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冻干箱是一个能够致冷到-40℃左右，能够加热到+50℃左右的高低温箱，也是一个能抽成真空的密闭容器。

它是冻干机的主要部分，需要冻干的产品就放在箱内分层的金属板层上，对产品进行冷冻，并在真空下加温，使产品内的水份升华而干燥。

冷凝器同样是一个真空密闭容器，在它的内部有一个较大表面积的金属吸附面，吸附面的温度能降到-40℃以下，并且能恒定地维持这个低温。

冷凝器的功用是把冻干箱内产品升华出来的水蒸气冻结吸附在其金属表面上。

冻干箱、冷凝器、真空管道和阀门，再加上真空泵，便构成冻干机的真空系统。

真空系统要求没有漏气现象，真空泵是真空系统建立真空的重要部件。

真空系统对于产品的迅速升华干燥是必不可少的。

致冷系统由冷冻机与冻干箱、冷凝器内部的管道等组成。

冷冻机可以是互相独立的二套，也可以合用一套。

冷冻机的功用是对冻干箱和冷凝器进行致冷，以产生和维持它们工作时所需要的低温，它有直接致冷和间接致冷二种方式。

加热系统对于不同的冻干机有不同的加热方式。

有的是利用直接电加热法；

有的则利用中间介质来进行加热，由一台泵使中间介质不断循环。

加热系统的作用是对冻干箱内的产品进行加热，以使产品内的水份不断升华，并达到规定的残余水份要求。

控制系统由各种控制开关，指示调节仪表及一些自动装置等组成，它可以较为简单，也可以很复杂。

一般自动化程度较高的冻干机则控制系统较为复杂。

控制系统的功用是对冻干机进行手动或自动控制，操纵机器正常运转，以冻干出合乎要求的产品来。

冷冻干燥的程序是这样的：

在冻干之前，把需要冻干的产品分装在合适的容器内，一般是玻瓶或安瓶，装量要均匀，蒸发表面尽量大而厚度尽量薄些；

然后放入与冻干箱尺寸相适应的金属盘内。

装箱之前，先将冻干箱进行空箱降温，然后将产品放入冻干箱内进行预冻，抽真空之前要根据冷凝器冷冻机的降温速度提前使冷凝器工作，抽真空时冷凝器应达到-40℃左右的温度，待真空度达到一定数值后（通常应达到100uHg以上的真空度），即可对箱内产品进行加热。

一般加热分两步进行，第一步加温不使产品的温度超过共熔点的温度；

待产品内水份基本干完后进行第二步加温，这时可迅速地使产品上升的规定的最高温度。

在最高温度保持数小时后，即可结束冻干。

整个升华干燥的时间约12-24小时左右，与产品在每瓶内的装量，总装量，玻璃容器的形状、规格，产品的种类，冻干曲线及机器的性能等等有关。

冻干结束后，要放干燥无菌的空气进入干燥箱，然后尽快地进行加塞封口，以防重新吸收空气中的水份。

在冻干过程中，把产品和板层的温度、冷凝器温度和真空度对照时间划成曲线，叫做冻干曲线。

一般以温度为纵坐标，时间为横坐标。

冻干不同的产品采用不同的冻干曲线。

同一产品使用不同的冻干曲线时，产品的质量也不相同，冻干曲线还与冻干机的性能有关。

因此不同的产品，不同的冻干机应用不同的冻干曲线。

图十四是冻干曲线示意图（其中没有冷凝器的温度曲线和真空度曲线）。

第三节　　共溶点及其测量方法

需要冻干的产品，一般是预先配制成水的溶液或悬浊液，因此它的冰点与水就不相同了，水在0℃时结冰，而海水却要在低于0℃的温度才结冰，因为海水也是多种物质的水溶液。

实验指出溶液的冰点将低于溶媒的冰点。

另外，溶液的结冰过程与纯液体也不一样，纯液体如水在0℃时结冰，水的温度并不下降，直到全部水结冰之后温度才下降，这说明纯液体有一个固定的结冰点。

而溶液却不一样，它不是在某一固定温度完全凝结成固体，而是在某一温度时，晶体开始析出，随着温度的下降，晶体的数量不断增加，直到最后，溶液才全部凝结。

这样，溶液并不是在某一固定温度时凝结。

而是在某一温度范围内凝结，当冷却时开始析出晶体的温度称为溶液的冰点。

而溶液全部凝结的温度叫做溶液的凝固点。

因为凝固点就是融化的开始点（既熔点），对于溶液来说也就是溶质和溶媒共同熔化的点。

所以又叫做共熔点。

可见溶液的冰点与共熔点是不相同的。

共熔点才是溶液真正全部凝成固体的温度。

显然共熔点的概念对于冷冻干燥是重要的，因为冻干产品可能有盐类、糖类、明胶、蛋白质、血球、组织、病毒、细菌等等的物质。

因此它是一个复杂的液体，它的冻结过程肯定也是一个复杂的过程，与溶液相似，也有一个真正全部凝结成固体的温度。

即共熔点。

由于冷冻干燥是在真空状态下进行。

只有产品全部冻结后才能在真空下进行升华，否则有部分液体存在时，在真空下不仅会迅速蒸发，造成液体的浓缩使冻干产品的体积缩小；

而且溶解在水中的气体在真空下会迅速冒出来，造成象液体沸腾的样子，使冻干产品鼓泡，甚至冒出瓶外。

这是我们所不希望的。

为此冻干产品在升华开始时必须要冷到共熔点以下的温度，使冻干产品真正全部冻结。

在冻结过程中，从外表的观察来确定产品是否完全冻结成固体是不可能的；

靠测量温度也无法确定产品内部的结构状态。

而随着产品结构发生变化时电性能的变化是极为有用的，特别是在冻结是电阻率的测量能使我们知道冻结是在进行还是已经完成了，全部冻结后电阻率将非常大，因此溶液是离子导电。

冻结是离子将固定不能运动，因此电阻率明显增大。

而有少量液体存在时电阻率将显著下降。

因此测量产品的电阻率将能确定产品的共熔点。

正规的共熔点测量法是将一对白金电极浸入液体产品之中，并在产品中插一温度计，把它们冷却到-40℃以下的低温，然后将冻结产品慢慢升温。

用惠斯顿电桥来测量其电阻，当发生电阻突然降低时，这时的温度即为产品的共熔点。

电桥要用交流电供电，因为直流电会发生电解作用，整个过程由仪表记录。

（图十六）

也可用简单的方法来测量，如图十五所示。

用二根适当粗细而又互相绝缘的铜丝插入盛放产品的容器中，作为电极。

在铜电极附近插入一支温度计，插入深度与电极差不多，把它们一起放入冻干箱内的观察窗孔附近，并用适当方法把它们固定好，然后与其他产品一起预冻，这时我们用万用表不断地测量在降温过程中的电阻数值，根据电阻数值的变化来确定共熔点。

把电极引线通过一个开关与万用表相连，可以不分正负极。

如果冻干箱没有电线引出接头，则可以用二根细导线从箱门缝处引出，在电线附近涂些真空密封蜡，这样不致于影响真空度。

待温度计降至0℃之后即开始测量并作记录。

把万用表的转换开关放在测量电阻的最高档（×

1K或×

10K）。

由于万用表内使用的是直流电，为了防止电解作用，在每次测量完之后要把开关立即关掉，把每一次测量的温度和电阻数值一一记录下来。

开始时电阻值很小，以后逐步增高。

到某一温度时电阻突然增大，几乎是无穷大，这时的温度值便是共熔点数值。

　用这种方法测量的共熔点有一定的误差，因为铜电极处多少有些电解作用。

万用表对于高阻值没有电桥灵敏；

另外，冻结过程与熔化过程电阻的变化情况并不完全相同，但所测之值仍有实用参考价值。

共熔点的数值从0℃到40℃不等，与产品的品种、保护剂的种类和浓度有关。

一些物质的共熔点列表二十二供参考，因实际的冻干产品还有其它成份。

所以与此不相同。

第四节　　产品的预冻

产品在进行冷冻干燥时，需要装入适宜的容器，然后进行预先冻结，才能进行升华干燥。

预冻过程不仅昰为了保护物质的主要性能不变；

而且要获得冻结后产品有合理的结构以利于水份的升华；

还要有恰当的装量，以便日后的应用。

产品的分装通常有散装和瓶装二种方式。

散装可以采用金属盘，饭盒或玻璃器皿；

瓶装采用玻璃瓶和安瓿。

玻璃瓶又有血浆瓶。

疫苗瓶和青霉素小瓶等，安瓿也有平底安瓿、长安瓿和圆安瓿等；

这些需根据产品的日后使用情况来决定，瓶子还需配上合适的胶塞。

表二十二　一些物质的共熔点（℃）

物质共熔点

0.85%氯化钠溶液-22

10%蔗糖溶液-26

40%蔗糖溶液-33

10%葡萄糖溶液-27

2%明胶、10%葡萄糖溶液-32

2%明胶、10%蔗糖溶液-19

10％蔗糖溶液、10%葡萄糖溶液、0.85%氯化钠溶液-36

脱脂牛奶-26

马血清-35

各种容器在分装之前要求清洗干净并进行灭菌处理。

需要冻干的产品需配制成一定浓度的液体，为了能保证干燥后有一定的形状，物质含量在10~15%之间最佳。

产品分装到容器有一定的表面积与厚度之比。

表面积要大一些，厚度要小些。

表面积大有利于升华，产品厚度大不利于升华。

一般分装厚度不大于10mm。

有些产品需用大瓶。

并冻干较大量的产品时，可以采用旋冻的方法冻成壳状，或倾斜容器冻成斜面，以增大表面积，减小厚度。

产品的预冻方法有冻干箱内预冻法和箱外预冻法。

箱内预冻法是直接把产品放置在冻干机冻干箱内的多层搁板上，由冻干机的冷冻机来进行冷冻。

大量的小瓶和安瓿进行冻干时为了进箱和出箱方便，一般把小瓶或安瓿分装在若干金属盘内，再装进箱子。

为了改进热传递，有些金属盘制成可分离式，进箱时把底抽走，让小瓶直接与冻干箱的金属板接触；

对于不可抽低的盘子要求盘底平整，以获得产品的均一性。

采用旋冻法的大血浆瓶要事先冻好后加上导热用的金属架或块后再进行冷冻。

箱外预冻有二种方法。

有些小型冻干机没有进行预冻产品的装置。

只能利用低温冰箱或酒精加干冰来进行预冻。

另一种是专用的旋冻器，它可把大瓶的产品边旋转边冷冻成壳状结构。

然后再进入冻干箱内。

还有一种特殊的离心式预冻法，离心式冻干机就采用此法。

利用在真空下液体迅速蒸发，吸收本身的热量而冻结。

旋转的离心力防止产品中的气体溢出，使产品能“平静地”冻结成一定的形状。

转速一般为800转/分左右。

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。

目前尚无统一的理论，

但一般认为主要是由机械效应和溶质效应引起。

生物物质的冷冻过程首先是从纯水结冰开始，冰晶的生长逐步造成电解质的浓缩。

随后是低共熔混合物凝固。

最后全部变为固体。

机械效应是细胞内外冰晶生长而产生的机械力量引起的。

特别是对于有细胞膜的生命体影像较大。

一般冰晶越大，细胞膜越易破裂，从而造成细胞死亡；

冰晶小，对细胞膜的机械损伤也较小。

缓慢冷冻产生的冰晶较大，快速冷冻产生的冰晶较小；

就此而言。

快速冷冻对细胞的影响较小。

缓慢冷冻容易引起细胞的死亡。

溶质效应是由于水的冻结使间隙液体逐渐浓缩，从而使电解质的浓度增加，蛋白质对电解质是较敏感的。

电解质浓度的增加引起蛋白质的变性，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也越厉害。

溶质效应在某一温度范围最为明显。

这个温度范围在水的冰点和该液体的全部固化温度之间。

若能以较高的速度越过这一温度范围，溶质效应所产生的效果就能大大减弱。

另外冷冻时所形成的晶体大小在很大程度上也影响干燥的速率和干燥后产品的溶解速度。

大的冰晶容易升华，小的冰晶不利于升华；

但大的冰晶溶解慢，小的冰晶溶解快。

冰晶越小、干燥后越能反映产品的原来结构。

综上所述，需要有一个最优的冷却速率。

以得到最高的细胞存活率，最好的产品物理性状和溶解速度。

当然提高存活率与在产品中加入抗低温剂（保护剂之一）还有很大的关系。

列如甘油、二甲亚砜、糖类等。

这些抗低温物质能帮助产品扩大最优冷却速率的范围，以便使更多的细胞存活下来。

为了获的不同的降温速度。

就要采取不同的预冻方法；

列如有时需装箱之后才开始冻干箱的降温，有时需让机器预先降到低温，再将产品装入冻干箱内。

预冻的目的也是为了固定产品，以便在真空下进行升华。

如果没有冻实。

则抽真空时产品会冒出瓶外来，没有一定的形状；

如果冷的过低，则不仅浪费了能源和时间，而且对某些产品还会降低存活率。

因此预冻之前应确定三个数据。

其一是预冻的速率，应根据产品不同而试验出一个最优冷冻速率。

其二是预冻的最低温度，应根据改产品的共熔点来决定，预冻的最低温度应低于共熔点的温度。

其三是预冻的时间，根据机器的情况来决定，保证抽真空之前所有产品均已冻实。

不致因抽真空而冒出瓶外，冻干箱的每一板层之间，每一板层的各部分之间温差越小，则预冻的时间可以相应缩短，一般产品的温度达到预冻最低温度之后1－2小时即可开始抽真空升华。

第五节　　产品的第一阶段干躁

产品的干燥可分为二个阶段，在产品内的冻结冰消失之前称第一阶段干燥、也叫作解吸干燥阶段。

产品在升华时要吸收热量，一克冰全部变成水蒸汽大约需要吸收670卡左右的热量，因此升华阶段必须对产品进行加热。

但对产品的加热量是有限度的，不能使产品的温度超过其自身共熔点温度。

升华的产品如果低于共熔点温度过多，则升华的速率降低，升华阶段的时间会延长；

如果高于共熔点温度，则产品会发生熔化，干燥后的产品将发生体积缩小，出现气泡，颜色加深，溶解困难等现象。

因此升华阶段产品的温度要求接近共熔点温度，但又不能超过共熔点温度。

由于产品升华时，升华面不是固定的。

而是在不断的变化，并且随着升华的进行，冻结产品越来越少。

因此造成对产品温度测量的困难，利用温度计来测量均会有一定的误差。

可以利用气压测量法来确定升华时产品的温度，把冻干箱和冷凝器之间的阀门迅速地关闭1－2秒的时间（切不可太长）。

然后又迅速打开，在关闭的瞬间观察冻干箱内的压强升高情况，计下压强升高到某一点的最高数值。

从冰的不同温度的饱和蒸汽压曲线或表上可以查出相应数值，这个温度值就是升华时产品的温度。

产品的温度也能通过对升华产品的电阻的测量来推断。

如果测得产品的电阻大于共熔点时的电阻数值，则说明产品的温度低于共熔点的温度；

如果测得的电阻接近共熔点时的电阻数值，则说明产品温度已接近或达到共熔点的温度。

冷冻干燥时冻干箱内的压强，过去认为是越低越好，现在则认为不是越低越好，而是要控制在一定的范围之内。

压强低当然有利于产品内冰的升华。

但由于压强太低时对传热不利，产品不易获得热量，升华速率反而降低。

实验标明：

在冻干箱的压强低于0.1毫巴时，气体的对流传热小到可以忽略不计；

而压强大于0.1毫巴时，气体的对流传热就明显增加。

在同样的板层温度下，压强高于0.1毫巴时，产品容易获得热量，因而升华速率增加。

但是，当压强太高时，产品内冰的升华速率减慢，产品吸热量降减少。

于是产品自身的温度上升，当高于共熔点温度时，产品将发生熔化，造成冻干失败。

冻干箱的合适压强一般认为是在0.1~0.3毫巴之间，在这个压强范围内，既利于热量的传递又利于升华的进行。

超过0.3毫巴时，产品可能熔化，此时应发出真空报警信号，切断对产品的加热，甚至启动冷冻机对冻干箱进行降温，以保护产品不致发生熔化。

冻干箱内的压强是由空气的分压强和水蒸汽的分压强组成的，因此要使用能测量全压强的热真空计来测量真空度；

而不宜使用压缩式真空计，以水银为介质的压缩式真空计由于水银蒸汽有害产品应禁止使用。

1克冰在压强0.1毫巴时大约能产生10000升体积的蒸汽，为了排除大量的水蒸汽，光靠机械真空泵排除是不行的。

冷凝器作为冷却使大量水蒸汽凝结在其内部的制冷表面上，因此冷凝器实际上起着水蒸汽泵的作用。

大量水蒸汽凝结时放出的热量能使冷凝器的温度发生回升，这是正常的现象。

但由于冷凝器冷冻机的制冷能力不够，冷凝器吸附水蒸汽的表面太小，或对产品提供热量过多而产生过多的水蒸汽等原因，会引起冷凝器温度的过度回升。

当发生这种情况时。

冻干箱和冷凝器之间的水蒸汽压力差减小，从而导致升华速率的降低；

与此同时冻干机系统内水蒸汽的分压强增强，使真空度恶化，进而又引起升华速率的减慢，产品吸收热量减少，产品温度上升，致使产品发生熔化，冻干失败。

因此为了冷冻干燥出好的产品，需要保持系统内良好而稳定的真空度。

需要冷凝器始终能低于-40℃以下的低温，因为-40℃时冰的蒸汽压为0.1毫巴左右。

在升华干燥阶段，冻干箱的板层是产品热量的来源。

板层温度高，产品获得的热量就多；

板层温度低，产品获得的热量就少；

板层温度过高，产品获得过多的热量使产品发生熔化；

板层温度过低，产品得不到足够的热量会延长升华干燥时间。

因此，板层的温度应进行合理的控制。

板层温度的高低应根据产品温度、冻干箱的压强（即冻干箱的真空度）、冷凝器温度三个因素来确定。

如果在升华干燥的时候，产品的温度低于该产品的共熔点温度较多，冻干箱内的压强小于真空报警设定的压强较多，冷凝器温度也低于-40℃较多，则板层的加热温度还可以继续提高。

如果板层温度提高到某一数值之后产品的温度已接近共熔点温度，或者冻干箱的压强上升到接近真空报警的数值或者冷凝器温度回升到-40℃，则板层温度不可再继续提高，不然会出现危险的情况。

实际上升华时板层温度的高低还与冻干机的性能有关，性能较好的冻干机，板层的加热温度可以升得高一些。

升华阶段时间的长短与下列因素有关：

产品的品种：

有些产品容易干燥，有些产品不容易干燥。

一般来说，共熔点温度较高的产品容易干燥，升华的时间短些。

产品的分装厚度：

正常的干燥速率大约每小时使产品下降1毫米的厚度。

因此分装厚度大，升华时间也长。

升华时提供的热量：

升华时若提供的热量不足，则会减慢升华速率，延长升华阶段的时间。

当然热量也不能过多地提供。

冻干机本身的性能，这包括冻干机的真空性能，冷凝器的温度和效能，甚至机器构造的几何形状等，性能良好的冻干机使升华阶段的时间较短些。

在产品的第一阶段时，除了要保持冻结产品的温度不能超过共熔点以外，还要保持已干燥的产品温度不能超过崩解温度。

所谓崩解温度是对已经干燥的产品而言的。

已干燥的产品应该是疏松多乱，保持一个稳定的状态，以便下层冻结产品中升华的水蒸汽顺利通过，使全部的产品都良好的干燥。

但某些已干燥的产品当温度达到某一数值时会失去刚性，发生类似崩溃的现象，失去了疏松多乱的性质，使干燥产品有些发粘。

比重增加，颜色加深。

发生这种变化的温度就叫做崩解温度。

干燥产品发生崩解之后，阻碍或影响下层冻结产品升华的水蒸汽的通过，于是升华速度减慢冻结产品吸收热量减少，由板层继续供给的热量就有多余。

将会造成冻结产品温度上升，产品发生熔化发泡现象。

崩解温度与产品的种类和性质有关，因此应该合理的选择产品的保护剂，使崩解温度尽可能高一些，例如产品的崩解温度应高于该产品的共熔点温度。

崩解温度一般由试验来确定，通过显微冷冻干燥试验可以观察到崩解现象，从而确定崩解温度。

第六节　　产品的第二阶段干燥

一旦产品内冰升华完毕，产品的干燥变进入了第二阶段。

在该阶段虽然产品内不存在冻结冰，但产品内还存在10％左右的水份，为了使产品达到合格的残余水份含量，必须对产品进一步的干燥。

在解吸阶段，可以使产品的温度迅速地上升到该产品的最高允许温度，并在该温度一直维持到冻干结束为止。

迅速提高产品温度有利于降低产品残余水份含量和缩短解吸干燥的时间。

产品的允许温度视产品的品种而定，一般为25℃－40℃左右。

病毒性产品为25℃，细菌性产品为30℃，血清、抗菌素等可高达40℃。

在解吸干燥阶段由于产品内逸出水份的减少，冷凝器温度的下降又引起系统内水蒸汽压力的下降，这样往往使冻干箱的总压力下降到低于0.1毫巴，这就使冻干箱内对流的热传递几乎消失。

因此，即使板层的温度已加热到产品的最高允许温度，但由于传热不良，产品温度上升很缓慢。

为了改进冻干箱传热，使产品温度较快地达到最高允许温度，以缩短解吸干燥阶段时间。

要对冻干箱内的压强进行控制，控制的压强范围在0.15~0.3毫巴之间。

一般使用校正漏孔法对冻干箱内的压强进行控制。

在冻干机的真空系统上（大都在冻干箱上），安装一个人为的能校正的漏孔，由真空仪表进行控制；

当冻干箱压强下降到低于真空仪表的下限设定值时，漏孔电磁阀打开，向冻干箱放入干燥灭菌的惰性气体，于是冻干箱内的压强上升，当压强上升到真空仪表的上限设定值时漏孔电磁阀关闭，停止进气，冻干箱内压强又下降，如此使冻干箱内的压强控制在设定范围内。

压强的控制也可采用间歇开关冻干箱和冷凝器之间阀门的方法，真空泵间歇运转的方法。

以及冷凝器冷冻机间歇运转的方法等。

一旦产品温度达到许可温度之后，为了进一步降低产品内的残余水份含量，高真空的恢复是十分必要的。

这时上述控制压强的方法应停止使用。

与冻干箱恢复高真空的同时，冷凝器由于负荷减少温度下降也达到了最低的极限温度。

这样使冻干箱和冷凝器之间水蒸汽压力差达到了最大值。

这样的状况非常有利于产品内残余水份的逸出，一般应在状况不小于2小时的时间，时间越长产品内残余水份的含量越低。

解吸阶段的时间长短取决于下列因素：

产品不同，干燥的难易不同，同时产品不同，最高许可温度也不同，最高许可温度较高的产品，时间可相应短些。

残余水份的含量：

残余水份的含量要求低的产品，干燥时间较长。

产品的残余水份的含量应有利于该产品的长期存放，太高太低均不好。

应根据试验来确定。

冻干机的性能：

在解吸阶段后期能达到的真空度高，冷凝器的温度低的冻干机，其解吸干燥的时间可短些。

是否采用压强控制法：

如果采用压强控制法，则改进了传热，使产品达到最高许可温度的时间缩短，吸解干燥的时间也缩短。

最后，冻干是否可以结束是这样来确定的：

产品温度已达到最高许可温度，并在这个温度保持2小时以上的时间；

关闭冻干箱和冷凝器之间的阀门，注意观察冻干箱的压力升高情况（这时关闭的时间应长些，约30秒到60秒）。

如果冻干箱内的压力没有明显的升高，则说明干燥已基本完成，可以结束冻干。

如果压力有明显升高，则说明还有水份逸出，要延长时间继续进行干燥。

直到关闭冻干箱冷凝器之间的阀门之后无明显上升为止。

第七节　影响干燥过程的因素

冷冻干燥过程实际上是水的物质变化及其转移过程。

含有大量水份的生物制品首先冻结成固体，然后在真空状态下固态冰直接升华成水蒸汽，水蒸汽又在冷凝器内凝华成冰霜，干燥结束后冰霜熔化排出。

在冻干箱内得到了需要的冷冻干躁产品，干燥过程如图十七所示。

冻干过程有二个放热过程和二个吸收过程：

液体生物制品放出热量