凍幹技術:冷凍幹燥方法-中文百科頻道

基本介紹

冷凍幹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态水直接升華出來，而物質本身剩留在凍結時的冰架中，因此它幹燥後體積不變。固态水在升華時要吸收熱量，引起産品本身溫度的下降而減慢升華速度，為了增加升華速度，縮短幹燥時間，必須要對産品進行适當加熱。整個幹燥是在較低的溫度下進行的。

優點

一．冷凍幹燥在低溫下進行，因此對于許多熱敏性的物質特别适用。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．在低溫下幹燥時，物質中的一些揮發性成分損失很小，适合一些化學産品，藥品和食品幹燥。

三．在冷凍幹燥過程中，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．由于在凍結的狀态下進行幹燥，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．幹燥後的物質，加水後溶解迅速而完全，幾乎立即恢複原來的性狀。

六．由于幹燥在真空下進行，氧氣極少，因此一些易氧化的物質得到了保護。

七．幹燥能排除95-99%以上的水份，使幹燥後産品能長期保存而不緻變質。

因此，冷凍幹燥在醫藥工業，食品工業，科研和其他部門得到廣泛的應用。

應用

産品的冷凍幹燥需要在一定裝置中進行，這個裝置叫做真空冷凍幹燥機，簡稱凍幹機。

凍幹機按系統分，由制冷系統、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，由凍幹箱或稱幹燥箱、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。

凍幹箱是一個能夠緻冷到-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。它是凍幹機的主要部分，需要凍幹的産品就放在箱内分層的金屬闆層上，對産品進行冷凍，并在真空下加溫，使産品内的水份升華而幹燥。

冷凝器同樣是一個真空密閉容器，在它的内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，并且能恒定地維持這個低溫。冷凝器的功用是把凍幹箱内産品升華出來的水蒸氣凍結吸附在其金屬表面上。

凍幹箱、冷凝器、真空管道和閥門，再加上真空泵，便構成凍幹機的真空系統。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。真空系統對于産品的迅速升華幹燥是必不可少的。

制冷系統由冷凍機與凍幹箱、冷凝器内部的管道等組成。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幹箱和冷凝器進行緻冷，以産生和維持它們工作時所需要的低溫，它有直接制冷和間接制冷二種方式。

加熱系統對于不同的凍幹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幹箱内的産品進行加熱，以使産品内的水份不斷升華，并達到規定的殘餘水份要求。

控制系統由各種控制開關，指示調節儀表（見圖1）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幹機則控制系統較為複雜。控制系統的功用是對凍幹機進行手動或自動控制，操縱機器正常運轉，以凍幹出合乎要求的産品來。

冷凍幹燥的程序是這樣的：在凍幹之前，把需要凍幹的産品分裝在合适的容器内，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；然後放入與凍幹箱尺寸相适應的金屬盤内。裝箱之前，先将凍幹箱進行空箱降溫，然後将産品放入凍幹箱内進行預凍，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後（通常應達到100uHg以上的真空度），即可對箱内産品進行加熱。一般加熱分兩步進行，第一步加溫不使産品的溫度超過共熔點的溫度；待産品内水份基本幹完後進行第二步加溫，這時可迅速地使産品上升的規定的最高溫度。在最高溫度保持數小時後，即可結束凍幹。與産品在每瓶内的裝量，總裝量，玻璃容器的形狀、規格，産品的種類，凍幹曲線及機器的性能等等有關。

凍幹結束後，要放幹燥無菌的空氣進入幹燥箱，然後盡快地進行加塞封口，以防重新吸收空氣中的水份。

在凍幹過程中，把産品和闆層的溫度、冷凝器溫度和真空度對照時間劃成曲線，叫做凍幹曲線。一般以溫度為縱坐标，時間為橫坐标。凍幹不同的産品采用不同的凍幹曲線。同一産品使用不同的凍幹曲線時，産品的質量也不相同，凍幹曲線還與凍幹機的性能有關。因此不同的産品，不同的凍幹機應用不同的凍幹曲線。

測量

需要凍幹的産品，一般是預先配制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，而海水卻要在低于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将低于溶媒的冰點。

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，水的溫度并不下降，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，随着溫度的下降，晶體的數量不斷增加，直到最後，溶液才全部凝結。這樣，溶液并不是在某一固定溫度時凝結。而是在某一溫度範圍内凝結，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），對于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于冷凍幹燥是重要的，因為凍幹産品可能有鹽類、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。由于冷凍幹燥是在真空狀态下進行。隻有産品全部凍結後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幹産品的體積縮小；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，使凍幹産品鼓泡，甚至冒出瓶外。這是我們所不希望的。為此凍幹産品在升華開始時必須要冷到共熔點以下的溫度，使凍幹産品真正全部凍結。

在凍結過程中，從外表的觀察來确定産品是否完全凍結成固體是不可能的；靠測量溫度也無法确定産品内部的結構狀态。而随着産品結構發生變化時電性能的變化是極為有用的，特别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，全部凍結後電阻率将非常大，因此溶液是離子導電。凍結是離子将固定不能運動，因此電阻率明顯增大。而有少量液體存在時電阻率将顯著下降。因此測量産品的電阻率将能确定産品的共熔點。

正規的共熔點測量法是将一對白金電極浸入液體産品之中，并在産品中插一溫度計，把它們冷卻到-40℃以下的低溫，然後将凍結産品慢慢升溫。用惠斯頓電橋來測量其電阻，當發生電阻突然降低時，這時的溫度即為産品的共熔點。電橋要用交流電供電，因為直流電會發生電解作用，整個過程由儀表記錄。

也可用簡單的方法來測量。用二根适當粗細而又互相絕緣的銅絲插入盛放産品的容器中，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，把它們一起放入凍幹箱内的觀察窗孔附近，并用适當方法把它們固定好，然後與其他産品一起預凍，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确定共熔點。

把電極引線通過一個開關與萬用表相連，可以不分正負極。如果凍幹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，這樣不緻于影響真空度。

待溫度計降至0℃之後即開始測量并作記錄。把萬用表的轉換開關放在測量電阻的最高檔（×1K或×10K）。由于萬用表内使用的是直流電，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。萬用表對于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并不完全相同，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，與産品的品種、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，因實際的凍幹産品還有其它成份。所以與此不相同。

預凍

産品在進行冷凍幹燥時，需要裝入适宜的容器，然後進行預先凍結，才能進行升華幹燥。預凍過程不僅昰為了保護物質的主要性能不變；而且要獲得凍結後産品有合理的結構以利于水分的升華；還要有恰當的裝量，以便日後的應用。

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

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幹淨并進行滅菌處理。

需要凍幹的産品需配制成一定濃度的液體，為了能保證幹燥後有一定的形狀，物質含量在10~15%之間最佳。

産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。表面積大有利于升華，産品厚度大不利于升華。一般分裝厚度不大于10mm。有些産品需用大瓶。并凍幹較大量的産品時，可以采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。

産品的預凍方法有凍幹箱内預凍法和箱外預凍法。

箱内預凍法是直接把産品放置在凍幹機凍幹箱内的多層擱闆上，由凍幹機的冷凍機來進行冷凍。大量的小瓶和安瓿進行凍幹時為了進箱和出箱方便，一般把小瓶或安瓿分裝在若幹金屬盤内，再裝進箱子。為了改進熱傳遞，有些金屬盤制成可分離式，進箱時把底抽走，讓小瓶直接與凍幹箱的金屬闆接觸；對于不可抽低的盤子要求盤底平整，以獲得産品的均一性。采用旋凍法的大血漿瓶要事先凍好後加上導熱用的金屬架或塊後再進行冷凍。

箱外預凍有二種方法。有些小型凍幹機沒有進行預凍産品的裝置。隻能利用低溫冰箱或酒精加幹冰來進行預凍。另一種是專用的旋凍器，它可把大瓶的産品邊旋轉邊冷凍成殼狀結構。然後再進入凍幹箱内。

還有一種特殊的離心式預凍法，離心式凍幹機就采用此法。利用在真空下液體迅速蒸發，吸收本身的熱量而凍結。旋轉的離心力防止産品中的氣體溢出，使産品能“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産生一定的破壞作用，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。随後是低共熔混合物凝固。最後全部變為固體。

機械效應是細胞内外冰晶生長而産生的機械力量引起的。特别是對于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。

緩慢冷凍産生的冰晶較大，快速冷凍産生的冰晶較小；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。

溶質效應是由于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，溶質效應所産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幹燥的速率和幹燥後産品的溶解速度。大的冰晶容易升華，小的冰晶不利于升華；但大的冰晶溶解慢，小的冰晶溶解快。冰晶越小、幹燥後越能反映産品的原來結構。

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，最好的産品物理性狀和溶解速度。當然提高存活率與在産品中加入抗低溫劑（保護劑之一）還有很大的關系。例如甘油、二甲亞砜、糖類等。這些抗低溫物質能幫助産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。就要采取不同的預凍方法；例如有時需裝箱之後才開始凍幹箱的降溫，有時需讓機器預先降到低溫，再将産品裝入凍幹箱内。

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

因此預凍之前應确定三個數據。其一是預凍的速率，應根據産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，應根據改産品的共熔點來決定，預凍的最低溫度應低于共熔點的溫度。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産品均已凍實。不緻因抽真空而冒出瓶外，凍幹箱的每一闆層之間，每一闆層的各部分之間溫差越小，則預凍的時間可以相應縮短，一般産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。

幹燥

第一階段

産品的幹燥可分為二個階段，在産品内的凍結冰消失之前稱第一階段幹燥、也叫作升華幹燥階段。

産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産品進行加熱。但對産品的加熱量是有限度的，不能使産品的溫度超過其自身共熔點溫度。升華的産品如果低于共熔點溫度過多，則升華的速率降低，升華階段的時間會延長；如果高于共熔點溫度，則産品會發生熔化，幹燥後的産品将發生體積縮小，出現氣泡，顔色加深，溶解困難等現象。因此升華階段産品的溫度要求接近共熔點溫度，但又不能超過共熔點溫度。

由于産品升華時，升華面不是固定的。而是在不斷的變化，并且随着升華的進行，凍結産品越來越少。因此造成對産品溫度測量的困難，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确定升華時産品的溫度，把凍幹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幹箱内的壓強升高情況，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産品的溫度。

産品的溫度也能通過對升華産品的電阻的測量來推斷。如果測得産品的電阻大于共熔點時的電阻數值，則說明産品的溫度低于共熔點的溫度；如果測得的電阻接近共熔點時的電阻數值，則說明産品溫度已接近或達到共熔點的溫度。

冷凍幹燥時凍幹箱内的壓強，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内。

壓強低當然有利于産品内冰的升華。但由于壓強太低時對傳熱不利，産品不易獲得熱量，升華速率反而降低。實驗标明：在凍幹箱的壓強低于0.1毫巴時，氣體的對流傳熱小到可以忽略不計；而壓強大于0.1毫巴時，氣體的對流傳熱就明顯增加。在同樣的闆層溫度下，壓強高于0.1毫巴時，産品容易獲得熱量，因而升華速率增加。

但是，當壓強太高時，産品内冰的升華速率減慢，産品吸熱量降減少。于是産品自身的溫度上升，當高于共熔點溫度時，産品将發生熔化，造成凍幹失敗。

凍幹箱的合适壓強一般認為是在0.1~0.3毫巴之間，在這個壓強範圍内，既利于熱量的傳遞又利于升華的進行。超過0.3毫巴時，産品可能熔化，此時應發出真空報警信号，切斷對産品的加熱，甚至啟動冷凍機對凍幹箱進行降溫，以保護産品不緻發生熔化。

凍幹箱内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于水銀蒸汽有害産品應禁止使用。

1克冰在壓強0.1毫巴時大約能産生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内部的制冷表面上，因此冷凝器實際上起着水蒸汽泵的作用。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。但由于冷凝器冷凍機的制冷能力不夠，冷凝器吸附水蒸汽的表面太小，或對産品提供熱量過多而産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。凍幹箱和冷凝器之間的水蒸汽壓力差減小，從而導緻升華速率的降低；與此同時凍幹機系統内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，産品吸收熱量減少，産品溫度上升，緻使産品發生熔化，凍幹失敗。

因此為了冷凍幹燥出好的産品，需要保持系統内良好而穩定的真空度。需要冷凝器始終能低于-40℃以下的低溫，因為-40℃時冰的蒸汽壓為0.1毫巴左右。

在升華幹燥階段，凍幹箱的闆層是産品熱量的來源。闆層溫度高，産品獲得的熱量就多；闆層溫度低，産品獲得的熱量就少；闆層溫度過高，産品獲得過多的熱量使産品發生熔化；闆層溫度過低，産品得不到足夠的熱量會延長升華幹燥時間。因此，闆層的溫度應進行合理的控制。

闆層溫度的高低應根據産品溫度、凍幹箱的壓強（即凍幹箱的真空度）、冷凝器溫度三個因素來确定。如果在升華幹燥的時候，産品的溫度低于該産品的共熔點溫度較多，凍幹箱内的壓強小于真空報警設定的壓強較多，冷凝器溫度也低于-40℃較多，則闆層的加熱溫度還可以繼續提高。如果闆層溫度提高到某一數值之後産品的溫度已接近共熔點溫度，或者凍幹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℃，則闆層溫度不可再繼續提高，不然會出現危險的情況。

實際上升華時闆層溫度的高低還與凍幹機的性能有關，性能較好的凍幹機，闆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：

産品的品種：有些産品容易幹燥，有些産品不容易幹燥。一般來說，共熔點溫度較高的産品容易幹燥，升華的時間短些。

産品的分裝厚度：正常的幹燥速率大約每小時使産品下降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。

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

在産品的第一階段時，除了要保持凍結産品的溫度不能超過共熔點以外，還要保持已幹燥的産品溫度不能超過崩解溫度。

所謂崩解溫度是對已經幹燥的産品而言的。已幹燥的産品應該是疏松多亂，保持一個穩定的狀态，以便下層凍結産品中升華的水蒸汽順利通過，使全部的産品都良好的幹燥。

但某些已幹燥的産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，失去了疏松多亂的性質，使幹燥産品有些發粘。比重增加，顔色加深。發生這種變化的溫度就叫做崩解溫度。

幹燥産品發生崩解之後，阻礙或影響下層凍結産品升華的水蒸汽的通過，于是升華速度減慢凍結産品吸收熱量減少，由闆層繼續供給的熱量就有多餘。将會造成凍結産品溫度上升，産品發生熔化發泡現象。

崩解溫度與産品的種類和性質有關，因此應該合理的選擇産品的保護劑，使崩解溫度盡可能高一些，例如産品的崩解溫度應高于該産品的共熔點溫度。

崩解溫度一般由試驗來确定，通過顯微冷凍幹燥試驗可以觀察到崩解現象，從而确定崩解溫度。

第二階段

一旦産品内冰升華完畢，産品的幹燥變進入了第二階段。在該階段雖然産品内不存在凍結冰，但産品内還存在10%左右的水份，為了使産品達到合格的殘餘水份含量，必須對産品進一步的幹燥。

在解吸階段，可以使産品的溫度迅速地上升到該産品的最高允許溫度，并在該溫度一直維持到凍幹結束為止。迅速提高産品溫度有利于降低産品殘餘水份含量和縮短解吸幹燥的時間。産品的允許溫度視産品的品種而定，一般為25℃－40℃左右。病毒性産品為25℃，細菌性産品為30℃，血清、抗菌素等可高達40℃。

在解吸幹燥階段由于産品内逸出水份的減少，冷凝器溫度的下降又引起系統内水蒸汽壓力的下降，這樣往往使凍幹箱的總壓力下降到低于0.1毫巴，這就使凍幹箱内對流的熱傳遞幾乎消失。因此，即使闆層的溫度已加熱到産品的最高允許溫度，但由于傳熱不良，産品溫度上升很緩慢。

為了改進凍幹箱傳熱，使産品溫度較快地達到最高允許溫度，以縮短解吸幹燥階段時間。要對凍幹箱内的壓強進行控制，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幹箱内的壓強進行控制。在凍幹機的真空系統上（大都在凍幹箱上），安裝一個人為的能校正的漏孔，由真空儀表進行控制；當凍幹箱壓強下降到低于真空儀表的下限設定值時，漏孔電磁閥打開，向凍幹箱放入幹燥滅菌的惰性氣體，于是凍幹箱内的壓強上升，當壓強上升到真空儀表的上限設定值時漏孔電磁閥關閉，停止進氣，凍幹箱内壓強又下降，如此使凍幹箱内的壓強控制在設定範圍内。

壓強的控制也可采用間歇開關凍幹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。

一旦産品溫度達到許可溫度之後，為了進一步降低産品内的殘餘水份含量，高真空的恢複是十分必要的。這時上述控制壓強的方法應停止使用。與凍幹箱恢複高真空的同時，冷凝器由于負荷減少溫度下降也達到了最低的極限溫度。這樣使凍幹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于産品内殘餘水份的逸出，一般應在狀況不小于2小時的時間，時間越長産品内殘餘水份的含量越低。

解吸階段的時間長短取決于下列因素：

産品的品種：産品不同，幹燥的難易不同，同時産品不同，最高許可溫度也不同，最高許可溫度較高的産品，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産品，幹燥時間較長。産品的殘餘水份的含量應有利于該産品的長期存放，太高太低均不好。應根據試驗來确定。

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

是否采用壓強控制法：如果采用壓強控制法，則改進了傳熱，使産品達到最高許可溫度的時間縮短，吸解幹燥的時間也縮短。

最後，凍幹是否可以結束是這樣來确定的：産品溫度已達到最高許可溫度，并在這個溫度保持2小時以上的時間；關閉凍幹箱和冷凝器之間的閥門，注意觀察凍幹箱的壓力升高情況（這時關閉的時間應長些，約30秒到60秒）。如果凍幹箱内的壓力沒有明顯的升高，則說明幹燥已基本完成，可以結束凍幹。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幹燥。直到關閉凍幹箱冷凝器之間的閥門之後無明顯上升為止。

作品影響

冷凍幹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制品首先凍結成固體，然後在真空狀态下固态冰直接升華成水蒸汽，水蒸汽又在冷凝器内凝華成冰霜，幹燥結束後冰霜熔化排出。在凍幹箱内得到了需要的冷凍幹燥産品。

凍幹過程有二個放熱過程和二個吸收過程：液體生物制品放出熱量凝固成固體生物制品，固體生物制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，凍幹結束後冰霜在冷凝器中吸收熱量熔化成水。

整個凍幹過程中進行着熱量質量的傳遞現象。熱量的傳遞貫穿冷凍幹燥的全過程中。預凍階段：幹燥的第一階段和第二階段以及化霜階段均進行着熱量的傳遞；質量的傳遞僅在幹燥階段進行，凍幹箱制品中産生的水蒸汽到冷凝器内凝華成冰霜的過程，實際上也是質量傳遞的過程，隻有發生了質量的傳遞産品才能獲得幹燥。在幹燥階段，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。

如果在産品的升華過程中不提供熱量，那麼産品由于升華吸收自身的熱量使溫度下降，升華速率也逐漸下降，直到産品溫度相等于冷凝器的表面溫度，幹燥便停止進行，這時從凍結産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産品的水蒸汽分子數相等，凍幹箱與冷凝器之間的水蒸汽壓力等于零，達到平衡狀态。

不如果一個外界熱量加到凍結産品上，這個平衡狀态被破壞，凍結産品的溫度就高于冷凝器表面的溫度，凍幹箱和冷凝器之間便産生了水蒸汽壓力差。形成了從凍幹箱流向冷凝器的水蒸汽流。由于冷凝器制冷的表面凝華水蒸汽為冰霜，使冷凝器内的水蒸汽不斷地被吸附掉，冷凝器内便保持較低的蒸汽壓力；而凍幹箱内流走的水蒸汽又不斷被産品中發生的水蒸汽得到補充，維持凍幹箱内較高的水蒸汽壓力。這一過程的不斷進行，使産品不斷得到了幹燥。

升華首先從産品的表面開始，在幹燥進行了一段時間之後，在凍結産品上面形成了一層已幹燥的産品，産生了幹燥産品與凍結産品之間的交界面。交界面随着幹燥的進行不斷下降，直到升華完畢交界面消失。當産生了交界面之後，水分子要穿越這層已幹燥的産品才能進入空間；水分子跑出交界面之後，進入已經幹燥産品的某一間隔内。以後可能還要穿過許多這樣的間隔後，才能從産品的縫隙進入空間。也可以經過一些轉折又回到凍結産品之中，幹燥産品内的間隔有時象迷宮一樣。

當水分子跑出産品表面以後，它的運動路徑還很曲折。可能與玻璃瓶壁碰撞，可能凍幹機的金屬闆壁碰撞，也經常發生水分子之間的相互碰撞，然後進入冷凝器内。當水分子與冷凝器的制冷表面發生碰撞時，由于該表面的溫度很低，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制冷表面，于是水分子被“捕獲”了。大量水分子捕獲後在冷凝器表面形成一層冰霜，這樣就降低了系統内的水蒸汽壓力。使凍幹箱的水蒸汽不斷的流向冷凝器。随着時間的延長，凍幹箱内不斷對産品進行加熱以及冷凝器的持久工作，産品逐漸得到了幹燥。

幹燥的速率與凍幹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，則幹燥的速率越快。水蒸汽的壓力差取決與冷凝器的有效溫度和産品溫度的溫度差。因此要盡可能地降低冷凝器的有效溫度和最大限度地提高産品的溫度。

水蒸汽的流動阻力來自以下幾個方面：

産品内部的阻力，水分子通過已經幹燥的産品層的阻力。這個阻力的大小與幹燥層的結構與産品的種類、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。主要是凍幹箱與冷凝器之間管道的阻力，管道粗、短、直則阻力小。另外阻力還與凍幹箱的結構和幾何形狀有關。

提高凍幹箱内産品的溫度，能增加凍幹箱内與水蒸汽壓力，加速水蒸汽流向冷凝器，加快質的傳遞，增加幹燥速率。但是提高産品的溫度是有一定限度的，不能使産品溫度超過共熔點的溫度。

降低冷凝器的溫度。也就降低了冷凝器内水蒸汽的壓力，也能加速水蒸汽從凍幹箱流向冷凝器。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。減小産品的分裝厚度；合理的設計瓶、塞、減少瓶口阻力；合理的設計凍幹機，減少機器的管道阻力；選擇合适的濃度和保護劑，使幹燥産品的結構疏松多亂，減少幹燥層的阻力；試驗最優的預凍方法，造成有利于升華的冰晶結構等。這些方法均能促進質的傳遞，提高幹燥速率。

時序

生物制品的冷凍幹燥産品，需要有一定的物理形态；均勻的顔色、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幹後的密封保存進行控制。更重要的是對冷凍幹燥過程的每一階段的各參數進行全面的控制，才能得到優質的産品。凍幹曲線和時序就是進行冷凍幹燥過程控制的基本依據。

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

凍幹曲線是凍幹箱闆層溫度與時間之間的關系曲線。一般以溫度為縱坐标，時間為橫坐标。它反映了在凍幹過程中，不同時間闆層溫度的變化情況。

凍幹時序是在凍幹過程中不同時間，各種設備的啟閉運行情況。

制定凍幹曲線以闆層為依據是因為産品溫度是受闆層溫度支配的。控制了闆層溫度也就控制了産品溫度。

因素

産品的品種：産品不同則共熔點亦不同，共熔點低的産品要求預凍的溫度低；加熱時闆層的溫度亦相應要低些。有些産品受冷凍的影響較大，有些産品則影響較小；一般細菌性的産品受冷凍的影響較大，病毒性的産品受冷凍的影響較小。要根據試驗找出一個産品的最優冷凍速率，以獲得高質量的産品和較短的冷凍幹燥時間。另外産品不同，對殘餘水份的要求也不同。為了長期保存産品，有些産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産品，凍幹時間需長些。殘餘水份含量要求高的産品，凍幹時間可縮短。

裝量的多少也影響着凍幹曲線的制定。一個是總裝量的多少，一個是每一容器内産品裝量的多少。裝量多的凍幹時間也長。

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，後者顯然凍幹時間較長。

凍幹機性能的優劣直接關系到凍幹曲線的制定，凍幹機有各種不同的型号，因此它們的性能也各不相同。有些機器的性能好，例如闆層之間，每闆層的各部分之間溫差小；冷凝器的溫度低，冰負荷能力大；凍幹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。因此盡管是同一産品。當用不同型号的凍幹機進行凍幹時，曲線也是不一樣的，照搬其它型号機器的凍幹曲線不一定能凍出好的産品來。

數據

預凍速度

預凍速度大部分機器不能進行控制，因此隻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，則凍幹箱先降至降低的溫度，然後才讓産品進箱；要求預凍的速率慢，則産品進箱之後在讓凍幹箱降溫。

預凍的最低溫度

這個溫度取決于産品的共熔點溫度，預凍最低溫度應低于該産品的共熔點溫度。

預凍的時間

産品裝量多，使用的容器底厚而不平整，不是把産品直接放在凍幹箱闆層上凍幹，凍幹箱冷凍機能力差，每一闆層之間以及每一闆層的個部分之間溫差大的機器，則要求預凍時間長些。為了使箱内每一瓶産品全部凍實，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幹結束為止。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，也是凍幹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幹結束為止。

預凍結束的時間

預凍結束就是凍幹箱冷凍機的運轉，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），有些凍幹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；有些凍幹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

由于真空度對于升華是極其重要的，因此新式的凍幹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幹結束。

一旦在升華過程中真空度下降而發生真空報警時，一方面發出報警信号，一方面自動切斷凍幹箱的加熱。同時還啟動凍幹箱的冷凍機對産品進行降溫，以保護産品不緻發生熔化。

校正漏孔的工作時間

校正漏孔的目的是為了改進凍幹箱内的熱量傳遞，通常在第二階段工作時使用，繼續恢複高真空狀态。使用時間的長短由産品的品種、裝量和調定的真空度的數值所決定。

産品加熱的最高許可溫度

闆層加熱的最高許可溫度根據産品來決定，在升華時闆層的加熱溫度可以超過産品的最高許可溫度因為這時産品仍停留在低溫階段，提高闆層溫度可促進升華；但凍幹後期闆層溫度需下降到與産品的最高許可溫度相一緻。由于傳熱的溫差，闆層的溫度可比産品的最高許可溫度略高少許。

凍幹的總時間

凍幹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。總時間确定，凍幹結束時間也确定。

這個時間根據産品的品種，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，有些特殊的産品需要幾天的時間。

凍幹

産品在凍幹箱内工作完畢之後，需要開箱取出産品，并且幹燥的産品進行密封保存。

由于凍幹箱内在幹燥完畢時仍處于真空狀态。因此産品出箱必須放入空氣，才能打的開箱門取出産品，放入的空氣應是無菌幹燥空氣。

由于産品的保存要求各不相同，因此出箱時的處理也各不相同。有些産品僅需放入無菌幹燥空氣，然後出箱密封保存即可；有些産品需充氮保存，在出箱時放入氮氣，出箱後再充氮密封保存；有些産品需真空保存，在出箱後再重新抽真空密封保存。

幹燥的産品一旦暴露在空氣中，很快會吸收空氣中的水份而潮解；特别是在潮濕的天氣，使本來已幹燥的産品又增加含水量。因此，産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，應采取适當的措施或分批出箱或轉移到另一個幹燥櫃中。

冷凍幹燥的産品由于是真空下幹燥的。因此不受氧氣的影響，在出箱時由于放入空氣。空氣中的氧氣會立即侵入幹燥産品的縫隙中，一些活性的基因會很快與氧結合，對産品産生不可挽回的影響。即使再抽真空也無濟于事，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，出箱後氧氣就不易侵入産品的縫隙。然後再用氮氣趕走産品容量内的空氣，再封口，則産品受氧損害的程度能減輕。最根本解決趕走産品受空氣中水份和氧氣影響的辦法是采用箱内加塞的辦法。該方法需采用特殊裝置的凍幹箱和特制的瓶與塞互相配合，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。由于塞子上有一些可通氣的缺口和小孔，因此并不影響冰的升華。在産品幹燥完畢之後，可以在真空下或在放入惰性氣體的情況下開動凍幹箱的機械裝置使整箱的塞子全部壓緊，然後放入空氣出箱，再将瓶塞壓上鋁帽或封蠟使密封性更好。

箱内加塞的機械裝置是在凍幹箱内特殊設計的，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。電動液壓是借助馬達的力量；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。真空負壓是利用凍幹箱的真空狀态，把外界空氣放入箱内的特殊橡皮口袋，使橡皮口袋在真空下産生壓力來加塞。根據設計的不同，凍幹箱内的闆層又有固定式和活動式二種。固定式的設計：凍幹箱内放置産品的闆層不動，另有一塊可上下活動的闆來壓塞子；活動式的設計：凍幹箱放置産品的闆層可上下活動，壓塞子也靠闆層本身。國内大多數是液壓馬達活動式闆層的箱内加塞裝置。

箱内加塞對使用的瓶子和塞子有較高的要求。要求瓶子的高度、瓶口内徑、塞子外徑的誤差要小；塞子需采用透氣性差的丁基橡膠，天然橡膠不宜采用。