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(xué)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(nèi)容，即使面對已經(jīng)有很多年工藝經(jīng)驗的老師，即使時間非常緊迫，我都還是堅持把這部分內(nèi)容從頭到尾梳理一遍。這部分內(nèi)容是理解后面整個工藝過程的基礎(chǔ)。如果這部分內(nèi)容都理解透徹了，后面的很多問題基本就是一點就透。

內(nèi)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(shè)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(chǎn)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?yōu)闅庀啵麄€過程不經(jīng)過液相。

通過凍干獲得的干燥產(chǎn)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(shù)的化學(xué)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(zé)，如食品的顏色、紋理等

但是同時，水也是存儲的產(chǎn)品發(fā)生變質(zhì)的主要原因。相反，在沒有水的情況下，生化反應(yīng)幾乎停止。

所以我們有必要降低水分含量，來實現(xiàn)對不穩(wěn)定產(chǎn)品的保存。從而對其實現(xiàn)存儲和運輸。

對于凍干工藝來說，產(chǎn)品的最終水分含量和產(chǎn)品的質(zhì)保期會有一個對應(yīng)關(guān)系。所以產(chǎn)品的最終水分含量是凍干產(chǎn)品的關(guān)鍵考核指標(biāo)之一。

3. Temperature  and  Heat    溫度和熱

溫度:

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

熱:

當(dāng)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(nèi)部能量）到低溫物體（低內(nèi)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(dǎo)（板層控溫）、對流（真空度設(shè)置）、輻射（腔體的壁和門外熱量對產(chǎn)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(chǎn)品溫度。

Latent  heat  and  sensible  heat  潛熱和感熱

在熱化學(xué)里

潛熱:是指物質(zhì)在發(fā)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(xiàn)在被術(shù)語“轉(zhuǎn)變焓"所取代。

感熱：是指物體改變溫度而發(fā)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(fā)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(fā)生相變，而溫度并沒有發(fā)生很大的變化。

我們用具體數(shù)據(jù)來看一下，在一個凍干過程中，要去除1g水會經(jīng)歷那些相變以及對應(yīng)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(fā)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(jīng)歷的相變?yōu)橐韵拢?/span>

預(yù)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(jīng)歷了6次相變（升華和凝結(jié)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(shè)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(zhì)聚集態(tài)

固體分為：晶體和無定型物質(zhì)

關(guān)鍵溫度及對應(yīng)的數(shù)據(jù)如下表：

每次線下課程，學(xué)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(nèi)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