所设定的数字，打开红色透明罩可以重新设定数字
。最高位数字为9999。五个计数继电器分别是产品预冻结束计数继电器，实际上它是控制第一台制冷机的工作时间；水汽凝结器开始制冷计数继
电器，它是控制第二台制冷机工作时间；升华结束计数继电器，指产品整个冷冻干燥时间，即冻干曲线中所需时间；总周期时间计数器，实际上是一
个数字钟，表示自动程序工作时间；制冷机II的第一次停机，第二次停机计数继电器，实际上是控制第II台制冷机冷却搁板时的工作时间和冷却
水汽凝结器的工作时间，如果冷却搁板时间为2.5小时，则数字设定位设定值是0150，当计数继电器计数位数字计满150分，继电器触点动
作，第II台制冷机停车。若冷却水汽凝结器时，要求在升华前4小时停机，则其设定时间为产品整个冻个时间减去4小时，其设定方法同前。当计
数设定数字，则第三台制冷机停机。当采用全自动控制时，将面板上的按钮放在自动位置，开启第一，三台制冷机和循环泵，使搁板降温，当板温达
到调定值后开箱门放制品，关门后即可按全自动运行，若设定整个冻干时间为17小时，其自动控制程序如下：在制品冻干结束后，根据需要决定是
否起动液压加塞装置。在自动程序控制过程中，若某一机组发生故障，只要把控制它的指令开关转换到0位置，即可停止这一机组的工作，不需要将
程序控制转换到手动控制。这种控制方法虽然能全自动进行，但它是有一定缺点，在控制过程中，制品的预冻结结要满足两个条件，即温度和时间，
升华过程要满足三个条件，即温度、真空度和时间，只要有一个条件未达到，就不能转入下一过程，所以各条件之间的相互关系要调节好，否则增长
运行时间，降低运行的经济性，所以它不是最佳的控制方法。序号说明工作机组时间1制品进箱预冻开始循环泵、制冷机Ⅰ，Ⅱ工作，冷
却搁板0小时（t0）2制冷机Ⅲ第一次停机循环泵，制冷机Ⅰ工作2小时30分（t4）3水汽凝结器停机循环泵，制冷机Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ工作，Ⅰ为
供搁板冷量，Ⅱ，Ⅲ供水汽凝结器冷量3小时（t2）4制品预冻结束，转入升华。转入条件：制品达到预冻温度，水汽凝结器达到预定温度，否则
停止转入制品升华，而且报警，凸轮程序控制仪和计数器停止转动和计数，待条件符合后转入制品升华循环泵，制冷机Ⅱ，Ⅲ，真空泵组，泵与水汽
凝结器之间，箱体与气动蝶阀开4小时（t1）5制品升华（接通电加热器），条件，箱内达到预定真空度，否则报警，凸轮控制仪和计数器停止转
动和计数，待达到预定真空度，报警撤消循环泵、制冷机Ⅱ，Ⅲ，真空泵组，泵与水汽凝结器间，箱体与水汽凝结器间，气动蝶阀开，电加热器（由
凸轮控制仪或制品电阻控制仪控制）6制冷机Ⅲ第二次停机循环泵，制冷机Ⅱ，Ⅲ，真空泵组，泵与水汽凝结器间，箱体与水汽凝结器间气动蝶阀开
。电加热器（由凸轮控制仪或产品电阻控制仪控制）13小时（t5）7升华结束升华结束条件：制品室达到升华极限温度关闭所有工作机组，并报
警通知工作人员17小时（t3）四、微处理机控制微处理机用于冷冻干燥机中冻干工艺的控制还是近十几年来的事，使用还不普遍，现介绍意大利
爱德华公司生的LYOMAX10型冻干机的微处理机控制的情况。该机采用LYOMASTER8B-16CH装置，对冻干机系统进行微处理控
制，利用μPR程序控制仪编制程序、显示、控制仪器，通常有储存记忆功能，暂存内的机器时间为连续听电500小时，储在外存内的程序能永久
记忆。程序仪能输出一个模拟信号给温度控制器，利用BA2铂热电阻作为温度传感器，测温范围+200～—100℃，毫安输入型，为4～20
mA。程序仪输出模拟信号必须与温度控制器的要求相符合，这样温度控制器便根据程序仪的模拟信号控制冻干机箱体的半曾温度。此外，程序一还
有两个系统继电器和六个使用继电器。系统继电器一个是控制电源故障，一个是控制冻干结束之用；六个使用继电器根据程序的设定分别控制板层的
温度调节（冷冻、加热，保温）；水汽凝结器降温；真空（真空泵、真空阀门）；真空报警和校正漏洞；还有一个作为备用。这样，程序一起仪器工
作过程中与其他仪表相配合，控制整个冻干过程，直到冻干结束自动停车，发出冻干结束信号。一个冻干程序的书记，必须按程序仪的要求，把冻干
程序按一定方式用程序仪的键盘打入机器的暂存内；需要永久储存的程序可提出一个新的问题。冻干程序包括冻干曲线和个设备的运行起停时间，因
此要标志好冻干曲线和设备的运行时间。首先要设计一条合理的冻干曲线，并把冻干曲线分成若干个区域，要求在每一个区域内冻干曲线是线性的（
即是一条直线），若不是线性，则需再分解几个区段，直至每一个区域内冻干曲线成直线为止。另外在一个区域控制的设备开停不能超过一个，当要
控制二个设备开停时分成二个区域。每个冻干曲线最多只能成20个区域。分区后的冻干曲线有斜线和水平线，升温和降温为斜线，称为斜坡区域；
温度维持不变的为水平线。把每个区域依次编上号，注上温度或温度范围，以及该区以时、分为单位的定时时间。然后确定各设备的运行起至时间，
即板层温度调节、水汽凝结器冷却、真空报警和校正漏孔的工作起动和停止时间。程序一的六个使用继电器，他们分别与六个时间相对应。以上工作
准备好之后，即可通过仪表的键盘把程序输入程序仪内。至于仪表面板上的指示灯，开关和键盘的功能由于篇幅关系，这里不作祥述。第五章冷冻
干燥技术被干燥物质的品种不同，冻结、干燥的设备和处理方法也不相同。例如：物质是液态还是固态，是生物制品、药品、食品还是标本，在冻结
、干燥时所用的设备、分装的容器，前处理、后处理的方法，以及控制冻干过程的参数都不完全一样。但是，就其基本原理和方法来说，却都是差不
多的。因此，本章以当前我国冷冻干燥法应用最多的生物制品、药品的冻干为主，对冻干流程中个主要工序的有关技术进行较详细的阐述，然后对食
品、标本、显微组织等冻干中的主要特点进行简要的介绍。第一节生物制品、药品的冻干流程许多生物制品、药品，如疫苗、菌种、毒素、激素、
微生物、酵母、抗毒素和血液制品等，都有一个共同的特点，那就是在水和热的作用下很容易产生性变或分解。为了长期稳定地保存、最适宜的方法
是在低温下冻结干燥。这就是为什么冷冻干燥在生物制品、药品生产和研究中应用十分普遍的原因。冻干的生物制品、药品一般均制成注射液，因此
总是将其先配成液态制剂冻干后保存，使用时加水还原成液态供注射用。其冻干工艺流程一般如图5-1所示。第二节清洗和消毒冻干生物制品、
药品注射剂是直接注射到人、畜的血液循环系统中的。若有污染，轻者找成感染，重者危及生命，因此在生产的个环节都要特别注意消毒灭菌，保证
产品的“无菌”要求。从图5-1可见，①从容器（安或小瓶）清洗、药剂配料开始，知道到安容封、小瓶加塞为止的整个工艺过程都必须在无
菌室内进行；②所有可能与产品接触感染的机器设备（如冻干机，分装机）都应清洗消毒；③药剂、配料及容器在分装前必须灭菌。下面仅就无菌室
的灭菌和冻干设备的清晰消毒做一介绍。一、无菌室及其灭菌温度19～25℃湿度50%±5%无菌级别100～10000级（由各厂家
确定）房屋内墙、地板、天花板应光滑不缝隙，所有阴阳角应呈小圆角，所涂油漆应为抗静电的涂料，窗户为嵌入式应尽量防止积尘，开关、插座、
灯具应为嵌入式并防水。不到100级的无菌室，室内应定期用福尔马林熏蒸或用石炭酸喷雾灭菌，用紫外线灭菌灯照射。（二）无菌室工作人员的
灭菌工作人员所有衣服应采用抗静电的衣服制成，用还氧乙烷气体灭菌。如用其他衣料可用高压蒸汽灭菌。衣服应制成套式饿，并设计成能完全盖住
口、头和四肢；鞋类应使用海绵拖鞋；所有衣服（包括内衣）应为灭菌间专用。二、冻干装置的清洗消毒（一）清洗冻干装置的清洗是保证医用冻干
制品质量的重要手段。通常用软化水或蒸馏水作用清洗剂。不用带酸基或碱基的去污剂清洗，因为不管用软化水怎样清洗，仍然可能留下微量的去
污剂，这样反而增加了腐蚀的危险或呈粉末状进入制品中。清洗的效果随清洗剂温度的升高而增加，但如污染物中有蛋白质含量时，温度不应高于6
0℃。清洗的方法可用刷子手工刷；用喷枪手工喷射；或用专门的清洗密闭系统自动清洗。土5-2所示是一清洗系统的示意图，它是有安装在干燥
箱和水汽凝结器内的许多喷嘴组成。清洗剂有水泵吸入、经管道阀门从喷嘴喷出冲刷干燥箱和水汽凝结器内部零件的表面，将污染物和杂质带走，水
从容器底部的排水管排出。一般来说。清洗水不重复使用，因为用循环清洗有造成全面污染的危险。（二）灭菌和消毒冻干装置的灭菌有物理方法
和化学方法。1.物理方法物理方法有用紫外线照射，300～350℃热风循环灭菌和高压蒸汽灭菌的灭前效果好，且无残留污染物，但杜宇干燥
箱等需灭菌的容器。需能承受内压2kg/cm2以上。对于玻璃器皿，温度探头、瓶塞、托盘等。可在专门的高压釜中消毒。干燥箱和水汽凝结器
高压整齐消毒的典型过程是：将需消毒容器抽空到1×102Pa以下。而后充以无菌蒸汽。蒸汽流进时会膨胀并在冷表面上凝结成水，因此应打开
排液。待容器内温度（相应的压力）达到设定值开始，计算消毒时间。在设定时间内维持设定压力（或温度）。消毒完毕，降低系统压力，并使容器
内干燥和冷却，总时间为4～6小时。其系统如图5-3所示。2.化学方法化学方法有用酒精或石炭酸冲洗、擦拭；用环氧乙烷气体熏蒸（图5-
4）。采用消毒液擦拭时，擦拭完后，需用消毒水将它们清洗干净。用环氧乙烷熏蒸时，应注意环氧乙烷有毒，且容易燃碳燃烧爆炸，必须使之与不
燃气体混合使用。一般可用氮气、二氧化碳或氟利昂12与之混合，使环氧乙烷的浓度为10%左右。熏蒸时先将装置抽到极限真空，将混合气体引
入，使压力达2×104Pa。送入水蒸气加湿到接近8×104Pa维持4～8小时，抽出气体使压力将到7×103Pa，放到无菌空气到9.
70×104Pa。再抽到极限真空。抽出的气体必须排到室外。熏蒸完后打开箱门，通无菌空气约4小时。第三节添加剂除了人血浆、牛奶
等少数含干物质的原料可以直接冻干外，大多数生物制品都需添加合适的“添加剂”，制成混合液才能进行冻干。一、添加剂的主要功能（一）一
些活物质的细胞在冻结、升华或储存中，会因细胞膜破裂，细胞脱水、细胞质浓缩等物理化学原因而死亡。冻干前加上某些防冻剂或保护剂，可以减
小这些损害。（二）在冻干溶解性低的物质或微量活物质时，若溶液浓度太低（<4%），则被干燥物质在抽空升华时，会与水蒸气一起飞散，或干
后变成绒毛状的松散结构，在中断真空后，这种结构的物质就会消散，因此冻干前必须在溶液中加些填充剂，使之形成团块结构。（三）在需冻干的
溶液中加些胶状物质，可以防止冻结前溶质沉淀和冻干后发生破碎。（四）添加某些物质可使产品变得易于冻干，或增加已干产品的复水效应。二、
对添加剂的要求（一）无抗原性，无毒性。（二）冷冻升华时不起泡。（三）干燥后复水性好（四）可形成均匀的悬浮液。（五）在冻干和储存期中
对产品有保护作用，但不与药性成分产生化学反应，不损害活物质的活性。（六）不影响对制品的检测。（七）其崩解温度应尽量地高。三、添加剂
的种类和作用添加剂的种类很多，有牛奶、血清的复合物质；有多聚醇、以糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖等糖类；硫酸钠、乳酸钙、谷氨酸钠等盐类和聚
乙烯、葡聚糖等聚合物。根据添加剂的作用分类如下：（一）填充剂用作防止药性物质在抽空时与水蒸气一起飞散，如甘露糖醇、肌醇、葡聚糖、
乳糖、甘氨酸、PVP（聚乙烯吡咯烷酮）以及胶体物质等。（二）防冻剂如甘油、二甲亚砜、PVP、蔗糖、多肽、醋酸铵等。（三）抗氧化剂
如桔酸丙脂、维生素E、维生素C、氨基酸，卵磷酸、蛋白质水解物、硫代硫酸钠、一、异抗坏血酸、抗坏血酸钠等。类脂抗氧化剂如去甲二氢
愈创木酸、丁基羟基茴香醚，丁基羟基甲苯等。（四）改善崩解温度添加剂如葡聚糖、PVP、木糖醇蛋白质混合物等。（五）在冻干和储存期中
对产品有保护作用，但不与药性成分产生化学反应，不损坏活物质的活性。（六）不影响对制品的检测。（七）其崩解温度应尽量地高。三、添加剂
的种类和作用添加剂的种类很多，有牛奶、血清等复合物质；有多具醇、已糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖等糖类；硫酸钠、乳酸钙、谷氨酸钠等盐类和聚
乙烯、葡聚糖等聚合物。根据添加剂的作用分类如下：（一）填充剂用作防止药性物质在抽空时与水蒸气一起飞散，如甘露糖醇、肌醇、葡聚糖、
乳糖、甘氨酸、PVP（聚乙烯吡咯烷酮）以及胶体物质等。（二）防冻剂如甘油、二甲亚砜、PVP、蔗糖、多肽、醋氨酸等。（三）抗氧化剂
如桔酸丙脂、维生素E、维生素C、氨基酸、卵磷脂、蛋白质水解物、硫代硫酸钠、异抗坏血酸、抗坏血酸钠等，类脂抗氧化剂如去甲二愈创木
酸、丁基羟基茴香醚、丁基羟基甲苯等。（四）改善崩解温度添加剂如葡聚糖、PVP、木糖醇蛋白质混合物等。（五）酸碱调整剂用以将溶液
的酸碱度调整到最稳定区域。如柠檬酸、磷酸、酒石酸、山梨酸、乙二胺四醋酸（EDTA）等。（六）缓冲剂如脱脂乳、氯化甲等。（七）消
除美拉德反应如谷氨酸钠等。（八）消除自由基团形成的如硫尿、碘化钠等。对于不同的产品，有各自不同的添加剂配方，其配方组成应根据实验
确定。添加剂配方组分中一般应包括冻干和储存时的保护剂，形成团块的胶体，羰基中和剂和干燥缓冲剂。浓度低于4%的溶液还要加填充剂。如果
升华时搁板温度始终在0℃以下时，可以不加干燥缓冲剂。冻干熔液的配方应注意使熔液浓度适当。一般重量浓度在4~25%之间。而且认为最佳
浓度为10~15%，对于糖类则为5~10%。浓度太高会使冻干发生困难。添加剂的选择还应考虑崩解温度不能太低，太低会导致干燥温度低、
干燥时间长，甚至是设备能力无法达到的。不同配方的添加剂，对干后产品残余水分含量也有一定影响。第四节分装和密封一、分装用容器液态产
品可以散装冻干（如食品），也可以瓶装冻干（如药品）。散装冻干用容器为不锈钢制浅盘和平底玻璃皿。为便于清洗，浅盘转角处应做成圆角。为
方便操作，浅盘长、宽尺寸不宜大于500mm。为使浅盘与搁板接触良好，利于传热，可采用厚底和薄底两种方案。厚底盘的厚度应是以防止浅盘
翘曲变形，但即使如此，其与搁板的接触也不可能十分良好；0.1mm厚的薄板做底，在其框架内铺一张聚乙烯薄膜，装上深液后，因液体自重而
展开，形成盘子的形状，可保证盘底与搁板表面接触良好。瓶装冻干的瓶子有安瓿、小玻璃瓶和血浆瓶。人血浆冻干一般用标准的输血用瓶分装，其
容量为每瓶250~500mm3，用壳状冻结器冻结后，贮存在-30℃冷库内备用。冻干时可在多歧管冻干机的干燥，或装入有盲孔的铝块的盲
孔中，在搁板冻干机上干燥。人用生物制品、药品冻干多用安瓿，这是因为安瓿价廉，剂量合适，且用溶封，其密封可靠。为了采用机械加塞密封，
现在也逐步采用平淡底小玻璃瓶，而兽用药品冻干则用用平底小玻璃瓶。模制玻璃俏皮瓶为凹底、且壁厚、内径不规则，采用机械加塞困难。吹模薄
壁小瓶或管子拉制小瓶，其实体均匀、底平。有精确的瓶颈瓶口和高度，适于在真空干燥箱内机械压塞。用于真空干箱内机械压塞的瓶塞常用用丁基
橡胶制造，形状如图5·5所示。顶顶部为塞盖，中间为直径与瓶口呐径配合很紧密的圆柱部，下部为带槽（或缺口）的支撑部。在产品分装后，帽
半加塞机将瓶塞放在瓶口上，干炽时，升华出来的水蒸汽可以从支撑部的缺口或槽中顺利地逸出瓶外，干燥完毕后，用机械压下瓶塞，使其圆柱部分
进入瓶口，起了密封作用，产品出箱经检验合格后，用蜡封或压上铝帽，即可出厂。瓶塞使用前需进行表面硅化处理或润滑，并进行高压蒸汽消母
，以使加塞时瓶塞易于进入瓶口。润滑剂对产品应不起生物和化学作用。安瓿一般用中性玻璃或硼硅酸盐玻璃制成。容量为05、2.5、5.0、
1.0mm3。为了溶封方便，在瓶颈处制成一个收缩口。收缩口必须为有足够的通道供溶液进入和水蒸汽逸出，其位置应无离产品，以免溶封时使
产品过热，现在也有少数冻干机中采用能在真空箱内机械压塞的特殊安瓿，其形状如图5-6所示。塞子的形状与小玻璃瓶的带槽塞子一样，所不同
的是安瓶在机械压塞后仍需溶封，用过的瓶塞可以废弃，也可以重复使用。这种安瓿比一般安瓿高，因而减少了冻干机的容量。二、溶液分装分装在
分装机上进行。溶液在浅盘、小瓶和安瓿中的厚度应为10~15mm，最厚不得超过18mm。这样生产周期可控制在18~24小时之内。厚度
太薄，干燥时间虽可缩短，但每批产量降低，而辅助时间基本不变，则相对辅助工序成本增加，导致总成本上升；太厚则因已干燥层阻力太大，升华
速率减慢，生产成本也会上升。为了减小溶液冻结后的厚度，对装量大的制品可采用壳状冻结或立式旋冻品冻结，或者将装有溶液的瓶子放在托盘上
，浸入冷溶液中摆动，使溶液在瓶中形成一个抛物面，以增大其外表面积，可大大缩短干燥时间。三、密封已干燥产品是一种疏松的多孔物质，有很
大的内表面积。如果暴露于空气之中，就会吸收空气中的水分而潮解，增加产品的残余水分含量。其次，空气中的氧、二氧化碳与产品接触，一些活
性基团就会很快与氧结合产生不可逆的氧化作用。此外，空气中如含有杂菌，还会污染产品。因此，在产品干燥后，最好能直接在真空箱内密封，使
之不与外界空气接触。现在比较先进的冻干机都具有这种功能。但是，若用安瓿分装，或者冻干机没有箱内压塞功能时，产品干燥完后，需放入无菌
干燥空气（或纯度在99.99%以上的氮气）至箱内，产品出箱后再加塞、压塞、蜡封（或压铝盖），或者溶封，这一过程昼缩短时间和无菌操作
，以减少产品质量的降低。安瓿溶封最好使用双焰或交叉炎焰。火焰的喷出长度公需10mm，用煤气或中性煤气的热量就已足够。若将丁烷与空气
混合作燃料，除硬质玻璃外，均不需加氧气。火焰应围绕安瓿的拉长处运动，安瓿不能在火焰上静置，否则容易引起破裂。安瓿溶封后应放在支架上
冷却，不然容易出现裂纺。若用单头火焰溶封，应将安瓿作正、反两方向旋转，避免玻璃破裂或产生应力。用热焰加热守的地方，要用冷焰退为几秒
钟。在密封冷却之后顶部用氯丁橡胶甲苯溶液涂覆，以避名产生裂缝。第五节冻干曲线的制定冻干加工中最重要的过程参数是制品的温度和干燥箱内
的压力。冻干曲线就是表示冻干过程中产品的温度压力随时间而变化的关系曲线。对于某一具体的冻干机，由于制品的温度与搁板温度或箱内空间温
度有一定依从关系，许多设备又不能控制产品温度）与时间的关系曲线来表示。为了监测冻干过程的主要参数，配有自动记录仪的冻干机一般均自动
记录下搁板温度、制品温度水汽涨结器温度冻干箱压力等四个参数和时间的关系曲线，这些曲线均为冻干曲线。（参风图6-23）。冻干曲线的形
状与产品的性能、装量的多少、分装容器的种类，设备条件等许多因素有关。即使同一产品，生产厂家不同，冻干曲线也不完全一样。生产中应根据
各自的具体条件，从试验中制定出最佳的冻干曲线。制定冻干曲线主要要确定下列参数：一、预冻速率预冻速率的快慢，对产品冻结中晶粒的大小、
活菌的存活率和升华的速率均不直接影响。一般来说，慢冻晶粒大，产品外观粗糙，不容易操作活菌，但升华速率快；而速冻则与此相反。通常冻干
机是不能调节冻结速率的。如需冻结得快一些，则先将干燥室（箱）预冷至较低温度再将制品入箱冻结。若使干燥箱与制品一起降温，其冻结速率较
慢。二、预冻温度根据预冻方法不同而略有差异。一般来说，搁板应低于制品共溶点5~10℃。三、预冻时间预冻所需时间要根据不同的具体条件
而定，总的原则是应使产品各部分完全冻牢。一般来说，制品装量多，分装的容器底不平，托盘与搁板接触传热不良，冻干机制冷能力小，产品的过
冷度小，搁板间的温差大等均应延长预冻时间。反之预冻时间可以缩短。通常搁板式冻干机，干燥箱的搁板从室温30℃降到-40℃约需2~4小
时，在制品样品温度降到预定的最低温度后，还需在此温度下保持1~2小时，才能升华。四、水汽凝结器的降温时间和温度在产品预冻结束前30
~50分钟（视其制冷能力决定时间长短）就应使水汽凝结器降温。温度降到-40℃左右，起动真空泵抽真空，当产品表面压力降到10~20P
a以下，起动加热循环泵，给产品供热升华。水汽凝结器温度的高底，应根据制品升华的温度而定。一般来说，升华温度低，相应地要求水汽凝结器
的温度也低。但在第一阶段升华时使水汽凝结器的温度过分降低是没有必要的，这是因为升华的最佳速率是在产品升华温度的饱和蒸汽压的二分之一
左右的时候。过低的压力不公不能加快升华，相反地还会使向产品的供热性能变差，降低升华速率。例如，若产品的升华温度为-30℃，则其饱和
蒸汽压的二分之一为19Pa对应的饱和温度为-36℃左右，考虑到从制品升华面到水汽凝结器表面水汽流动阴力损失所需的压力差，水汽凝结器
表面温度保持在-40~-45℃就可以了。然而，水汽凝结器的温度一经调定就不再反复调节了。为了能适应干箱中所需压力的需要。可以在干燥
箱壁开调压漏孔，用氮气或无菌干燥空气通入，以维持箱中所需的较高压力。此外，有的冻干机还用关小或断续开闭干燥箱和水汽凝结器之间的阀门
来实现干燥箱中的较高压力。五、升华速率和干燥时间升华速率主要由给搁板的供热能力和水汽凝结器的捕水能力而定。在操作上只要干燥箱的压力
维持在允许的最高压力以下，升温速率就允许进一步提高。干燥时间决定于升华速率，而升华速率又决定于制品允许的最高温度、向制品供热的多少
和排除升华水蒸汽的快慢。这些因素可以用控制搁板的最高温度和箱内压力来控制。一些产品的典型冻干条件列于表5-1。第一阶段干燥的时间一
般可粗略地以每小时干燥制品厚度1mm计。在实际操作时，可以根据下述现象来判断第一阶段干燥结束的时间。1、干燥层和冻结层的交界面到达
瓶底并消失。2、产品温度上升到接近搁板的温度。3、干燥箱的压力下降到与水汽凝结器的压力接近，且两者之间的压力差维持不变。表5-1一
些产品的冻干条件材料（10mm厚）安全温度（℃）水汽凝结器温度（℃）典型压力（Pa）干燥时间（小时）牛奶尿素人血浆血清朱痘
苗流感疫苗人组织植物组织-5-7-18~-25①-25-30~-40②-45-50-60-40-40-40-40-50-50-80
-8013131313110.130.131010161822244880注：①取决于柠檬酸盐缓冲剂与蛋白质的比例②取决于缓冲剂和
添加剂4、当关闭干燥箱通往不汽凝结器之间的阀门时，箱内压力上升速率与干燥箱的渗漏速率相近。5、当在多歧管干燥时，容器表面上的冰或
水珠消失，其温度达到环境上述现象发生后，至少再延长0.5~1小时，以期彻底消除产品中的残留水晶及各容器干燥速率的不均衡性，即可转入
第二阶段升华。第二阶段干燥时，产品的温度可提高到其允许的最高温度以下，使结合水和吸附于干燥层中的水获得足够的能量从分子吸附中解析出
来，其值一般为室温和40℃之间。此时水汽凝结器的温度会因水萧汽负荷小而下降，致使干燥箱的压力降到1Pa以下，造成解析的水萧汽从产吕
中顺利逸出的条件。干燥所需持续的时间应通过试验确定，以确保残余水分含量达到预定值（约为0.5~2.7%。粗略估计，可按手续一阶段升
华时间的0.35~0.5倍计算。第六节食品的冻干冻干法保存食品有许多优点。如：①干燥前后形状尺寸基本本不变；②能最大限度地保存原
食品的色、香、味和营养成分；③残余水分含量低，在贮藏中几乎不引起水溶性成分的变化，对于含脂肪和脂溶性物质少的食品的贮藏性能好；④比
罐头、冷冻等贮藏食品时，经常性费用（运输费、贮存费、销售费等）低。但是食品冻干也有其缺点：①加工费昂贵；②对于那些经冻结或干燥不可
避免地会产生物理变化的食品（如新鲜蔬菜、鲜果、牛奶、豆腐等）复水还原后的物性与干燥前相比有很显著的改变；③干燥后的多孔物质，其内表
面积可达原来表面积的100~150倍，因此易潮解和氮化，特别是脂溶性物质须防止氧化。冻干食品的种类很多，例如：咖啡、茶叶、发酵豆酱
、肉类、海产吕、蔬菜、蘑菇、水果、海藻、奶酪、汤面、豆腐、咖喱食品草药、高浓度蜂蜜、天然色素、香料等。其中产量最多的为速溶咖啡、方
便面调料、速溶汤等。食品冻干一般按下述工艺流程进行：原料——检查挑选——洗涤——前处理——冻结——冻干——检查——包装——成品。一
、前处理根据原料品种不同，可将其处理成液态、糊状或小块固体（片状、小方块等）。处理成液态、糊状的食品，冻干加工成粉末或颗粒状成品。
例如：咖啡、蛋黄、蛋白、果汁、天然色素、香料、肉汁、贝汁、汤类、红茶、豆酱、酱油、小球藻等。其前处理包括榨汁、抽出、杀菌、浓缩、防
腐处理和加干燥助剂等工序。其结果是制备出浓度合适且具保存性的食品溶液。浓缩希望在低温下进行，因而常采用真空浓缩或冻结浓缩。固态食品
如蘑菇、蔬菜、水果、肉类、主便食品等的前处理是以通常的仪器制造法为基础，且将原料作切丁、切片等整形调整和防变质处理，使之成为适合于
冻干和保存的原料。整形调整就是将原料切成均匀的薄片、小方块或小段，在切制时应垂直于食品的纤维方向切断，以利于干燥时产生的水蒸汽逸出
和提高从已干燥部分的传热系数。防变质处理随原料品种而异。对于植物性食品特别是蔬菜、果实等，由于其中含有多酚氧化物、过氧化物等的酥，
在保存中将引起褐变，因而应进行支化处理。即用蒸汽或开水短时间加热，而后冷却以杀死酥。对于不进行支化处理的果品或为了、防止在保存中氧
化产生褐变，可添加亚硫酸盐、维生素C、二硫苯噻唑和没食子酸等。二、预冻预冻有抽真空自身蒸发冻结和用冻结设备冻结。抽真空自身蒸发冻结
：对于叶状植物如凉拌菜、细香葱、欧芹等，糊状食品如豆酱等，在清洗切片、防腐处理之后，送进冻干室抽真空，靠自身水分蒸发而降温冻结。冻
干室压力为6.3×102Pa，食品温度0℃。这种冻结方法虽然有在真空中急剧蒸发产生收缩及表面三角化，但因成本低廉还是被应用，然而多
数食品还是用冻结器冻结。冻结器的冷却方式有板式（搁架式）、吹风式、浸渍式和液氮、液体二氧化碳冻结。其设备有流化床冻结器、鼓状冻结器
、带式冻结器和搁架式冻结器等。冻干食品厂的予冻库必须适合于给冻干供料，所以常用吹风式，以避免冻结粘连。食品冻干程序是将原料在冷库中
冻结，而后运到冻干机中冻干。假设从预冻库搬出送进干燥室外抽空到100Pa，共需15~20分钟，这期间食品的温度会上升10~15℃.
为了防止融解，食品预冻的温度应比食品的冻结点低，达-30℃以下。预冻的速率影响到产品的物理结构及冻干产品的显微组织的质量。常见的液
态及糊状制品均需在冻结之前进行预处理或在低温下使其变硬，特别对于那些需要一定结晶成长时间的制品更是如此，在预先选择的温度（如-1~
-10℃间）保留一段时间，则晶体将生长，这种在规定的物理条件下形成的冰核，对于实现经济冻干来说，具有合适的大小。近年来，很多人采用
所谓“细粒化”的冻干法。这主要是因为小粒尺寸（0.5~3mm粒径）给出了经济冻干的最佳条件，还可以避免已干燥产品的破碎。为此，液态
或糊状制品在冻结后，应在低温下磨碎或捣碎。为此，液态或糊状制品在冻结后，应在低温下磨碎或捣碎，并经筛选，分级贮装，运送至干燥室干燥
。三、冻干食品冻干与生物制品冻干一样也是分第一阶段干燥和第二阶段干燥。不同的是生物制品、药品多用瓶装，升华从产品表面开始逐步下降，
热量主要从瓶底通过冻结层到达升华界面；而食品冻干中多数是散装，升华是从小片、颗粒的四周往内部推进，热也是从四周通过已干层传导到升华
界面。因此其主要控制参数为冻结部分和已干部分的容许温度。（一）冻结部分的容许温度。应控制在共溶点以下。此温度可用电阻法、示差热分析
和硬度确定。某些食品冻结部分容许温度如表5-2所示。表5-2某些食品冻结部分的容许温度品种完全固化温度容许温度苹果西红柿梨葱胡萝卜
-34℃-40℃-33℃-20℃-20℃-20~-25℃-15~-22℃-18~-25℃-10~-15℃-10~-15℃（二）干燥
部分的容许温度。决定已干燥部分容许温度的主要因素是组分的热变性、食品的颜色、风味、芳香成分等变化的程度。植物性食品多为40~70℃
，蔬菜类约60℃，果品类为食品的浓度对干燥速率有很大影响。浓度高，干燥水分的总量少，已干部分固体传热系数增大，但不蒸汽逸出速度减慢
。浓度由低到高之间有一个干燥速率最大的最佳值，需由试验确定。例如：西经柿汁在浓度为22%，厚度为8~12mm时，干燥速率最大。表5
-3食品用冷冻干燥器操作例种类小虾油炸面鱼鲑鱼烤蛋豆酱葱胡萝卜山芋装入形式虾肉烹调烹调小火烹调烹调切片切片切片冷冻方式预
冷冻自身（蒸发）冷冻装入率（kg/m2）1310201020101010加热方式借热载体循环，搁板辐射加热搁板尺寸（mm）有效搁板
数840（宽）×4800（长）13热源温度（℃）加工物的温度（℃）操作真空度（Pa）110~4060~50133.3~108.8干
燥时间（时）1510201518131520四、贮存冻干食品的多孔构造，容易受到水、氧的浸蚀，在保存中可能出现下述现象：（一）脂溶
性成分的氧化，发生异臭；（二）因氧化作用产生褐变，发生异臭；（三）因化学反应产生褐变，发生异臭；（四）挥发性成分的损失；（五）组织
、保水性的变化。上述现象个别或同时发生，使食品变质，其主要原因是残余水分的作用和氧化。试验证明，冻干食品中的水即使是单分子层吸附以
下的低含水量，也可以成为某些化合物的溶液，产生与水溶液相同的移动性、反应性。在含水率1%以下，蔗糖就能和水生成还原糖而引起褐变反应
。也能产生氧化作用。水含量增长率加到单分子层吸附以上，其挥发成分会显著减少，这被认为是夹带挥发性成分的炭水化合物与水作用的结合状态
。水对脂溶性成分的氧化有抑制作用，S.A.Goldblith认为，单分子吸附以上的含水率可减小氧化速度。B.J.Lime认为为了抑
制过氧化物的生成希望含水率在2%以上。为了防止氧化，在食品中添加某些抗氧化食品被认为是有效的，试验证明，在猪肉中加香精油、葱、大蒜
、生姜等有一定效果。但是，必须注意，随着仪器组合的不同，其抗氧化性也不相同，有的有抑制作用，有的为中性，有的则相反，还加速氧化，因
此，如何组合需经试验确定。第七节标本的冻干为了制作动植物的干燥展品、模型，以保存其活时的形态，对动植物或其某部分进行的冻干称为标
本冻干。一、标本冻干的特点标本冻干中，动物的羽毛、毛皮、鳞甲等会阻碍水蒸汽的逸出，动植物的纤维组织通常也不垂直于其外表面。所以其传
热性能和水蒸汽逸出条件都很差。因而干燥速率很低，所需热量少。在冻干中必须采取措施防止供热过多而熔化冰晶。其次，标本冻干均系整体冻干
，标本的各部分厚度不一，加之干燥速率低，所以干燥周期长。二、冻干设备图5-7为标本冻干机的原理图。在圆筒形的冻干室外装有隔热板，用
来减少室温通过箱壁传给标本的热量。冻干室内装有螺旋形冷却盘管，垂直部分的平均温度为-30℃左右，对筒壁传来的热可以起到隔热作用。下
部的盘管为平面螺旋形，温度为-45℃，起水汽凝结器的作用。在盘管内有一内外均涂黑的金属辐射屏蔽罩，使罩内分布均匀。屏蔽罩底部有一小
孔，升华的水蒸汽可以从此通过到平面螺旋盘管上凝结。罩的上部为锥形开口，防止水蒸汽在其上凝结。冻干室顶部有用有机玻璃或钢化玻璃制造的
密封盖，它可承受大气压力且不泄漏。盖上加一层绝热盖，防止预冻时热量浸入。在需要供热时，除去绝热盖靠室温供热时，除去绝热盖靠室温供热
。在盖的上方约500毫米处有一个60瓦的灯泡，对易于干燥的制品，可以用它作为补充热源。机器的下方为压缩式制冷机，可以采用低温用单级
制冷压缩机，也可用两级压缩机。三、冻干工艺标本冻干之前需整形成所希望的形态。并用皮下针在不显眼的地方扎些深孔，以利水蒸汽的逸出。而
后将其放在低温冰箱或冻干箱的盘管中冻结。冻结以后应秤重，再放入冻干室抽真空，在冻干过程中要不断秤重，一直到重量恒定不再减少为止，此
时表示水分已升华完毕。冻干结束后，标本的毛仍保留其色彩和外形，但动物的软组织、植物的花、叶子在表面失水后，会失去含水时的色泽。可用
人工方法修整以恢复色泽。动物标本的眼睛在冻干后与活时相比差别很大，且很显眼，可用人造眼睛代替，以恢复动物的活的形态。表5-4一些动
物标本冻干比较表标本数重量实例平均除水所需时间鸟类成年15只成年20只成年10只成年6只未成年5只20g50g100g2
00g50g知更鸟云雀燕八哥啄木鸟雏鸟59%58%59%59%69%10天14天18天30天14天哺乳动物成年5只成年15
只成年4只成年7只未成年7只未成年2只20g50g100g200g20g200g老鼠旅鼠鼹鼠鼬老鼠麂64%64%6
8%64%70%70%10天14天18天24天10天35天鱼5条5条5条25g100g200g鲦鱼石斑鱼金鱼72%70%70%
10天16天20天已冻干的溶液，特别是含有脂肪的，必须与氧气和水汽隔开保存；但已冻干的标本不需如此，可以直接展出，其肉质也不会氧化
。这种现象还未找到令人信服的解释。表5-4中的动物标本是在隔热板内部窨尺寸为：直径300mm，长456mm，内部平均温度-15℃的
条件下进行干燥的。第八节生物组织的冻干生物组织冻干的目的在于保持组织的良好结构，以便镜检和保持组织的活性、不推动生命为主要目标。
一、用于镜检组织片的冻干过去在用于镜检的组织片的制作中，为了脱水而采用酒精或其他的机溶剂。这样，组织中一些能被溶剂溶解的物质，在脱
水中被损失掉。同时，还会使试料产生收缩变形。为了克服这些缺点，只有采用冻干法。表5-5干燥时间表组织厚度维持温度脾肾肝
1.0mm2.0mm3.0mm4.0mm1.0mm2.0mm3.0mm4.0mm1.0mm2.0mm3.0mm4.0mm1.0mm
2.0mm3.0mm4.0mm1.0mm2.0mm3.0mm4.0mm1.0mm2.0mm3.0mm4.0mm-10℃-10℃-1
0℃-10℃-20℃-20℃-20℃-20℃-30℃-30℃-30℃-30℃-40℃-40℃-40℃-40℃-50℃-50℃-50
℃-50℃-60℃-60℃-60℃-60℃55分1小时3小时30分1小时2小时30分4小时5小时1小时20分3小时3小时45分2小
时3小时45分4小时30分6小时30分3小时4小时45分6小时15分5小时30分8小时一整夜一整夜1小时2小时3小时30分1小时1
0分3小时4小时5小时30分1小时20分3小时4小时2小时3小时45分4小时30分6小时30分3小时4小时45分6小时15分5小时
30分8小时一整夜一整夜45分1小时3小时30分45分1小时30分4小时5小时1小时20分3小时3小时45分2小时3小时45分4小
时30分6小时30分3小时4小时45分6小时15分5小时30分8小时一整夜一整夜用于镜检的组织片冻干的特点是要防止冰晶的生长。这是
因为象电子显微镜那样，放大倍率很大，即使很小的冰晶，也使镜检发生困难。因此要求冻结时冷却速度快，升华时保持试料的温度低。制作组织标
本的冻干装置与通常的冻干装置不同，必须能进行一些特殊的操作。例如，必须有阻止干燥室内试料温度上升的冷却装置，必须能在真空中包埋试料
，备有预先排了气的包埋剂的容器。为了提高低温干燥效率，应设法采用液氮作水汽凝结器的冷源等。镜检组织的冻干按下述步骤进行（一）冻结。
软的动物组织应先用明胶包在组织周围，采用两个刀刃的刀片切成厚度在1mm以下的薄片，将其放在金属片上快速投入用液氮冷到-150℃左右
的冷风中，瞬间就会冻结，这时试料的冷却速度约为104℃/分左右。（二）干燥。在预先冷却到-50℃以下的试料台上，移动冻结试料，迅速
抽空排气开始干燥。干燥过程中，试料的温度希望低于再结晶或抑制冰晶生长的温度。但从冰的蒸汽压来看，在10-3Pa的真空中，温度为-9
0℃以下，冰将无法升华，即使在-80℃左右，也被认为是极限升华温度。因此将试料在-70℃左右进行冷却。至于试料温度和干燥速度的关系
，用斯梯芬森图表示。从该图可见，随升华温度的降低于干燥时间急剧增加。由于干燥的水分是微量的，因此决定干燥终点是困难的。一般是按经验
或者推定来决定干燥的终点。表5-5列出某些材料的干燥时间参考值。（三）包埋。对用于光学显微镜的标本可不用石蜡包埋，而用于电子显微镜
的标本则用树脂包埋。预先将树脂溶化并排除气体，而后在其中放入干燥完了的试料。如果包埋剂和试料没有很好地排气，在真空中就有起泡的危险
。（四）切片。包埋完毕，从真空中取出，再按一定型式切片、染色，最后进行镜检。二、外科组织的冻干关于活组织生命的保存目前还是一个正在
研究的课题。象内脏这样一些具有高度机能的组织，保存是极其困难的。即使是冷冻保存，现在也未完全解决，但是象精子、经血球、皮层、骨骼等
高哺乳动物的细胞和组织，采用冷冻保存已经能保存其活性，是目前用于人体外科移植手术的主要保存手段。由于组织冻死了，所以不会有免疫反应
。这个组织能为受体的新组织形成一个“架子”，并逐渐为新组织所取代，以完成连接任务。用冻干法保存活组织，目前还只限于角膜、皮层、骨骼
、主动脉、心瓣膜等边缘组织。这时即使活细胞的活力下降，但由于同种组织随患者自体组织的再生以完成连接任务，比其他方法处理的或人造的组
织容易。所以为了给外科移植建立一个动物和人体组织的贮存仓库，以便临床应用，研究用冻干法保存活组织是一个方向。外科组织的冻干可在多歧
管冻干机或搁板冻干机上进行。（一）多歧管冻干机上冻干。这种冻干机用来干燥角膜、心瓣和方块骨骼。除了骨骼外，每个容器只能装一个器官。
从新鲜尸体上取下的器官要用等渗盐水洗涤，并经防腐液或辐射消毒后，放进与多歧管相连的玻璃容器中快速抽真空冻结。升华干燥所需的热由室外
内环境提供。由于器官与容器内壁接触少，在正常情况下不会引起局部熔化，干燥结束后，玻璃容器中充入氮气，而后再密封。（二）搁板冻干机上
冻干。这种冻干机用托盘装料，其加工艺与冻干液体的方法差不多，冻结可在冻干机外进行也可在其内进行。皮肤需用二层尼龙纱中间夹一片压延铝
片的夹层隔开。铝片要超过皮肤的边缘，以便能将搁板的辐射热传导到夹层中心。纱布使金属不与皮肢接触。这种方法在20小时内可以冻干9层皮
肤。压延金属引起的皮肤不平经过重新整理后可以消失。循环压力冻干法缩短冻干时间、降低能耗和成本，是冻干技术研究的主要课题之一。Me
llor提出的循环压力冻干能有效地达到这一目的。一、冻干箱的压力和干燥速率由实验知：在通常的冻干中，升华的水蒸汽从升华界面通过多孔
干燥层时所遇到的阻力，比由干燥层外表面到水汽凝结器的阻力大6~10倍。这意味着前者大体上确定了冻干机的干燥速率。水蒸汽在多孔干燥层
中的流率，除与产品的物性、结晶大小、孔隙度等有关外，主要决定于升华界面和干燥层外表面的温度和压力。升华开始时，由于升华界面与干燥层
外表面十分靠近，两者的温度均接近外表面的温度升华界面的压力p1接近于该温度下冰的饱和压力p01。由于箱内抽真空，外表面处的压力P0
迅速下降。此时，水蒸汽通过多孔层逸出是在压差（p01-p0）的作用下完成的，因此是水力流，流动速率快。随着升华界面向内推移，而多孔
层是绝热的，升华界面的温度t1比外表面处的温度t0低，相应的饱的压力p01也降低。升华开始后不久，在多孔层内将达到一种稳定状态，多
孔层外表面和升华界面的蒸汽压力都等于升华界面的t1所对应的冰的饱和压力，即压差p1-p0=0，因而水蒸汽穿过多孔干燥层将不再是水力
流动，而是因浓度差而产生的扩散作用。逸出速率（即干燥速率）减小。为了提高干燥速率，必须最大可能的提高升华界面的温度和压力，使之有利
于水力流的形成。然而，升华界面温度的高低，又决定于向它供热的速率。热由“朝上”、“朝下”两个相反方向到达升华界面。“朝上”热来源于
搁板的上表面，通过小瓶与搁板间的直接接触导热和小瓶瓶底与搁板之间剩余气体的导热、辐射、对流到达瓶底，再经玻璃，冻结制品的冻层到达升
华界面。“朝下”热来源于产品的上面的搁板的下表面，由辐射、对流到达产品上表面，再经多孔干燥层的固体骨架和微孔中的气体导热到升华界面
。此外，在小瓶四周也有剩余气体的对流、传导供热。上述所有需靠箱内残余气体的对流和导热的传热效应均随箱内压力的增大而增大，随箱内压力
的减小而减小。图1-7示出冻干的牛肉、苹果的导热系数与箱内压力的关系。由图可见，在冻干压力范围内，随着压力的增加，通过干燥层向升华
面的供热量也会成倍增加。升华面的温度也会上升到热量供需达到的新的平衡为止。为了提高干燥速率，应在产品不熔化的前提下尽可能提高升华面
的温度。从这一角度来看，干燥箱内的压力在产品不熔化的条件下越高越好。但是，箱内压力增加又会减小升华界面和干燥层外表面之间的压差。抑
制了水蒸汽从多孔层中逸出。因此，若从排除水蒸汽的速率来看，箱内的压力在合理的范围内越低越好。二、循环压力冻干所谓循环压力冻干是周期
地提高和降低干燥箱的压力的冻干方法。在前半周期提高箱内压力，以增加气体的对流和干燥层的导热，提高升华界面的温度及相应压力。此时，由
于干燥层外表面压力增高，水蒸汽逸出只能是扩散；在后半周期中，箱内压力迅速降低，升华界面与外表面之间形成较大压差，水蒸汽逸出大部分时
间是较快的水力流，而不是扩散。这样压力交替变化，构成了循环压力冻干。在循环压力冻干中，高压和低压的大小随制品种类、充气成分的不同而
异。低压应合理的低，使之能在低压期间完成水蒸汽的逸出，并引起升华界面温度再一次降低。高压的选取则应以最小压力差能获得干燥层的最大导
热效应为原则，如图1-7所示，对于牛肉，当用空气充气时，最好的压差在26.7Pa和2.7kPa之间，使用氦气时，则是26.7Pa和
13.3kPa之间。对于苹果，则在26.7Pa和20kPa之间。在一个循环压力周期中，高压时间应适当地长，足以提高制品的温度达到它
所允许的最高值。低压时间应稍短，足以完成水蒸汽的快速逸出即可。这两个时间的最佳值将随气体的成分、制品的物性及几何特性不同而异，还取
决于所选取的压力、干燥箱尺寸、充装量以及制冷、真空系统的效率。高升华过程中，常规冻干的导热系数为λ1，干燥时间tˊ。循环压力冻干高
压期间的导热系数kλ，（式中λ为最大导热系数，k为传导率随时间变化的比例系数，假设遵从k=1-e-β1β1为时间常数）。低
压期间产品干燥层的导热系数为λ0，干燥时间分另为t1、t2，则循环压力周期t=t1+t2。定义循环压力冻干的有效导热系数为：λ
0=λ1·tˊ/t=λ1·tˊ/（t1+t2）根据两种冻干过程中所需的升华热相等的原理，可以推导出双面干燥时最优高压及低压周期
的计算公式t1=1·151（λ1-λ0）/β1（λ1-λ0）t2=2.303÷β1式中的β1可用计算或试验得出，图5-9示出对于
10%的蔗糖溶，液时箱内气体压力对冻干速率的影响。表5-6示出食品冻干时，循环压力冻干和常规冻干导热系数，周期时间和全部干燥时间的
比较，由表列数据可见，循环压力冻干时间比恒压冻干时间缩短1/3左右。实现循环压力冻干的装置一般是在干燥箱中周期地充入空气或其他气体
。其装置如图5-10所示。图5-11示出装于干燥箱壁的调压装置系统.D、E和F是为了在冻干结束时给干燥箱充气的管路系统。A、B、C
则是调压管路系统。打开B，无菌空气（或惰性气体）通过F、C、A流入干燥箱使箱内压力增高，当箱内压力超过调定值，则控制器将B关闭，切
断空气供入，箱内压力就降低。调压阀C可以调节进入的气体流量，以调节箱内压力的大小和上升的快慢。调压升华一般在第一阶段干燥的后期和第
二阶段干燥开始时采用。因为第一阶段干燥后段，产品的已干燥层较厚、热阻较大，需要增加箱内压力来改善传热，而第二阶段干燥开始时，产品需
迅速升温，所需热量较多，因而也需迅速供热。第十节冻干产品的质量分析不同的产品有不同的质量指标，例如产品的含水率、贮存的稳定性、
还原性、活菌的活存率或药品的效价、食品中的营养成分、芳香万分的保存率等。这些指标中许多需要用专门仪器设备进行检验。在冻干现场，则主
要根据产品的外形进行分析判断。本节公就产品出现在异常外形和含水率不合要求来析其产生的原因一、外形冻干产品正常的外形是颜色均匀、孔隙
致密、保持冻干前的体积、形状基本不变，形成海绵状团块结构。如果出现有硬壳、萎缩、塌陷、空洞、灰散和破碎等现象，均属不正常外形、均为
不合格产品。下面分几种情况加以分析。（一）产品出箱前看上去质量很好，但出箱后不久就萎缩了，或出现空洞、原单位块。其原因是产品干燥不
彻底，还有残存冰晶。出箱后，产品的温度、压力均牌共溶点以上，冰溶化成水，水被其周围的已干物质吸收，而产生空洞、萎缩现象。产品干燥不
彻底，可能是由下述一些原因产生的。1、干燥时间太短或温度太低，或两者兼而有之。若温度计、真空表正常，连续几批干燥不彻底，则应处长干
燥时间，在可能的情况下提高升华温度。若以前产品质量正常，则可能因分装误差、冻结速度误差、真空度误差造成，也应适当处长干燥时间。还可
能是温度计不准，实际升华温度低于设定升华温度。2、冻结速率太快，晶格太细，使升华速率减慢。由于气候变冷、装量变少，或空箱降温时间处
长，使冻结速率加快，晶格变细，阻碍水蒸汽的逸出，因而需延长干燥时间，或降低冻结速率。3、冻结不彻底，使冻结产品与容器壁间形成间隙或
气阻，降低传热效果。由于冻结不彻底，在抽空升华时产生蒸发冻结，使产品的体积变小，在产品与容器壁间形成间隙，热不能直接传给产品。随着
升华的进行，冻结块周围的冻首先升华，形成一层绝热的干燥层包围了冻结块，使热量更难传给冻结物，因此所需干燥时间延长。4、若为部分产品
干燥不彻底，则可能是搁板间温差太大；托盘或搁板挠曲太厉害，盛产品的瓶子底面不平或不均匀，或产品分装不匀所造成，对于质量较差的冻干机
，只有延长冻干时间，以使绝大多数产品的含水量符合要求。（二）产品出箱时就是间隙很大的骨架结构，甚至是绒毛状物质，出箱后绒毛状物质又
很快消散。其主要原因是产品配方中所含固体物质太少，冻结时，自由水结成纯冰所占体积大，升华后形成的孔隙也大，可能使有用成分在升华时随
水蒸汽一起飞散。所形成的绒毛状物质，本来是产品的固体组分，一遇空气就会吸收水蒸汽溶化而消失。解决的办法是在配方中增加填充剂。（三）
产品出箱时，就发现有泡坑、干缩、塌陷、空洞等缺陷。其主要原因是冻结温度过高、或时间太短，产品尚水完全冻结；或第一阶段干燥时温度过，
压力过高，使部分产品熔化所致。在未冻牢时抽空升华，外部压力迅速降低而引起鼓泡；熔化了的产品产生蒸发浓缩，就会呈萎缩形状；一部分未干
产品因加热过猛而熔化，则将会使已干部分的固体物质溶解于其中，造成已干部分熔成空洞或塌陷。因此，操作时，一定要使产品冻牢，升华时不能
超过产品的共晶点温度，其固体部分不能超过崩解温度。（四）产品在深度方向上颜色和孔隙度不均匀。可能是由于分装后搁置时间太长，溶液中
不能溶解的成分发生沉淀。二、含水率不合要求。含水率太低，对于生物制品来说，会因活菌中的结合水被抽出，使细胞膜破裂，细胞质浓缩而干萎死亡；对于脂肪或脂溶性食品，则会增加贮存期的氧化变质。含水率太高，则为细菌提供了生长繁殖的条件而发生腐败，大大降低贮存的稳定性。一般产品的残余水分含量为1~4%。造成残余水分含量过低，主要是干燥时间过长，或第二阶段干燥温度过高。产品含水量过高，主要因下列原因造成。（一）第二阶段干燥时间太短，干燥温度太低。（二）干燥层和瓶塞的流动阻力太大，水蒸汽不易逸出。（三）装量过厚。一般装量厚度就在10~15毫米以内。（四）产品出箱后、密封前搁置时间太长，或环境湿度太高，使空气中的水气又返回到干燥产品中。（五）贮存期间，从瓶塞或包装的不密封处漏入水蒸汽。第十一节冻干机故障分析及处理冻干机主要由制冷系统、真空系统、加热系统和测量监控系统组成。现分别介绍其常见故障和处理方法。一、失真空造成冻干机真空性能不好甚至失真空的主要原因有三个方面，即空气泄漏过大，真空泵性能变差和水汽凝结器制冷能力下降。（一）空气泄漏过大在所需的压强和温度下，真空泵的抽气速率与系统的泄漏率、放气率（包括产品在升华中放出的不凝性气体）之和相等时，就能维持所需的真空压强。若真空系统的泄漏率过大，就会使系统的压强升高，真空度下降，冻干机真空系统泄漏主要因下述原因和产生于下述部位。1、箱门密封圈损坏，尺寸不合或表面有渣屑，箱门铰链、把手未调节好，关门时密封面不能处处叠合。2、制冷剂或载冷剂的管道与干燥室的连接法兰（焊缝）、管道貌岸然与搁板的连接焊缝处。3、金属软管的接头和曲折处。4、视镜、接线座、真空规管的密封处。5、隔膜阀的隔膜破损、隔膜上有渣屑，阀门关闭不严。（二）真空泵性能变差。1、旋转泵。（详见第二章第四节）2、机械增压泵。（1）电源中断，过载保护继电器或过热保护继电器断开，使泵停转。（2）前级压力过高或进气压力太高，超过泵的压力允许范围。3、蒸汽增压泵。（1）电源中断，过热保护动作，使加热器停止工作；或部分电加热开路，使工质加温不够，影响抽气效率；（2）泵内工质不足或污染；（3）冷却水温度高或流量太小；（4）前级压力太高或进气压力太高。（三）水汽凝结器制冷能力不足。前述两项会造成真空系统内空气分压提高，而本项则会使系统内水蒸汽分压增高。若是制冷系统的节流装置调节不当，可重新予以调节，若是制冷系统制冷能力本身不足，则只有减少升华加热量，降低升华温度。二、制冷机的故障（一）电动机启动不起来。1、电源不通、电压过低、启动电压调得过低（配有降压起动装置时），热继电器跳脱后尚未复位，压力继电器触头未闭合，压差继电器触头跳脱后未复位，均会使制冷机不能起动。此时只需按说明书要求，使电源接通、电压正常、使有关触头复位即可。2、电机绕组烧毁或匝间短路。如合上电源开关，引起保险丝烧断，而其他电器、电路均无毛病，则很可能是电机线圈烧毁或匝间短路，此时需重绕线圈。3、变压器、中间继电器、接触器的线圈烧毁或触头接触不良，也会引起保险丝烧断。（二）电动机拖不动。电动机本身及其电路没有故障，由于制冷机负荷过大，远远超过电动机的额定功率，致使压缩机不支转或运转显著减慢，而且电动机发出“嗡嗡”声，此时应立即关掉电源进行检查，道德检查三相是否都有电，供电电压是否正常，如果电机电路无故障，则为制冷系统的问题。1、压缩机“咬煞”或“搁煞”。其现象是用手盘动飞轮或联轴器，压缩机转不动或转动稍许就停了。此时就将压缩机拆开进行检修。2、电动机拖动很吃力，转速降低，停车后盘动飞轮感到有显著的轻重之分。当盘至最重位置时，只要一放松，飞轮就会很快地反向弹回半圈左右，这说明有一只汽缸的阀板有严重的泄漏。此时应将飞轮盘至最轻位置，重新起动电机（卸越或轻载），若电机可以拖动，则一边运转、一边检查，待确认正常后，才可投入使用。若拖不动，或电机一直有“嗡嗡”声，则应拆下阀板进行修理。（三）制冷机在运转中突然停车。若电源电路正常，而制冷机在运转中突然停车，可能是下面几种情况之一。1、吸气压力过低，使低压继电器动作而切断电源停车。吸气压力过低会使制冷机不制冷而白白消耗动力，并增加压缩机的上油量，甚至烧坏电机。造成低压过低的原因一般是系统中某部分阻塞不畅，或制冷剂不足。应查清原因，作出处理后再运行。2、排气压力过高，使高压继电器动作而停车。产生排气压力过高的原因有：冷却水量不足或温度过高；水量调节阀失灵；冷凝器结垢太厚；系统内有不凝性气体；制冷剂灌注太多，占去了冷凝器的冷凝面积；排气管理与冷凝器管道不畅通等。3、油压过低，使油压继电器动作切断电源而停车。4、电机过载，使安装于交流接触器下或电机绕组处的热继电器动作，或保险丝熔断而停车。上述情况，都必须查清原因，作出处理后方能运行。由于冻干过程中，特别是第一阶段干燥期间，水汽凝结器的制冷系统一般不允许停车，或只能极短暂的停车，否则产品就要熔化报废。因此操作者应经常检查机器是否运行正常。将故障消灭在发生之前。（四）制冷量不足或无冷量1、膨胀阀开启过大，此时搁板或水汽凝结器温度下降不到设定值，而压缩机结霜严重。2、膨胀阀开启过小，此时温度也降不下去，但压缩机温度很高。吸气阀处不结霜，吸气压力与搁板或水汽凝结器所对应的蒸发温度比搁板或水汽凝结器的温度低很多。3、制冷剂充灌量不足，此时温度降不下去且吸气压力低，吸气阀处不结霜。4、制冷系统堵塞不畅，如过滤器堵塞、阀门未开启、电磁阀失灵、膨胀阀堵塞等。5、压缩机阀板上部或汽缸套下部的纸垫被击穿或破裂，或压缩机吸、排气阀片破碎。三、水汽凝结器性能变差除了制冷系统的制冷能力下降以外，可能有下述原因：1、水汽凝结器化霜不彻底，使其传热性能变差。2、产品装置超过规定值，或干燥箱内积水太多。3、干燥箱升华加热量过大，升温过快。四、真空测量误差（一）麦氏真空计正如前述，此种真空计不适宜用于冻干机，因为它只能测出空气分压。此种真空计的毛细管或水银太脏时均会引起测量误差。（二）热真空计此类真空计虽可测量全压，但其标定气体与测量气体并不相同，因此读数也不准确。此外由于电压不稳，真空计的灯丝受到油或有害蒸汽的污染也会带来测量误差。五、温度测量误差用玻璃温度计测量温度时，由于温度计有一定体积，所以是被测部分的平均温度。在温度发生变化时，温度计读数变化有一滞后时间，温度计插入样品时，在其周围形成了蒸汽通道，使所测温度失真。热温度计随引线的导师电率和插入产品的深度不同而有不同的读数。因此此温度测量中也会产生各种误差。需按规定进行标定，且在使用中尽量避免产生误差。（一）热电偶其误差原因有1、中间接头。用与接头处完全相同的材料来制作两截线路的可能性很小，这是造成读数误差的主要原因。2、更换的接点特性与原来的不同。3、对室温的变化补偿不够。（二）电阻温度计其误关原因有1、体积大，所测为该处平均温度。2、插入散热条件差的物品中测量时，因流过电阻的电流所产生的热量，可能会改变原来的测量状况。冷冻干燥测量技术温度测量冷冻干燥中所使用的测量仪器主要有液体热膨胀温度计、热偶温度计、电阻温度计和红外测量仪等。一、液体热膨胀温度计这是一种利用液体体积随温度而变化的原理制成的测温仪器。常用有水银玻璃温度计。水银玻璃温度计的测温范围为-30～+375℃洒精温度计为-100～70℃。在使用玻璃温度计测量温度时，应使液泡（水银泡或洒精泡）与被测固体或介质直接接触，或通过介质温度时，要在管道内安装一个保护温度计的套管，套管底部放一些油（在该测量，范围内油不应凝固或汽化），使液泡入油中。套管第短应使液部分位于管道的中心。且套管深入管道内愈深愈好，以减少通过磁套管的本身向管外散热而影响温度计读数的准确性。套管不宜沿半径方向插入管内，而应逆流体动方向斜插入内，如图6-1所示。这是为了便温度计的液泡部分最先接触未被温度计杆搅动的来流，提高测量精度。如有可能，最好利用管道转弯的地方，象图6-2样安装。三、偶温度计（一）测温原理。两种不同的金属由于其自由电子密度不同，在接触时就会产生电子扩散和形成电动电动势，这种现象称为珀尔贴效应。珀尔贴电势与两金属接触处的温度有关。一根匀质金属导体上，如果两端存在温差，则因两端电子相关扩散的速率不同，也会产生电动势。这一现象称为汤姆逊效应。其电动势称为汤姆逊电势均力或温差电势。如图6-3所示，导体A、B两端焊接形成闭合回路。当两端点温度T＞T0时,闭合回路中就会产生一环行电流，这就是贝塞克效应。闭合回路中的总的热电势称为贝塞克电势。它是由上术两种电势所组成。实际测温用的势电偶，就是基于贝塞克电势将为另一端点（温度为T的被测温点）的单值数。只要测量出回路中的贝塞克电势，就可推知该点的温度。（二）常用势电偶及其类型。热电偶的类型有铂铑—铂热电偶，镍铬—镍硅热电偶，镍铬—考铜热电偶和铜—康铜热电偶。铜—康铜热电偶是由铜与康铜（60%的铜和睦40%的镍的合金）作电极组成。当测量0℃以上温度时，铜为正极，康铜为负极。当测量0℃以上温度时，由于热端（测点）温度低于冷端（参数标准温度端）温度，故正负极应调换。铜—康铜热电偶的优点是灵敏度高，在低温测量中精度较高。测量范围为-200～+300℃。缺点是复现性差，使用时每对热电偶均需分别标度资料源自网络1 |
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