冷凍干燥是利用冰晶升華的原理，在高度真空的環(huán)境下，將已凍結(jié)了的食品物料的水分不經(jīng)過冰的融化直接從冰固體升華為蒸汽，一般真空干燥物料中的水分是在液態(tài)下轉(zhuǎn)化為汽態(tài)而將食品干制，故冷凍干燥又稱為冷凍升華干燥  。
冷凍干燥設(shè)備
其主要優(yōu)點是：（1）干燥后的物料保持原來的化學(xué)組成和物理性質(zhì)（如多孔結(jié)構(gòu)、膠體性質(zhì)等）；（2）熱量消耗比其他干燥方法少。缺點是費用較高，不能廣泛采用。用于干燥抗生素、蔬菜和水果等。
含水的生物樣品，經(jīng)過冷凍固定，在低溫高真空的條件下使樣品中的水分由冰直接升華達到干燥的目的，在干燥的過程中不受表面張力的作用，樣品不變形。
真空冷凍干燥技術(shù)是將濕物料或溶液在較低的溫度（－10℃～－50℃）下凍結(jié)成固態(tài)，然后在真空（1.3～13帕）下使其中的水分不經(jīng)液態(tài)直接升華成氣態(tài)，最終使物料脫水的干燥技術(shù)。中國是原料藥生產(chǎn)大國，因此該技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。但是，應(yīng)當(dāng)引起注意的是，真空冷凍干燥技術(shù)在我國推廣得非常迅速，相比之下，其基礎(chǔ)理論研究相對滯后、薄弱，專業(yè)技術(shù)人員也不多。并且，與氣流干燥、噴霧干燥等其他干燥技術(shù)相比，真空冷凍干燥設(shè)備投資大，能源消耗及藥品生產(chǎn)成本較高，從而限制了該技術(shù)的進一步發(fā)展。因此，切實加強基礎(chǔ)理論研究，在確保藥品質(zhì)量的同時，實現(xiàn)節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為真空冷凍干燥技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)前面臨的最主要的問題。
 

原理

 語音
由物理學(xué)可知，水有三相，O點為三相共點，OA為冰的融解點。根據(jù)壓力減小、沸點下降的原理，只要壓力在三相點壓力之下（圖中壓力為 646.5Pa以下，溫度0℃以下），物料中的水分則可從水不經(jīng)過液相而直接升華為水汽。根據(jù)這個原理，就可以先將食品的濕原料凍結(jié)至冰點之下，使原料中的水分變?yōu)楣虘B(tài)冰，然后在適當(dāng)?shù)恼婵窄h(huán)境下，將冰直接轉(zhuǎn)化為蒸汽而除去，再用真空系統(tǒng)中的水汽凝結(jié)器將水蒸汽冷凝，從而使物料得到干燥。這種利用真空冷凍獲得干燥的方法，是水的物態(tài)變化和移動的過程，這個過程發(fā)生在低溫低壓下，因此，冷凍干燥的基本原理是在低溫低壓下傳熱傳質(zhì)的機理 [2]  。
冷凍干燥不同于普通的加熱干燥，物料中的水分基本上在0℃以下的冰凍的固體表面升華而進行干燥，物質(zhì)本身則剩留在凍結(jié)時的冰架子中，因此，干燥后的產(chǎn)品體積不變、疏松多孔。冰在升華時需要熱量，必須對物料進行適當(dāng)加熱，并使加熱板與物料升華表面形成一定溫度梯度，以利于傳熱的順利進行。
制品的冷凍干燥過程包括凍結(jié)、升華和再干燥3個階段。
 

凍結(jié)

先將欲凍干物料用適宜冷卻設(shè)備冷卻至2℃左右，然后置于冷至約一40℃(13．33Pa)凍干箱內(nèi)。關(guān)閉干燥箱，迅速通入制冷劑(氟里昂、氨)，使物料冷凍，并保捧攀邸h或更長時間，以克服溶液的過冷現(xiàn)象，使制品凍結(jié)，即可進行升華。
 

升華

制品的升華是在高度真空下進行的，在壓力降低過程中，必須保持箱內(nèi)物品的冰凍狀態(tài)，以防溢出容器。待箱內(nèi)壓力降至一定程度后，再打開羅茨真空泵(或真空擴散泵)，壓力降到1．33Pa，一60。C以下時，冰即開始升華，升華的水蒸氣在冷凝器內(nèi)結(jié)成冰晶。為保證冰的升華，應(yīng)開啟加熱系統(tǒng)，將擱板加熱，不斷供給冰升華所需的熱量。
 

再干燥

水的相圖
在升華階段內(nèi)，冰大量升華，此時制品的溫度不宜超過共熔點，以防產(chǎn)品中產(chǎn)生僵塊或產(chǎn)品外觀上的缺損，在此階段內(nèi)擱板溫度通常控制在±10℃之間。制品的再干燥階段所除去的水分為結(jié)合水分，此時固體表面的水蒸氣壓呈不同程度的降低，干燥速度明顯下降。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，在此階段內(nèi)應(yīng)適當(dāng)提高擱板溫度，以利于水分的蒸發(fā)，一般是將擱板加熱至30～35。C，實際操作應(yīng)按制品的凍干曲線(事先經(jīng)多次實驗繪制的溫度、時間、真空度曲線)進行，直至制品溫度與擱板溫度重合達到干燥為止。
 

特點

 語音
冷凍干燥的食品與其他干燥方法比較有許多的優(yōu)點，主要為：
（1）限度地保存食品的色、香、味，如蔬菜的天然色素保持不變，各種芳香物質(zhì)的損失可減少到限度；冷凍干燥對保存含蛋白質(zhì)食品要比普通冷凍保存的好。
（2）對熱敏性物質(zhì)特別適合，可以使熱敏性的物料干燥后保留熱敏成分；能保存食品中的各級營養(yǎng)成分，尤其對，能保存90%以上。
（3）在真空和低溫下操作，微生物的生長和酶作用受到抑制。
（4）脫水，干制品重量輕，體積小，貯藏時占地面積少，運輸方便；各種冷凍干燥的蔬菜經(jīng)壓塊，重量減輕顯著。由于體積減小，相應(yīng)地包裝費用也少得多。
（5）復(fù)水快，食用方便。因為被干燥物料含有的水分是在凍結(jié)狀態(tài)下直接蒸發(fā)的，故在干燥過程中，水汽不帶動可溶性物質(zhì)移向物料表面，不會在物料表面沉積鹽類，即在物料表面不會形成硬質(zhì)薄皮，亦不存在因中心水分移向物料表面時對細胞或纖維產(chǎn)生的張力，不會使物料干燥后因收縮引起變形，故極易吸水恢復(fù)原狀。
（6）因在真空下操作，氧氣極少，因此，一些易氧化的物質(zhì)（如油脂類）得到保護。
（7）冷凍干燥法能排除95%～99%以上的水分，產(chǎn)品能長期保存而不變質(zhì)。
 

技術(shù)優(yōu)勢

 語音
由于真空冷凍干燥在低溫、低壓下進行，而且水分直接升華，因此賦予產(chǎn)品許多特殊的性能。如真空冷凍干燥技術(shù)對熱敏性物料亦能脫水比較，且經(jīng)干燥的藥品十分穩(wěn)定，便于長時間貯存。由于物料的干燥在凍結(jié)狀態(tài)下完成，與其他干燥方法相比，物料的物理結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)變化極小，其組織結(jié)構(gòu)和外觀形態(tài)被較好地保存。在真空冷凍干燥過程中，物料不存在表面硬化問題，且其內(nèi)部形成多孔的海綿狀，因而具有優(yōu)異的復(fù)水性，可在短時間內(nèi)恢復(fù)干燥前的狀態(tài)。由于干燥過程是在很低的溫度下進行，而且基本隔絕了空氣，因此有效地抑制了熱敏性物質(zhì)發(fā)生生物、化學(xué)或物理變化，并較好地保存了原料中的活性物質(zhì)，以及保持了原料的色澤。
 

基礎(chǔ)理論

 語音
我國真空冷凍干燥設(shè)備趨于完善，但與發(fā)達國家相比，該技術(shù)基礎(chǔ)理論的研究顯得滯后和薄弱，阻礙了技術(shù)應(yīng)用水平的提高。因此，研究的重點正向這方面轉(zhuǎn)移。研究的焦點集中在真空冷凍干燥的物性參數(shù)及其影響因素、過程參數(shù)、過程機理和模型、過程優(yōu)化控制等的研究。
真空冷凍干燥技術(shù)的基本參數(shù)包括物性參數(shù)和過程參數(shù)，它們是實現(xiàn)真空冷凍干燥過程的基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)的缺乏會使干燥過程難以實現(xiàn)針對原料的優(yōu)化，不能充分發(fā)揮系統(tǒng)效率。物性參數(shù)指物料的導(dǎo)熱系數(shù)、傳遞系數(shù)等。這方面的研究內(nèi)容包括物性參數(shù)數(shù)據(jù)的測定及測定方法，以及環(huán)境條件壓強、溫度、相對濕度和物料顆粒取向等對物性參數(shù)的影響。過程參數(shù)包括冷凍、供熱和物料形態(tài)等有關(guān)參數(shù)。對冷凍過程的研究意在為系統(tǒng)找到冷凍曲線。供熱過程的研究則集中在兩方面：一是對原料載體的改良；二是加熱方式(傳熱方式和供熱熱源)的選擇。確定恰當(dāng)?shù)奈锪闲螒B(tài)也是重要的研究內(nèi)容，它包括原料的顆粒形態(tài)和料層厚度等。
從熱量傳遞和質(zhì)量傳遞入手研究真空冷凍干燥的機理，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，有助于找出過程的影響因素，預(yù)測時間、溫度及蒸氣壓強的分布狀況。研究主要限于均質(zhì)液相，并提出了一些數(shù)學(xué)模型，如冰前沿均勻退卻模型、升華模型、吸附-升華模型等。這些模型雖然對真空冷凍干燥的過程作了不同程度的描述，但在實際應(yīng)用中仍然存在許多限制條件。過程優(yōu)化控制是建立在上述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的?？刂品桨赣钟袦?zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型和非穩(wěn)態(tài)模型之分。
 

生產(chǎn)工藝

 語音
由于生物制品和藥品的凍干工藝比較復(fù)雜，為保證凍干產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)能，在生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格控制預(yù)凍溫度、升華吸熱等，使凍干過程各階段按照預(yù)先制訂的工藝路線工作。
 

保持預(yù)凍溫度

在真空冷凍干燥過程中，需要先對被干燥的藥品進行預(yù)凍，然后在真空狀態(tài)下，使水分直接由冰變?yōu)闅舛顾幤犯稍?。在整個升華階段，藥品必須保持在凍結(jié)狀態(tài)，否則就不能得到性狀良好的產(chǎn)品。在藥品預(yù)凍階段，要嚴(yán)格控制預(yù)凍溫度（通常比藥品的共熔點低幾度）。如果預(yù)凍溫度不夠低，則藥品可能沒有凍結(jié)，在抽真空升華時會膨脹起泡；若預(yù)凍溫度太低，不僅會增加不必要的能量消耗，而且對于某些生物藥品，會降低其凍干后的成活率。
 

關(guān)注升華吸熱

在干燥升華階段，物料需要吸收熱量（每克冰升華成水蒸氣約吸收2.8千焦耳的熱量）。如果不對藥品進行加熱或熱量不足，則在水分在升華時會吸收藥品本身的熱量而使藥品的溫度降低，致使藥品的蒸氣壓降低，于是引起升華速度的降低，整個干燥的時間就會延長，生產(chǎn)率下降；如果對藥品加熱過多，藥品的升華速率固然會提高，但在抵消了藥品升華所吸收的熱量之后，多余的熱量會使凍結(jié)藥品本身的溫度上升，使藥品可能出現(xiàn)局部甚至全部熔化，引起藥品的干縮起泡現(xiàn)象，整個干燥就會失敗。
 

自動化控制

為了獲得良好的凍干藥品，一般在凍干時應(yīng)根據(jù)每種凍干機的性能和藥品的特點，在經(jīng)過試驗的基礎(chǔ)上制訂出一條凍干曲線，然后控制機器，使凍干過程各階段的溫度變化符合預(yù)先制訂的凍干曲線。真空冷凍干燥的生產(chǎn)過程控制可借助于計算機來控制生產(chǎn)系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的凍干曲線工作。如計算機對硫酸鹽的凍干過程控制可分為兩個階段：階段，在低于熔點的溫度下，將水分從冷凍的物料內(nèi)升華，約有98%～99%的水分均在此時被除去。第二階段，將物料溫度逐漸升到或略高于室溫，經(jīng)此階段水分可以減少到低于0.5%。此過程預(yù)凍溫度為－40℃左右，時間約兩小時。凍干藥品的干燥升華階段，物料溫度約為－30℃～－35℃，壓強約為4～7帕。的最終干燥溫度可升至40℃，總干燥時間約18小時。采用計算機自動化控制系統(tǒng)，有助于保證藥品符合質(zhì)量要求。