冻干机通过去除易腐材料中的水分实现保鲜，既能延长其保质期，又能提升运输便利性。其工作原理是先将材料冷冻，再通过降压与加热使材料中的冻结水分直接转化为水蒸气（升华）。
冻干过程分为三个阶段：
- 冷冻阶段
- 主干燥阶段（升华）
- 二次干燥阶段（吸附）
合理的冻干工艺可缩短 30% 的干燥时间。
阶段 1：冷冻阶段
最关键的环节。冻干机通过多种方式冷冻产品，可在冷冻箱、冷浴（壳式冷冻器）或冻干机搁板上进行。
- • 冻干机将材料冷却至其三相点以下，确保水分以升华（而非融化）的方式去除，从而保留材料物理形态。
- • 大冰晶更易于冻干，可通过慢速冷冻或退火工艺生成。但对生物材料而言，过大的冰晶可能破坏细胞壁，因此需快速冷冻。
- • 针对易沉淀材料，可采用退火工艺：先快速冷冻，再升温促使冰晶生长。
阶段 2：主干燥阶段（升华）
通过降压与加热使水分升华，真空环境加速升华过程。
- • 冻干机的冷阱为水蒸气提供凝结固化的表面，同时保护真空泵免受水蒸气影响。
- • 约 95% 的水分在此阶段去除。
- • 主干燥过程较慢，过热可能导致材料结构改变。
阶段 3：二次干燥阶段（吸附）
去除离子结合水的最终阶段。
- • 通过高于主干燥阶段的温度破坏材料与水分子间的结合力。
- • 冻干材料保留多孔结构，便于复溶。
- • 工艺结束后，可充入惰性气体破真空，再进行密封。
- • 多数材料最终残留水分可控制在 1-5%。
冻干机工作原理
通过 “冷冻→升华→吸附” 三阶段，在低温低压环境下实现水分的固态到气态转化，最大程度保留材料活性与结构。
需避免的冻干机问题
- • 产品过热：可能导致回融或塌陷。
- • 冷凝器过载：水蒸气量超过冷阱承载能力。
- • 蒸汽生成过快：
- º 表面积过大
- º 冷凝器面积过小
- º 制冷能力不足
- • 蒸汽堵塞：蒸汽生成速率超过腔体与冷阱间通道的流通能力，导致腔压升高。
核心术语
- • 共晶点 / 共晶温度：产品完全处于固相的温度，即最低熔点。并非所有产品都有共晶点，或存在多个共晶点。
- • 临界温度：冻干过程中产品不发生回融或塌陷的最高温度。
- • 结晶态：冷冻时形成晶体的材料，具有共晶点。快速冷冻生成难以干燥的小晶体，退火可促使大晶体形成。
- • 无定形态：不结晶、无共晶点的多组分混合物，冷冻后形成 “玻璃态”，冻干需在玻璃化转变温度以下进行。
- • 塌陷：产品软化至无法支撑自身结构的临界点，可能导致结构破坏、干燥不完全、溶解性下降及喷溅（飞溅）等问题。
