[科普中国]-初级干燥

初级干燥过程

在冰晶体形成后，通过控制冷冻干燥机中的真空度和注意热量的输入，冰可快速升华。在冷冻干燥中，高真空(低绝对压力)有利于增加升华速率。冰的蒸汽压随着温度的降低而下降，所以为了使水分子从冰中升华需要低压力。通常在食品冷冻干燥中需要的压力大约1.33～2.66Pa。

为了升华，必须补加热量以提供升华潜热(2.84MJ/kg)。这种热量必须小心补加，以便使产品的温度不要增加到冰融点之上。一般通过传导和辐射的某些结合来提供热量。一种引入热量的普通方式是给放置食品的平板提供热量(传导加热)，同时也在食品上方提供辐射源。不管怎样，已经对许多型式的这种装置进行了评价。也有用微波辐射来均匀加热整个冻结食品，而不是仅仅在顶部或底部表面。然而，用微波辐射必须小心，以防止食品受热过度。因此，在冷冻干燥中不太常用微波技术。当水蒸气从冷冻干燥机跑出来时，用冷凝器收集水蒸气，以增加干燥效率和防止真空泵的污染。

在冷冻干燥的初级阶段，随着干燥的进行，冰在食品中依次减少。在冻结和被干燥物品之间的这种界面被称为升华前沿，很可能最恰当的表达是冻结产品和干制品之间的扩散过渡区。不管这种升华前沿的确切本质如何，为了加快升华，都必须将热量传递到该前沿的产品中，然后水蒸气一定是通过穿过干制品的质量转移而除去。

由于食品中不是所有的水都被冻结，初级干燥只能使水分含量降低到一定程度，这个程度取决于食品的组成。通常，在初级干燥阶段水以冰的形式被除去，只能使冷冻干燥食品的水分含量降到15%～20%，剩余的水分由于产品由于黏度高而没有冻结，必须通过二级干燥来去除1。

初级干燥的关键初级干燥是冷冻干燥的关键阶段，大部分的水在这一阶段被升华。若控制不好，会直接影响产品的外观质量和冻干时间。若搁板的温度过高，搁板向产品提供的热量大于水分升华所吸收的热量，则产品温度持续上升，当产品温度超过其共熔点时，则产生喷瓶或瓶底变空的现象，影响产品的外观质量。赋形剂的选择和用量对冻干生化药品的外观影响很大。由于各个产品的性质不相同、配方各不同、离子浓度各不相同，对赋形剂选择和用量要求各不一样，若控制不好，冻干后的产品外观成为不易溶解的蜂窝状或粉状，而不能成为结构疏松、易于溶解的网状结构，影响药品的外观质量。但由于产品升华时，升华面不是固定的。而是在不断的变化，并且随着升华的进行，冻结产品越来越少。因此造成对产品温度测量的困难，利用温度计来测量均会有一定的误差。可以利用气压测量法来确定升华时产品的温度，把冻干箱和冷凝器之间的阀门迅速地关闭1-2秒的时间（切不可太长）。然后又迅速打开，在关闭的瞬间观察冻干箱内的压强升高情况，计下压强升高到某一点的最高数值。从冰的不同温度的饱和蒸汽压曲线或表上可以查出相应数值，这个温度值就是升华时产品的温度。产品的温度也能通过对升华产品的电阻的测量来推断。如果测得产品的电阻大于共熔点时的电阻数值，则说明产品的温度低于共熔点的温度；如果测得的电阻接近共熔点时的电阻数值，则说明产品温度已接近或达到共熔点的温度。

初级干燥结束的现象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产品共溶点的温度。

3、冻干箱的压力和冷凝器的压力接近，且两者间压力差维持不变。

4、当关闭干燥室与冷凝器之间的阀门时，压强上升速率与渗漏相压器近（需要预先检查渗漏的速率）。

5、当在多歧管上干燥时，容器表面上的冰或水珠消失，其温度达到环境温度。

通常在此基础上还要延长30分钟到1小时的时间再转到第二步干燥，以保证没有残留的冰。

初级干燥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。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，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℃。

初级干燥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。

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2。