凍干過程中的基本概念（一）

此篇，只講最基本的“基本概念"

冷凍干燥，是一個物理化學過程。在其中，有很多基本概念。每次線下課程，這部分都是必講內容，即使面對已經有很多年工藝經驗的老師，即使時間非常緊迫，我都還是堅持把這部分內容從頭到尾梳理一遍。這部分內容是理解后面整個工藝過程的基礎。如果這部分內容都理解透徹了，后面的很多問題基本就是一點就透。

內容比較晦澀枯燥，我就一次少寫幾個，始終還是堅持大家要把這些概念都理解透徹。

看概念之前，先拋個問題。冷凍干燥是一種干燥方法，其他的方法還有

Sun                                            日光

Hot  Air  Drying                        熱空氣干燥

Filter  Drying                             過濾干燥

Centrifuge  Drying                    離心干燥

Fluid  Bed  Drying                    流化床干燥

Spray  Drying                            噴霧干燥

Vacuum  drying                         真空干燥

FREEZEDRYING            冷凍干燥

冷凍干燥，是所有干燥方法中，去除1g水，代價最昂貴的方法。

昂貴的原因是：凍干設備成本很高、凍干過程的能耗很高（有多高？這些能量都去哪兒了？）、懂凍干工藝人員非常稀缺（為什么？）

1. Freeze-Drying    冷凍干燥

也叫凍干，是一個干燥過程，濕的產品先被冷凍成固體，隨后通過將其暴露在低的水分分壓下（請注意，不是抽真空。而是將固體樣品暴露在一個低的水分分壓下），溶劑直接通過升華變為氣相，整個過程不經過液相。

通過凍干獲得的干燥產品，具有很好地“溶劑親和性"

2. WATER  水

水：水是生命的基本要素

對于絕大多數的化學尤其是生物制品來說，水是萬能溶劑。他參與生命的代謝，同時也對于其他功能負責，如食品的顏色、紋理等

但是同時，水也是存儲的產品發生變質的主要原因。相反，在沒有水的情況下，生化反應幾乎停止。

所以我們有必要降低水分含量，來實現對不穩定產品的保存。從而對其實現存儲和運輸。

對于凍干工藝來說，產品的最終水分含量和產品的質保期會有一個對應關系。所以產品的最終水分含量是凍干產品的關鍵考核指標之一。

3. Temperature  and  Heat    溫度和熱

溫度:

溫度是一個測量物質內部能量-分子運動的辦法。他反應一種物質里總熱量的可測量數據。高溫度意味著內部分子高速運動。用度來表示（攝氏度、華氏度）。

熱:

當兩個物體-分別處于不同的溫度-接觸。一個能量流動就建立起來，從高溫物體（高內部能量）到低溫物體（低內部能量）直到達到平衡。用焦耳或卡路里來表示。

在凍干工藝中，我們要深刻理解的是，熱有三種傳遞方式：傳導（板層控溫）、對流（真空度設置）、輻射（腔體的壁和門外熱量對產品的熱量傳遞）。

這三種方式共同的熱量傳遞，決定了我們最終的產品溫度。

Latent  heat  and  sensible  heat  潛熱和感熱

在熱化學里

潛熱:是指物質在發生相變化（如固體、液體或氣體）時釋放或吸收的熱量。這個詞從拉丁語的：Latere詞而來，意指“隱藏"。這個詞現在被術語“轉變焓"所取代。

感熱：是指物體改變溫度而發生的能量吸收或者釋放。

在凍干過程中我們要透徹的理解“潛熱"的概念。冷凍干燥是一個在很低的溫度下，發生大量能量傳遞的過程。這些能量主要用來使得我們的樣品發生相變，而溫度并沒有發生很大的變化。

我們用具體數據來看一下，在一個凍干過程中，要去除1g水會經歷那些相變以及對應的能耗。

1卡路里就是把1g水，溫度升高1℃所需要的能量。

由上表我們可以看出，1g水從固體融化成液體需要的能量為80卡路里（足夠改變80℃的溫度）；從液體蒸發成氣體，需要的能量為543卡路里。升華所需要的能量為兩次相變能量的總和即623卡路里。

在凍干過程中，1g水經歷的相變為以下：

預凍-升華-凝固-融化，液體進入凍干機，除霜后液體出凍干機。實際上中間經歷了6次相變（升華和凝結算兩次）。這中間的熱量交換值一共是1406卡路里（夠水改變1406℃溫度的能量）。這還沒有考慮設備的能量利用率的問題。

以上過程從原理層面解釋了，為什么凍干是一個能耗很大的過程。是去除1g水，代價最大的過程。

4. States  of  aggregation  of  matter          物質聚集態

固體分為：晶體和無定型物質

關鍵溫度及對應的數據如下表：

每次線下課程，學員對這一部分都有很多問題，所以為了理的更清楚，我又手寫了以下內容：

這樣，是否夠清楚？

因為這個基本概念非常重要，所以希望大家都能弄得很明白。

文章來源——凍干工藝之家公眾號  •  星德科 TELSTAR 凍干工藝實驗室