凍結過程介紹

冷凍干燥包括三個基本過程：凍結(預凍階段)、升華干燥(一次干燥階段)、解析干燥(二次干燥階段)。

干燥過程與凍結過程密切相關，凍結的程度或狀態直接影響干燥過程中水分去除地快慢和凍干產品的質量。

盛有溶液的容器與冷表面接觸后，溶液內部存在一定的溫度分布。產品底部的溫度zui低，過冷度最大，也最易產生冰核，并且由于結晶放出的潛熱傳給過冷溶液和容器壁等原因，溶液各個位置的溫度分布不同，因而也形成了不同的結構，產品內部結構主要取決于產品在凍結過程中凍結界面的性狀和推進速度。一般完全凍結的溶液品內存在三個部分：

01底部均勻的冰晶層，晶核主要在此區形成，溶質少；

02柱狀區，為冰晶生長區，溶質主要存在于冰晶間隙，并且隨冰晶向上推進核溫度梯度的存在，溶質產生由下至上的遷移；

03表面濃縮層，在這部分由于預凍過程中溶質的遷移而形成高濃度的表層區。

02共晶點或共熔點

溶液的結冰過程與純液體不一樣，純液體如純水降溫至0°C時即可結冰，此時水、冰混合物共存，水的溫度并不下降，直到全部水結冰之后溫度才下降，這說明純液體有一個固定的結冰點；同時當對冰進行升溫時，一開始也出現的是冰水混合物，體系仍保持0°C直至冰完全熔化，而凍干產品凍干前的溶液一般都是雙組分或多組分溶液，所以情況要更復雜得多。

多組分的凍于溶液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，最后才全部凝結，因此藥液并不是在某一固定溫度，而是在某一溫度范圍內凝結的。冷卻時開始析出晶體的溫度稱為冰點溫度，而溶液全部凝結的溫度叫做溶液的凝固點。由于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劑共同熔化的點，所以又叫做共晶點或共熔點，可見溶液的冰點與共熔點是不相同的、共晶(熔)點才是溶液真正全部凝成固定的溫度。

在冷凍干燥過程中，如產品溫度超過最低共晶點，部分溶質或全部溶質處于液體中，冰晶升華就會被液體蒸發取代，干燥后的產品易發生萎1縮，溶解度下降，故最低共晶點溫度是獲得最佳凍干效果的臨界溫度。

03測定共晶點的方法

測定共晶點主要有以下三種方法，各有優劣勢，電導(阻)法測共晶點操作簡單、方便易行，目前應用最多;但對非電解質溶液則無法準確測定。

(1)電導或電阻測定法

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，也無法通過測量溫度確定產品內部的結構狀態。通過測量凍結過程中產品結構發生變化時的導電性能變化，可判斷凍結是否完成。

原理:最低共晶點是從液相轉變為固相的臨界溫度。純水幾乎是不導電的，含水物質的導電性主要是通過溶液中的帶電離子定向移動實現的。當物料中的水分被完全凍結，帶電離子也隨之被固定下來，不能自由移動，物料的導電能力因而顯著下降，而少量液體存在時，電導會顯著增加。故通過測定凍結過程的電導變化可求得最低共晶點。

此外，也可通過測定電阻變化確定共晶點。當物料完全凍結時，物料的電阻會急劇增加。利用這一原理，測量凍結后的物料升溫融化過程中電阻值的變化，其中電阻值變化最為劇烈時對應的溫度即為物料的共晶點溫度。

(2)電容測定法

原理:在冷凍與加熱過程中，隨水分的結晶與熔化，電容量將發生顯著改變，利用這一性質，可用于測定共晶點并探測產品是否凍結完全，因此可設定一個合適的電容值直接控制加熱升華。

水和冰的介電常數不同，水的介電常數為78.5(25℃)，冰的介電常數為4，而物理吸附和化學結合的水分隨著結合程度的不同，介電常數在10~80之間。采用絕緣體分開的兩片金屬電極組成一電容器，將樣品溶液作為電介質置于電極之間，則在凍干各相變化過程中，電容器的電容量將發生不同程度變化。在升華過程中，由于冰晶逐漸減少，電容量也隨之降低，故電容量隨時間的變化的斜率反應了質量轉移的速率，所以實際上電容變化曲線就是冰晶的干燥曲線。另外，電介質的性能在真空與空氣間差別很小，介電常數的測定可認為與壓力無關，因此電容法可直接在凍干過程中應用。

優點:較電導法使用范圍更廣泛，可用于電解質和非電解質溶液，也可用于粒狀或不均勻的塊狀物。

(3) 熱分析法

熱分析法是基于凍結的藥品在升溫過程中溫度達到共熔點時會有能量的吸收用熱分析儀來測定該能量吸收棒，可計算得到共晶點溫度。

差示掃描量熱法(DSC)是在溫度程序（升溫或降溫）控制下，測量輸送給樣品和參比物質的能量差值與溫度之間的關系的一種方法。DSC可以精確快速地控溫度和進行熱焓的測量。

在凍干機上采用熱分析原理測定藥品共熔點的一般步驟：

① 制少量樣品溶液，取25mL置于50mL的燒杯中；

② 啟動凍干機，將擱板溫度調到-25℃，并維持這一溫度；

③ 將裝有樣品溶液的燒杯放在凍干機的擱板上，插人溫度探頭，測定樣品溶液的溫度變化；

④ 以溫度對時間作圖，便可獲得該產品溶液的共熔點。

此外亦可采用低溫顯微鏡直接觀察或數字公式計算等方法得到溶液的共晶(熔)點。

04玻璃化轉變溫度

所謂玻璃化即物質以非晶態存在的一種固體狀態，它可看作是凝集的液體，但因黏度極大，流動性差，所以呈固體狀態。研究發現，許多溶質在冷凍過程中不能形成共熔相。當溫度降低時，冷凍濃縮液會變得更濃更黏稠，同時有冰產生;當降到某一溫度時，很小的溫度變化就可能引起冷凍濃縮液黏度的顯著增加，同時冰的結晶停止，此時的溫度叫玻璃化轉變溫度（Tg），即指最大凍結濃縮液發生玻璃化轉變時的溫度。

冷凍干燥過程中Tg與降溫速度和溶質比有關。一般溶液的Tg隨濃度的增大而升高，而且Tg的高低直接影響凍干產品的外觀，以不同保護劑條件下脂質體的凍干為例。分別采用 15%的葡萄糖、蔗糖、甘露醇、海藻糖濃度為保護劑時，脂質體混懸液的Tg分別為-38.5℃，-32.4℃，-30.4℃，-29.2℃。凍干后的結果也顯示以葡萄糖作為保護劑的脂質體外觀很差，呈泡沫狀，且隨其濃度增加，凍干后體積膨脹。以Tg較高的海藻糖作為保護劑時凍干脂質體外觀最好，表面無收縮的疏松塊狀物。

05富睿捷冷凍干燥設備

杭州富睿捷科技有限公司（FTFDS）是一家專業從事真空冷凍干燥系統研發、生產、銷售及服務的高科技企業，致力于為客戶打造定制化、專業化、品質化的凍干工藝解決方案。

公司聯合浙江大學專業科研組，成立高質量的科研團隊，擁有雄厚的科研力量，獲得國家知識產權局頒發的實用新型專利多項，通過ISO9001/ISO14001/ISO45001三大體系認證，多個產品通過省級以上第三方計量機構檢測并獲得報告證書。

公司產品主要是實驗型及研發型冷凍干燥系統及其配套解決方案，憑借專業的研發團隊、強大的生產能力和優質的售后服務，富睿捷用戶群涵蓋了生物材料、生物醫藥、環境、食品、大健康等諸多行業，在市場上贏得了較高的聲譽。

富睿捷原位凍干機Mercury 6L 0.3㎡采用內置直立式不銹鋼冷阱盤管的設計，冷阱溫度最低可達到-80°C。并配有高精度皮拉尼真空傳感器，可確保真空度的準確性。制冷系統采用系統化設計，可根據程序需求進行制冷功率的實時自動調節，大大縮短預凍時間。真空泵內置，無需放置于主機外部，更簡潔美觀。機器配有隔板板層硅油儲油罐油位報警系統，可以保證腔體隔板不產生任何氣泡，確保腔體溫度的永1久一致均勻性。并配置西林瓶壓蓋裝置，便于凍干完成后在真空狀態下進行壓蓋。另外，整機配備了熱分析法和電阻法雙重共晶點測試系統，更利于凍干工藝的摸索研究，可大大縮短凍干的時間，提高工作效率。