物料保鲜、保存的魔法：冻干机的工作原理是什么
分类：冻干QA
作者：小四儿
发布时间：2024-04-17
内容导读：在全球食品、医药、生物制品等行业中，热敏感、生物活性高、营养丰富的物料怎么处理，才能保持原料的内在品质、延长保质期、确保产品复水性良好？目前这个问题已经制约了产业升级，让企业市场竞争力大大降低。以江苏某家生物制药企业为例，2024年，它们通过引进先进的冻干机设备和技术改造，其冻干生产线的能耗降低了约25%，年均节约能源成本数十万元，且显著提高了生产效率。目前，根据行业报告显示，冻干机的工艺完全符合行业对高品质、高附加值产品日益增长的需求。
一、冻干机的工作原理
1. 冻干机的预冻过程
预冻是冻干工艺的第一步，其目的是将待干燥的物料迅速降至冰点以下，使其内部的水分完全冻结成固态冰晶，有助于后续升华过程中水分的有效释放，同时最大限度地保留物料原有的微观结构和生化特性。四环冻干机采用进口压缩机单机混合制冷技术，制冷迅速，冷阱温度低，捕水能力强，让预冻过程更顺利。
预冻后的物料转移至升华干燥室，这里已形成一个高度真空的环境。在真空系统的作用下，室内压力远低于水的饱和蒸汽压，使得固态冰可以直接从固态转变为气态，即发生升华现象。加热系统提供适宜的热量，以保证物料表面的冰晶持续升华，而无需熔化成液态。四环冻干机可选配共晶点测试功能，以更好地优化升华工艺。
3. 冻干机的解吸过程
解吸（也称解析干燥或二次干燥）发生在升华干燥接近尾声时，此时物料中仍可能存在部分吸附于固体骨架或微孔内的结合水。这部分水分子与固体表面的亲和力较强，不易自发升华。为了进一步降低残留水分含量，提高干燥效率和产品稳定性，冻干机的加热系统会适当提高温度，促使这些强结合水分子脱离吸附位点，进入自由状态并最终完成升华。解吸阶段需严格控制升温速率和最终温度，以防止物料过热或发生化学反应。四环冻干机采用自动控制系统，可以实现对解吸过程的精确控制，可设定不同阶段的参数。
二、冻干机的主要设备与组件
以四环冻干机为例，其核心设备与组件主要包括：
1. 四环冻干机的冷冻系统
冷冻系统是预冻过程的关键，通常包含高效制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀和盘管式冷冻板或冷冻液循环系统。制冷剂在系统中循环，通过吸收物料热量使其迅速降温冻结。四环冻干机的冷冻板设计合理，确保物料均匀受冷，避免局部过冷或冻结不彻底的现象。
2. 四环冻干机的升华系统
升华系统由真空泵组、真空管道、干燥室、冷凝器及相关的阀门、传感器等组成。真空泵组负责抽取干燥室内的空气，创建并维持所需的真空度。冷凝器（通常配备制冷功能）用于捕捉升华过程中产生的水蒸气，防止其返回干燥室影响升华效率。传感器实时监测真空度、冷凝器温度等关键参数，确保升华过程在理想条件下进行。
3. 四环冻干机的解吸系统
解吸系统的主体为加热装置，包括电热元件、热媒循环系统或辐射加热板等。它们能在升华后期提供可控的升温，促使残余水分解吸。此外，解吸阶段可能需要更精细的温度与真空度控制策略，如采用程序控温技术，确保物料在安全温度范围内完成干燥，同时避免过度干燥导致的品质损失。
三、冻干机操作流程与注意事项
1. 四环冻干机物料准备
选择合适物料：确保物料适合冻干处理，对其含水量、热敏感性、粘度、堆密度等特性进行评估。
预处理：根据物料特性进行必要的预处理，如匀浆、分装、添加保护剂等，以优化冻干效果和复水性能。
装载：将预处理后的物料均匀放置于冻干托盘或瓶中，保证良好的传热与升华气流通道。
2. 四环冻干机操作步骤
预冻：启动冷冻系统，设定预冻温度和时间，监控物料温度，确保充分冻结。
抽真空与升华：关闭预冻系统，开启真空泵组，逐渐降低干燥室压力至升华所需真空度。启动加热系统，控制物料温度在升华温度范围内，持续监控真空度、冷凝器温度和物料温度，直至大部分冰晶升华完毕。
解吸：进入解吸阶段，按照预定程序逐步提高加热温度，同时保持合适的真空度，直至达到目标残余水分含量或达到设定的干燥终点条件。
停机与封存：关闭加热与真空系统，缓慢充入干燥惰性气体（如氮气）平衡压力，取出干燥物料，密封包装，存放在阴凉干燥处。
3. 冻干过程中的监控与调整
实时监测：借助冻干机自带的监控系统，密切关注真空度、冷凝器温度、物料温度、加热功率等参数变化，确保整个冻干过程在设定范围内运行。
异常情况处理：遇到压力波动、温度异常、冷凝器结霜严重等情况，应及时调整真空泵工作模式、加热功率或进行周期性除霜，确保冻干过程顺利进行。
终点判断：根据经验或采用在线水分检测技术，准确判断干燥终点，避免过度干燥或干燥不足。必要时进行中间取样，通过复水试验验证冻干效果。
四环冻干机等专业设备凭借其精密的预冻、升华、解吸系统，以及严谨的操作流程与监控措施，为生物制品、医药、食品、材料等多个领域的物料提供了高质量的冻干解决方案。冻干技术不仅极大地延长了物料的保质期，还保留了其原始结构、营养成分和生物活性，堪称物料保鲜与保存的现代“魔法”。
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