真空冷冻干燥机原理教程（真空冷冻干燥机的原理和曲线图）

真空冷冻干燥机（简称：冻干机）原理是利用升华原理，使预先冻结的物料中的水分，不经过冰的融化，直接以冰态升华为水蒸气被除去，从而达到干燥的目的。在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小，体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生塌陷现象，适合一些生化样品，药品和食品干燥。因此其用途主要广泛，适用于目前可见的所有产品的干燥。

真空冷冻干燥机原理图

水的性能和状态图

水的分子是由二个氢原子，一个氧原子组成的，分子式是 H 2O，分子量为 18。 在一个大气压下，水的冰点是 0℃，压力增加，冰点下降。结冰是一个放热过程，水的熔化热为 80 卡/克。在一个大气压下，水的沸点是 100℃，这时水的蒸汽压与大气压相等， 当压力减小时沸点会降低，压力增大时沸点会上升。水的汽化是一个吸热过程，水的汽化热 走 536.5 卡/克。从水的状态图中可以看到，三相点约为 0℃和 6.11 毫巴，当压力低于 6.11毫巴时，水只能以气相和固相存在，没有液相。冰的升华热约为 670 卡/克。

水的状态图

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，并且结冰时会发生体积膨胀现象。

水蒸汽的临界温度是 374℃，临界压力是 217.7 个大气压。温度降低时，水蒸气很容 易液化，在不同的温度时，水和冰均有不同的蒸汽压。

空气能溶解于水中，溶解度随温度的升高而降低。纯水几乎不导电，当水中溶有其他 物质时，导电性会明显增加。冰是热的不良导体。

溶液的冻结

溶液的冰点和沸点与溶媒和溶质都不同，它随溶质的浓度不同而有不同的冰点和沸点。以水溶液为例来说明溶液的凝结过程。水溶液的凝结与纯水不一样，它不是在某一固定 温度下完全凝结成固体，溶液温度降低到某一温度对，晶体开始析出，随着温度的降低，晶 体的数量不断增加，最后溶液全部凝结。因此溶液是在某一温度范围内凝结的，冷却时开始 析出晶体的温度称溶液的冰点，而溶液全部凝结的温度叫溶液的凝固点，是溶质和溶媒全部 结晶的温度点。在溶液的结晶过程中溶液的浓度会增加，冰点会下降，稀溶液变为浓溶液， 并逐步成为饱和溶液，温度继续降低时，由于溶解度降低，将会有溶质的晶体析出，最后成 为冰晶体和溶质晶体的共晶混合物，这时的温度就是溶液的共晶点温度。这个过程也是一个 放热过程，在冷冻曲线上也会像水结冰那样出现过冷和一个平台。

溶液的冷冻曲线

冻干产品大都数是水溶液，有些是多种成份的水溶液，有些是溶液和悬浮液的混合液。 一些成份复杂的液体在冷冻时会形成两种状态，一种是晶体状态，一种是无定形态（也称玻 璃态）。如果形成晶体状态，那末完全冻结或固化的温度叫共晶点；如果形成玻璃态，完全 冻结或固化的温度叫玻璃态转化温度。

溶液的浓度对冻干是很重要的，它能影响冻干的时间和产品的质量，浓度太高或太低 均对冻干不利。浓度太高，干燥之后干物质太多，密度大，溶解慢，干燥时会影响升华速率， 甚至发生熔化。浓度太低，干燥之后干物质太少，不能形成团块结构，产品像棉花状，甚至 会被升华气流带到容器的外边。冻干产品的浓度应该在在 4％～25％之间，以 10％～15％为 最佳。浓度的高低也会影响产品的凝固点，例如氯化钠水溶液，浓度 18.8％时，凝固点是-15℃，浓度 23％时，凝固点是-21℃。