冷凍干燥是利用冰晶升華的原理，在高度真空的環(huán)境下，將已凍結(jié)了的食品物料的水分不經(jīng)過(guò)冰的融化直接從冰固體升華為蒸汽，一般真空干燥物料中的水分是在液態(tài)下轉(zhuǎn)化為汽態(tài)而將食品干制，故冷凍干燥又稱為冷凍升華干燥  。
冷凍干燥設(shè)備
其主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）干燥后的物料保持原來(lái)的化學(xué)組成和物理性質(zhì)（如多孔結(jié)構(gòu)、膠體性質(zhì)等）；（2）熱量消耗比其他干燥方法少。缺點(diǎn)是費(fèi)用較高，不能廣泛采用。用于干燥抗生素、蔬菜和水果等。
含水的生物樣品，經(jīng)過(guò)冷凍固定，在低溫高真空的條件下使樣品中的水分由冰直接升華達(dá)到干燥的目的，在干燥的過(guò)程中不受表面張力的作用，樣品不變形。
真空冷凍干燥技術(shù)是將濕物料或溶液在較低的溫度（－10℃～－50℃）下凍結(jié)成固態(tài)，然后在真空（1.3～13帕）下使其中的水分不經(jīng)液態(tài)直接升華成氣態(tài)，最終使物料脫水的干燥技術(shù)。中國(guó)是原料藥生產(chǎn)大國(guó)，因此該技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。但是，應(yīng)當(dāng)引起注意的是，真空冷凍干燥技術(shù)在我國(guó)推廣得非常迅速，相比之下，其基礎(chǔ)理論研究相對(duì)滯后、薄弱，專業(yè)技術(shù)人員也不多。并且，與氣流干燥、噴霧干燥等其他干燥技術(shù)相比，真空冷凍干燥設(shè)備投資大，能源消耗及藥品生產(chǎn)成本較高，從而限制了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，切實(shí)加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，在確保藥品質(zhì)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為真空冷凍干燥技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)前面臨的最主要的問(wèn)題。
 

原理

 語(yǔ)音
由物理學(xué)可知，水有三相，O點(diǎn)為三相共點(diǎn)，OA為冰的融解點(diǎn)。根據(jù)壓力減小、沸點(diǎn)下降的原理，只要壓力在三相點(diǎn)壓力之下（圖中壓力為 646.5Pa以下，溫度0℃以下），物料中的水分則可從水不經(jīng)過(guò)液相而直接升華為水汽。根據(jù)這個(gè)原理，就可以先將食品的濕原料凍結(jié)至冰點(diǎn)之下，使原料中的水分變?yōu)楣虘B(tài)冰，然后在適當(dāng)?shù)恼婵窄h(huán)境下，將冰直接轉(zhuǎn)化為蒸汽而除去，再用真空系統(tǒng)中的水汽凝結(jié)器將水蒸汽冷凝，從而使物料得到干燥。這種利用真空冷凍獲得干燥的方法，是水的物態(tài)變化和移動(dòng)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程發(fā)生在低溫低壓下，因此，冷凍干燥的基本原理是在低溫低壓下傳熱傳質(zhì)的機(jī)理 [2]  。
冷凍干燥不同于普通的加熱干燥，物料中的水分基本上在0℃以下的冰凍的固體表面升華而進(jìn)行干燥，物質(zhì)本身則剩留在凍結(jié)時(shí)的冰架子中，因此，干燥后的產(chǎn)品體積不變、疏松多孔。冰在升華時(shí)需要熱量，必須對(duì)物料進(jìn)行適當(dāng)加熱，并使加熱板與物料升華表面形成一定溫度梯度，以利于傳熱的順利進(jìn)行。
制品的冷凍干燥過(guò)程包括凍結(jié)、升華和再干燥3個(gè)階段。
 

凍結(jié)

先將欲凍干物料用適宜冷卻設(shè)備冷卻至2℃左右，然后置于冷至約一40℃(13．33Pa)凍干箱內(nèi)。關(guān)閉干燥箱，迅速通入制冷劑(氟里昂、氨)，使物料冷凍，并保捧攀邸h或更長(zhǎng)時(shí)間，以克服溶液的過(guò)冷現(xiàn)象，使制品凍結(jié)，即可進(jìn)行升華。
 

升華

制品的升華是在高度真空下進(jìn)行的，在壓力降低過(guò)程中，必須保持箱內(nèi)物品的冰凍狀態(tài)，以防溢出容器。待箱內(nèi)壓力降至一定程度后，再打開(kāi)羅茨真空泵(或真空擴(kuò)散泵)，壓力降到1．33Pa，一60。C以下時(shí)，冰即開(kāi)始升華，升華的水蒸氣在冷凝器內(nèi)結(jié)成冰晶。為保證冰的升華，應(yīng)開(kāi)啟加熱系統(tǒng)，將擱板加熱，不斷供給冰升華所需的熱量。
 

再干燥

水的相圖
在升華階段內(nèi)，冰大量升華，此時(shí)制品的溫度不宜超過(guò)共熔點(diǎn)，以防產(chǎn)品中產(chǎn)生僵塊或產(chǎn)品外觀上的缺損，在此階段內(nèi)擱板溫度通?？刂圃?plusmn;10℃之間。制品的再干燥階段所除去的水分為結(jié)合水分，此時(shí)固體表面的水蒸氣壓呈不同程度的降低，干燥速度明顯下降。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，在此階段內(nèi)應(yīng)適當(dāng)提高擱板溫度，以利于水分的蒸發(fā)，一般是將擱板加熱至30～35。C，實(shí)際操作應(yīng)按制品的凍干曲線(事先經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)繪制的溫度、時(shí)間、真空度曲線)進(jìn)行，直至制品溫度與擱板溫度重合達(dá)到干燥為止。
 

特點(diǎn)

 語(yǔ)音
冷凍干燥的食品與其他干燥方法比較有許多的優(yōu)點(diǎn)，主要為：
（1）限度地保存食品的色、香、味，如蔬菜的天然色素保持不變，各種芳香物質(zhì)的損失可減少到限度；冷凍干燥對(duì)保存含蛋白質(zhì)食品要比普通冷凍保存的好。
（2）對(duì)熱敏性物質(zhì)特別適合，可以使熱敏性的物料干燥后保留熱敏成分；能保存食品中的各級(jí)營(yíng)養(yǎng)成分，尤其對(duì)，能保存90%以上。
（3）在真空和低溫下操作，微生物的生長(zhǎng)和酶作用受到抑制。
（4）脫水，干制品重量輕，體積小，貯藏時(shí)占地面積少，運(yùn)輸方便；各種冷凍干燥的蔬菜經(jīng)壓塊，重量減輕顯著。由于體積減小，相應(yīng)地包裝費(fèi)用也少得多。
（5）復(fù)水快，食用方便。因?yàn)楸桓稍镂锪虾械乃质窃趦鼋Y(jié)狀態(tài)下直接蒸發(fā)的，故在干燥過(guò)程中，水汽不帶動(dòng)可溶性物質(zhì)移向物料表面，不會(huì)在物料表面沉積鹽類，即在物料表面不會(huì)形成硬質(zhì)薄皮，亦不存在因中心水分移向物料表面時(shí)對(duì)細(xì)胞或纖維產(chǎn)生的張力，不會(huì)使物料干燥后因收縮引起變形，故極易吸水恢復(fù)原狀。
（6）因在真空下操作，氧氣極少，因此，一些易氧化的物質(zhì)（如油脂類）得到保護(hù)。
（7）冷凍干燥法能排除95%～99%以上的水分，產(chǎn)品能長(zhǎng)期保存而不變質(zhì)。
 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

 語(yǔ)音
由于真空冷凍干燥在低溫、低壓下進(jìn)行，而且水分直接升華，因此賦予產(chǎn)品許多特殊的性能。如真空冷凍干燥技術(shù)對(duì)熱敏性物料亦能脫水比較，且經(jīng)干燥的藥品十分穩(wěn)定，便于長(zhǎng)時(shí)間貯存。由于物料的干燥在凍結(jié)狀態(tài)下完成，與其他干燥方法相比，物料的物理結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)變化極小，其組織結(jié)構(gòu)和外觀形態(tài)被較好地保存。在真空冷凍干燥過(guò)程中，物料不存在表面硬化問(wèn)題，且其內(nèi)部形成多孔的海綿狀，因而具有優(yōu)異的復(fù)水性，可在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)干燥前的狀態(tài)。由于干燥過(guò)程是在很低的溫度下進(jìn)行，而且基本隔絕了空氣，因此有效地抑制了熱敏性物質(zhì)發(fā)生生物、化學(xué)或物理變化，并較好地保存了原料中的活性物質(zhì)，以及保持了原料的色澤。
 

基礎(chǔ)理論

 語(yǔ)音
我國(guó)真空冷凍干燥設(shè)備趨于完善，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，該技術(shù)基礎(chǔ)理論的研究顯得滯后和薄弱，阻礙了技術(shù)應(yīng)用水平的提高。因此，研究的重點(diǎn)正向這方面轉(zhuǎn)移。研究的焦點(diǎn)集中在真空冷凍干燥的物性參數(shù)及其影響因素、過(guò)程參數(shù)、過(guò)程機(jī)理和模型、過(guò)程優(yōu)化控制等的研究。
真空冷凍干燥技術(shù)的基本參數(shù)包括物性參數(shù)和過(guò)程參數(shù)，它們是實(shí)現(xiàn)真空冷凍干燥過(guò)程的基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)的缺乏會(huì)使干燥過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)針對(duì)原料的優(yōu)化，不能充分發(fā)揮系統(tǒng)效率。物性參數(shù)指物料的導(dǎo)熱系數(shù)、傳遞系數(shù)等。這方面的研究?jī)?nèi)容包括物性參數(shù)數(shù)據(jù)的測(cè)定及測(cè)定方法，以及環(huán)境條件壓強(qiáng)、溫度、相對(duì)濕度和物料顆粒取向等對(duì)物性參數(shù)的影響。過(guò)程參數(shù)包括冷凍、供熱和物料形態(tài)等有關(guān)參數(shù)。對(duì)冷凍過(guò)程的研究意在為系統(tǒng)找到冷凍曲線。供熱過(guò)程的研究則集中在兩方面：一是對(duì)原料載體的改良；二是加熱方式(傳熱方式和供熱熱源)的選擇。確定恰當(dāng)?shù)奈锪闲螒B(tài)也是重要的研究?jī)?nèi)容，它包括原料的顆粒形態(tài)和料層厚度等。
從熱量傳遞和質(zhì)量傳遞入手研究真空冷凍干燥的機(jī)理，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，有助于找出過(guò)程的影響因素，預(yù)測(cè)時(shí)間、溫度及蒸氣壓強(qiáng)的分布狀況。研究主要限于均質(zhì)液相，并提出了一些數(shù)學(xué)模型，如冰前沿均勻退卻模型、升華模型、吸附-升華模型等。這些模型雖然對(duì)真空冷凍干燥的過(guò)程作了不同程度的描述，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在許多限制條件。過(guò)程優(yōu)化控制是建立在上述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的?？刂品桨赣钟袦?zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型和非穩(wěn)態(tài)模型之分。
 

生產(chǎn)工藝

 語(yǔ)音
由于生物制品和藥品的凍干工藝比較復(fù)雜，為保證凍干產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)能，在生產(chǎn)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制預(yù)凍溫度、升華吸熱等，使凍干過(guò)程各階段按照預(yù)先制訂的工藝路線工作。
 

保持預(yù)凍溫度

在真空冷凍干燥過(guò)程中，需要先對(duì)被干燥的藥品進(jìn)行預(yù)凍，然后在真空狀態(tài)下，使水分直接由冰變?yōu)闅舛顾幤犯稍铩Ｔ谡麄€(gè)升華階段，藥品必須保持在凍結(jié)狀態(tài)，否則就不能得到性狀良好的產(chǎn)品。在藥品預(yù)凍階段，要嚴(yán)格控制預(yù)凍溫度（通常比藥品的共熔點(diǎn)低幾度）。如果預(yù)凍溫度不夠低，則藥品可能沒(méi)有凍結(jié)，在抽真空升華時(shí)會(huì)膨脹起泡；若預(yù)凍溫度太低，不僅會(huì)增加不必要的能量消耗，而且對(duì)于某些生物藥品，會(huì)降低其凍干后的成活率。
 

關(guān)注升華吸熱

在干燥升華階段，物料需要吸收熱量（每克冰升華成水蒸氣約吸收2.8千焦耳的熱量）。如果不對(duì)藥品進(jìn)行加熱或熱量不足，則在水分在升華時(shí)會(huì)吸收藥品本身的熱量而使藥品的溫度降低，致使藥品的蒸氣壓降低，于是引起升華速度的降低，整個(gè)干燥的時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)，生產(chǎn)率下降；如果對(duì)藥品加熱過(guò)多，藥品的升華速率固然會(huì)提高，但在抵消了藥品升華所吸收的熱量之后，多余的熱量會(huì)使凍結(jié)藥品本身的溫度上升，使藥品可能出現(xiàn)局部甚至全部熔化，引起藥品的干縮起泡現(xiàn)象，整個(gè)干燥就會(huì)失敗。
 

自動(dòng)化控制

為了獲得良好的凍干藥品，一般在凍干時(shí)應(yīng)根據(jù)每種凍干機(jī)的性能和藥品的特點(diǎn)，在經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上制訂出一條凍干曲線，然后控制機(jī)器，使凍干過(guò)程各階段的溫度變化符合預(yù)先制訂的凍干曲線。真空冷凍干燥的生產(chǎn)過(guò)程控制可借助于計(jì)算機(jī)來(lái)控制生產(chǎn)系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的凍干曲線工作。如計(jì)算機(jī)對(duì)硫酸鹽的凍干過(guò)程控制可分為兩個(gè)階段：階段，在低于熔點(diǎn)的溫度下，將水分從冷凍的物料內(nèi)升華，約有98%～99%的水分均在此時(shí)被除去。第二階段，將物料溫度逐漸升到或略高于室溫，經(jīng)此階段水分可以減少到低于0.5%。此過(guò)程預(yù)凍溫度為－40℃左右，時(shí)間約兩小時(shí)。凍干藥品的干燥升華階段，物料溫度約為－30℃～－35℃，壓強(qiáng)約為4～7帕。的最終干燥溫度可升至40℃，總干燥時(shí)間約18小時(shí)。采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，有助于保證藥品符合質(zhì)量要求。