Zirbus冻干机—预冻分析

     在之前的1.1和1.2中，我们介绍了真空冷冻干燥的由来、原理、共晶点概念，以及真空冷冻干燥的优点，有兴趣的朋友可以花一点时间阅读。

    在给经销商朋友的培训中，经常被何为预冻？为什么要预冻？何为原位冻干、何为原位冻干机？冷冻干燥经过的过程有哪些？

    首先，我们通过一张冷冻干燥机的冻干曲线图分析冻干过程

    上图中我们可以看到，单个冷冻干燥周期大致为24小时，整个冷冻干燥过程分为三个阶段：

l 预冻

l *阶段升华（主干燥阶段）

l 第二阶段升华（解吸附阶段）

预 冻

    可能有人会想，为什么要预冻？我们知道，真空冷冻干燥的原理是冻结的物料中的溶剂（一般为水）为状态为固态，固态的溶剂在真空条件下升华，以除去溶剂的过程，因此将带干燥物料冻结时冰升华的前提条件。根据预冻的位置我们可以分为原位冻干和非原位冻干，不论是哪个冻干机品牌，当前实验室型冻干机几乎都为非原位冻干（少数除外），言外之意是我们不能在冻干机中完成预冻；原位冻干则可以在冻干机中完成预冻。

    为什么实验室的不能原位冻干呢？实验室型冻干机由于成本原因，隔板不能降至很低温度使物料*冻结，因此一般将待干燥的物料放置于实验室低温冰箱中完成预冻。而中试冻干机或者生产型冻干机由于隔板有硅油作为制冷、加热介质，能将隔板控制在较宽的温度范围，如Zirbus冻干机可控制温度范围为-60℃~+60℃，足以完成以水为溶剂物料的预冻。

    Zirbus冻干机预冻过程不仅仅是为了保护物质的主要性能不变，而且要使冻结后的产品有合理的结构，以利于水分的升华。预冻和*阶段升华和第二阶段升华过程密切相关，预冻在一定程度上决定了干燥过程中水汽脱除的快慢和冻干产品的质量。为了提高预冻效率，制品的表面积和容器之比应尽量大些，即制品的表面积要大些，厚度宜小些。

1.1 预冻速率

    预冻根据隔板降温速率，Zirbus冻干机分为快速预冻和慢速预冻

    快速预冻：降温约10~15℃/min。快速预冻使冰晶小而均匀，对于后期水蒸汽升华扩散阻力大，即不利于升华，但后期复水性好。一般认为对于有细胞膜的生命体，冰晶越大，细胞膜越亦受冰晶挤压产生变形或者破裂，从而易造成细胞死亡；冰晶小，对细胞膜的损伤也较小。

    慢速预冻：降温约1℃/min。慢速预冻冰晶大而不规则，干燥时水蒸气扩散阻力小，有利于升华，但干燥后的复水性较差。

1.2 预冻zui低温度

    之前我们介绍了共晶点的概念，相关资料及实践证明，zui终预冻的温度必须低于共晶点温度，且至少低于共晶点温度10℃左右。如共晶点温度-29℃，则预冻的温度至少应该低于-39℃。只有使冷冻产品的zui终温度低于共晶点温度才能确保冻干物料被冻实，没有*冻实的物料会因抽真空而出现“沸腾”现象或出现其他种种弊端。

1.3 预冻时间

    预冻时间我们理解为预冻的zui低温度保持时间，大量研究证明，冷冻干燥的物料应该至少保证预冻2小时，如1.2中应至少保持-39℃的低温2小时。

    冷冻速度对细胞和生物产品的影响。冷冻会对细胞和生命体产生一定的破坏作用，其机理是非常复杂的，目前尚无统一的结论，但一般认为主要是由机械效应和溶质效应引起。

  机械效应  

    机械效应是细胞内外冰晶生长而产生机械力量引起的，特别对有细胞膜的生命体影响较大，一般冰晶越大，细胞膜越容易破裂，从而造成细胞死亡；冰晶小，对细胞膜的机械损伤较小。

    缓慢冻结产生的冰晶较大，快速冻结产的冰晶较小，就此而言，快速冻结对细胞的影响较小，慢速冻结容易引起细胞的死亡。

 溶质效应

    溶质效应是由于水的冻结使间隙液体逐渐浓缩，从而使电解质浓度增加。蛋白质对电解质比较敏感，电解质的浓度增加引起蛋白质变形而使细胞死亡；另外电解质浓度的增加会使细胞脱水而死亡。间隙液体浓度越高，上述原因引起的破坏越厉害。

     溶质效应在某一温度范围内zui为明显。以水作为溶剂为例，这个温度范围在0℃和冻干物料的共晶点中间。若能以较高的速度越过这一范围，溶质效应所产生的后果就能大大减弱。

     后期我们将介绍*阶段干燥，第二阶段干燥。