冷凍干燥是利用升華的原理進行干燥的一種技術(shù)，是將被干燥的物質(zhì)在低溫下快速凍結(jié),然后在適當?shù)恼婵窄h(huán)境下,使凍結(jié)的水分子直接升華成為水蒸氣逸出的過程. 冷凍干燥得到的產(chǎn)物稱作凍干物(lyophilizer)，該過程稱作凍干(lyophilization)。

冷凍干燥機的工作原理

冷凍式干燥機采用了降溫結(jié)露的工作原理，主要由熱交換系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)三部分組成。壓縮空氣首先進入預(yù)冷卻器進行氣-氣或氣-水的熱交換，除去一部分熱能，然后進入冷熱空氣交換器，和已經(jīng)從蒸發(fā)器出來被冷卻到壓力露點的冷空氣進行熱交換，使壓縮空氣的溫度進一步降低。之后壓縮空氣進入蒸發(fā)器，與制冷劑進行熱交換，壓縮空氣的溫度降至0-8℃，空氣中的水份在此溫度下析出，通過氣水分離器分離后，經(jīng)過自動排水器排出。而干燥的低溫空氣則進入冷熱空氣交換器進行熱交換，溫度升高后輸出。

壓縮空氣中水蒸氣的量是由壓縮空氣的溫度決定的：在保持壓縮空氣壓力基本不變的情況下，降低壓縮空氣的溫度可減少壓縮空氣中的水蒸氣含量，而多余的水蒸氣會凝結(jié)成液體。冷凍干燥機就是利用這一原理采用制冷技術(shù)干燥壓縮空氣的。因此冷干機具有制冷系統(tǒng)。

冷凍干燥機的制冷系統(tǒng)屬于壓縮式制冷，由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥等四個基本部件組成。它們之間用管道次連接，形成一個密閉的系統(tǒng)，制冷劑在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動，發(fā)生狀態(tài)變化并與壓縮空氣和冷卻介質(zhì)進行熱量交換。

制冷壓縮機將蒸發(fā)器內(nèi)的低壓(低溫)制冷劑吸入壓縮機汽缸內(nèi)，制冷劑蒸汽經(jīng)過壓縮，壓力、溫度同時升高；高壓高溫的制冷劑蒸汽被壓至冷凝器，在冷凝器內(nèi)，溫度較高的制冷劑蒸汽與溫度比較低的冷卻水或空氣進行熱交換，制冷劑的熱量被水或空氣帶走而冷凝下來，制冷劑蒸汽變成了液體。

這部分液體再被輸送至膨脹閥，經(jīng)過膨脹閥節(jié)流成了低溫低壓的液體并進入蒸發(fā)器；在蒸發(fā)器內(nèi)低溫、低壓的制冷劑液體吸收壓縮空氣的熱量而汽化(俗稱“蒸發(fā)”)，而壓縮空氣得到冷卻后凝結(jié)出大量的液體水；蒸發(fā)器中的制冷劑蒸汽又被壓縮機吸走，這樣制冷劑便在系統(tǒng)中經(jīng)過壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)這樣四個過程，從而完成了一個循環(huán)。

在冷凍干燥機的制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)器是輸送冷量的設(shè)備,制冷劑在其中吸收壓縮空氣的熱量，實現(xiàn)脫水干燥的目的。壓縮機是心臟，起著吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用。冷凝器是放出熱量的設(shè)備，將蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機輸入功率轉(zhuǎn)化的熱量一起傳遞給冷卻介質(zhì)(如水或空氣)帶走。膨脹閥/節(jié)流閥對制冷劑起節(jié)流降壓作用、同時控制和調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器中制冷劑液體的數(shù)量，并將系統(tǒng)分為高壓側(cè)和低壓側(cè)兩大部分。

制品的凍結(jié)

溶液速凍時(每分鐘降溫10~50℃)，晶粒保持在顯微鏡下可見的大??；相反慢凍時(1℃/分)，形成的結(jié)晶肉眼可見。粗晶在升華留下較大的空隙，可以提高凍干的效率，細晶在升華后留下的間隙較小，使下層升華受阻，速成凍的成品粒子細膩，外觀均勻，比表面積大，多孔結(jié)構(gòu)好，溶解速度快，便成品的引濕性相對也要強些。

藥品在凍干機中預(yù)凍在兩種方式：一種是制品與干燥箱同時降溫，另一種是待干燥箱擱板降溫至-40℃左右，再將制品放入，前者相當于慢凍，后者則介于速凍與慢凍之間，因而常被采用，以兼顧凍干效率與產(chǎn)品質(zhì)量。此法的缺點是制品入箱時，空氣中的水蒸氣將迅速地凝結(jié)在擱板上，而在升華初期，若板升溫較快，由于大面積的升華將有可能超越凝結(jié)器的正常負荷。此現(xiàn)象在夏季尤為顯著。

制品的凍結(jié)處于靜止狀態(tài)。經(jīng)驗證明，過冷現(xiàn)象容易發(fā)生至使制品溫度雖已達到共晶點。但溶質(zhì)仍不結(jié)晶，為了克服過冷現(xiàn)象，制品凍結(jié)的溫度應(yīng)低于共晶點以下一個范圍，并需保持一段時間，以待制品完全凍結(jié)。

冷凍干燥的基本原理是基于水的三態(tài)變化。水有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，三種相態(tài)既可以相互轉(zhuǎn)換又可以共存。 當水在三相點(溫度為0.01℃，水蒸氣壓為610.5Pa)時，水、冰、水蒸氣三者可共存且相互平衡。在高真空狀態(tài)下，利用升華原理，使預(yù)先凍結(jié)的物料中的水分，不經(jīng)過冰的融化，直接以冰態(tài)升華為水蒸汽被除去，從而達到冷凍干燥的目的。 　

凍干制品成海綿狀、無干縮、復(fù)水性極好、含水分極少，相應(yīng)包裝后可在常溫下長時間保存和運輸。 由于冷凍式干燥機具有其它干燥方法無可比擬的優(yōu)點，因此該技術(shù)問世以來越來越受到人們的青睞，在醫(yī)藥、生物制品和食品方面的應(yīng)用已日益廣泛。血清、菌種、中西醫(yī)藥等生物制品多為一些生物活性物質(zhì)，冷凍干燥技術(shù)也為保存生物活性提供了良好的解決途徑。