炎炎夏日，畅想冰冻，你知道如何提高冷冻干燥的效率吗？

瑞士步琦

2019/07/30 16:23

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冻干玫瑰一度成为网红，冻干玫瑰需要使用专业的冷冻干燥机，制作过程很长。首先将新鲜玫瑰花先冷冻到 - 40℃左右，让水分凝结成冰晶，随后冻干机抽真空，在真空环境中让冰晶直接生升华成水汽，留下的就是冻干玫瑰。冻干工艺可以很好的维持玫瑰花的形态，延长放置时间长，同时保留如花青素等营养活性成分。

如何提高冷冻干燥的效率，首先看下冻干过程原理

冷冻干燥很多时候是除去样品中的水分，下面以水的三相态为基础，简要说明冻干过程。

1. 水有三相态，水可以液体，气体和固体三种形态存在自然界中。

2. 水有三相点。如下图在三相点时，三条曲线交汇，水的液相，气相，固相三相共存

而处于平衡的状态。

3. 冷冻干燥过程，本质上是水从固相直接向气相转变，这一物理现象叫做升华。升华是一个吸热过程，1g冰转变成相应水蒸汽，大约需要吸收大约2800焦耳的能量，这也是为什么很多冷冻干燥工艺中需要设定加热温度。

冷冻干燥过程中，升华现象进行本质原因是冻干机冷阱和样品温度的差异以及由此引起的蒸汽压差。冻干机冷阱和样品温度差异越大，蒸气压差越大，越利于升华作用进行，样品干燥越快，但通常情况下 20 °C左右的差异就足够进行干燥过程。如下图所示，我们两款冷冻干燥机冷阱温度分别是-55℃或-105℃，冻干过程中维持样品在-24℃左右就可以有效进行了。

在冷冻干燥过程中，我们需要控制样品温度，使得样品干燥过程中不发生溶解，起泡，上浮，塌陷等现象，从而保证产品干燥质量。样品温度主要受加热和干燥箱体中气压作用影响。如果选择的是带加热功能的隔板，就可以进行样品的程序升温控制，优化工艺过程，您还可以选择样品温度传感器，实时在线监测样品温度。如果配置的是普通干燥隔板，样品温度主要受干燥箱体中气压影响，不同气压（真空压力）决定着不同的样品温度。下表列出了不用气压下，对应的样品温度。

很多人在使用冷冻干燥机过程中，并没有认真思考真空压力值设置多少合适，或根据前人留下的方法进行，或根本就没有关注。也有人会认为真空压力肯定是越低越好，所以打开真空泵，最大功率抽真空，这样一来冻干效率并没有太多提升，反而减少了真空泵的使用寿命。根据下面的表格，结合我们的经验，实际上冷冻干燥过程控制真空在1mbar – 0.1 mar，对大多数样品都适合了。真空值压力过低，热传导效率降低，升华会变慢；真空值过高，样品可能发生熔化或塌陷等。

样品干燥过程中，样品表层的冰首先发生升华，留下干燥样品，升华作用继续进行，剩余固体样品上的冰蒸汽会穿过干燥样品层，这是冻干样品经常成多孔状原因。因为剩余固体样品冰蒸汽要穿过已干燥样品层，所以干燥样品层越薄，表面越大，样品干燥结束的时间就越快。因此为了提高冻干的效率，可以通过增加样品的表面积来进行，可以尝试使用大直径的瓶子，也可以降低样品溶液的深度，也可以在样品预冻中采用一些办法来增加样品的表面积。很多实验室人员使用的是多歧管挂瓶型号的冷冻干燥机，那么可以尝试下图所示方法来进行：准备一套旋转蒸发仪，杜瓦瓶和干燥瓶，干冰和乙醇。样品溶液装入干燥瓶中，杜瓦瓶中放入乙醇和干冰，干燥瓶连接至旋转蒸发仪上，通过旋转的方式让样品溶液均匀快速在瓶内壁充分凝固。随后将干燥瓶从旋转蒸发仪取下，接入冷冻干燥机多歧管架上，设定真空，就可以提高干燥效率了。