网站导航
技术文章
当前位置:主页 > 技术文章 > 四环冻干机—真空冷冻干燥技术概述(三)

四环冻干机—真空冷冻干燥技术概述(三)

时间:2022-07-05 点击次数:114

1.3 真空冷冻干燥的基本工艺过程


真空冷冻干燥过程主要分为冷冻、升华干燥和解析干燥三个阶段。

真空冷冻干燥过程的第一步就是预冻结。预冻结是将物料中的自由水固化,使干燥后产品与干燥前有相同的形态,防止抽真空干燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不可逆变化产生,减少因温度下降引起的物质可溶性降低和生命特性的变化。冻结过程关键的技术参数是冻结速率、冻结温度和冻结时间,这些参数不仅影响干燥过程所需时间、能耗,还影响到产品的质量。


图片

升华干燥也称第一阶段干燥。是将冻结后的产品,通过抽真空使其冰晶直接升华成水蒸气逸出物料,从而使产品脱水干燥,升华干燥过程中还要不断加热,补充水蒸气所需的升华热。干燥是从物料外表面开始逐步向内推移的,冰晶升华后残留下的孔隙便成为升华水蒸气的逸出通道。已干燥层和冻结部分的分界面称为升华界面。当全部冰晶除去时,第一阶段干燥就完成了。

图片

解析干燥也称第二阶段干燥。在第一阶段干燥结束后,在干燥物质的毛细管壁和极性基团上还吸附有一部分水分,这些水分是未被冻结的。当它们达到一定含量,就为微生物的生长繁殖和某些化学反应提供了条件。实验证明∶即使是单分子层吸附下的低含水量,也可成为某些化合物的溶液,产生与水溶液相同的移动性和反应性。为了改善产品的贮存稳定性,延长其保存期,需要除去这些水分。这就是解析干燥的目的。由于吸附水的吸附能量高,如果不给它们提供足够高的能量,它们就不可能从吸附中解析出来。因此这个阶段产品的温度应足够高,只要控制在崩解温度以下即可。同时,为了使解析出来的水蒸气有足够高的推动力逸出产品,必须使产品内外形成较大的蒸汽压差,因此该阶段箱内必须是高真空。第二阶段干燥后,产品内残余水分的含量视产品种类和要求而定。目前终点判断方法有压力升高法、温度趋近法、称重法等。


图片

1.4 真空冷冻干燥技术的特点


这里说的冷冻干燥技术的特点,是和普通干燥、真空干燥相比较而言的。冻干的特点可以用“高、低、贵、慢"四个字来概括。这里“高"是指干燥产品的品质高,质量好,“低"是指工艺温度低,“贵"是指工艺运行费用高,“慢"是指工艺运行时间长,处理量小,效率低。

图片

首先分析一下冻干技术的优点,就是品质高、温度低这两点。其实品质高就是源自干燥温度低。通常说,冻干作业直接带来的优点有∶

物料中的蛋白质等热敏性物质不变性,生物物质不会失去生物活性。因此在生物组织、菌种保存、医药生产等领域得到广泛的应用。


挥发性成分损失很小。适合一些化学品,药品和食品的干燥。


没有变色变质、表面硬化干裂、溶质损失等现象,干燥产品质量佳、品相好。


图片

冻干作业温度低,将物料冻结成固体带来的优点有∶

干燥产品能保持物料原有形状,疏松多孔,呈海绵状,具有良好的复水性能,适用于食品加工、湿文物修护、多孔材料制备和人工骨架以及生物标本的制作等。


干燥产品能保持物料原有成分的均匀分布,粉体产品颗粒细小,比表面积大,化学活性强,适于制备粉体材料、电极材料等。

图片

以上我们说的是冻干技术的优点,下面分析冻干技术的缺点,就是“贵"和“慢"的问题。真空冷冻干燥的成本高是和其他干燥方式相比较而言,不仅比普通热风干燥、太阳能干等使用低成本热源的干燥形式“贵",就是和常规的真空干燥相比也是更“贵"。以处理单脱水量来计算,冻干法是所有干燥技术中最“贵"最“慢"的。同时冷冻干燥的设备制造或采购的成本也高。“慢"是指工艺运行时间长,处理量小,效率低。冻干技术成本高、速度慢有这样几方面原因∶

图片

首先是升华干燥阶段的能耗高,普通干燥(包括真空干燥)只需提供湿相成分的液—汽相变潜热,比如由水变为水蒸气的汽化潜热(约2500kJ/kg),而冻干过程却需要提供湿相分的固-汽相变潜热,就是由冰变成水蒸气的升华热(高于2800kJ/kg),这实际上包括了由冰变水的融化热和由水变水蒸气的汽化热。这一过程还包括物料固相成分的升温显热,其量值取决于固相成分的热特性和冻结温度。

图片

同时,在真空条件下,把那么多的热量输送到物料的升华界面成本也是很高的。真空环境本身有绝热作用,在真空中的传热形式就非常受限。而更为困难的是要在小温差下传递热量,因为我们必须保证物料的冻结层部分不融化,已干层部分不过热,所以我们需要谨慎地控制供热过程,这样,“慢"就成了较明显的特征。

图片

我们这么说,还是在“传热控制"条件下的结论,也就是我们认为整个升华过程中物料水分排出非常及时,不受水分在已干层中的传质过程约束。反之,如果物料的冻干是“传质过程"控制,就是升华出来的水蒸气在物料已干层中的输运很困难,那么我们还不敢尽力地供热,要防止物料中升华出来的水蒸气因为积存而重新凝结成液态水,导致已干层物料发生崩塌。所以冻干的升华过程普遍很慢。

图片

与升华过程相对应的另一方面是冻结过程的能耗,这包括两个环节,首先是把常温物料冻结至湿相成分的共晶点温度以下,其次是把从物料中抽出的水蒸气凝结在冷凝器盘管上。前者的有用能耗包括湿相成分的降温显热、凝结相变潜热和固相成分的降温显热;后者的有用能耗则只有水蒸气的凝华潜热。这两个过程也需要较多的能耗。需要强调的是,制冷机组供应同样量值的冷量要比供热效率更低,尤其是冷凝器盘管,是整个系统的较低温度点,温度越低,制冷系数越小,能耗越高。冻干方法的这些缺点,决定了它早期主要用于不得不用、附加值高和有*,效果的物料干燥上。一般而言,如果采用其他干燥方法能够满足产品的性能要求,就不必采用冻干工艺了。冷冻干燥技术要想持续发展,需要尽力解决“慢"和“贵"的问题。

图片


图片

四环福瑞科仪科技发展(北京)有限公司法人由原北京四环科学仪器厂有 限公司技术研发和管理负责人担任,是为客户提供专业真空冷冻干燥设备及解 决方案的服务供应商。我们秉承“以客户为中心,追求最高的客户满意度"的 服务理念,个性服务、创新设计、高效处理、可靠保障,可根据用户需求提供 和设计单个或多个符合 GMP 相关标准的冻干设备配套系统,如负压和无菌隔 离器、自动进出料及外置 CIP 等系统。 

授权生产企业:四环科仪科技发展河北有限责任公司




如果您有任何问题,请跟我们联系!

联系我们

四环福瑞科仪科技发展(北京)有限公司(www.shfrky.com)版权所有 备案号:京ICP备18008300号-3 技术支持:化工仪器网 管理登陆 sitemap.xml

地址:北京市丰台区丰台科学城恒富中街2号院1号楼4层4078

在线咨询 联系方式 二维码

服务热线

13521532932

扫一扫,关注我们