凍干技術

冷凍乾燥就是把含有大量水分物質，預先進行降溫凍結成固體，然後在真空的條件下使固態水直接升華出來，而物質本身剩留在凍結時的冰架中，因此它乾燥后體積不變，疏鬆多孔在升華時要吸收熱量。引起產品本身溫度的下降而減慢升華速度，為了增加升華速度，縮短乾燥時間，必須要對產品進行適當加熱。整個乾燥是在較低的溫度下進行的。

一．冷凍乾燥在低溫下進行，因此對於許多熱敏性的物質特別適用。如蛋白質、微生物之類不會發生變性或失去生物活力。因此在醫藥上得到廣泛地應用。

二．在低溫下乾燥時，物質中的一些揮發性成分損失很小，適合一些化學產品，藥品和食品乾燥。

三．在冷凍乾燥過程中，微生物的生長和酶的作用無法進行，因此能保持原來的性狀。

四．由於在凍結的狀態下進行乾燥，因此體積幾乎不變，保持了原來的結構，不會發生濃縮現象。

五．乾燥后的物質，加水后溶解迅速而完全，幾乎立即恢復原來的性狀。

六．由於乾燥在真空下進行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質得到了保護。

七．乾燥能排除95-99%以上的水份，使乾燥后產品能長期保存而不致變質。

因此，冷凍乾燥在醫藥工業，食品工業，科研和其他部門得到廣泛的應用。

產品的冷凍乾燥需要在一定裝置中進行，這個裝置叫做真空冷凍乾燥機，簡稱凍干機。

凍干機按系統分，由製冷系統、真空系統、加熱系統、和控制系統四個主要部分組成。按結構分，由凍干箱或稱乾燥箱、冷凝器或稱水汽凝集器、冷凍機、真空泵和閥門、電氣控制元件等組成。圖十三是凍干機組成示意圖。

凍干箱是一個能夠致冷到-40℃左右，能夠加熱到+50℃左右的高低溫箱，也是一個能抽成真空的密閉容器。它是凍干機的主要部分，需要凍乾的產品就放在箱內分層的金屬板層上，對產品進行冷凍，並在真空下加溫，使產品內的水份升華而乾燥。

冷凝器同樣是一個真空密閉容器，在它的內部有一個較大表面積的金屬吸附面，吸附面的溫度能降到-40℃以下，並且能恆定地維持這個低溫。冷凝器的功用是把凍干箱內產品升華出來的水蒸氣凍結吸附在其金屬表面上。

凍干箱、冷凝器、真空管道和閥門，再加上真空泵，便構成凍干機的真空系統。真空系統要求沒有漏氣現象，真空泵是真空系統建立真空的重要部件。真空系統對於產品的迅速升華乾燥是必不可少的。

製冷系統由冷凍機與凍干箱、冷凝器內部的管道等組成。冷凍機可以是互相獨立的二套，也可以合用一套。冷凍機的功用是對凍干箱和冷凝器進行致冷，以產生和維持它們工作時所需要的低溫，它有直接製冷和間接製冷二種方式。

加熱系統對於不同的凍干機有不同的加熱方式。有的是利用直接電加熱法；有的則利用中間介質來進行加熱，由一台泵使中間介質不斷循環。加熱系統的作用是對凍干箱內的產品進行加熱，以使產品內的水份不斷升華，並達到規定的殘餘水份要求。

控制系統由各種控制開關，指示調節儀錶（見下圖）及一些自動裝置等組成，它可以較為簡單，也可以很複雜。一般自動化程度較高的凍干機則控制系統較為複雜。控制系統的功用是對凍干機進行手動或自動控制，操縱機器正常運轉，以凍干出合乎要求的產品來。

冷凍乾燥的程序是這樣的：在凍干之前，把需要凍乾的產品分裝在合適的容器內，一般是玻瓶或安瓶，裝量要均勻，蒸發表面盡量大而厚度盡量薄些；然後放入與凍干箱尺寸相適應的金屬盤內。裝箱之前，先將凍干箱進行空箱降溫，然後將產品放入凍干箱內進行預凍，抽真空之前要根據冷凝器冷凍機的降溫速度提前使冷凝器工作，抽真空時冷凝器應達到-40℃左右的溫度，待真空度達到一定數值后（通常應達到100uHg以上的真空度），即可對箱內產品進行加熱。一般加熱分兩步進行，第一步加溫不使產品的溫度超過共熔點的溫度；待產品內水份基本幹完後進行第二步加溫，這時可迅速地使產品上升的規定的最高溫度。在最高溫度保持數小時后，即可結束凍干。與產品在每瓶內的裝量，總裝量，玻璃容器的形狀、規格，產品的種類，凍干曲線及機器的性能等等有關。

凍乾結束后，要放乾燥無菌的空氣進入乾燥箱，然後儘快地進行加塞封口，以防重新吸收空氣中的水份。

在凍干過程中，把產品和板層的溫度、冷凝器溫度和真空度對照時間劃成曲線，叫做凍干曲線。一般以溫度為縱坐標，時間為橫坐標。凍干不同的產品採用不同的凍干曲線。同一產品使用不同的凍干曲線時，產品的質量也不相同，凍干曲線還與凍干機的性能有關。因此不同的產品，不同的凍干機應用不同的凍干曲線。圖十四是凍干曲線示意圖（其中沒有冷凝器的溫度曲線和真空度曲線）。

需要凍乾的產品，一般是預先配製成水的溶液或懸濁液，因此它的冰點與水就不相同了，水在0℃時結冰，而海水卻要在低於0℃的溫度才結冰，因為海水也是多種物質的水溶液。實驗指出溶液的冰點將低於溶媒的冰點。

另外，溶液的結冰過程與純液體也不一樣，純液體如水在0℃時結冰，水的溫度並不下降，直到全部水結冰之後溫度才下降，這說明純液體有一個固定的結冰點。而溶液卻不一樣，它不是在某一固定溫度完全凝結成固體，而是在某一溫度時，晶體開始析出，隨著溫度的下降，晶體的數量不斷增加，直到最後，溶液才全部凝結。這樣，溶液並不是在某一固定溫度時凝結。而是在某一溫度範圍內凝結，當冷卻時開始析出晶體的溫度稱為溶液的冰點。而溶液全部凝結的溫度叫做溶液的凝固點。因為凝固點就是融化的開始點（即熔點），對於溶液來說也就是溶質和溶媒共同熔化的點。所以又叫做共熔點。可見溶液的冰點與共熔點是不相同的。共熔點才是溶液真正全部凝成固體的溫度。

顯然共熔點的概念對於冷凍乾燥是重要的，因為凍乾產品可能有鹽類、糖類、明膠、蛋白質、血球、組織、病毒、細菌等等的物質。因此它是一個複雜的液體，它的凍結過程肯定也是一個複雜的過程，與溶液相似，也有一個真正全部凝結成固體的溫度。即共熔點。由於冷凍乾燥是在真空狀態下進行。只有產品全部凍結后才能在真空下進行升華，否則有部分液體存在時，在真空下不僅會迅速蒸發，造成液體的濃縮使凍乾產品的體積縮小；而且溶解在水中的氣體在真空下會迅速冒出來，造成象液體沸騰的樣子，使凍乾產品鼓泡，甚至冒出瓶外。這是我們所不希望的。為此凍乾產品在升華開始時必須要冷到共熔點以下的溫度，使凍乾產品真正全部凍結。

在凍結過程中，從外表的觀察來確定產品是否完全凍結成固體是不可能的；靠測量溫度也無法確定產品內部的結構狀態。而隨著產品結構發生變化時電性能的變化是極為有用的，特別是在凍結是電阻率的測量能使我們知道凍結是在進行還是已經完成了，全部凍結后電阻率將非常大，因此溶液是離子導電。凍結是離子將固定不能運動，因此電阻率明顯增大。而有少量液體存在時電阻率將顯著下降。因此測量產品的電阻率將能確定產品的共熔點。

正規的共熔點測量法是將一對白金電極浸入液體產品之中，並在產品中插一溫度計，把它們冷卻到-40℃以下的低溫，然後將凍結產品慢慢升溫。用惠斯頓電橋來測量其電阻，當發生電阻突然降低時，這時的溫度即為產品的共熔點。電橋要用交流電供電，因為直流電會發生電解作用，整個過程由儀錶記錄。（圖十六）

也可用簡單的方法來測量，如圖十五所示。用二根適當粗細而又互相絕緣的銅絲插入盛放產品的容器中，作為電極。在銅電極附近插入一支溫度計，插入深度與電極差不多，把它們一起放入凍干箱內的觀察窗孔附近，並用適當方法把它們固定好，然後與其他產品一起預凍，這時我們用萬用表不斷地測量在降溫過程中的電阻數值，根據電阻數值的變化來確定共熔點。

把電極引線通過一個開關與萬用表相連，可以不分正負極。如果凍干箱沒有電線引出接頭，則可以用二根細導線從箱門縫處引出，在電線附近塗些真空密封蠟，這樣不致於影響真空度。

待溫度計降至0℃之後即開始測量並作記錄。把萬用表的轉換開關放在測量電阻的最高檔（×1K或×10K）。由於萬用表內使用的是直流電，為了防止電解作用，在每次測量完之後要把開關立即關掉，把每一次測量的溫度和電阻數值一一記錄下來。開始時電阻值很小，以後逐步增高。到某一溫度時電阻突然增大，幾乎是無窮大，這時的溫度值便是共熔點數值。

用這種方法測量的共熔點有一定的誤差，因為銅電極處多少有些電解作用。萬用表對於高阻值沒有電橋靈敏；另外，凍結過程與熔化過程電阻的變化情況並不完全相同，但所測之值仍有實用參考價值。

共熔點的數值從0℃到-40℃不等，與產品的品種、保護劑的種類和濃度有關。一些物質的共熔點列表二十二供參考，因實際的凍乾產品還有其它成份。所以與此不相同。

產品在進行冷凍乾燥時，需要裝入適宜的容器，然後進行預先凍結，才能進行升華乾燥。預凍過程不僅昰為了保護物質的主要性能不變；而且要獲得凍結后產品有合理的結構以利於水分的升華；還要有恰當的裝量，以便日後的應用。

產品的分裝通常有散裝和瓶裝二種方式。散裝可以採用金屬盤，飯盒或玻璃器皿；瓶裝採用玻璃瓶和安瓿。玻璃瓶又有血漿瓶。疫苗瓶和青霉素小瓶等，安瓿也有平底安瓿、長安瓿和圓安瓿等；這些需根據產品的日後使用情況來決定，瓶子還需配上合適的膠塞。

表二十二 一些物質的共熔點（℃）

物質 共熔點

0.85%氯化鈉溶液 -22

10%蔗糖溶液 -26

40%蔗糖溶液 -33

10%葡萄糖溶液 -27

2%明膠、10%葡萄糖溶液 -32

2%明膠、10%蔗糖溶液 -19

10%蔗糖溶液、10%葡萄糖溶液、0.85%氯化鈉溶液 -36

脫脂牛奶 -26

馬血清 -35

各種容器在分裝之前要求清洗乾淨並進行滅菌處理。

需要凍乾的產品需配製成一定濃度的液體，為了能保證乾燥後有一定的形狀，物質含量在10~15%之間最佳。

產品分裝到容器有一定的表面積與厚度之比。表面積要大一些，厚度要小些。表面積大有利於升華，產品厚度大不利於升華。一般分裝厚度不大於10mm。有些產品需用大瓶。並凍干較大量的產品時，可以採用旋凍的方法凍成殼狀，或傾斜容器凍成斜面，以增大表面積，減小厚度。

產品的預凍方法有凍干箱內預凍法和箱外預凍法。

箱內預凍法是直接把產品放置在凍干機凍干箱內的多層擱板上，由凍干機的冷凍機來進行冷凍。大量的小瓶和安瓿進行凍干時為了進箱和出箱方便，一般把小瓶或安瓿分裝在若干金屬盤內，再裝進箱子。為了改進熱傳遞，有些金屬盤製成可分離式，進箱時把底抽走，讓小瓶直接與凍干箱的金屬板接觸；對於不可抽低的盤子要求盤底平整，以獲得產品的均一性。採用旋凍法的大血漿瓶要事先凍好后加上導熱用的金屬架或塊后再進行冷凍。

箱外預凍有二種方法。有些小型凍干機沒有進行預凍產品的裝置。只能利用低溫冰箱或酒精加乾冰來進行預凍。另一種是專用的旋凍器，它可把大瓶的產品邊旋轉邊冷凍成殼狀結構。然後再進入凍干箱內。

還有一種特殊的離心式預凍法，離心式凍干機就採用此法。利用在真空下液體迅速蒸發，吸收本身的熱量而凍結。旋轉的離心力防止產品中的氣體溢出，使產品能“平靜地”凍結成一定的形狀。

轉速一般為800轉/分左右。

冷凍會對細胞和生命體產生一定的破壞作用，其機理是非常複雜的。尚無統一的理論，

但一般認為主要是由機械效應和溶質效應引起。

生物物質的冷凍過程首先是從純水結冰開始，冰晶的生長逐步造成電解質的濃縮。隨後是低共熔混合物凝固。最後全部變為固體。

機械效應是細胞內外冰晶生長而產生的機械力量引起的。特別是對於有細胞膜的生命體影像較大。一般冰晶越大，細胞膜越易破裂，從而造成細胞死亡；冰晶小，對細胞膜的機械損傷也較小。

緩慢冷凍產生的冰晶較大，快速冷凍產生的冰晶較小；就此而言。快速冷凍對細胞的影響較小。緩慢冷凍容易引起細胞的死亡。

溶質效應是由於水的凍結使間隙液體逐漸濃縮，從而使電解質的濃度增加，蛋白質對電解質是較敏感的。電解質濃度的增加引起蛋白質的變性，而使細胞死亡；另外電解質濃度的增加會使細胞脫水而死亡。間隙液體濃度越高。上述原因引起的破壞也越厲害。溶質效應在某一溫度範圍最為明顯。這個溫度範圍在水的冰點和該液體的全部固化溫度之間。若能以較高的速度越過這一溫度範圍，溶質效應所產生的效果就能大大減弱。

另外冷凍時所形成的晶體大小在很大程度上也影響乾燥的速率和乾燥后產品的溶解速度。大的冰晶容易升華，小的冰晶不利於升華；但大的冰晶溶解慢，小的冰晶溶解快。冰晶越小、乾燥后越能反映產品的原來結構。

綜上所述，需要有一個最優的冷卻速率。以得到最高的細胞存活率，最好的產品物理性狀和溶解速度。當然提高存活率與在產品中加入抗低溫劑（保護劑之一）還有很大的關係。列如甘油、二甲亞碸、糖類等。這些抗低溫物質能幫助產品擴大最優冷卻速率的範圍，以便使更多的細胞存活下來。

為了獲的不同的降溫速度。就要採取不同的預凍方法；列如有時需裝箱之後才開始凍干箱的降溫，有時需讓機器預先降到低溫，再將產品裝入凍干箱內。

預凍的目的也是為了固定產品，以便在真空下進行升華。如果沒有凍實。則抽真空時產品會冒出瓶外來，沒有一定的形狀；如果冷的過低，則不僅浪費了能源和時間，而且對某些產品還會降低存活率。

因此預凍之前應確定三個數據。其一是預凍的速率，應根據產品不同而試驗出一個最優冷凍速率。其二是預凍的最低溫度，應根據改產品的共熔點來決定，預凍的最低溫度應低於共熔點的溫度。其三是預凍的時間，根據機器的情況來決定，保證抽真空之前所有產品均已凍實。不致因抽真空而冒出瓶外，凍干箱的每一板層之間，每一板層的各部分之間溫差越小，則預凍的時間可以相應縮短，一般產品的溫度達到預凍最低溫度之後1－2小時即可開始抽真空升華。

產品的乾燥可分為二個階段，在產品內的凍結冰消失之前稱第一階段乾燥、也叫作升華乾燥階段。

產品在升華時要吸收熱量，一克冰全部變成水蒸汽大約需要吸收670卡左右的熱量，因此升華階段必須對產品進行加熱。但對產品的加熱量是有限度的，不能使產品的溫度超過其自身共熔點溫度。升華的產品如果低於共熔點溫度過多，則升華的速率降低，升華階段的時間會延長；如果高於共熔點溫度，則產品會發生熔化，乾燥后的產品將發生體積縮小，出現氣泡，顏色加深，溶解困難等現象。因此升華階段產品的溫度要求接近共熔點溫度，但又不能超過共熔點溫度。

由於產品升華時，升華面不是固定的。而是在不斷的變化，並且隨著升華的進行，凍結產品越來越少。因此造成對產品溫度測量的困難，利用溫度計來測量均會有一定的誤差。

可以利用氣壓測量法來確定升華時產品的溫度，把凍干箱和冷凝器之間的閥門迅速地關閉1－2秒的時間（切不可太長）。然後又迅速打開，在關閉的瞬間觀察凍干箱內的壓強升高情況，計下壓強升高到某一點的最高數值。從冰的不同溫度的飽和蒸汽壓曲線或表上可以查出相應數值，這個溫度值就是升華時產品的溫度。

產品的溫度也能通過對升華產品的電阻的測量來推斷。如果測得產品的電阻大於共熔點時的電阻數值，則說明產品的溫度低於共熔點的溫度；如果測得的電阻接近共熔點時的電阻數值，則說明產品溫度已接近或達到共熔點的溫度。

冷凍乾燥時凍干箱內的壓強，過去認為是越低越好，則認為不是越低越好，而是要控制在一定的範圍之內。

壓強低當然有利於產品內冰的升華。但由於壓強太低時對傳熱不利，產品不易獲得熱量，升華速率反而降低。實驗標明：在凍干箱的壓強低於0.1毫巴時，氣體的對流傳熱小到可以忽略不計；而壓強大於0.1毫巴時，氣體的對流傳熱就明顯增加。在同樣的板層溫度下，壓強高於0.1毫巴時，產品容易獲得熱量，因而升華速率增加。

但是，當壓強太高時，產品內冰的升華速率減慢，產品吸熱量降減少。於是產品自身的溫度上升，當高於共熔點溫度時，產品將發生熔化，造成凍干失敗。

凍干箱的合適壓強一般認為是在0.1~0.3毫巴之間，在這個壓強範圍內，既利於熱量的傳遞又利於升華的進行。超過0.3毫巴時，產品可能熔化，此時應發出真空報警信號，切斷對產品的加熱，甚至啟動冷凍機對凍干箱進行降溫，以保護產品不致發生熔化。

凍干箱內的壓強是由空氣的分壓強和水蒸汽的分壓強組成的，因此要使用能測量全壓強的熱真空計來測量真空度；而不宜使用壓縮式真空計，以水銀為介質的壓縮式真空計由於水銀蒸汽有害產品應禁止使用。

1克冰在壓強0.1毫巴時大約能產生10000升體積的蒸汽，為了排除大量的水蒸汽，光靠機械真空泵排除是不行的。冷凝器作為冷卻使大量水蒸汽凝結在其內部的製冷表面上，因此冷凝器實際上起著水蒸汽泵的作用。大量水蒸汽凝結時放出的熱量能使冷凝器的溫度發生回升，這是正常的現象。但由於冷凝器冷凍機的製冷能力不夠，冷凝器吸附水蒸汽的表面太小，或對產品提供熱量過多而產生過多的水蒸汽等原因，會引起冷凝器溫度的過度回升。當發生這種情況時。凍干箱和冷凝器之間的水蒸汽壓力差減小，從而導致升華速率的降低；與此同時凍干機系統內水蒸汽的分壓強增強，使真空度惡化，進而又引起升華速率的減慢，產品吸收熱量減少，產品溫度上升，致使產品發生熔化，凍干失敗。

因此為了冷凍乾燥出好的產品，需要保持系統內良好而穩定的真空度。需要冷凝器始終能低於-40℃以下的低溫，因為-40℃時冰的蒸汽壓為0.1毫巴左右。

在升華乾燥階段，凍干箱的板層是產品熱量的來源。板層溫度高，產品獲得的熱量就多；板層溫度低，產品獲得的熱量就少；板層溫度過高，產品獲得過多的熱量使產品發生熔化；板層溫度過低，產品得不到足夠的熱量會延長升華乾燥時間。因此，板層的溫度應進行合理的控制。

板層溫度的高低應根據產品溫度、凍干箱的壓強（即凍干箱的真空度）、冷凝器溫度三個因素來確定。如果在升華乾燥的時候，產品的溫度低於該產品的共熔點溫度較多，凍干箱內的壓強小於真空報警設定的壓強較多，冷凝器溫度也低於-40℃較多，則板層的加熱溫度還可以繼續提高。如果板層溫度提高到某一數值之後產品的溫度已接近共熔點溫度，或者凍干箱的壓強上升到接近真空報警的數值或者冷凝器溫度回升到-40℃，則板層溫度不可再繼續提高，不然會出現危險的情況。

實際上升華時板層溫度的高低還與凍干機的性能有關，性能較好的凍干機，板層的加熱溫度可以升得高一些。

升華階段時間的長短與下列因素有關：

產品的品種：有些產品容易乾燥，有些產品不容易乾燥。一般來說，共熔點溫度較高的產品容易乾燥，升華的時間短些。

產品的分裝厚度：正常的乾燥速率大約每小時使產品下降1毫米的厚度。因此分裝厚度大，升華時間也長。

升華時提供的熱量：升華時若提供的熱量不足，則會減慢升華速率，延長升華階段的時間。當然熱量也不能過多地提供。

凍干機本身的性能，這包括凍干機的真空性能，冷凝器的溫度和效能，甚至機器構造的幾何形狀等，性能良好的凍干機使升華階段的時間較短些。

在產品的第一階段時，除了要保持凍結產品的溫度不能超過共熔點以外，還要保持已乾燥的產品溫度不能超過崩解溫度。

所謂崩解溫度是對已經乾燥的產品而言的。已乾燥的產品應該是疏鬆多亂，保持一個穩定的狀態，以便下層凍結產品中升華的水蒸汽順利通過，使全部的產品都良好的乾燥。

但某些已乾燥的產品當溫度達到某一數值時會失去剛性，發生類似崩潰的現象，失去了疏鬆多亂的性質，使乾燥產品有些發粘。比重增加，顏色加深。發生這種變化的溫度就叫做崩解溫度。

乾燥產品發生崩解之後，阻礙或影響下層凍結產品升華的水蒸汽的通過，於是升華速度減慢凍結產品吸收熱量減少，由板層繼續供給的熱量就有多餘。將會造成凍結產品溫度上升，產品發生熔化發泡現象。

崩解溫度與產品的種類和性質有關，因此應該合理的選擇產品的保護劑，使崩解溫度儘可能高一些，例如產品的崩解溫度應高於該產品的共熔點溫度。

崩解溫度一般由試驗來確定，通過顯微冷凍乾燥試驗可以觀察到崩解現象，從而確定崩解溫度。

一旦產品內冰升華完畢，產品的乾燥變進入了第二階段。在該階段雖然產品內不存在凍結冰，但產品內還存在10%左右的水份，為了使產品達到合格的殘餘水份含量，必須對產品進一步的乾燥。

在解吸階段，可以使產品的溫度迅速地上升到該產品的最高允許溫度，並在該溫度一直維持到凍乾結束為止。迅速提高產品溫度有利於降低產品殘餘水份含量和縮短解吸乾燥的時間。產品的允許溫度視產品的品種而定，一般為25℃－40℃左右。病毒性產品為25℃，細菌性產品為30℃，血清、抗菌素等可高達40℃。

在解吸乾燥階段由於產品內逸出水份的減少，冷凝器溫度的下降又引起系統內水蒸汽壓力的下降，這樣往往使凍干箱的總壓力下降到低於0.1毫巴，這就使凍干箱內對流的熱傳遞幾乎消失。因此，即使板層的溫度已加熱到產品的最高允許溫度，但由於傳熱不良，產品溫度上升很緩慢。

為了改進凍干箱傳熱，使產品溫度較快地達到最高允許溫度，以縮短解吸乾燥階段時間。要對凍干箱內的壓強進行控制，控制的壓強範圍在0.15~0.3毫巴之間。一般使用校正漏孔法對凍干箱內的壓強進行控制。在凍干機的真空系統上（大都在凍干箱上），安裝一個人為的能校正的漏孔，由真空儀錶進行控制；當凍干箱壓強下降到低於真空儀錶的下限設定值時，漏孔電磁閥打開，向凍干箱放入乾燥滅菌的惰性氣體，於是凍干箱內的壓強上升，當壓強上升到真空儀錶的上限設定值時漏孔電磁閥關閉，停止進氣，凍干箱內壓強又下降，如此使凍干箱內的壓強控制在設定範圍內。

壓強的控制也可採用間歇開關凍干箱和冷凝器之間閥門的方法，真空泵間歇運轉的方法。以及冷凝器冷凍機間歇運轉的方法等。

一旦產品溫度達到許可溫度之後，為了進一步降低產品內的殘餘水份含量，高真空的恢復是十分必要的。這時上述控制壓強的方法應停止使用。與凍干箱恢復高真空的同時，冷凝器由於負荷減少溫度下降也達到了最低的極限溫度。這樣使凍干箱和冷凝器之間水蒸汽壓力差達到了最大值。這樣的狀況非常有利於產品內殘餘水份的逸出，一般應在狀況不小於2小時的時間，時間越長產品內殘餘水份的含量越低。

解吸階段的時間長短取決於下列因素：

產品的品種：產品不同，乾燥的難易不同，同時產品不同，最高許可溫度也不同，最高許可溫度較高的產品，時間可相應短些。

殘餘水份的含量：殘餘水份的含量要求低的產品，乾燥時間較長。產品的殘餘水份的含量應有利於該產品的長期存放，太高太低均不好。應根據試驗來確定。

凍干機的性能：在解吸階段後期能達到的真空度高，冷凝器的溫度低的凍干機，其解吸乾燥的時間可短些。

是否採用壓強控制法：如果採用壓強控制法，則改進了傳熱，使產品達到最高許可溫度的時間縮短，吸解乾燥的時間也縮短。

最後，凍干是否可以結束是這樣來確定的：產品溫度已達到最高許可溫度，並在這個溫度保持2小時以上的時間；關閉凍干箱和冷凝器之間的閥門，注意觀察凍干箱的壓力升高情況（這時關閉的時間應長些，約30秒到60秒）。如果凍干箱內的壓力沒有明顯的升高，則說明乾燥已基本完成，可以結束凍干。如果壓力有明顯升高，則說明還有水份逸出，要延長時間繼續進行乾燥。直到關閉凍干箱冷凝器之間的閥門之後無明顯上升為止。

冷凍乾燥過程實際上是水的物質變化及其轉移過程。含有大量水份的生物製品首先凍結成固體，然後在真空狀態下固態冰直接升華成水蒸汽，水蒸汽又在冷凝器內凝華成冰霜，乾燥結束后冰霜熔化排出。在凍干箱內得到了需要的冷凍乾燥產品，乾燥過程如圖十七所示。

凍干過程有二個放熱過程和二個吸收過程：液體生物製品放出熱量凝固成固體生物製品，固體生物製品在真空下吸收熱量升華成水蒸汽。水蒸汽在冷凝器中放出熱量凝華成冰霜，凍乾結束后冰霜在冷凝器中吸收熱量熔化成水。

整個凍干過程中進行著熱量質量的傳遞現象。熱量的傳遞貫穿冷凍乾燥的全過程中。預凍階段：乾燥的第一階段和第二階段以及化霜階段均進行著熱量的傳遞；質量的傳遞僅在乾燥階段進行，凍干箱製品中產生的水蒸汽到冷凝器內凝華成冰霜的過程，實際上也是質量傳遞的過程，只有發生了質量的傳遞產品才能獲得乾燥。在乾燥階段，熱的傳遞是為了促進質的傳遞，改善熱的傳遞也能改善質的傳遞。

如果在產品的升華過程中不提供熱量，那麼產品由於升華吸收自身的熱量使溫度下降，升華速率也逐漸下降，直到產品溫度相等於冷凝器的表面溫度，乾燥便停止進行，這時從凍結產品到冷凝器表面的水蒸汽分子數與從冷凝器表面返回到凍結產品的水蒸汽分子數相等，凍干箱與冷凝器之間的水蒸汽壓力等於零，達到平衡狀態。

不如果一個外界熱量加到凍結產品上，這個平衡狀態被破壞，凍結產品的溫度就高於冷凝器表面的溫度，凍干箱和冷凝器之間便產生了水蒸汽壓力差。形成了從凍干箱流向冷凝器的水蒸汽流。由於冷凝器製冷的表面凝華水蒸汽為冰霜，使冷凝器內的水蒸汽不斷地被吸附掉，冷凝器內便保持較低的蒸汽壓力；而凍干箱內流走的水蒸汽又不斷被產品中發生的水蒸汽得到補充，維持凍干箱內較高的水蒸汽壓力。這一過程的不斷進行，使產品不斷得到了乾燥。

升華首先從產品的表面開始，在乾燥進行了一段時間之後，在凍結產品上面形成了一層已乾燥的產品，產生了乾燥產品與凍結產品之間的交界面。交界面隨著乾燥的進行不斷下降，直到升華完畢交界面消失。當產生了交界面之後，水分子要穿越這層已乾燥的產品才能進入空間；水分子跑出交界面之後，進入已經乾燥產品的某一間隔內。以後可能還要穿過許多這樣的間隔后，才能從產品的縫隙進入空間。也可以經過一些轉折又回到凍結產品之中，乾燥產品內的間隔有時象迷宮一樣。

當水分子跑出產品表面以後，它的運動路徑還很曲折。可能與玻璃瓶壁碰撞，可能凍干機的金屬板壁碰撞，也經常發生水分子之間的相互碰撞，然後進入冷凝器內。當水分子與冷凝器的製冷表面發生碰撞時，由於該表面的溫度很低，低溫表面吸收了水分子的能量，這樣水分子便失去了動能，使其沒有能量再離開冷凝器的製冷表面，於是水分子被“捕獲”了。大量水分子捕獲后在冷凝器表面形成一層冰霜，這樣就降低了系統內的水蒸汽壓力。使凍干箱的水蒸汽不斷的流向冷凝器。隨著時間的延長，凍干箱內不斷對產品進行加熱以及冷凝器的持久工作，產品逐漸得到了乾燥。

乾燥的速率與凍干箱和冷凝器之間的水蒸汽壓力差成正比，與水蒸汽流動的阻力成反比。水蒸汽壓力差越大，流動的阻力越小，則乾燥的速率越快。水蒸汽的壓力差取決與冷凝器的有效溫度和產品溫度的溫度差。因此要儘可能地降低冷凝器的有效溫度和最大限度地提高產品的溫度。

水蒸汽的流動阻力來自以下幾個方面：

產品內部的阻力，水分子通過已經乾燥的產品層的阻力。這個阻力的大小與乾燥層的結構與產品的種類、成份、濃度、保護劑等有關。

容器的阻力，容器的阻力主來自瓶口之處，因為瓶口的截面較小，瓶口處可能還有某些物品。例如：帶槽的橡皮塞、紗布等，瓶口截面大，則阻力小。

機器本身的阻力。主要是凍干箱與冷凝器之間管道的阻力，管道粗、短、直則阻力小。另外阻力還與凍干箱的結構和幾何形狀有關。

提高凍干箱內產品的溫度，能增加凍干箱內與水蒸汽壓力，加速水蒸汽流向冷凝器，加快質的傳遞，增加乾燥速率。但是提高產品的溫度是有一定限度的，不能使產品溫度超過共熔點的溫度。

降低冷凝器的溫度。也就降低了冷凝器內水蒸汽的壓力，也能加速水蒸汽從凍干箱流向冷凝器。同樣能加快質的傳遞，提高幹燥速率。但是更多的降低冷凝器的溫度需增加投資和運行費用。

減少水蒸汽的流動阻力也能加快質的傳遞，提高幹燥速率。減小產品的分裝厚度；合理的設計瓶、塞、減少瓶口阻力；合理的設計凍干機，減少機器的管道阻力；選擇合適的濃度和保護劑，使乾燥產品的結構疏鬆多亂，減少乾燥層的阻力；試驗最優的預凍方法，造成有利於升華的冰晶結構等。這些方法均能促進質的傳遞，提高幹燥速率。

生物製品的冷凍乾燥產品，需要有一定的物理形態；均勻的顏色、合格的殘餘水份含量、良好的溶解性、高的存活率或效價、長的保存期。因此，不僅要對制苗過程和凍干后的密封保存進行控制。更重要的是對冷凍乾燥過程的每一階段的各參數進行全面的控制，才能得到優質的產品。凍干曲線和時序就是進行冷凍乾燥過程式控制制的基本依據。

凍干曲線和時序不僅是手工操作凍干機的依據，而且也是自動控制凍干機操作的依據。例如，利用凸輪法和滾筒法進行凍干機的自動控制時，凸輪和滾筒的刻劃依據就是凍干曲線和時序，在用微處理機對凍干機進行控制時，操作程序的編製依據也是凍干曲線和時序，按照微機的一定要求把凍干曲線和時序用操作鍵盤輸入微機的貯存器內。

凍干曲線是凍干箱板層溫度與時間之間的關係曲線。一般以溫度為縱坐標，時間為橫坐標。它反映了在凍干過程中，不同時間板層溫度的變化情況。

凍干時序是在凍干過程中不同時間，各種設備的啟閉運行情況。

制定凍干曲線以板層為依據是因為產品溫度是受板層溫度支配的。控制了板層溫度也就控制了產品溫度。

產品的品種：產品不同則共熔點亦不同，共熔點低的產品要求預凍的溫度低；加熱時板層的溫度亦相應要低些。有些產品受冷凍的影響較大，有些產品則影響較小；一般細菌性的產品受冷凍的影響較大，病毒性的產品受冷凍的影響較小。要根據試驗找出一個產品的最優冷凍速率，以獲得高質量的產品和較短的冷凍乾燥時間。另外產品不同，對殘餘水份的要求也不同。為了長期保存產品，有些產品要求殘餘水份含量低些。有些則要求高些。殘餘水份含量要求低的產品，凍干時間需長些。殘餘水份含量要求高的產品，凍干時間可縮短。

裝量的多少也影響著凍干曲線的制定。一個是總裝量的多少，一個是每一容器內產品裝量的多少。裝量多的凍干時間也長。

容器的品種也是需要考慮的因素，底部平整和較清潔的瓶子傳熱較好。底部不平或玻璃厚的瓶子傳熱較差，後者顯然凍干時間較長。

凍干機性能的優劣直接關係到凍干曲線的制定，凍干機有各種不同的型號，因此它們的性能也各不相同。有些機器的性能好，例如板層之間，每板層的各部分之間溫差小；冷凝器的溫度低，冰負荷能力大；凍干箱與冷凝器之間的水蒸汽流動阻力小；真空泵抽速快，真空度好而穩定。有些機器則差一些。因此儘管是同一產品。當用不同型號的凍干機進行凍干時，曲線也是不一樣的，照搬其它型號機器的凍干曲線不一定能凍出好的產品來。

預凍速度

預凍速度大部分機器不能進行控制，因此只能以預凍溫度和裝箱時間來決定預凍的速率，要求預凍的速率快，則凍干箱先降至降低的溫度，然後才讓產品進箱；要求預凍的速率慢，則產品進箱之後在讓凍干箱降溫。

預凍的最低溫度

這個溫度取決於產品的共熔點溫度，預凍最低溫度應低於該產品的共熔點溫度。

預凍的時間

產品裝量多，使用的容器底厚而不平整，不是把產品直接放在凍干箱板層上凍干，凍干箱冷凍機能力差，每一板層之間以及每一板層的個部分之間溫差大的機器，則要求預凍時間長些。為了使箱內每一瓶產品全部凍實，一般要求在樣品的溫度達到預定的最低溫度之後再保持1－2小時的時間。

冷凝器降溫的時間

冷凝器要求在預凍末期，預凍尚未結束，抽真空之前開始降溫。之前多少時間要由冷凝器機器的降溫性能來決定。要求在預凍結束抽真空的時候，冷凝器的溫度要達到-40℃左右。好的機器一般之前半小時開始降溫。

冷凝器的降溫通常從開始之後一直持續到凍乾結束為止。溫度始終應在-40℃以下。

抽真空時間

預凍結束就是開始抽真空的時間，要求在半小時左右的時間真空度能達到1×10-4毫巴。

抽真空的同時，也是凍干箱冷凝器之間的真空閥打開的時候，真空泵和真空閥門打開同樣一直持續到凍乾結束為止。

預凍結束的時間

預凍結束就是凍干箱冷凍機的運轉，通常在抽真空的同時或真空抽到規定要求時停止冷凍機的運轉。

開始加熱時間

一般認為開始加熱的時間（實際上抽真空開始升華即已開始）。開始加熱是在真空度達到1×10-1毫巴之後（接近1×10-1毫米汞柱），有些凍干機利用真空繼電器自動接通加熱，即空度達到1×10-1毫巴時，加熱便自動開始；有些凍干機是在抽真空之後半小時開始加熱，這時真空度已達到1×10-1毫巴甚至更高。

真空報警工作時間

由於真空度對於升華是極其重要的，因此新式的凍干機均設有真空報警裝置。真空報警裝置的工作時間在加熱開始之時到校正漏孔使用之前，或從一開始一直使用到凍乾結束。

一旦在升華過程中真空度下降而發生真空報警時，一方面發出報警信號，一方面自動切斷凍干箱的加熱。同時還啟動凍干箱的冷凍機對產品進行降溫，以保護產品不致發生熔化。

校正漏孔的工作時間

校正漏孔的目的是為了改進凍干箱內的熱量傳遞，通常在第二階段工作時使用，繼續恢復高真空狀態。使用時間的長短由產品的品種、裝量和調定的真空度的數值所決定。

產品加熱的最高許可溫度

板層加熱的最高許可溫度根據產品來決定，在升華時板層的加熱溫度可以超過產品的最高許可溫度因為這時產品仍停留在低溫階段，提高板層溫度可促進升華；但凍干後期板層溫度需下降到與產品的最高許可溫度相一致。由於傳熱的溫差，板層的溫度可比產品的最高許可溫度略高少許。

凍乾的總時間

凍乾的總時間是預凍時間，加上升華時間和第二階段工作的時間。總時間確定，凍乾結束時間也確定。

這個時間根據產品的品種，瓶子的品種、裝箱方式、裝量、機器性能等來決定，一般冷凍工作的時間較長，在18－24小時左右，有些特殊的產品需要幾天的時間。

產品在凍干箱內工作完畢之後，需要開箱取出產品，並且乾燥的產品進行密封保存。

由於凍干箱內在乾燥完畢時仍處於真空狀態。因此產品出箱必須放入空氣，才能打的開箱門取出產品，放入的空氣應是無菌乾燥空氣。

由於產品的保存要求各不相同，因此出箱時的處理也各不相同。有些產品僅需放入無菌乾燥空氣，然後出箱密封保存即可；有些產品需充氮保存，在出箱時放入氮氣，出箱后再充氮密封保存；有些產品需真空保存，在出箱后再重新抽真空密封保存。

乾燥的產品一旦暴露在空氣中，很快會吸收空氣中的水份而潮解；特別是在潮濕的天氣，使本來已乾燥的產品又增加含水量。因此，產品一出箱就應迅速的封口，如果因數量多而封口時間太長的話，應採取適當的措施或分批出箱或轉移到另一個乾燥櫃中。

冷凍乾燥的產品由於是真空下乾燥的。因此不受氧氣的影響，在出箱時由於放入空氣。空氣中的氧氣會立即侵入乾燥產品的縫隙中，一些活性的基因會很快與氧結合，對產品產生不可挽回的影響。即使再抽真空也無濟於事，因為這是不可逆的氧化作用。如果出箱時放入惰性氣體。例如氮氣，出箱后氧氣就不易侵入產品的縫隙。然後再用氮氣趕走產品容量內的空氣，再封口，則產品受氧損害的程度能減輕。最根本解決趕走產品受空氣中水份和氧氣影響的辦法是採用箱內加塞的辦法。該方法需採用特殊裝置的凍干箱和特製的瓶與塞互相配合，瓶與塞如圖二十一所示，塞子需穩定的放置在瓶子之上，但未塞緊而是塞上一半，俗稱為半加塞。由於塞子上有一些可通氣的缺口和小孔，因此並不影響冰的升華。在產品乾燥完畢之後，可以在真空下或在放入惰性氣體的情況下開動凍干箱的機械裝置使整箱的塞子全部壓緊，然後放入空氣出箱，再將瓶塞壓上鋁帽或封蠟使密封性更好。

箱內加塞的機械裝置是在凍干箱內特殊設計的，按加塞的動力不同可分為液壓和氣動二種方法。液壓有手動液壓和電動液壓二種。手動液壓是利用手工壓千斤頂，借千斤頂的力量來壓入塞子。電動液壓是藉助馬達的力量；氣壓有壓縮空氣和真空負壓二種，壓縮空氣是利用空壓機的壓縮空氣力量來壓入塞子。真空負壓是利用凍干箱的真空狀態，把外界空氣放入箱內的特殊橡皮口袋，使橡皮口袋在真空下產生壓力來加塞。根據設計的不同，凍干箱內的板層又有固定式和活動式二種。固定式的設計：凍干箱內放置產品的板層不動，另有一塊可上下活動的板來壓塞子；活動式的設計：凍干箱放置產品的板層可上下活動，壓塞子也靠板層本身。國內大多數是液壓馬達活動式板層的箱內加塞裝置。

箱內加塞對使用的瓶子和塞子有較高的要求。要求瓶子的高度、瓶口內徑、塞子外徑的誤差要小；塞子需採用透氣性差的丁基橡膠，天然橡膠不宜採用。

此外，箱內加塞還需注意以下幾點：

1. 由於每一瓶子上邊放有一個塞子，雖然還留有通氣的缺口和小孔，但畢竟增加了水蒸汽的阻力，因此凍干曲線需要作適當的變更，加熱需適當減慢，時間需適當增加。

2. 由於加塞的總力量較大，為了不使凍干箱內的板層彎曲變形，每一層的產品必須放置均勻，不能偏在一方；如果因為產品少而放不滿時，空著的板層必須放置厚薄與瓶塞等高的木塊。

3. 加塞的力量不宜調的太大，當然也不能太小。對於活動板層的加壓方式由於每層是串聯的，即一層壓一層。因此總力與每一層的力是一樣的，只要計算一層所需的力就是加塞總力。每一層的力也就是每一瓶所需的力乘上該層上放置的瓶數。

例如：每瓶加塞的力量為5公斤，每一板層可放置1000瓶，則加塞的力為：

5公斤×1000=5000公斤=5噸

也就是該凍干箱的加塞力為5噸。

液壓泵壓力表的指示並非為加塞力，加塞力是液壓泵壓力表的指示值乘上該機液壓活塞的截面積。

產品加塞完畢，放氣出箱，壓上鋁帽、貼上標籤后可包裝入庫，待檢驗合格后即為正式產品。