冻干技术培训教程
冻干技术培训教程无锡杰西医药科技有限公司二零零五年三月五日1目前录言.....................................................................................................................................................5 第一节 物态的变化.........................................................................................................................6 第二节 热和温度.............................................................................................................................8 第三节 气体和蒸汽.......................................................................................................................10 第四节 压强与真空.......................................................................................................................12 第五节 真空技术基础...................................................................................................................15 第六节 真空的获得和测量...........................................................................................................17 第七节 机械制冷原理和系统组成...............................................................................................20 第八节 致冷循环的类型...............................................................................................................22 第九节 致冷剂和载冷剂...............................................................................................................24 第十节 水和溶液的性质...............................................................................................................29 第十一节 冻干保护剂...................................................................................................................35 第二章 冻干原理和技术.......................................................................................................................37 第一节 冷冻干燥的原理和优点...................................................................................................37 第二节 冻干机的组成和冻干工艺...............................................................................................38 第三节 共熔点及其测量方法.......................................................................................................40 第四节 产品的预冻.......................................................................................................................42 第五节 产品的第一阶段干燥.......................................................................................................44 第六节 产品的第二阶段干燥.......................................................................................................46 第七节 影响干燥过程的因素.......................................................................................................47 第八节 冻干程序的制订...............................................................................................................48 第九节 冻干产品的崩解温度.......................................................................................................50 第十节 箱内压塞装置...................................................................................................................52 第十一节 冻干机的清洗和消毒装置...........................................................................................53 第十二节 冻干箱真空度调节装置...............................................................................................55 第十三节 压力升高试验装置.......................................................................................................56 第十四节 橡皮塞的硅化处理.......................................................................................................57 第三章 冻干机的选择...........................................................................................................................57 第一节 冻干机容量的选定...........................................................................................................58 第二节 温度和真空度的要求.......................................................................................................59 第三节 设计制造工艺和另部件问题...........................................................................................59 第四节 其它项目的选订...............................................................................................................60 第四章 冻干真空干燥系统技术说明（示例）...................................................................................62 第一节 概论...................................................................................................................................62 第二节 系统特点...........................................................................................................................62 一、冻干箱体、板层及热交换系统.....................................................................................62 二、制冷系统.........................................................................................................................63 三、真空系统.........................................................................................................................63 四、冷凝系统.........................................................................................................................63 五、控制系统.........................................................................................................................63 六、液压压塞系统.................................................................................................................63 七、系统（可选项）.............................................................................................................632八、SIP 系统（可选项） .....................................................................................................63 九、文件.................................................................................................................................63 第三节 主要技术指标*.................................................................................................................63 一、设备容量.........................................................................................................................63 二、设备规格.........................................................................................................................64 三、基础设施.........................................................................................................................64 四、外型尺寸.........................................................................................................................64 第四节 技术要点和数据...............................................................................................................64 一、箱体.................................................................................................................................64 二、板层.................................................................................................................................65 三、冷凝器.............................................................................................................................65 四、制冷机系统.....................................................................................................................66 五、真空系统.........................................................................................................................66 六、流体循环系统.................................................................................................................66 八、控制系统.........................................................................................................................66 九、消毒和清洗系统.............................................................................................................67 十、压塞系统.........................................................................................................................67 第五节 机械结构...........................................................................................................................67 一、冻干箱.............................................................................................................................67 二、箱门.................................................................................................................................68 三．板层.................................................................................................................................68 四、隔离阀.............................................................................................................................69 五、冷凝器.............................................................................................................................69 六、机架.................................................................................................................................69 第六节 系统配置...........................................................................................................................70 一、制冷机组系统.................................................................................................................70 二、加热、冷却及流体循环系统.........................................................................................70 三、真空系统.........................................................................................................................71 四、板层升降系统.................................................................................................................71 五、控制系统.........................................................................................................................71 六、SIP 蒸汽消毒（可选项） .............................................................................................73 七、CIP 在位清洗系统（可选项）.....................................................................................74 第七节 工厂验收测试...................................................................................................................74 一、工厂验收资料.................................................................................................................74 二、工厂安装及运行确认（IQ、OQ/PQ）.........................................................................74 三、安全性能验证.................................................................................................................75 四、蒸汽消毒SIP验证 ...........................................................................................................75 第五章 冻干系统的配置、验证及若干注意事项 ...............................................................................76 第一节 冻干系统的配置及冻干曲线...........................................................................................76 第二节 冻干机验证的一般要求...................................................................................................81 第三节 冻干生产的若干特殊问题...............................................................................................83 一、泄漏试验.........................................................................................................................83 二、板层温度分布试验.........................................................................................................83 三、冻干机的清洁.................................................................................................................863四、在线灭菌.........................................................................................................................86 五、胶塞的处理.....................................................................................................................88 六、培养基灌封.....................................................................................................................894前并储存物品。言冷冻真空干燥也叫冷冻干燥，升华干燥或简称冻干。它是干燥的方法之一，目的是为了制备物品之所以会损坏、腐烂、变质，主要是由于外因与内因二个因素引起的，外因者，空气、 水、温度、微生物等作用；内因者，主要是生物物质自身的新陈代谢作用。如果能使外因与内因 的作用减少到最低程度，则能达到延长物品储存期的目的。 干燥法就是去除物质内部所含的水分， 因为水分是生物生长的必要条件之一， 生物体水分减少到 一定程度，生物就不易或不能生长、繁殖，因而能较长时间地贮储藏、保存。 干燥的方法很多，如晒干、烘干、煮干、喷雾干燥、真空干燥、冷冻干燥等。其中唯有冷冻 干燥法是保存生命物质的最理想的方法。 冷冻干燥之后的产品，进行真空或氮气封口，隔绝了空气特别是氧气的作用，在低温下存放 时，水分、空气、温度三个因素均被控制，以致能较长时间有效地保护产品。 冷冻干燥技术是在第二次世界大战期间， 因大量需要血浆和青霉素而发展起来的。 现在已广 泛用于化学工业、制药工业、食品工业和科学研究等方面，特别是应用于含有生物活性物质的生 物药品方面更为普遍。 我国四十年代就已使用冷冻干燥法制造疫苗，但数量极少，仅用于人医，1952 年起在国内 已能制造大、中型的冷冻干燥机。 冷冻干燥涉及物理、化学、生物学等学科的知识，需要制冷、真空、电工、电子、仪表等方 面的应用技术，随着冻干技术在制药、生物工程、食品等领域的广泛应用，科研人员、企业管理 及操作人员迫切需要一本简易教材，阐述冻干系统的基本组成、工作原理、验证要求的实用参考 书，为此，编者参考了北京天利深冷设备股份有限公司副董事长张伦照先生的《冻干技术》 、美 国注射剂协会培训研究院的《冻干》 、天利 GZL-12 冷冻干燥机技术说明书和上海东富龙的《冻 干真空干燥系统技术说明》等材料，编写了这本简明培训教程，编者还以示例方式对冻干机的设 置、泄漏试验、板层温度分布试验和在线灭菌作了专题讨论，力求对《冻干技术》充实一些实用 性强的内容，以使科研、生产管理、冻干系统日常监控及维修等人员从中获得有益的启示。5第一章 基础知识第一节 物态的变化人们生活在物质世界之中，我们周围的一切，如空气、水、铁等都是物质，一切物质均在不 断地发生变化。物质常见的形态有三种：气态、液态和固态。同一种物质也可能存在三种形态， 例如水， 在摄氏零度时能结成冰， 变成固态， 而在摄氏一百度时则变成蒸气， 变成气态， 0-100℃ 在 之间则是液态，可见在一定的条件下，物质的形态能够互相发生转化。 物质是由分子组成的， 在物质三种形态的变化中， 物质的本质并没有发生变化。 物质的气态、 液态和固态三者的主要区别在于物质分子间的距离和作用力的大小不同，这些仅是程度上的差 别，本质上是相同的，气态物质分子间的距离较大，分子之间的相互作用力较小，以致气态物质 不能单独地维持一定的形状和体积， 总是充满在容纳它的物体之中。 液态物质分子间的距离较气 态小，作用力大，因此液态物质只能单独地保持其体积，而不能保持其形状。固态物质分子间的 距离小，作用力大，因此固态物质能保持一定的形状和体积。 物质在发生形态变化时，伴随着热量的变化。如冰熔化要加热，水变成汽也要加热，它们在 此形态变化过程中吸收热量；相反，水结成冰要移去热量，汽变成水也要移去热量，它们在此形 态变化过程中放出热量，一般地说，从固态变液态，液态变气态，固态直接变成气态的过程是从 分子排列密、相互作用力大的状态，变为分子排列疏，作用力小的状态；这一过程要从外界吸取 热量；而相反的过程则向外界释放热量。如图一所示。液态熔化 凝固 吸热 放热 液化 蒸发 吸热 放热 固态→液态：吸热 液态→气态：吸热 固态→气态：吸热 反之则为放热过程升华 吸热固态凝华/放热气态图1.1 物质三态的变化由固体变成液体的过程叫做熔化，将固体加热，当升高到一定的温度时固体即变成液体。固 体物质熔化时的这个温度称为熔点。固体熔化时内能增加，因此需要从外界吸收热量。一些物质 的熔点见表 1.1。 单位质量的物质， 由固体变为同一温度的液体所需吸收的热量叫做该物质的熔化热。 物质的6熔点和熔化热随压强的变化而变化，一些物质的熔化热见表 1.2。熔化热的单位为卡/克。 由液体变为固体的过程叫凝固，它是熔化的逆过程。物体由液体变为固体时要放出热量。放 出的热量与该物质的熔化热相等。凝固是在与熔化相同的温度下进行的，所以，同一物质的熔点 和凝固点是一样的。 物质由液态变成气态或固态直接变气态的过程都称为汽化过程， 它可分为蒸 发，沸腾和升华三种情况。 蒸发是指在任何温度下（只要低于临界温度）液体表面的汽化过程。在制冷技术中，“蒸发” 通常代表液体的沸腾过程。 将液体加热到一定的温度，液体逐渐变成蒸汽，当蒸汽的形成不仅来自液体表面，而且来自 液体内部， 形成许多小气泡上升至液面上方的空间时称为沸腾。 也就是温度升高到液体的蒸汽压 力与周围的空间压力相等时，液体即开始沸腾。液体开始沸腾时的温度叫做沸点。沸腾是同时发 生在液体内部和液体表面的汽化现象。一些物质的沸点见表 1.3。 某些固体不经过液态而直接变成气态的汽化现象叫做升华， 升华是固体直接的汽化过程， 容 易升华的固体叫挥发性固体。 物质在汽化时要吸收热量， 单位质量的液体变成同一温度的汽体所 吸收的热量叫做汽化热，因为也是蒸发时所吸收的热量，所以也可以叫做蒸发热。熔化热和汽化 热统称物体的潜热。一些物质的汽化热见表 1.4，单位为卡/克。 表 1.1物质 冰 氨 R-12 R-22 水银 酒精 熔点 0 -77.7 -155 -160 -39 -114一些物质的熔点（℃）物质 玻璃 铜 铝 钢铁 锡 钨 熔点 460-800 0-0表 1.2 一些物质的熔化热（卡/克）物质 冰 水银 氯化钠 熔点 79.4 2.8 123.5 物质 锡 铝 铜 熔点 14.5 92.4 51表 1.3 一些物质的沸点（℃）物质 铁 铝 水银 水 酒精 熔点 7 100 78 物质 氮 氧 氨 R-12 R-22 熔点 -196 -183 -33.4 -29.8 -40.87表 1.4物质 水 酒精 水银 熔点 536.5 216.4 68.7一些物质的汽化热（卡/克）物质 氨 R-12 R-22 汽化热 327.3 40 56将蒸汽冷却或与压缩同时进行， 使蒸汽转变为液体的过程叫做液化 （温度和压力都须在小于 临界值的条件下） ，单位重量的蒸汽变成同温度的液体所移去的热量称为冷凝热。冷凝时的温度 叫做冷凝温度，冷凝温度在冷凝过程中保持不变，它与冷凝蒸汽的压力有关。 当蒸汽遇到比该蒸汽物质的凝固温度低的物体时， 则蒸汽不经过液体能直接凝固成固体而附 在低温物体的表面，叫做凝华。例如水蒸汽遇到比水的冰点低的物体时，它就在低温物体的表面 结成冰霜，它实际上是升华的逆过程，这一过程显然是要放出热量的。这一现象在制冷和冷冻干 燥中是经常遇到的。第二节 热和温度热是物质运动的形式之一， 任何物质都是由许许多多的分子所组成， 而这些分子都在不停地 作无规则的运动，人们称它为热运动。这些无规则运动的分子所具有的能就叫做热能。 热能的大小用温度来表示，温度越高，分子运动越剧烈，物体的热能也就越多；温度低，分 子运动缓慢，物体的热能就少。物体热和冷的程度用温度的高低来表示，它反映物体所含热能的 多和少。增加物体的热能叫做加热；移去物体的热能叫做制冷。 温度常用摄氏和华氏二种温标来表示。 摄氏温标：在标准大气压下，以水的冰点为 0，水的沸点为 100，在 0 和 100 之间分成 100 等分，每一等分叫 1 度，这种温标就叫做摄氏温标，用符号℃表示。 华氏温标：在标准大气压下，以水的冰点为 32，水的沸点为 212，在 32 和 212 之间分成 180 等分，每一等分叫 1 度，这种温标叫做华氏温标，用符号 F 表示。 华氏和摄氏可用下面的公式进行换算： 华氏换摄氏：℃＝5/9×（F-32） 另外还有一种温标叫开氏温标，以摄氏零下 273.15 度作为零度，即开氏零度等于摄氏零下 273.15 度，开氏温标用符号 K 表示。开氏温标也叫绝对温标；开氏零度即摄氏零下 273.15 度也 叫绝对零度。绝对零度是达不到的。 温度只能表示物体冷热的程度，温度高或者温度低，不能从数量上表示物体热能的多少。因 此就有热量的概念：物体吸收或放出热能的多少叫做热量。计算热量的单位是卡或千卡，千卡又 叫大卡，1 大卡=1000 卡。卡的单位是这样规定的：把 1 克水的温度升高或降低 1 摄氏度所吸收 或放出的热量规定为 1 卡。 还有一种热量单位叫做英热单位，它是这样规定的：1 磅水升高 1H所需的热量称为 1 个英 热单位（B、T、U） 英热单位＝252 卡。 ，18质量相同的不同物质温度升高 1℃时所需要的热量是不相同的，人们将单位质量的某种物质 温度升高或降低 1℃时所吸收或放出的热量，定义为这种物质的比热，单位是卡/克?度，读作每 克每度卡。一些物质的比热见表 1.5。 热量能通过传导、对流、辐射三种方式进行传递。 传导：在受热不均匀的物体中，热从高温处依靠物体的分子逐渐传到低温处的现象，称为热 的传导。这种方式的热交换一直进行到整个物体的温度相等为止。传导在固体、液体和气体之间 均能发生，传导作用必须要使物体相互接触才能完成。 一切金属是传热的良导体，非金属是热的不良导体。物质传导热的能力可用导热系数来表 示。导热系数是热的传导作用在 1 平方厘米截面上一秒钟内当温差为 1℃时通过长度 1 厘米的热 量卡数。单位卡/厘米?度?秒，一些物质的导热系数见表 1.6。 表 1.5物质 水 冰 水蒸汽 R-12 氨 空气 比热 1 0.43 0.45 0.225 0.52 0.24一些物质的比热（卡/克?度）物质 铜 钢铁 铝 水银 玻璃 酒精 比热 0.091 0.11 0.21 0.033 0.20 0.58表 1.6物质 银 铜 铝 钨 铁一些物质的导热系数（卡/厘米?度?秒）物质 玻璃 水 冰 空气 棉花 比热 0.8 0.5 0..00014比热 0.97 0.92 0.50 0.48 0.16对流：在液体或气体（包括蒸汽）中，热量靠物质的流动从一部分向另一部分转移的传递方 式称为对流。含热的液体或气体，体积因热而膨胀，密度减少，于是因重量减轻而上升，其周围 冷的部分就补充其原来地位，形成了对流，热的对流只发生在液体或气体中，而且总是与传导同 时发生。 辐射：高温热源通过空间射向低温物体，使低温物体受热升温，这种热量的传递方式叫做辐 射、热辐射与光相似，它以直线方式进行，可以在真空中传播；辐射可以通过空气和玻璃等透明 介质、而这些透明介质本身吸热极少。表面黑、粗糙的物体善于吸热；表面白亮光滑的物体不善 于吸收热和辐射热，但善于反射热。 事实上， 热量传递的三种方式并非单独进行， 而是一种方式伴随着另一种方式或者三种方式 同时进行的。 为了衡量物体温度高低的程度，需要对温度进行测量，温度的测量是利用温度计来完成的，9常见的温度计有液体温度计，压力式温度计、双金属温度计、热电偶、热电阻和热敏电阻等。 液体温度计是利用了某些液体的热胀冷缩原理制成的， 它封灌在一根细长的玻璃管中， 一端 有一个膨大部分，以容纳工作液体，常用的液体的酒精、煤油、水银等。 压力表温度计是利用了某些气体的热胀冷缩原理制成的， 它实际上是一块刻有温度读数的压 力表。 压力表通过一根毛细管与一个感温泡相连， 温度高低的变化导致感温泡内气体压力的变化， 从而导致表压的变化，测得温度的高低。 双金属温度计是利用了二种不同金属的不同热膨胀系数原理制成的，双金属片卷成螺旋形， 当温度变化时，不同金属片膨胀情况不同，造成双金属片卷曲，从而带动指针指示温度的变化。 热电偶：不同的金属丝一端焊接在一起时，在它们的二个游离端产生一个电位，此电位的大 小与温度变化成线性关系，测量电量的大小便测知了温度的高低。 热电阻是利用了金属丝的电阻温度系数原理制成的， 一定长度的金属丝， 当温度升高时电阻 增加，温度降低时电阻下降，利用惠斯顿电桥能测知温度的高低。 热电阻一般用铂丝制作，因此又称铂热电阻。C R1 R2AmAR D 电源 图1.2 惠斯顿电桥原理B R 1＝ R 2　平衡电阻 R t　　　　热电阻 R　　　　　调整电阻 m A　　　　毫安表Rt利用铂电阻测量温度的原理如图二所示，在电桥的 AB 端接入电源，CD 端接上电流表，假 设 Rt 处于 0℃，其阻值为 100?，这时由于 Rt = R，电桥处于平衡状态，CD 二端无电压，电流 无读数。当温度增加或减少时，Rt 的电阻值也增大或减少，于是 Rt≠R，电桥不平衡，CD 二端 有电压输出，电流表有读数，这个读数就反映了温度的变化，刻上温度便成为温度计。 实际的测量电路比图二复杂得多， 把输出的信号通过适当转换， 可以直接从显示器得到温度 的读数。改变电路的设计可以对温度读数的准确度进行必要的调节。 热敏电阻是利用了一种半导体材料， 其导电性能与温度变化存在相关性， 测量温度的原理大 致同热电阻相同。第三节 气体和蒸汽气体和蒸汽都是物质的气态状态， 物质的临界温度可以作为判断气态物质是气体还是蒸汽的10标准。当温度高于物质的临界温度时，该物质的气态称气体；而温度低于该物质的临界温度时， 该物质的气态称蒸汽。 物质的临界温度和临界压力。气体的液化的温度是与压力有关的，一般说来，温度越低，气 体液化所需的压力就越小，反之，温度越高，其气体液化所需的压力就越大。对于某一种物质的 气体，有一个固定的温度值。高于这个温度时，物质只能处于气态，无论加多大的压力也不能使 其压缩成液体，这个温度就称为该物质气体的临界温度。 无论施加多大压力均无法使物质从气态液化的最低温度，称为该物质的临界温度。 在临界温度时使该气体液化所需要的最小压力，称为该物质气体的临界压力。 一些物质的临界温度和临界压力见表 1.7。 一般的室温大约在 15－20℃范围之内，氧气、氮气等临界温度远比室温低，因此可以称它 们为“永久”气体或不凝集气体；二氧化碳的临界温度接近室温，所以不能当作永久气体；水蒸汽 的临界温度超过室温，因此称蒸汽。但气体和蒸汽也是相对的，它决定于温度，当温度高于水的 临界温度时，水蒸汽也可以称为气体了。 任何液体物质，当在一密闭容器内蒸发时，达到一定的程度后，液体的汽化与蒸汽的液化就 达到平衡状态。这时密闭容器内的蒸汽称谓饱和蒸汽；密闭容器内的蒸汽压强称谓饱和蒸汽压。 饱和蒸汽压随温度的升高而增大，随温度的降低而减小。对于同一蒸汽，在不同的温度有不 同饱和蒸汽压，如果饱和蒸汽继续得到热量，则温度将比饱和时的温度高，但压力仍保持饱和蒸 汽相应的压力不变，这样的蒸汽称超热蒸汽。 表 1.7物质 氨 二氧化碳 氮 氧 水蒸汽 R-12 R-22一些物质的临界温度和临界压力临界温度（℃） 132．9 31 -147.13 -118.82 374 111.5 96 临界压力（绝对大气压） 112.3 72.3 33.49 49.71 58.22 40.86 50.3表 1.8区域 零下 区 ℃ -10 -0 +0 零上 区 10 20 30 0 2.15 4.84 4.84 9.38 17.12 30.04760mmHg及不同温度条件下，空气中饱和水蒸汽的含量 （克/米3）1 1.98 4.47 5.18 9.94 18.14 31.70 2 1.81 4.18 5.54 10.5 19.22 33.45 3 1.68 3.81 5.92 11.5 20.36 35.28 4 1.52 3.52 6.33 11.9 21.55 37.19 5 1.40 3.24 6.76 12.7 22.80 39.19 6 1.28 2.99 7.22 13.5 24.11 41.28 7 1.18 2.75 7.70 14.3 25.49 43.47 8 1.08 2.54 8.22 15.2 26.93 45.75 9 0.98 2.34 8.76 16.14 28.25 48.14在某一密封系统内，有一个蒸汽源，如果该系统内各部分温度并不相同时，则该密闭系统的11饱和蒸汽压由系统的最低温度决定，其数值应为最低温度所对应的饱和蒸汽压。 平常的大气中含有水蒸汽，是湿空气，它是干空气与水蒸汽的混合物。在一定的温度下，空 气中水蒸汽的含量有一定限度，超过这个限度时就会出现雾状。空气温度较低时，水蒸汽的含量 较少；温度较高时，水蒸汽的含量较多。 单位体积的空气中所含水蒸汽的重量，叫做空气的绝对湿度，单位是克/米3。空气中实际所 含的水蒸汽重量与同一温度下的饱和空气中所含的水蒸汽的重量的比叫空气相对湿度（RH， relative humidity） ，用%来表示。 空气中所含的水蒸汽达到完全饱和状态（即相对湿度为 100%）时的温度称为露点。温度低 于露点时，水蒸汽就凝结成雾状水滴，并呈露水凝附在一些物体表面。当温度低于 0℃时，则呈 冰霜附在一些物体的表面。 表 1.8 是标准大气压下，不同温度空气中饱和水蒸汽的含量。例如 15℃时横向查 10℃，纵 向查 5℃，12.71 克/米3；-8℃时，横向查-0℃，纵向查 8℃，为 2.54 克/米3。第四节 压强与真空物体放在地面，由于地球的引力作用，对地面有一个力的作用，人们把压在某一物体表面上 的力称为压力，而单位面积上所受的力称为压强，压力的单位是克或公斤（千克） 、压强的单位 是克/厘米2或公斤/厘米2。 液体和气体对处于其中的一切物体同样会产生压强。 地球的表面包围着一层厚厚的空气， 叫 做大气层，这个大气层所产生的压强叫做大气压。 固体的压强只产生于重力方向， 液体的压强产生于与液体相接触的任何一面， 而气体的压强 产生于所有的方向上； 所以某一容器中， 气体的压强可以解释为气体分子不停地运动并撞击容器 内壁的结果。 大气压力的大小可以通过实验来测得。拿一根大约 1 米长，一端封闭的细玻璃管，里面灌满 水银，把它倒立在水银槽中，便可见到水银柱的下降现象，降到一定的高度便维持不动，在玻璃 管上方形成一个没有空气的空间（真空） ，测量水银柱的高度约为 760 毫米（76 厘米）如图 1.3 所示。12真空大气压大气压 760 mm Hg图1.3　大气压图实验结果表明 760 毫米高的水银柱所产生的压强正巧与大气压强相平衡， 760 毫米高的水 即 银柱压力与大气压力相等。 760 毫米高的水银柱压强有多大可以计算出来：水银柱的比重为 13.6 克/厘米3。 压强＝比重×高度 13.6 克/厘米3×76 厘米＝1033.6 克/厘米2 也就是大气压强为 1033.6 克/厘米2即 1.0336 公斤/厘米2。为了计算方便取 1 公斤/厘米2作为 大气压强单位叫做 1 个大气压。如果用毫米水银柱（mmHg）做压强单位，那么显然: 1 大气压＝760 mmHg 大气压与高度有关，离海平面越高，大气压越低，在离海平面 2000 米的高度内，平均每升 高 12 米，水银柱约下降 1 毫米。 在标准大气压下，每立方厘米体积中气体的分子数为 2.7×1019个，真空是指低于一个大气 压的气体状态。与大气状态相比较，单位体积中气体的分子数目较少了。因此真空并不是空无一 物，完全没有任何物质的空间称为“绝对真空”，绝对真空是假想的，它是永远也达不到的。 真空高低的程度叫真空度，真空度用气体压强的大小来表示。压强越低，表示真空度越高； 反之，压强越高，表示真空越低。若压强高到 760 毫米水银柱即一个大气压就是没有真空了。若 压强继续升高，就产生了正压。因此，低于大气压强又可称负压。 压强有三种表示方法：绝对压力，表压力和真空度。绝对压力表示作用于单位面积上的压力 的绝对值，它以绝对零点为起点。表压力，表示比大气压高多少的数值，它以大气压力为起点， 即在大气压时，表压力为零。真空度表示比大气压低多少数值，当用绝对压力表示法时，以绝对 零压为起点；当用表压力表示时，它以大气压为起点，如图 1.4 所示。13正压表压力 大气压力线 绝对压力真空负压绝对零压 图1.4　　压力关系图表 1.9真空度 （%） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 绝对压强真空度百分数，压力表真空与绝对压强对照表压力表真空 （mmHg） 0 76 152 228 304 380 456 532 608 真空度 （%） 85 90 95 96 97 98 99 99.5 100 绝对压强 （mmHg） 114 76 38 30 25 15 8 4 0 压力表真空 （mmHg） 646 684 722 730 735 745 752 756 760（mmHg） 760 684 608 532 456 380 364 228 152绝对压力和表压力一般用公斤/厘米2来表示，英制用磅/英寸2来表示。1 公斤/厘米2=14.7 磅/ 英寸2。真空度常用毫米水银柱来表示，1 毫米水银柱叫 1 托，因 1 大气压为 760 毫米水银柱， 因此 1 托＝1/760 大气压。在使用时，1 毫米水银柱的单位有时还嫌大，因 1 毫米（mm）＝1000 微米（μ） ，于是用微米水银柱（μHg）来表示真空度，1 mmHg＝1000μHg，当压强高于 1 mmHg 时真空度常用百分数来表示。 真空度百分数，压力表真空与绝对压强的对照表见表九。顺便介绍一下数学上的表示方式： 100＝10×10=102，因此 100＝1×102 ×10＝103，因此 ＝103 0.1＝1/10＝10-1，因此 0.1＝1×10-1 0.01＝1×100＝10-2，因此 0.01＝1×10-2 0.001＝1/，因此 0.001＝1×10-3 例如某台真空泵的极限真空为 5×10-3， 就是 5×1/， 1 托＝1000μHg， 又 所以 5×10-314就是 0.005×1000＝5μHg（微米汞柱） ，相当于 0.66665 Pa。 现在国际上已把真空单位“托”取消，压强的单位应该是单位面积所受的力，如公斤/厘米2、 牛顿/厘米2等，因此用托作为真空单位是不合理的。 现在把“牛顿/米2”这样的压强单位来计量真空度，给“牛顿/米2”一个专用名字，叫做帕斯卡 （Pascal，法国数学家、物理学家） ，简称“帕”，符号Pa，压强的换算见表 1.10。 表 1.10单位 1 bar 1 mbr 1 Pa 1 atm 1 torr 巴（bar） 1 1×10-3 10-5 1.013 1.333×10-3 毫巴（mbar） 103 1 10-2 1.013×103 1.333压强单位的换算帕斯卡（Pa） 105 102 1 1.013×105 1.333×102 大气压（atm） 0.987 0.987×10-3 0.987×10-5 1 1.316×10-3 托（Torr 废除） 0.75×103 0.75 0.75×10-2 0.76×103 1注：1 磅/英寸2 = 0.0068894 Mpa第五节 真空技术基础如前所述，气体无一形状，也无一定体积，气体能无限地膨胀而完全充满于任何体积的容器 中；气体又能均匀地混合，数种不同种类的气体，不管其比例如何，都能混合成一均匀状态。 当气体压缩时，压强增加，体积缩小，温度升高；当气体膨胀时，压强降低，体积增大，温 度降低。物质的气体状态由压强、体积和温度三个因素来决定。 可以用气体的基本定律来概括气体状态变化的一些规律。 一、波义耳－－马略特定律：一定质量的气体，在恒温下，气体的压强与其体积的乘积为常 数。这定律说明当温度因素不变时，压强与体积存在以下的关系式： P1 V1＝P2 V2＝常数 P1 V1表示变化前气体的压强和体积。 P2 V2表示变化后气体的压强和体积。 二、盖?吕萨克定律：一定质量的气体，在恒压下，气体的体积与其绝对温度成正比。这定 律说明当压力因素不变时，体积与温度存在以下关系式： V=常数×T V 表示气体的体积。 T 为绝对温度。 三、道尔顿定律：不相互起化学作用的混合气体的总压强等于各气体分压强的总和，这定律 表明几种气体在一起时的压强关系可以用下式表示： P＝P1＋P2＋………………..Pn P 表示混合气体的总压强。 P1………………..Pn表示各气体的分压强。15四、阿费加德罗定律：等体积的任何种类气体，在同温度和同压强下有相同的分子数。例如 每立方厘米的气体在 1 大气压和 20℃的情况下分子数为 2.69×1019个。 气体的基本定律适用于气体，对于蒸汽不一定适用。 气体分子的平均自由程度也是气体分子运动的一个参数。 气体的压强也可以理解为气体分子 对容器壁碰撞的结果。 事实上气体分子运动不仅碰撞容器壁， 而且还发生气体分子间的互相碰撞 我们把气体分子二次碰撞间经历的平均距离叫做气体分子的平均自由程。 平均自由程与气体的浓度，压强有关，浓度大，压强大时分子间很容易碰撞，因而平均自由 程就小；浓度小，压强小时分子间比较不容易碰撞，因而平均自由程就大，常温下空气分子的几 个参量见表 1.11。 表 1.11平均自由程 气体压强（托） 厘米 760 10 10-3 10-6 10-9 10-14 10-17 10-5 7×10-4 7 7×103 7×106 7×14 2.5××Х××107 3.3×102 0.33常温下空气分子的几个参量气体密度 （个／厘米 ）3每平方厘米每秒碰撞的分子数 （个／厘米2?秒） 3××××××106 3.5×103在常温和常压下， 由于空气分子的平均自由程很小， 从液体蒸发出来的分子或从固体升华出 来的分子，很容易与气体分子碰撞而返到原来液体或固体的表面，因此蒸发和升华的速度很慢。 随着真空度的升高，气体分子变得越来越稀，分子的平均自由程逐渐增大。于是分子间的碰撞将 较少发生， 这时液体的蒸发速度和固体的升华速度将迅速增加， 大量的分子将会从蒸汽源飞离出 来，甚至形成蒸汽流。另外，在真空度较高的情况下，由于气体的分子数较少，分子间的碰撞很 少发生，所以气体的对流就不可能形成，因此在真空度较高的情况下，依靠对流的热量传递方式 将减少甚至消失；依靠气体分子的热传导也将减小甚至消失。这时，真空系统内依靠固体的热传 导和辐射仍然存在。 实验表明，当真空度达到 0.1 毫巴（10 Pa）以下数值时，气体分子的热传导和对流可以忽略 不计，这时热量的传递依靠固体的传导和辐射进行，而真空度上升超过 0.1 毫巴时，通过气体分 子的热传导和对流立即变得显著起来。 当气体在导管内流过时，它总是受到一定的阻碍，在压强较高时，它主要消耗于气流各层间 的内摩擦；在压强较低时它消耗于气体分子与四壁的碰撞过程。当管道粗、短、直时则流动和阻 碍就较小。16第六节 真空的获得和测量冻干机的真空系统是由冻干箱、冷凝器、真空管道、真空阀门和真空泵等组成。冻干时使用 的真空度范围大约是 5×10 右达到要求的真空度。 真空是指压力低于 760 托的气体状态，它的范围从 760 托到 1×10 的真空度为 1.9×10－18 －11 －1～1×10 3托之间（500～1μHg，66.66～0.1333 Pa） ，要求在半小时左－托甚至更低，宇宙空间，真空可大致分为如表 1.12 所示范围。这样宽广的真空范围不可能用一种方法来达到，不同的真空范围须通过不同的方法实现。获得真空的基本方法有三种：即使用抽气 机（即真空泵）抽吸：用特殊的吸气剂吸气；用冷凝器捕获气体。它们的运用压强范围见图五。 真空泵的种类很多，有水环式真空泵、往复式真空泵、水蒸汽喷射泵、油封式机械泵、机械 增压泵、油增压泵、油扩散泵等。冷冻干燥使用的属于低真空和中真空范围，这样的范围一般采 用油封式机械真空泵、机械增压泵或油增压泵来达到。 真空泵的主要参数有极限真空、起始压强、排气压强、抽气速率等。 表 1.12真空区域 粗真空 低真空 中真空 高真空 超高真空真空范围的划分压强范围 （ mmHg）760～10 10～10-2 10-2～10-4 10-4～10-7 10-7～以下极限真空又叫极限压强， 是真空泵可以达到的最低压强或最高真空度， 一般在泵头直接测量。 起始压强是真空泵能正常工作的进气口压强， 油封式机械泵能在大气压强下工作， 而机械增 压泵和油增压泵需要有一个预备真空才能工作，油封式机械泵常作为抽预备真空用。 排气压强是真空泵在排气口的最大反压强，当反压强太高时真空泵就不能正常工作。1710310210110010-1压强（毫米水银柱） -3 -4 -5 -6 - 7 -8 -9 -10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10-2-11水流抽气机 多片旋转抽气机 旋转油抽气机 容积-分子抽气机 蒸汽流抽气机 吸气剂、捕集器图1.4　抽气机、吸气剂与捕集器运行达到的压强范围抽气速率是真空泵在一定进气口的压强下，单位时间内所抽走的气体容量，以升/秒或者立 方米/小时作为单位，抽气速率随进气口压强的降低而减小，到极限真空时抽气速率为零。 压强有全压和分压之分， 全压强是指各种气体分压强的总和， 分压强是指某一气体或某一部 分气的压强，空气的压强是指空气中氮气、氧气、二氧化碳和各种惰性气体分压强的总和，即 760 托。它并不包括水蒸汽的分压强在内。标准大气压中各种气体的成分和压强见表 1.13。 由于真空的范围很宽，因此在进行真空度测量时，没有一种真空仪表能适用于全部量程，不 同的真空范围须采用不同的测量方法。测量真空的仪表有：指针式真空计、U 型真空计、压缩式 真空计、热真空计、磁控放电真空计，电离真空计等。它们的适用范围见图 1.6。1810310210110010-1压强（毫米水银柱） -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10-2-11金属指针真空计（变形）U形真空计压缩真空计 放射性真空计 热真空计 磁控放电真空计电离真空计图1.6　　各种型式真空计测量的压强范围表 1.13气体名称 氮N2 氧O2 氩 Ar 二氧化碳CO2 氖 Ne 氦 He 氪 Kr 氙 Xe 氡 Rn 水蒸汽H2O标准大气中气体的成份和压强百分比率（％） 78.09 20.95 0.9 0.03 0.5 0.01 微量 不定 分压强（托） 593.5 159.0 6.84 2.3×10－11.1×10－2 3.7×10－3 7.6×10－4 7.6×10－5 DD 约７冷冻干燥常用的真空计是压缩式真空计和热真空计。 在冻干机的真空系统内， 存在着空气和水蒸汽， 而只有水蒸汽压强的大小才能反映出来冻干 过程中升华速度和水蒸汽在冷凝器内的凝结情况。 因此冻干机的真空系统应测量其全压， 仅仅测 量空气的分压强不能反映出真实情况。19压缩式真空计又叫麦氏真空计，使用水银作为工质，由于水银蒸汽对人体有毒害作用，因此 使用时要小心谨慎，平常不用时，应把橡皮管封死，使水银与系统隔开。水银在真空系统中还会 蒸发而污染冻干产品， 而冷冻干燥的产品大都是直接或间接用于人体的， 因此现在许多国家已明 确规定冷冻干燥严禁使用水银压缩式真空计。 另外， 压缩式真空计是根据波意尔－－马略特定律的原理制作的。 由于水蒸汽不遵守波一马 定律，因此它只适用于测量永久性气体，在冷冻干燥中水蒸汽的分压强是一个很重要的参数，所 以压缩式真空计也就不适用于冷冻干燥中使用。 现在冷冻干燥广泛使用电阻式真空计， （又称皮喇尼真空计）它的工作原理是基于气体的热 传导决定于压强这一关系。 当加热着的电阻丝周围的气体压强改变时， 电阻丝热量的耗散情况也 改变。当压强低时，热量耗散量少，电阻丝的温度增高，电阻增大；相反，当压强增高时，热量 耗散量多，电阻丝的温度降低，电阻减小。测量电阻的变化，便能反映出压强的大小，因此也称 作电阻式真空计。 另一种热偶真空计是在上述电阻丝上加一个热电偶， 测量热电偶的毫伏数即反 映了真空数值。 还有一种高频火花真空检测仪， 它是利用高频高压引起气体的放电现象来工作的， 稀薄空气 的放电颜色能粗略地估计出真空度的大小， 它只适用于玻璃容器， 能在容器外边测量容器内部的 真空度。第七节 机械制冷原理和系统组成根据热力学第二定律，热量不能自动地由冷的物体传导给热的物体。 致冷就是移去物体的热量，使物体的温度降低，当物体的热量减少时，分子的运动就缓慢， 于是温度下降，这一过程须消耗其他能量。 使物体致冷的方法有许多种， 使用一种机械装置使物体温度降低叫做机械制冷。 利用直流电 通过一种碲化铋的半导体材料而产生的致冷， 叫做半导体致冷。 此外还有利用液态空气的蒸发而 获得低温的方法等等。 液体在蒸发时需要吸收汽化热， 蒸汽在膨胀时也需要吸收热量： 机械致冷正是利用了这个原 理。 有一种叫做致冷剂的特殊液体，它的沸点很低，在低温下极易蒸发，当它在蒸发时吸收了四 周的热量，使周围物体的温度降低；然后把这种液体的蒸汽又加以压缩，再冷却移去它的热量， 使它又变成液体，再把这液体去蒸发吸热，如此循环不断，便能使蒸发部位的温度不断降低，这 样致冷剂就把热量从一个物体移到另一个物体上。 冷冻机就是能实现这样循环的机器， 它是能使致冷剂蒸发而吸热， 压缩而又冷凝成液体的一 个封闭的机械系统。它由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器四个主要部分组成，见图七。20蒸发器节流装置吸入阀排出阀出液阀 冷凝器压缩机冷却水 进出口图七　制冷系统组成图冷凝器兼贮液筒内的液体致冷剂经过出液阀到节流装置， 通过节流装置的节流作用， 液体在 蒸发器内蒸发吸收热量，吸热后液体变成温度较高的蒸汽，被压缩机吸入，压缩成高压高温的蒸 汽，经冷凝器的水冷却，移却了蒸汽的热量，温度下降凝缩成液体致冷剂。如此不断循环，在蒸 发器部分便获得了低温。 致冷系统压缩机、 冷凝器、 节流装置和蒸发器四个主要部件外， 还有各仲开闭阀门、 过滤器、 热交换器、油分离器、高压安全阀、压力继电器、压力表、电磁阀等附件。 压缩机是冷冻机的心脏，一般由电动机带动，它有吸入口和排出口。通过压缩机的不断工作 才能使致冷剂在管路系统内不断循环产生蒸发吸热，压缩冷凝等作用。 按压缩机与电动机的组合可分为封闭式、 半封闭和开式三种类型。 封闭式的压缩机电动机全 部装在一个密闭的筒体中；半封闭式的压缩机动机连成一体，但没有封闭箱包围，开式的压缩机 与电动机是互相独立的，要靠联轴器或皮带来传动。 按压缩机本身的构造可分活塞式、旋转式、涡轮式、螺杆式等。 在冻干机中，以开式和半封闭式的活塞式致冷压缩机使用最多。 冷凝器的作用是移去致冷剂的热量， 使致冷剂的蒸汽冷凝成液体。 它有风冷式和水冷式二种。 风冷式有强制风冷和自然对流冷却二种，风冷式的仅在小型冷冻机上使用，大、中型的冷冻机一 般都采用水冷式。 节流装置是贮液筒和蒸发器之间的致冷剂控制装置， 使液态致冷剂受到约束地根据需要进入 蒸发器内，并突然减压而迅速蒸发吸热变成蒸汽，一方面致冷剂的蒸汽被压缩机吸走，另一方面 又将液态致冷剂不断地加以补充。 节流装置有二种形式，在小型冷冻机上使用微管节制器，也叫毛细管，它是一根较长而管径 很细的铜管，到蒸发器时突然变成粗大的铜管，流量不能调节，在大中型的冷冻机上，一般使用 膨胀阀或称节流阀来控制，它使液态致冷剂流过一个小孔，而小孔出口处有一个可关闭，开大的 阀针，然后管径变粗大，它的流量可以调节。21超热蒸汽 饱和蒸汽 吸 入 管 沸腾液低压液体 节流器 高压液体图八　致冷剂的蒸发以图八说明致冷剂蒸发器内的蒸发情形。 当高压液体通过微管或膨胀阀的小孔时， 由于微管 和膨胀阀的小孔的直径很小，因此流动阻力很大，液体致冷剂只能以一定的流量流速通过，当通 过节制口时，管径突然变粗大，高压液体变为低压液体，由于压力降低沸点降低，液体迅速沸腾 蒸发，大量吸收热量而变为小液滴与蒸汽的混合物；由于压缩机的不断抽吸作用压力继续降低， 小液滴又沸腾蒸发吸收热量全部变成饱和蒸汽，饱和蒸汽又继续膨胀吸收热量而变成超热蒸汽， 最后被压缩机通过吸入管吸走，这时高压液体又不断地补充，使蒸发器不断降温，而维持在某一 个低温上。 蒸发器是冷冻机的实际使用部分， 它根据不同的需要而做成不同的形式， 对于冰箱就是冷藏 柜部分；对于冻干机可以是冻干箱内的板层，或中间流体冷却器，也可以是冷凝器内的盘管。第八节 致冷循环的类型因需求不同，冷冻机管路系统有不同的类型，常见的有单级压缩循环，双级压缩循环和二元 致冷循环（又称复叠致冷）等几种类型。 单级压缩致冷循环见图九，液态致冷剂自出液阀流出后，经膨胀阀节流后到蒸发器蒸发吸热， 蒸汽由压缩机吸入压缩后，在冷凝器内由冷却水带走热量而冷凝成液态致冷剂。 有些单级致冷压缩循环在低压管路上增加了热交换器，使进入蒸发器的致冷剂预先冷却， （如 图九所示） ，再经膨胀阀进入蒸发器蒸发吸热，以达到更好的制冷效果。 单级压缩循环利用 R-12 致冷剂一般可以达到接近－40℃的低温。 为了获得更低的温度，可以采用双级压缩致冷循环系统，使用二台压缩机串联，或由一台压 缩机组成单机双级压缩， 一般单级压缩机的压缩比可达到 8 左右， 压缩比大于 8 时就采用双级压 缩。 此情况下致冷剂蒸发的压力极小， 如果用 R-12 作致冷剂， 双级压缩可获得-65℃左右的低温。 典型的双级压缩如图十所示。 液态制冷剂经出液阀出来后分成二股， 一股经付膨胀阀节流后 进入中间冷却器蒸发吸热后直接进入高压级压缩机吸入口。 其目的是冷却另一股致冷剂， 以便提 高致冷效率，另一股致冷剂经中间冷却器预冷后到主膨胀阀，节流后在蒸发器内蒸发吸热，使致22冷剂所受的压力降低，因此，其沸点降低，在进入蒸发器时便大量吸热，增强了降低蒸发器温度 的能力。 致冷剂吸热后由液态变成汽态， 然后吸入低压级压缩机， 经压缩后再进入高压级压缩机， 二次压缩之后进入冷凝器内，在高压和冷却下变成液态，放出的热量由冷却水带走。蒸发器节流装置热交换器 吸收阀 压缩机 冷凝器 排出阀过滤器出液阀冷却水 进出口图九　单级压缩致冷循环排出阀吸入阀排出阀吸入阀高压级冷凝器 冷却水 进出口低压级蒸 发 器中 间 冷却器 节流 装置 节流 装置出液阀过滤器图十　二级压缩制冷循环制冷要求低于-70℃时，一般要求使用二元致冷循环。这时，冷冻机由二个互相独立的系统 组成，使用二种不同的致冷剂，其优点是能使每一组都能按照压力使用最适合的致冷剂，一般第 一级采用蒸发温度高的致冷剂，第二级采用蒸发温度低的致冷剂。23图十一为二元致冷循环示意图，第一级使用 R-22，第二级使用 R-13。液态 R-22 由出液阀流 出，经膨胀阀进入 R-22 的蒸发器吸收热量，然后由压缩机吸入并排入冷凝器，放出的热量由冷 却水带走。过滤器出液阀吸入阀排出阀蒸 发 器节流 装置吸入阀R-13 冷却器R-22 蒸发器压缩机 （一） 排出阀冷却器 冷却 水调节 阀门压缩机 （二） 节流 装置 R - 22 -40.8℃排出阀负 荷 调节器 膨胀容器R - 13 -81.4℃ 安全阀过滤器图十一　二元制冷循环图中，R-22（沸点-40.8℃）的蒸发器同时又是 R-13（沸点-81.4℃）的冷凝器，由于 R-22 在 蒸发器内的蒸发使蒸发器的温度降低，于是把 R-13 冷凝成液体，低温的液态 R-13，由出液阀流 出经膨胀阀到蒸发器内大量吸热，产生很低的温度，变成蒸汽由压缩机压到 R-13 的冷凝器中， 由液态 R-22 蒸发所产生的低温冷却而冷凝成液态 R-13，热量由 R-22 的蒸气带走。 R-13 的管路系统上有一个膨胀容器和负荷调节器， R-22 刚启动， 当 R-13 的冷凝器温度还未 下降或 R-22 系统发生故障时，它可防止 R-13 的压力过高而起缓冲作用。发生上述情况时，R-13 进入膨胀容器，当系统正常工作时，R-13 又从膨用容器进入管路参加循环。安全阀是当压力太 高时，把 R-13 部分放入大气，以维持系统在安全的压力范围以内。第九节 致冷剂和载冷剂致冷剂是冷冻机中的循环工质。 液态致冷剂在蒸发器中蒸发吸热后变成蒸汽， 被压缩机吸入 并压缩进入冷凝器，由空气、水或其他介质冷却而冷凝为液体，然后经贮液器再经节流装置进入 蒸发器吸热。实际上冷冻机是利用了致冷剂汽化时，吸收热量来达到致冷作用的（吸收的热量数 即是其蒸发热） ，如果冷冻机不渗漏，则致冷剂在工作中并不损失。 一般来说，容易蒸发和冷凝的物质都可用作致冷剂。致冷剂必须满足一定的要求；有高的临 界温度和低的冷凝压力；液体的汽化热要大；蒸汽的比容要小；沸点和凝固点要低；化学稳定性 要好，不与润滑油起化学反应；对人体无毒害；不易燃易爆；价格便宜等。因此能实际应用的致 冷剂并不很多，而且没有完全理想的的致冷剂。 最常用的致冷剂是氨和氟里昂类化合物。 氨是最早被使用的一种致冷剂。目前大型冷冻机中仍在广泛应用。氨的价格便宜，但氨对人24有害，能导致中毒，当空气中氨含量达到 13.1～26.8%遇明火时，有爆炸的危险。 氟里昂是目前中小型冷冻机广泛采用的一类致冷剂，大部分是甲烷和乙烷的氟、氯衍生物， 少数是溴衍生物，氟里昂类致冷剂的特点是分子量较大，压缩终点温度低，凝固点低，大多数氟 里昂无毒、无臭、不着火，与空气混合不会爆炸，对金属不腐蚀，大多数氟里昂能与润滑油以任 何比例互相溶解，但氟里昂的价格较贵，单位重量的致冷量较小，对天然橡胶有破坏作用，能溶 解多种涂漆，与火焰接触能分解出有毒的气体。当有水分存在时，在一定条件下氟里昂会发生水 解，形成一种酸性物质，腐蚀金属，并使油变污浊。 氟里昂类中最常用的是 R-12、R-22、R-13。以及混合致冷剂 R-500，R-502 等。现在致冷剂 已统一命名，以英文 refrigerant（致冷剂）的第一个字母“R”开头。 致冷剂是一类化工产品，常温下大都是气态，因此需使用钢瓶贮运，为了与其他压缩气体瓶 相区别，钢瓶上涂上标记颜色，在我国氨涂黄色，氟里昂涂银色。 钢瓶使用应注意几点：钢瓶应直立存放在阴凉通风处，远离热源，防止太阳的直晒。搬运时 要轻取轻放，防止抛掷和碰撞，使用中禁止明火加热，并保持室内空气流通。 由于某些氟里昂对大气的臭氧层有破坏作用，因此，国际协议禁止或限制使用一些氟里昂， 另一些氟利昂则继续允许使用，一些替代氟里昂的新的致冷剂正在研制之中。 载冷剂又称传热剂，传温流体或冷媒，是致冷中借以传递热量的一种介质，在冻干机中主要 用于冻干箱的间接致冷和加热，但有时也用于冷凝器的致冷和化霜。 冻干机中对载冷剂的要求是：有低的凝固点，高的沸点，对金属不腐蚀，对人无毒害，不易 燃易爆，低温下粘度小，价格便宜等。 表 1.14 表 1.15 表 1.16 表 1.17 常见致冷剂的沸点和组份 不同过渡型制冷剂的沸点与组成 常见可以长期使用制冷剂的沸点与组成 不同致冷剂在不同温度下的压力表 1.14名称 R-11 R-12 R-13 R-14 R-22 R-23 R-32 R-13B1 R-125 R-143a 沸点 23.8℃ -29.8℃ -81.4℃ -128℃ -40.8℃ -82℃ -52℃ -57.8℃ -48℃ -48℃ 组成 CCl3F CCl2F2 HClF3 CF4 HCClF2 HCF3 CH2F2 CBrF3常见致冷剂沸点和组份名称 R-134a R-290 R-404A R-500 R-502 R-503 R-507 R-717 R-718 R-744 沸点 -26℃ -42℃ -47℃ -33.3℃ -45.6℃ -89℃ -47℃ -33.4℃ 100℃ -78.5℃ 组成 CH2FCF3 C3H8 R125/R134a/143a R12/R152a R22/R115 R23/R13 R125/R143a NH3 H2O CO2CHF2CF3 CH3CF325三氯乙烯是常用的一种载冷剂， 它具有氯仿的气味， 不易燃烧， 凝固点－73℃， 沸点为 87.3℃， 20℃时的粘度为 0.58 厘泊；但三氯乙烯对人有害，能引起中毒，空气中的最大允许浓度是每升 0.05 毫克，当有水分存在时呈酸性，对金属有腐蚀作用。表 1.15名称 R22 R401A R401B R405A R409A R402A R402B R403A R403B R408A R411B不同过渡型制冷剂的沸点与组成大气压下沸点 -40.8℃ -33℃ -35℃ -27.3℃ -34℃ -47℃ -45℃ -50℃ -51℃ -44℃ -41.6℃ 组成 HCCIF2 R22/R152a/R124 R22/R152a/R124 R22/R142a/R152a/R318 R22/R142a/R124 R22/R125/R290 R22/R125/R290 R22/R218/R290 R22/R218/R290 R22/R125/R143a R22/R152a/R1270别名 DD MP39，AZ-20 MP66 G2015 FX56 HP80 HP81 69-S 69-L FX10 G2018B表 1.16 常见可以长期使用制冷剂的沸点与组成名称 R134a R125 R143a R32 R23 R404A R407A R507 R407C R410A 别名 DD DD DD DD DD HP62，FX70 Klea60 AZ50 Klea66 AZ20 大气压下沸点 -26℃ -48℃ -48℃ -52℃ -82℃ -47℃ -46℃ -47℃ -44℃ -53℃ 组成 CH2FCF3 CHF2CF3 CH3CF3 CH2F2 HCF3 R125 44%，R134a 52%，R143 4% R32 20%,，R125% 40%，R134a 40% R125 50%，R143a 50% R32 23%，R125 25%， R134a 52% R32 50%,，R125 50%一些进口冻干机使用了丁基二乙二醇和 Bayo135，丁基二乙二醇的凝固点为-68℃到-78℃左 右，沸点为 213℃，能溶于水和酒精，能着火；Bayo135 的工作温度范围是-60℃到+100℃。 最近国内研制了一种“424”冷媒，它是由 40%乙二醇，20%乙醇，40%的水配成的，凝固点 为-64℃。沸点为 98℃，比重为 1，比热为 0.75，粘度在 25℃时为 1，闪点 80℃，价格较便宜，26但 “424” 仍属易燃易爆炸品的范畴，明火可以点燃。 硅油有更大的工作温度范围，当冻干箱需用蒸汽消毒时，要用硅油，合适牌号的硅油工作范 围是-60℃～150℃，但硅油的价格很贵。 表 1.17致冷剂 温度℃ -100 -95 -90 -85 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 R-12 0.9 0.2 0.6 0.3 0.7 0.3 0.9 1.2 1.2 2.2 3.9 4.6 5.3 7.4 9. R-22 0.0 0.8 0.9 0.2 0.5 0.3 1.070 1.343 1.667 2.049 2.497 3.015 3.613 4.297 5.074 5.957 6.941 8.047 9.278 10.65 12.15 13.82 15.64 17.63 R-13 0.5 0.640 0.854 1.120 1.446 1.841 2.313 2.873 3.528 4.287 5.164 6.17 7.31 8.59 10.04 11.66 13.46 15.45 17.66 20.09 22.76 25.69 28.91 32.41 36.24 *28.8℃ 39.36 R13B1 0.6 0.8 0.2 0.4 0. 1.474 1.827 2.241 2.724 3.281 3.920 4.649 5.474 6.403 7.446 8.606 9.893 11.32 12.89 14.62 16.51 18.58 20.83 23.28 25.94 0.9 1.196 1.476 1.803 2.185 2.626 3.132 3.708 4.362 5.009 5.925 6.849 7.838 9.009 10.261 11.639 13.145 0.9 0.8 0.1 0. 1.334 1.655 2.032 2.472 2.980 3.563 4.229 4.982 5.831 6.783 7.846 9.022 10.33 11.77 13.55 15.07 16.96 19.02 R-500 R-502 R-503 0. 0. 1.628 2.078 2.620 3.267 4.030 4.927 5.966 7.166 8.539 10.103 11.868 13.858 16.069 18.535 21.262 24.268 27.564 31.167 35.084 39.334 0.3. 0.3 1. 1.940 2.410 2.966 3.619 4.379 5.529 6.271 7.427 8.741 10.225 11.895 13.765 15.850 18.165 0.5 0. 1.497 1.940 2.480 3.129 3.902 4.812 5.874 7.103 8.515 10.126 R-717 R-23不同致冷剂在不同温度下的压力（Kpa）2750 55 60 65 70 75 80 85 90 9512.386 13.368 15.481 17.216 19.096 21.125 23.290 25.620 23.107 30.77119.81 22.17 24.74 27.93 30.55 33.31 37.34 41.16 45.30 49.8028.81 31.92 35.28 38.9014.793 16.579 18.527 20.634 22.91021.25 23.67 26.28 29.10 32.1520.72726.6633.77*临界压力，临界温度 表 1.17（续表）温度℃ -40 -37.5 -35 -32.5 -30 -27.5 -25 -22.5 -20 -17.5 -15 -12.5 -10 -7.5 -5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 R134a 51.6 58.7 66.6 75.2 84.7 95.2 106.7 119.3 133.0 147.9 164.1 181.7 200.7 221.3 243.4 267.2 292.8 320.3 349.6 381.0 414.6 450.3 488.3 528.7压力均为绝对压力Kg/cm2 不同致冷剂在不同温度下的压力（Kpa）R22 104.9 117.7 131.6 146.8 163.4 181.4 200.9 222.0 244.7 269.2 295.6 323.9 354.2 386.6 421.2 458.1 497.4 539.2 583.6 630.6 680.5 733.2 788.9 847.7 28 R404A 134.6 150.5 167.8 186.6 207.1 229.2 253.1 278.9 306.7 336.5 368.5 402.8 439.5 478.7 520.4 564.9 612.2 662.4 715.6 772.0 831.6 894.7 961.2 7 139.2 155.7 173.7 193.2 214.4 237.3 261.9 288.5 317.0 347.7 380.4 415.5 452.9 492.8 535.2 580.3 628.2 679.0 732.7 789.7 849.8 913.4 980.5 1051.320.0 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.5 40.0 42.5 45.0 47.5 50.0 52.5 55.0 57.5 60.0 62.5 65.0571.6 617.1 665.3 716.2 770.1 826.9 886.8 950.0 6.3 6.8 2.4 4.1 3.0 1889.3909.7 947.9 5.8 1.1 1.7 8.7 2.9 5.5 7.4 9.9 2699.33.0 0.5 5.0 7.3 8.6 9.8 2.0 6.2 3.4 3215.94.4 4.0 1.4 8.7 6.2 7.0 2.8 5.9 8.8 3337.4第十节 水和溶液的性质1）水的组成及理化性质 水的分子由二个氢原子一个氧原子组成，化学符号是H2O。 分子量为 18。水的密度在+4℃时最大，为 1 克/厘米3，温度升高或降低时密度均减小。冰的 密度为 0.92 克/厘米3，所以冰比水轻，因为结冰时发生了体积膨胀现象。 在一个大气压下， 水的冰点是 0℃， 压力增加冰点反而下降， （增大压力大时， 不容易冻结） 。 当水的蒸汽压等于外界压力时，它就沸腾；在一个大气压下，水的沸点为 100℃。压力减小时， 沸点降低，压力增加时，沸点升高。水在不同压力时的沸点见表 1.18。 表 1.18压力（mmHg） 680 700 720 740 760 780 沸点（℃） 96.7 97.7 98.5 99.3 100 100.7不同压力下水的沸点压力（大气压） 1 2 4 6 8 10 沸点（℃） 100 120 143 158 170 18029800101.520211水的状态由温度和压力所决定，冰、水、水蒸汽的压力和温度变化关系可以用水的状态图来 表示。如图 1.12 所示，AB 线表示水的蒸汽压曲线，蒸汽压随温度增加而上升；AC 线表示冰的 熔点与压力的关系；AO 线表示冰的蒸汽压曲线，蒸汽压随温度增加而升高；A 点是冰、水、汽 的平衡点，又称三相点，在这个温度和压力时，冰、水、汽可以同时共存；它的温度为 0.01℃和 压力为 6.09mbar。从图可以看出，当压力低于 6.09mbar 时，不管温度如何变化，水不会以液态 的形式存在，只有固态和汽态二种形态。水蒸汽压（毫巴）C10 10 10 10 10 10 10 103 2 1 0熔化 液体B冻结 固态冰A 三相点-1 -2 -3 -4 -5蒸发升华蒸汽三相点说明 AB：水和水蒸汽的共存曲线 AC：冰和水的共存曲线 AO：冰和水蒸汽的共存曲线 A：三相点 温度：0.0098℃（≈0.01℃） 压力：4.579mm Hg（6.09mbar） 低于三相点压力时 温度升高，冰处于升华状态 --不会出现液态 --无蒸发及沸腾 冻干：在三相点下的升华过程O 10 -100 -80 -60 -40-20 图1.12020406080100 温度（℃）水的三相点图水蒸汽的临界温度是 374℃；临界压力是 217.7 大气压，温度降低时，水蒸汽很容易液化； 在不同的温度，水和冰均有不同的蒸汽压，温度降低时，冰和水的蒸汽压也随之降低。见表 1.19 和 1.20。 表 1.19℃ 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 毫巴 mbar 6.110 5.620 5.170 4.760 4.370 4.020 3.690 3.380 3.010 2.840 ℃ -21 -22 -23 -24 -25 -26 -27 -28 -29 -30冰在不同温度下的蒸汽压毫巴 mbar 0.940 0.850 0.770 0.700 0.630 0.570 0.520 0.470 0.420 0.370 ℃ -42 -43 -44 -45 -46 -47 -48 -49 -50 -51 毫巴 mbar 0.100 0.090 0.080 0.070 0.060 0.055 0.050 0.045 0.040 0.035 ℃ -63 -64 -65 -66 -67 -68 -69 -70 -71 -72 毫巴 mbar 0.007 0.006 0.7 0.5 0.6 0.930-10 -11 -12 -13 -14 -15 -16 -17 -18 -19 -202.560 2.380 2.170 1.980 1.810 1.650 1.510 1.370 1.250 1.140 1.030-31 -32 -33 -34 -35 -36 -37 -38 -39 -40 -410.340 0.310 0.280 0.250 0.220 0.200 0.180 0.160 0.140 0.120 0.110-52 -53 -54 -55 -56 -57 -58 -59 -60 -61 -620.030 0.025 0.023 0.021 0.018 0.016 0.014 0.012 0.011 0.009 0.008-73 -74 -75 -76 -80 -84 -88 -92 -96 -98 -1000.4 0.0 0.3 0.06 0.02 0.00001冰是热的不良导体，在不同的温度时，空气在水中的溶解度也不同，空气的溶解度随温度的 升高而降低，参见表 1.21。表 1.20 水蒸气温度与压力对照表温度（℃） 108.80 110.30 111.70 113.00 114.30 115.54 116.80 118.00 119.10 120.20 121.30 122.40 123.30 124.30 125.00 125.50 表压力（bar） 0.34 0.41 0.48 0.56 0.62 0.69 0.76 0.83 0.90 0.97 1.03 1.10 1.17 1.24 1.31 1.38 表压力（磅/英寸2） 温度（℃） 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 126 127 128 129 130 130.5 131 132 133 134 134.5 135.5 136.4 137 138 139 表压力（bar） 1.45 1.52 1.60 1.70 1.75 1.80 1.90 1.95 2.00 2.10 2.20 2.25 2.30 2.34 2.40 2.56 表压力 （磅/英寸2） 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 3631表 1.21 不同温度下空气在水中的溶解度 760 mmHg，1000ml 水中溶解空气的毫升数温度（℃） 0 2 4 6 毫升数 29.18 27.69 26.32 25.06 温度（℃） 8 10 12 14 毫升数 23.90 22.84 21.87 20.97 温度（℃） 16 18 20 22 毫升数 20.14 19.38 18.68 18.01 温度（℃） 24 26 28 30 毫升数 17.38 16.79 16.21 15.64纯水几乎不导电，当水中溶有其他物质时，导电性可能会增加。 水的结冰（冻结）过程如图十三所示；当水达到 0℃时，如果缺乏晶核，水并不结冰，温度 继续下降，仍可保持液体状态，这种现象叫做过冷现象；当水中存在一些外来物质时，这些物质 将成为水结冰的晶核， 于是水分子以晶核为核心， 以一定的排列方式开始结合成固态的晶格结构， 晶体的生长速度取决于水的过冷程度和潜热（即熔化热）去除的快慢。温度 加热0℃ 制冷 液体 冰/液体 冰时间 图1.13 水结冰及其逆向过程的温度-时间曲线在结冰过程中水的温度保持 0℃不变，待全部水结成冰之后温度才继续下降，当有过冷现象 发生时，一旦结冰开始，水将从过冷的温度突然回升到 0℃，当水全部结冰后，冰的温度继续下 降（见图 1.14） 。32温度0 过冷温度冷却介质温度 时间 图十四 过 冷 条 件 下 ， 水 冻 结 的 温 度 -时 间 曲 线2） 溶液的性质 一种物质或多种物质均匀地分布在另一种物质之中所组成的混合液称为溶液。 当气体或固体 溶解在液体中时，通常称液体为溶媒为溶剂，气体和固体为溶质；当液体与液体互相溶解时，通 常把其中含量多的成份叫溶媒或溶剂，含量少的成分叫溶质。当溶媒或溶剂是水时，便叫做水溶 液。 溶液的浓度有多种表示方式，百分浓度使用最多；当在 100 份溶液中，溶质所占的重量比就 是该溶液的百分浓度。例如 100 克氯化钠水溶液中，有 10 克氯化钠，90 克水，氯化钠溶液的浓 度即为 10%。 与单一的溶媒和溶质不同，溶液的冰点（和沸点）与溶质的种类及浓度相关，例如，氯化纳 浓度为 29%时，冰点最低，为-21.2℃，它可作为某些制冷系统冷媒（传递冷量的介质） 。又如， 氯化钙浓度为 42.7%时，冰点最低，为-55℃。 溶液的冻结过程和纯水或单一溶剂的冻结过程并不相同。 纯液体有一个固定的结冰点， 而溶 液却不一样，它不是在某一个固定温度完全凝结成固体。溶液的冻结过程比较复杂，以双组份溶 液为例（一个溶质和水） ，当溶液冷却到某一温度（冰点）时，水的冰晶开始析出，随着相变热 的去除，冰晶体的数量不断增加，温度有所下降；当达到共熔点时，溶质开始析出，此时是冰、 溶质结晶和溶液的共存体； 相变热移完全去后， 溶液才全部冻结， 从共熔点至溶液完全冻结之间， 温度保持在共熔点不变，参见图十五。 以下为实验测得的溶液冷冻过程的示意图和冷冻曲线。有溶质存在时，冰点下降。以 5%甘 露醇溶液为例（见图 1.15） ，溶液冷却到-1℃时，水开始结冰，此时能观察到冰与甘露醇溶液的 共存物；冷却到-2℃、-3℃时，冰的形成使溶液浓缩，此时，冰与甘露醇的浓缩溶液共存；最终 在-3℃下全部冻结，成了冰与甘露醇结晶的共存体。这一过程是逐渐进行的，冻结的速度与溶液 浓度、制冷速度、热传递等因素度相关。33溶质晶核冰晶核5%醇溶液 （溶液）5%醇溶液 冰+液体冰+10% 醇溶液很缓慢热量-1°热量-2°热量冰+15% 醇溶液冰和醇 共晶体-3°热量-3°热量图1.15溶液(溶质和水)的冷冻--冰点下降甘露醇溶液的冷冻过程可分为四个阶段（图 1.16） ：第 I 阶段，溶液冷却，保持原有溶液状 态；第 II 阶段，冷却到冰点时，形成小量的冰晶，冰晶与溶液共存；第 III 阶段，当冷却到共熔 点时，析出甘露醇，得到冰、甘露醇晶体和甘露醇溶液的共存体，共熔点是常数，在此冷却过程 中，温度保持不变；第 VI 阶段，溶液相变的热量完全移去后，则冻结成溶质结晶及冰组成的固 体。温度 冰点加入晶核熔点溶液溶液+冰 Ⅱ甘露醇晶 体+冰+ 溶液 Ⅲ固体 Ⅳ时间 十六 双组份溶液的冷冻曲线一般说来，溶液并不是在某一固定温度时冻结，而是在某一温度范围内冻结，冻结始于溶剂 的冰点，以共熔点为终点，在共熔点将相变热量移去后，溶液不再是溶液，而是冰和溶质晶体组34成的冻结体。溶液全部冻结的温度叫做溶液的凝固点，由于为凝固点就是熔化的起点，即在加热 时，溶质和溶液共同熔化的温度，所以又称谓共熔点。 溶液的过冷 以 1N 氯化钠为例（图 1.17）进行说明。1N 氯化钠的冰点为-3.4℃，共熔点为-21℃，在共 熔点的摩尔浓度为 5.2。冷冻过程中溶液过冷及过饱和的共性规则：通常只在平衡冰点以下 10-15℃冻结；乳糖及许多复杂有机分子，在共熔点时不会析出结晶，除非温度比共熔点低得多， 有些溶质是无定形体，它们根本没有结晶可言。溶液过冷 溶液 热量 生成冰 热量热量数秒钟 冰、氯化 钠共熔体 热量 冰、过饱 和氯化钠 热量 冰和溶液 共存体 冻结热量图1.17 溶液的过冷综上所述，溶液的冷冻是一个复杂的过程，一些溶液的冷冻曲线可能有现成的资料可查，只 需根据设备情况作适当调整。然而，许多复杂有机物溶液的冷冻过程要复杂得多，不少以动、植 物源的有机提取物，它们本身是一个大分子混合物，没有固定的熔点，因此，需要选用适当的溶 剂、混合溶剂、添加保护剂并通过试验获得好的配方和冻干工艺，以优化冻干曲线。 水是构成生命的重要物质，但水在生物系统中的分布是不均匀的，并以多种形式存在。在冻 干技术中，水以溶液或悬浮液形式存在，溶液或悬浮液冻结时，水成了冰，这部分水通常称之谓 自由水； 另有一小部分水以氢键的方式结合在一些极性基团上， 这一小部分水在极低的温度下并 不会结冰，称之谓结合水，去除这二种形式的水是冻干工艺的主要目的和使命。第十一节 冻干保护剂有些液体制品能单独进行冷冻干燥， 但也有些液体制品难以甚至不能单独冻干。 为了使那些 难以冻干或不能单独冻干的物品能够制成冻干品， 为了改善冻干产品的溶解性和稳定性， 或使冻 干产品有美观的外形，需要在处方中加入一些附加物质，它们就是冻干保护剂。 冻干保护剂有时也称悬浮介质、填充剂、赋形剂、缓冲剂和基础物等。与具有冶疗效果的佐35剂不同，冻坏保护剂无冶疗效果，它们对于冻干制品是化学隋性的。因此，在冷冻干燥的液体制 品中，除了那些有活性、有生命或有疗效的组分外，其它组分统称冻干保护剂。 保护剂的作用 1、 便于制备细菌和病毒类冻干品。 细菌和病毒类需要在特定的培养介质中生长繁殖， 且能 成功地冻干在肉汤，脱脂乳、蛋白质等培养介质中，而将细菌和病毒与培养介质分离则往往比较 困难。 2、 减少活性物质在冻干过程中的损失。有些活性物质浓度极小，干物质的量极小，在冷冻 干燥过程中，已经干燥的物质会被升华的气流带走。为了减少这种损失，可在处方中适当加入蔗 糖、乳糖脱脂乳、蛋白质及其水解物，聚乙烯吡烷酮、葡聚糖、山梨醇等填充物或赋形剂，使固 体物质的浓度控制在 4～25％之间，以此提高干物质的含量并使冻干后的产品能形成较理想的团 块。 3、 改善活性物质的冻干稳定性。 有些活性物质特别脆弱， 在冷冻和干燥时由于物理或化学 原因会受到危害，导致部分失效，因此需要加入二甲亚矾、甘油、左旋糖苷（葡聚糖） 、糖类、 聚乙烯吡咯烷酮等保护剂，以减少在冷冻和干燥中的损害。 4、 提高产品崩解温度。一些处方中加入甘露醇、甘氨酸、右旋糖苷、木糖醇，聚乙烯吡咯 烷酮等物质可以提高冻干过程中半成品的崩解温度， 使冻干容易进行， 并获得比较理想的冻干制 品。 5、 改变冻干液体制剂的酸碱度。处方中加入碳酸氢钠、氢氧化钠等保护剂后，可改变冻干 液体制剂的酸碱度并改变共熔点，利于冻干。 6、 改善产品的贮藏稳定性。处方中加入抗氧化剂类保护剂，如维生素 C、维生素 E、氨基 酸、硫代硫酸钠、硫尿等，可改变产品贮藏的稳定性，提高贮藏温度，延长产品贮藏期。 保护剂的范围相当广泛，品种繁多，不同的冻干制品并没有一个通用的配方，每种产品的适 宜保护剂需通过反复的试验才能确定。 保护剂的种类 按保护剂的化学成份可分为以下几类 a) b) c) d) e) f) g) h) 复合物：脱脂乳、明胶、蛋白质及水解物、多肽、酵母、肉汤、糊精、甲基纤维素、血 清、蛋白胨等。 糖类：蔗糖、乳糖、麦芽糖、葡萄糖、棉子糖、果糖、已糖。 盐类：硫酸钠、乳酸钙、谷氨酸钠、氯化钠、氯化钾、硫代硫酸钠、醋酸氨、氯化氨； 醇类：山梨醇、乙醇、甘油、甘露醇、肌醇、木糖醇。 酸类：柠檬酸、磷酸、酒石酸、氨基酸、乙二氨四乙酸（EDTA） 。 碱类：氢氧化钠、碳酸氢钠。 聚合物：葡聚糖、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮（PVP） 。 其他：维生素、硫尿。36第二章 冻干原理和技术 第一节 冷冻干燥的原理和优点干燥是保持物质不腐败变质的方法之一，干燥的方法有许多，如晒干、煮干、烘干、喷雾干 燥和真空干燥等，但这些干燥方法都是在 0℃以上或更高的温度下进行。干燥所得的产品一般是 体积缩小，质地变硬，有些物质发生了氧化；一些易挥发的有效成分大部分会损失掉，一些热稳 定性差的物质，如蛋白质、维生素会发生变性，微生物会失去生物活力；干燥后的物质不易在水 中溶解等。因此干燥后的产品与干燥前相比在性状上有很大的差别。 冷冻干燥法与以上干燥方法不同（图 2.1） ，产品的干燥基本上在 0℃以下的条件进行，即在 产品冻结的状态下进行，直到后期，为了进一步降低产品的残余水分含量，才让产品升到 0℃以 上，但一般不超过 60℃。架子消毒区 真空泵 冷凝器腔室℃水气 溢出真空冷凝器 水蒸气压 已干燥的固体 冻结体 μ图2.1冷冻干燥（升华干燥）冷冻干燥是把含有大量水分的物质，预先降温，冻结成固体，然后在真空的条件下通过升华 去除水分的方法。冻干后的物质剩留在冻结时的冰架中，因此外观体积不变。疏松多孔的冰在升 华过程中要吸收热量，此过程会导致本身降温并使升华速度减慢，为了提高升华速度，缩短干燥 时间，必须对产品适当加热，整个冷冻干燥是在较低的温度下进行的。 冷冻干燥有下列优点： 一、因冷冻干燥在低温下进行，蛋白质、微生物之类热稳定性差的物质在此过程中不易发生 变性或失去生物活性； 二、因干燥温度比较低，被冻干物质中一些挥发性成份损失较小； 三、在冷冻干燥过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因此能保持其原来的性状； 四、冻干过程中体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象； 五、干燥后的物质疏松多孔，呈海棉状，加水后溶解迅速而完全―复水性好； 六、由于干燥在真空下进行，氧气极少，因此一些易氧化的物质得到了保护；37七、干燥去除了 95－96％以上的水分，干燥后产品可长期保存而不致变质； 因此，冷冻干燥目前在医药工业、食品工业、科研和其他部门得到广泛应用。第二节 冻干机的组成和冻干工艺产品的冷冻干燥需要在一定装置中进行。这个装置叫做冷冻真空干燥机，简称为冻干机。 冻干机按系统分，由致冷系统、真空系统、加热系统和控制系统四个主要组成部分。按结构 分，由冻干箱（或称干燥箱） 、冷凝器（或称水汽凝集器） 、冷冻机、真空泵和阀门、电气控制元 件等组成。图 2.2 是冻干机组成示意图。 冻干箱是一个能致冷到－50℃左右、 能够加热到＋60℃左右的高低温箱体， 也是一个能抽成 真空的密闭容器，它是冻干机的主要部份。需要冻干的产品就放在箱内分层的金属板层上，对产 品进行冷冻，并在真空下加温，使产品内的水分升华而干燥。 冷凝器同样是一个真空密闭容器，它内部冷凝吸附的表面积很大，吸附面的温度能降到－ 40℃以下， 并且能恒定地维持这个低温。 冷凝器的功能是把冻干箱内升华出来的水蒸汽冻结吸附 在其金属表面上。 真空系统是产品迅速升华干燥是必不可少的系统。冻干箱、冷凝器、真空管道和阀门，真空 仪表和真空泵，组成了冻干机的真空系统。真空系统应无泄漏现象，真空泵是该系统建立真空的 重要设备。 致冷系统由冷冻机与冻干箱、 冷凝器内部的管道等组成。 冷冻机组的形式可以根据具体情况 来定，可采用相互独立的几个机组，也可以只采用一个机组。冷冻机的功能是对冻干箱和冷凝器 进行致冷，以产生和维持它们工作时所需要的低温，它有直接致冷和间接致冷二种方式。 加热系统。不同的冻干机有不同的加热方式。有的是利用直接电加热法；有的则利用中间介 质来进行加热，由一台泵使中间介质不断循环。加热系统的作用是对冻干箱内的产品进行加热， 以使产品内的水分不断升华，并达到规定的残余水分要求。除霜 放气 阀 阀 真空冷 凝器阀 真空 测量 膨胀阀 主真 空阀 冻干箱 放气 阀 真空 测量冷凝 器膨胀阀 真空泵 排出 阀膨胀 容器热交 换器电加 热器压缩 机 水冷冷凝器 循环泵 压缩 机 水冷冷凝器图2.2 冻干机组成示意图38控制系统由各种控制开关、指示调节仪表及一些自动装置等组成，有些系统比较简单，另一 些则很复杂。一般自动化程度较高的冻干机，其控制系统相当复杂。控制系统的功能是对冻干机 进行手动或自动控制，控制整个冻干工艺正常运行，以获得合格的产品。 冻干工艺 分装：在冻干之前，把需要冻干的产品分装在合适的容器内，如玻璃瓶、安瓿或不锈钢盘， 所用的容器具要尽可能一致，分装后的蒸发表面要尽量大，液体厚度则尽量薄一些；然后放入与 冻干箱尺寸相适应的金属盘内。 冻干：冻干箱可空箱降温，也可不空箱降温。分装后，将产品放入冻干箱内进行在－40℃左 右预冻，预冻务必使产品冻实，冻实后方可抽真空。要根据冷冻机的能力（降温速度）提前使冷 凝器运行，冷凝器达到－70℃左右开始抽真空。当真空度达到一定数值后（通常应达到 0.1mbar 以上的真空度） ，即可对箱内产品进行加热。一般加热分两步进行，第一步加热过程产品的温度 不得超过共熔点的温度；待产品内水分基本去除后进行第二步加温。第二步加温时，可迅速使产 品上升到规定的最高温度，在最高温度保持数小时后，即可结束冻干。 整个升华干燥的时间约 12－24 小时或更长的时间， 冻干时间的长短与产品在每瓶内的装量、 总装量、玻璃容器的形状、规格、产品的种类、冻干曲线及设备的性能等因素有关。 冻干结束后，要放干燥无菌的空气进入干燥箱，然后尽快地进行加塞封口，以防重新吸收空 气中的水分。温度℃50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 453hr 2h 4hr 14hr 一次干燥 12hr二次干燥真空控制值：250μHg + 30μHg （10μHg=1.333 pa） 二次干燥：真空不控制 必要时掺气 终点：△P&10μHg/3min 小时图2.3 冻干曲线示意图在冻干过程中，把产品和板层的温度，冷凝器温度和真空度对应时间划成的曲线，叫做冻干 曲线，一般以温度和压力（真空）为纵坐标，时间为横坐标。不同产品的冻干曲线不同，同一产 品使用不同的冻干曲线时，产品的质量会出现变化。冻干曲线还与冻干机的性能有关，因此不同 的产品、不同的冻干机应使用不同的冻干曲线。图 2.3 是冻干曲线示意图。实际产品的冻干曲线 将在冻干机及冻干程序的验证中作专题讨论。39第三节 共熔点及其测量方法需要冻干的产品，一般是预先配制成水的溶液或悬浊液，因此它的冰点与水就不相同了。水 在 0℃时才结冰，而海水却要在低于 0℃的温度才结冰，因为海水也是多种物质的水溶液，实验 数据表明，溶液的冰点低于溶媒的冰点。 另外，溶液的结冰过程与纯液体也不一样，纯液体如水在 0℃时结冰，水的温度并不下降， 直到全部水结冰后温度才下降，这说明纯液体水有一个固定的结冰点。而溶液却不一样，它不是 在某一固定温度完全凝结成固体，而是在某一温度时，晶体开始析出。随着温度的下降，晶体的 数量不断增加，直到最后，溶液才全部凝结，这就是说，溶液并不是在某一固定温度时凝结，而 是在某一温度范围内凝结。 冷却时溶液开始析出晶体的温度称为溶液的冰点， 而溶液全部凝结的 温度叫做溶液的凝固点。因为凝固点就是熔化的开始点（即熔点） ，对于溶液来说也就是溶质和 溶煤共同溶化的点，所以也称作共熔点。可见溶液的冰点与共熔点是不同的。共熔点才是溶液真 正全部凝成固体的温度。 共熔点的概念对于冷冻干燥是至关重要的，因为冻干产品可能有盐类、糖类、明胶、牛奶、 蛋白质、血球、组织、病毒、细菌等等的物质，它是一个复杂的液体，它的冻结过程肯定也是一 个复杂的过程。与溶液相似，也有一个真正全部凝结成固体的温度，即共熔点。由于冷冻干燥是 在真空状态下进行，只有产品全部冻结后才能在真空下升华，否则，有部份液体存在时在真空下 不仅会迅速蒸发，导致液体的浓缩，使冻干产品的体积缩小，而且溶解在水中的气体在真空下会 迅速冒出来，造成液体沸腾的状态，使冻干产品鼓泡、甚至溢出瓶外，这是我们所不希望的。为 此，冻干物品在升华开始时必须要冷到共熔点以下温度，使冻干物品真正全部冻结。 在冻结过程中， 通过外表观察来确定产品是否完全冻结成固体是不可能的， 靠测量温度也无 法确定产品内部的状态和变化。然而，冻干过程中随着被冻干物品状态和结构的变化，其电性能 也发生明显的变化，例如，物品全部冻结后，其电阻率将非常大。由于溶液是离子导}