冻干过程中的基本概念（一）

冻干过程中的基本概念（一）

此篇，只讲最基本的“基本概念"

冷冻干燥，是一个物理化学过程。在其中，有很多基本概念。每次线下课程，这部分都是必讲内容，即使面对已经有很多年工艺经验的老师，即使时间非常紧迫，我都还是坚持把这部分内容从头到尾梳理一遍。这部分内容是理解后面整个工艺过程的基础。如果这部分内容都理解透彻了，后面的很多问题基本就是一点就透。

内容比较晦涩枯燥，我就一次少写几个，始终还是坚持大家要把这些概念都理解透彻。

看概念之前，先抛个问题。冷冻干燥是一种干燥方法，其他的方法还有

Sun                                            日光

Hot  Air  Drying                        热空气干燥

Filter  Drying                             过滤干燥

Centrifuge  Drying                    离心干燥

Fluid  Bed  Drying                    流化床干燥

Spray  Drying                            喷雾干燥

Vacuum  drying                         真空干燥

FREEZEDRYING            冷冻干燥

冷冻干燥，是所有干燥方法中，去除1g水，代价最昂贵的方法。

昂贵的原因是：冻干设备成本很高、冻干过程的能耗很高（有多高？这些能量都去哪儿了？）、懂冻干工艺人员非常稀缺（为什么？）

1. Freeze-Drying    冷冻干燥

也叫冻干，是一个干燥过程，湿的产品先被冷冻成固体，随后通过将其暴露在低的水分分压下（请注意，不是抽真空。而是将固体样品暴露在一个低的水分分压下），溶剂直接通过升华变为气相，整个过程不经过液相。

通过冻干获得的干燥产品，具有很好地“溶剂亲和性"

2. WATER  水

水：水是生命的基本要素

对于绝大多数的化学尤其是生物制品来说，水是万能溶剂。他参与生命的代谢，同时也对于其他功能负责，如食品的颜色、纹理等

但是同时，水也是存储的产品发生变质的主要原因。相反，在没有水的情况下，生化反应几乎停止。

所以我们有必要降低水分含量，来实现对不稳定产品的保存。从而对其实现存储和运输。

对于冻干工艺来说，产品的最终水分含量和产品的质保期会有一个对应关系。所以产品的最终水分含量是冻干产品的关键考核指标之一。

3. Temperature  and  Heat    温度和热

温度:

温度是一个测量物质内部能量-分子运动的办法。他反应一种物质里总热量的可测量数据。高温度意味着内部分子高速运动。用度来表示（摄氏度、华氏度）。

热:

当两个物体-分别处于不同的温度-接触。一个能量流动就建立起来，从高温物体（高内部能量）到低温物体（低内部能量）直到达到平衡。用焦耳或卡路里来表示。

在冻干工艺中，我们要深刻理解的是，热有三种传递方式：传导（板层控温）、对流（真空度设置）、辐射（腔体的壁和门外热量对产品的热量传递）。

这三种方式共同的热量传递，决定了我们最终的产品温度。

Latent  heat  and  sensible  heat  潜热和感热

在热化学里

潜热:是指物质在发生相变化（如固体、液体或气体）时释放或吸收的热量。这个词从拉丁语的：Latere词而来，意指“隐藏"。这个词现在被术语“转变焓"所取代。

感热：是指物体改变温度而发生的能量吸收或者释放。

在冻干过程中我们要透彻的理解“潜热"的概念。冷冻干燥是一个在很低的温度下，发生大量能量传递的过程。这些能量主要用来使得我们的样品发生相变，而温度并没有发生很大的变化。

我们用具体数据来看一下，在一个冻干过程中，要去除1g水会经历那些相变以及对应的能耗。

1卡路里就是把1g水，温度升高1℃所需要的能量。

由上表我们可以看出，1g水从固体融化成液体需要的能量为80卡路里（足够改变80℃的温度）；从液体蒸发成气体，需要的能量为543卡路里。升华所需要的能量为两次相变能量的总和即623卡路里。

在冻干过程中，1g水经历的相变为以下：

预冻-升华-凝固-融化，液体进入冻干机，除霜后液体出冻干机。实际上中间经历了6次相变（升华和凝结算两次）。这中间的热量交换值一共是1406卡路里（够水改变1406℃温度的能量）。这还没有考虑设备的能量利用率的问题。

以上过程从原理层面解释了，为什么冻干是一个能耗很大的过程。是去除1g水，代价最大的过程。

4. States  of  aggregation  of  matter          物质聚集态

固体分为：晶体和无定型物质

关键温度及对应的数据如下表：

每次线下课程，学员对这一部分都有很多问题，所以为了理的更清楚，我又手写了以下内容：

这样，是否够清楚？

因为这个基本概念非常重要，所以希望大家都能弄得很明白。

文章来源——冻干工艺之家公众号  •  星德科 TELSTAR 冻干工艺实验室