冷凍干燥原理

1、1《冷凍干燥原理》前言冷凍真空干燥也叫干燥。升華干燥或簡稱凍干。它是干燥方法之一，目的是為了貯存物品。物品之所以會(huì)損壞、腐爛、變質(zhì)，主要是由于外因和內(nèi)因二個(gè)因素引起，外因者，空氣、水、溫度、生物等的作用；內(nèi)因者，主要是生物物質(zhì)自身的新陳代謝作用。如果能使外因和內(nèi)因的作用減小到最低程度，則能達(dá)到物品在一定時(shí)間內(nèi)保持不變的目的。干燥法就是驅(qū)除物品內(nèi)部所含的水份，因?yàn)樗菔且磺猩锷L的必要條件之一。生物體水份減少到一定程度，則生物不易或不能

2、生長繁殖。因而能較長時(shí)間的貯藏保存；另外，當(dāng)有水份存在時(shí)，一些酸堿溶解其內(nèi)還會(huì)發(fā)生一些化學(xué)作用而使物品變質(zhì)。干燥的方法很多，如曬干、烘干、煮干、晾干、噴霧干燥、真空干燥、冷凍干燥等。其中唯有冷凍干燥法是保存有生命生物物質(zhì)的最理想方法。冷凍干燥之后的產(chǎn)品，進(jìn)行真空或氮?dú)夥饪冢愿艚^空氣特別是氧氣，再在低溫下存放，則水份、空氣、溫度三個(gè)因素被控制，使產(chǎn)品能在較長的時(shí)間內(nèi)得到有效的保存。冷凍干燥技術(shù)是在第2次世界大戰(zhàn)期間，因大量需要血漿和青霉

3、素而發(fā)展起來的?，F(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于化學(xué)、制藥工業(yè)、食品工業(yè)和科學(xué)研究等方面，特別是應(yīng)用于含有生物活性物質(zhì)的生物藥品方面最為普遍。我國在解放前就已使用冷凍干燥法制造疫苗，但數(shù)量極少，僅應(yīng)用于人醫(yī)，解放后我國的冷凍干燥事業(yè)得到迅速發(fā)展。1952年起開始在獸醫(yī)界應(yīng)用，并在國內(nèi)制造了一批大、中型的冷凍干燥機(jī)，現(xiàn)在全國所有的省、市自治區(qū)均有各種不同型號的冷凍干燥機(jī)。在獸醫(yī)方面，主要用于各種獸用微生物的貯存，各種獸醫(yī)生物藥品的制造，一切用于豬、牛、馬

4、、雞、鴨、鵝、兔、狗的各種預(yù)防疾病的藥品均離不開冷凍干燥機(jī)。冷凍干燥屬于邊緣科學(xué)，它涉及到物理、化學(xué)、生物學(xué)等知識(shí)，包括制冷、真空、電工、儀表等技術(shù)。因此也是一門綜合性的專業(yè)科學(xué)技術(shù)。第一章基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)物態(tài)的變化我們生活在物質(zhì)世界之中，在我們周圍的一切，如空氣、水、鐵等都是物質(zhì)，一切物質(zhì)均在不斷地發(fā)生變化。一種最常見的物質(zhì)存在形態(tài)有三種：即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。即使同一種物質(zhì)也有三種形態(tài)。例如水，在攝氏零度時(shí)結(jié)成冰變成固態(tài)，而在攝氏一百度

5、時(shí)則變成蒸汽而成氣態(tài)，在0～100℃之間則是液態(tài)，可見在一定的條件下，物質(zhì)的形態(tài)能夠互相發(fā)生轉(zhuǎn)化。物質(zhì)是由分子組成的，在物質(zhì)的三種形態(tài)變化中，物質(zhì)的本質(zhì)并沒有發(fā)生變化。物質(zhì)的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三者的主要區(qū)別在于物質(zhì)分子間的距離和作用力的大小不同，這些僅是程度上的差別，本質(zhì)上是相同的。氣態(tài)物質(zhì)分子間的距離較大。分子間的相互作用力較小，以致氣態(tài)物質(zhì)不能單獨(dú)地維持自己的形態(tài)和體結(jié)，總是充滿在容納它的物體之中，液態(tài)物質(zhì)分子間的距離較氣態(tài)小，作用力

6、較大。因此液態(tài)物質(zhì)只能單獨(dú)地保持其體積而不能保持起形狀。固態(tài)物質(zhì)分子間的距離小，作用力大，因此固態(tài)物質(zhì)能保持自己的獨(dú)立形狀和體積。物質(zhì)在發(fā)生形態(tài)的變化時(shí)，伴隨著熱量的變化。如冰熔化要加熱，水變成汽也要加熱，說明它們吸收熱量；相反，水結(jié)成冰要移去熱量，汽變成水也要移去熱量，說明它們放出熱量。一般地說，從固態(tài)變成液態(tài)，液態(tài)變成氣態(tài)，固態(tài)直接變成氣態(tài)的過程是從分子排列密，相互作用力大的狀態(tài)，變?yōu)榉肿优帕惺?，作用力小的狀態(tài)；這一過程要從外界吸取

7、熱量，而相反的過程則向外界傳遞熱量。如圖一所示。由固體變成液體的過程叫做熔化。將固體加熱，當(dāng)升高到一定的溫度時(shí)固體即變成液體。固體物質(zhì)熔化時(shí)的這個(gè)溫度稱為熔點(diǎn)，固體熔化時(shí)內(nèi)能增加，因此需要從外界吸收熱量，一些物質(zhì)的熔點(diǎn)見表一。3物質(zhì)的汽化熱見表四，單位為卡克。將蒸汽冷卻或與壓縮空氣同時(shí)進(jìn)行，使蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的過稱叫做液化。（溫度和壓力都要在小于臨界值的條件下）。單位重量的蒸汽變成同溫度的液體所移去的熱量稱為冷凝熱。冷凝時(shí)的溫度叫做冷凝溫

8、度，冷凝溫度在冷凝過程中保持不變。它與冷凝蒸汽的壓力有關(guān)。表四表四一些物質(zhì)的汽化熱一些物質(zhì)的汽化熱(卡克)物質(zhì)物質(zhì)汽化熱汽化熱物質(zhì)物質(zhì)汽化熱汽化熱水536.5氨327.3酒精酒精216.4F12F1240水銀水銀68.7F22F2256當(dāng)蒸汽遇到比該蒸汽物質(zhì)的凝固溫度低的物體時(shí)，則蒸汽不經(jīng)過液體而能直接凝固成固體而附在低溫物體的表面，叫做凝華。例如水蒸汽遇到比水的冰點(diǎn)低的物體時(shí)，它就在低溫物體的表面結(jié)成冰霜，它實(shí)際上是升華的逆過程，這一

9、過程顯然是要放出熱量的。這一現(xiàn)象在制冷和冷凍干燥中是經(jīng)常遇到的。第二節(jié)熱和溫度熱是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的形式之一。任何物質(zhì)都是有許許多多的分子所組成，而這些分子都在不停地作無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，我們稱之熱運(yùn)動(dòng)，而這些無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子所具有的能就叫做熱能。熱能的大小用溫度來表示。溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈。物體的熱能也就越多；溫度低，分子運(yùn)動(dòng)緩慢，物體的熱能就少。溫度就是表示物體熱和冷的程度，熱和冷是相對的。它們都是表示物體所含熱能的多少或溫度的高低。增加物體

10、的熱能叫做加熱；移去物體的熱能叫做制冷。溫度常用攝氏和華氏二種溫標(biāo)來表示。攝氏溫標(biāo)：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，以水的冰點(diǎn)為0，水的沸點(diǎn)為100，在0和100之間分成100等分。每一等分叫1度。這種溫標(biāo)就叫做攝氏溫標(biāo)，用符號℃表示。華氏溫標(biāo)：在大氣壓下，以水的冰點(diǎn)為32，水的沸點(diǎn)為212，在32和212之間分成180等分，每一等分叫1度，這種溫標(biāo)就叫做華氏溫標(biāo)，用符號F表示。華氏和攝氏和用下面的公式進(jìn)行換算：華氏換攝氏：℃＝59(F32)另外還有一

11、種溫標(biāo)叫開氏溫標(biāo)，以攝氏零下273.15度作為零度，開氏溫標(biāo)符號用號K表示。開氏溫標(biāo)也叫絕對溫標(biāo)；開氏零度即攝氏273.15也叫絕對零度。絕對零度是達(dá)不到的。溫度只能表示物體冷熱的程度，溫度高或者溫度低，不能從數(shù)量上來表示物體熱能的多少。因此就有熱量的概念：物體吸收或放出熱能的多少叫做熱量。計(jì)算熱量的單位是卡或千卡，千卡又叫大卡，1大卡＝1000卡?？ǖ膯挝皇沁@樣規(guī)定的：把1克水的溫度升高或降低1℃所吸收或放出的熱量規(guī)定為1卡。還有一種

12、熱量單位叫做英熱單位，它是這樣規(guī)定的：1磅水升高1F所需的熱量稱為1個(gè)英熱單位(B、T、U)，I英熱單位＝252卡。質(zhì)量相同的不同物質(zhì)溫度升高1℃時(shí)所需的熱量是不相同的，我們把單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高或降低1℃時(shí)所吸收或放出的熱量，叫做這種物質(zhì)的比熱。單位是卡克度，讀作每克每度卡，一些物質(zhì)的比熱見表五。表五表五一些物質(zhì)的比熱一些物質(zhì)的比熱(卡克度)物質(zhì)物質(zhì)比熱比熱物質(zhì)物質(zhì)比熱比熱水1銅0.091冰0.43鋼鐵鋼鐵0.11水蒸汽水蒸汽0