冷凍幹燥

 冷凍幹燥是指通過升華從凍結的生物産品中去除水分或其他溶劑的過程。升華指的是溶劑，比如水，象幹冰一樣，不經過液态，從固态直接變爲氣态的過程。冷凍幹燥得到的産物稱作凍幹物（lyophilizer），該過程稱作凍幹（lyophilization）。

爲什麽要選擇

 傳統的幹燥會引起材料皺縮，破壞細胞。在冰凍幹燥過程中樣品的結構不會被破壞，因爲固體成份被在其位置上的堅冰支持著(zhe)。在冰升華時，它會留下孔隙在幹燥的剩餘物質裏。這樣就保留瞭(le)産品的生物和化學結構及其活性的完整性。

 

   在實驗室中，凍幹有很多不同的用途，它在許多生物化學與制藥應用中是*的。它被用來獲得可長時期保存的生物材料，例如微生物培養、酶、血液、與藥品，除長期保存的穩定性以外，還保留瞭其固有的生物活性與結構。爲此，凍幹被用於準備用做結構研究（例如電鏡研究）的組織樣品。也應用於化學分析中，它能得到幹燥态的樣品，或者濃縮樣品以增加分析敏感度。凍幹使樣品成分穩定，也不需改變化學組成，是理想的分析輔助手段。 

的實現:

 可以自然發生。在自然情況下，這一過程緩慢而且不可預測。通過系統，人們改進、細分瞭很多步驟，加速瞭這一過程。

系統:

一個基本的系統包括： · 一個幹燥室或者多歧管 · 一個抽真空系統克服阻礙因素和加速氣體流動 · 一個熱源提供能量 · 一個低溫冷凝器，用於(yú)使蒸氣壓差zui大化並(bìng)捕捉蒸氣使之凍結，避免水蒸氣污染真空泵

的步驟

過程包含三個步驟： · 預凍，爲接下來的升華過程準備樣品。 · 初級幹燥，在此過程中，冰升華而不融化。 · 次級幹燥，在此過程中，鍵和於(yú)固體物質的殘留水分被除去，從而留下幹燥樣品，這一步驟對保存樣品的穩定性非常重要。在殼式預凍中，凍幹瓶中的樣品浸放在低溫熱傳導液體裏旋轉，液體樣品沿凍幹瓶圓周内壁結凍，以達到更大的表面積。這層薄的結凍層能讓水分子更加容易地穿過。一旦樣品結冰，就可以與系統連接瞭(le)。初級和次級幹燥發生在樣品瓶被連接到凍幹系統時，樣品立刻暴露在一個真空條件下，從而克服氣流阻力。同時熱量被提供做能量。爲接在幹燥箱或多歧管的凍幹瓶和其它玻璃容器提供熱量的熱源是室溫空氣浴。在自動壓蓋上箱，是加熱層供給。真空和熱量這些條件可幫助從冰中升華出的水蒸氣更容易地流離樣品和表層已凍幹的物質。

過程的幾個因素:

 冰凍樣品的升華效率取決於(yú)幾個因素。其中zui重要的冷凍産品與收集器之間的氣壓差。zui有效的發生在樣品在它所能承受的zui高溫度，同時仍能保持冰凍狀态，與此同時收集器溫度和系統真空度保持在所能達到的zui低值。幹燥時間的變(biàn)化依賴於(yú)被的材料的低共熔溫度。對於(yú)絕大多數的生物材料，這個溫度低於(yú)0oC，有的甚至要低至-40 oC。高的氣壓差和溫差将産生有效的幹燥。 在初級凍幹完成後，所有的冰即被升華。但是結合水仍舊存在於(yú)産品中，在次級幹燥時，zui後相的幹燥，牢固鍵合於(yú)固體樣品的水，被稱爲吸收水轉變(biàn)成蒸氣。這一過程被稱爲解吸作用。解吸是一個緩慢的過程，因爲吸收水比液體水在同一溫度下氣壓更低。在樣品和收集器的蒸氣壓力相等時*完成。如果樣品在未*幹燥時過早的脫離系統，它也許會很快的降解和失去結構及生物性能。

機的工作原理

    是利用升華的原理進行幹燥的一種技術，是将被幹燥的物質在低溫下快速凍結,然後在适當的真空環境下,使凍結的水分子直接升華成爲水蒸氣逸出的過程.     得到的産物稱作凍幹物（lyophilizer），該過程稱作凍幹（lyophilization）。

    物質在幹燥前始終處於低溫（凍結狀态）,同時冰晶均勻分布於物質中,升華過程不會因脫水而發生濃縮現象,避免瞭由水蒸氣産生泡沫、氧化等副作用。幹燥物質呈幹海綿多孔狀，體積基本不變，極易溶於水而恢複原狀。在zui大程度上防止幹燥物質的理化和生物學方面的變性。 

    機系由制冷系統、真空系統、加熱系統、電器儀表控制系統所組成。主要部件爲幹燥箱、凝結器、冷凍機組、真空泵、加熱/冷卻裝置等。它的工作原理是将被幹燥的物品先凍結到三相點溫度以下，然後在真空條件下使物品中的固态水份（冰）直接升華成水蒸氣，從物品中排除，使物品幹燥。物料經前處理後，被送入速凍倉凍結，再送入幹燥倉升華脫水，之後在後處理車間包裝。真空系統爲升華幹燥倉建立低氣壓條件，加熱系統向物料提供升華潛熱，制冷系統向冷阱和幹燥室提供所需的冷量。 本設備採用輻射加熱，物料受熱均勻；採用捕水冷阱，並可實現快速化霜；採用真空機組，並可實現油水分離；採用並聯集中制冷系統，多路按需供冷，工況穩定，有利節能；採用人工智能控制，控制精度高，操作方便。

    對凍幹制品的質量要求是：生物活性不變、外觀色澤均勻、形态飽滿、結構牢固、溶解速度快，殘餘水分低。要獲得高質量的制品，對凍幹的理論和工藝應有一個比較全面的瞭解。凍幹工藝包括預凍、升華和再凍幹三個分階段。合理而有效地縮短凍幹的周期在工業生産上具有明顯的經濟價值。 

    一 制品的凍結 

    溶液速凍時（每分鍾降溫10~50℃），晶粒保持在顯微鏡下可見的大小；相反慢凍時（1℃/分），形成的結晶肉眼可見。粗晶在升華留下較大的空隙，可以提高凍幹的效率，細晶在升華後留下的間隙較小，使下層升華受阻，速成凍的成品粒子細膩，外觀均勻，比表面積大，多孔結構好，溶解速度快，便成品的引濕性相對也要強些。 

    藥品在凍幹機中預凍在兩種方式：一種是制品與幹燥箱同時降溫，；另一種是待幹燥箱擱闆降溫至-40℃左右，再将制品放入，前者相當於慢凍，後者則介於速凍與慢凍之間，因而常被採用，以兼顧凍幹效率與産品質量。此法的缺點是制品入箱時，空氣中的水蒸氣将迅速地凝結在擱闆上，而在升華初期，若闆升溫較快，由於大面積的升華将有可能超越凝結器的正常負荷。此現象在夏季尤爲顯著。 

    制品的凍結處於靜止狀态。經驗證明，過冷現象容易發生至使制品溫度雖已達到共晶點。但溶質仍不結晶，爲瞭克服過冷現象，制品凍結的溫度應低於共晶點以下一個範圍，並需保持一段時間，以待制品*凍結。 

    二升華的條件與速度 

    冰在一定溫度下的飽和蒸汽壓大於環境的水蒸氣分壓時即可開始升華；比制品溫更低的凝結器對水水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維護升所必需的條件。 

    氣體分子在兩次連續碰撞之間所走的距離稱爲平均自由程，它與壓力成反比。在常壓下，其值很小，升華的水分子很容易與氣體碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升華速度很漫。随著壓力降低13.3Pa以下，平均自由程增大105倍，使升華速度顯著加快，飛離出來的水分子很少改變自己的方面，從而形成瞭定向的蒸汽流。 

    真空泵在凍幹機中起著抽除*氣體的作用，以維護升華所必需的低壓強。1g水蒸氣在常壓下爲1.25L而在13.3Pa時卻膨脹爲10000升，普通的真空泵在單位時間内抽除如此大量的體積是不可能的。凝結器實際上形成瞭專門捕集水蒸氣的真空泵。 

    制品與凝結的溫度通常爲-25℃與-50℃。冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分别爲63.3Pa與1.1Pa,因而在升華面與冷凝面之間便産生瞭一個相當大的壓力差,如果此時系統内的不凝性氣體分壓可以忽略不計,它将促使制品升華出來的水蒸氣,以一定的流速定向地抵達凝結器表面結成冰霜。 

    冰的升華熱約爲2822J/克，如果升華過程不供給熱量，那末制品隻有降低内能來補償升華熱，直至其溫度與凝結器溫度平衡後，升華也就停止瞭。爲瞭保持升華與冷凝來的溫度差，必須對制品提供足夠的熱量。 

    三升華過程 

    在升溫的*階段（大量升華階段），制品溫度要低於其共晶點一個範圍。因此擱闆溫要加以控制，若制品已經部分幹燥，但溫度卻超過瞭其共晶點，此時将發生制品融化現象，而此時融化的液體，對冰飽和，對溶質卻未飽和，因而幹燥的溶質将迅速溶解進去，zui後濃縮成一薄僵塊，外觀極爲不良，溶解速度很差，若制品的融化發生在大量升華後期，則由於融化的液體數量較少，因而被幹燥的孔性固體所吸收，造成凍幹後塊狀物有所缺損，加水溶解時仍能發現溶解速度較慢。 

    在大量升華過程，雖然擱闆和制品溫度有很大懸殊，但由於闆溫、凝結器溫度和真空溫度基本不變，因而升華吸熱比較穩定，制品溫度相對恒定。随著制品自上而下層層幹燥，冰層升華的阻力逐漸增大。制品溫度相應也會小幅上升。直至用肉眼已不到冰晶的存在。此時90%以上的水分已除去。大量升華的過程至此已基本結束，爲瞭確保整箱制品大量升華完畢，闆溫仍需保持一個階段後再進行第二階段的升溫。剩餘百分之幾的水分稱殘餘水分，它與自由狀态的水在物理化學性質上有所不同，殘餘水分包括瞭化學結合之水與物理結合之水，諸如化合的結晶水結晶、蛋白質通過氫鍵結合的水以及固體表面或毛細管中吸附水等。由於殘餘水分受到某種引力的束縛，其飽和蒸汽壓則是不同程度的降低，因而幹燥速度明顯下降。雖然提高制品溫度促進殘餘水分的氣化，但若超過某極限溫度，生物活性也可能急劇下降。保證制品安全的zui高幹燥溫度要由實驗來確定。通常我們在第二階段将闆溫+30℃左右，並保持恒定。在這一階段初期，由於闆溫升高，殘餘水分少又不易氣化，因此制品溫度上升較快。但随著制品溫度與闆溫逐漸靠攏，熱傳導變得更爲緩慢，需要耐心等待相當長的一段時間，實踐經驗表明，殘餘水分幹燥的時間與大量升華的時間幾乎相等有時甚至還會超過。 

    四凍幹曲線

    将擱闆溫度與制品溫度随時間的變化記錄下來，即可得到凍幹曲線。比較典型的凍幹曲線系将擱闆升溫分爲兩個階段，在大量升華時擱闆溫度保持較低，根據實際情況，一般可控制在-10至+10之間。第二階段則根據制品性質将擱闆溫度适當調高，此法适用於其熔點較低的制品。若對制品的性能尚不清楚，機器性能較差或其工作不夠穩定時，用此法也比較穩妥。 

    如果制品共晶點較高，系統的真空度也能保持良好，凝結器的制冷能力充裕，則也可採用一定的升溫速度，将擱闆溫度升高至允許的zui高溫度，直至凍幹結束，但也需保證制品在大量升華時的溫度不得超過共晶點。 

    若制品對熱不穩定，則第二階段闆溫不宜過高。爲瞭提高*階段的升華速度，可将擱闆溫度一次升高至制品允許的zui高溫度以上；待大量升華階段基本結束時，再将闆溫降至允許的zui高溫度，這後兩種方式雖然使大量的升華速度有一些提高，但其抗幹擾的能力相應降低，真空度和制冷能力的突然降低或停電都可能會使制品融化。合理而靈活地掌握*種方式，仍是目前較常用的方式。 
 





 



 是指通過升華從凍結的生物産(chǎn)品中去除水分或其他溶劑的過程。升華指的是溶劑，比如水，象幹冰一樣，不經過液态，從固态直接變(biàn)爲氣态的過程。得到的産(chǎn)物稱作凍幹物（lyophilizer），該過程稱作凍幹（lyophilization）。




爲什麽要選擇



 傳統的幹燥會引起材料皺縮，破壞細胞。在冰凍幹燥過程中樣品的結構不會被破壞，因爲固體成份被在其位置上的堅冰支持著(zhe)。在冰升華時，它會留下孔隙在幹燥的剩餘物質裏。這樣就保留瞭(le)産品的生物和化學結構及其活性的完整性。




 





   在實驗室中，凍幹有很多不同的用途，它在許多生物化學與制藥應用中是*的。它被用來獲得可長時期保存的生物材料，例如微生物培養、酶、血液、與藥品，除長期保存的穩定性以外，還保留瞭其固有的生物活性與結構。爲此，凍幹被用於準備用做結構研究（例如電鏡研究）的組織樣品。也應用於化學分析中，它能得到幹燥态的樣品，或者濃縮樣品以增加分析敏感度。凍幹使樣品成分穩定，也不需改變化學組成，是理想的分析輔助手段。 



的實現:




 可以自然發生。在自然情況下，這一過程緩慢而且不可預測(cè)。通過系統，人們改進、細分瞭(le)很多步驟，加速瞭(le)這一過程。



系統:



一個基本的系統包括： · 一個幹燥室或者多歧管 · 一個抽真空系統克服阻礙因素和加速氣體流動 · 一個熱源提供能量 · 一個低溫冷凝器，用於(yú)使蒸氣壓差zui大化並(bìng)捕捉蒸氣使之凍結，避免水蒸氣污染真空泵



的步驟




過程包含三個步驟： · 預凍，爲接下來的升華過程準備樣品。 · 初級幹燥，在此過程中，冰升華而不融化。 · 次級幹燥，在此過程中，鍵和於(yú)固體物質的殘留水分被除去，從而留下幹燥樣品，這一步驟對保存樣品的穩定性非常重要。在殼式預凍中，凍幹瓶中的樣品浸放在低溫熱傳導液體裏旋轉，液體樣品沿凍幹瓶圓周内壁結凍，以達到更大的表面積。這層薄的結凍層能讓水分子更加容易地穿過。一旦樣品結冰，就可以與系統連接瞭(le)。初級和次級幹燥發生在樣品瓶被連接到凍幹系統時，樣品立刻暴露在一個真空條件下，從而克服氣流阻力。同時熱量被提供做能量。爲接在幹燥箱或多歧管的凍幹瓶和其它玻璃容器提供熱量的熱源是室溫空氣浴。在自動壓蓋上箱，是加熱層供給。真空和熱量這些條件可幫助從冰中升華出的水蒸氣更容易地流離樣品和表層已凍幹的物質。





過程的幾個因素:



 冰凍樣品的升華效率取決於(yú)幾個因素。其中zui重要的冷凍産品與收集器之間的氣壓差。zui有效的發生在樣品在它所能承受的zui高溫度，同時仍能保持冰凍狀态，與此同時收集器溫度和系統真空度保持在所能達到的zui低值。幹燥時間的變(biàn)化依賴於(yú)被的材料的低共熔溫度。對於(yú)絕大多數的生物材料，這個溫度低於(yú)0oC，有的甚至要低至-40 oC。高的氣壓差和溫差将産生有效的幹燥。 在初級凍幹完成後，所有的冰即被升華。但是結合水仍舊存在於(yú)産品中，在次級幹燥時，zui後相的幹燥，牢固鍵合於(yú)固體樣品的水，被稱爲吸收水轉變(biàn)成蒸氣。這一過程被稱爲解吸作用。解吸是一個緩慢的過程，因爲吸收水比液體水在同一溫度下氣壓更低。在樣品和收集器的蒸氣壓力相等時*完成。如果樣品在未*幹燥時過早的脫離系統，它也許會很快的降解和失去結構及生物性能。