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實驗型冷凍干燥機的基本工作原理介紹
2019/4/12 9:47:06

冷凍干燥機的工作原理

       冷凍式干燥機采用了降溫結露的工作原理,主要由熱交換系統、制冷系統和電氣控制系統三部分組成。壓縮空氣首先進入預冷卻器進行氣-氣或氣-水的熱交換,除去一部分熱能,然后進入冷熱空氣交換器,和已經從蒸發器出來被冷卻到壓力露點的冷空氣進行熱交換,使壓縮空氣的溫度進一步降低。之后壓縮空氣進入蒸發器,與制冷劑進行熱交換,壓縮空氣的溫度降至0-8℃,空氣中的水份在此溫度下析出,通過氣水分離器分離后,經過自動排水器排出。而干燥的低溫空氣則進入冷熱空氣交換器進行熱交換,溫度升高后輸出。

多功能真空冷凍干燥機

       壓縮空氣中水蒸氣的量是由壓縮空氣的溫度決定的:在保持壓縮空氣壓力基本不變的情況下,降低壓縮空氣的溫度可減少壓縮空氣中的水蒸氣含量,而多余的水蒸氣會凝結成液體。冷凍干燥機就是利用這一原理采用制冷技術干燥壓縮空氣的。因此冷干機具有制冷系統。
       冷凍干燥機的制冷系統屬于壓縮式制冷,由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥等四個基本部件組成。它們之間用管道次連接,形成一個密閉的系統,制冷劑在系統中不斷地循環流動,發生狀態變化并與壓縮空氣和冷卻介質進行熱量交換。
       制冷壓縮機將蒸發器內的低壓(低溫)制冷劑吸入壓縮機汽缸內,制冷劑蒸汽經過壓縮,壓力、溫度同時升高;高壓高溫的制冷劑蒸汽被壓至冷凝器,在冷凝器內,溫度較高的制冷劑蒸汽與溫度比較低的冷卻水或空氣進行熱交換,制冷劑的熱量被水或空氣帶走而冷凝下來,制冷劑蒸汽變成了液體。
       這部分液體再被輸送至膨脹閥,經過膨脹閥節流成了低溫低壓的液體并進入蒸發器;在蒸發器內低溫、低壓的制冷劑液體吸收壓縮空氣的熱量而汽化(俗稱“蒸發”),而壓縮空氣得到冷卻后凝結出大量的液體水;蒸發器中的制冷劑蒸汽又被壓縮機吸走,這樣制冷劑便在系統中經過壓縮、冷凝、節流、蒸發這樣四個過程,從而完成了一個循環。
在冷凍干燥機的制冷系統中,蒸發器是輸送冷量的設備,制冷劑在其中吸收壓縮空氣的熱量,實現脫水干燥的目的。壓縮機是心臟,起著吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用。冷凝器是放出熱量的設備,將蒸發器中吸收的熱量連同壓縮機輸入功率轉化的熱量一起傳遞給冷卻介質(如水或空氣)帶走。膨脹閥/節流閥對制冷劑起節流降壓作用、同時控制和調節流入蒸發器中制冷劑液體的數量,并將系統分為高壓側和低壓側兩大部分。
壓蓋型冷凍干燥機
制品的凍結
       溶液速凍時(每分鐘降溫10~50℃),晶粒保持在顯微鏡下可見的大??;相反慢凍時(1℃/分),形成的結晶肉眼可見。粗晶在升華留下較大的空隙,可以提高凍干的效率,細晶在升華后留下的間隙較小,使下層升華受阻,速成凍的成品粒子細膩,外觀均勻,比表面積大,多孔結構好,溶解速度快,便成品的引濕性相對也要強些。
       藥品在凍干機中預凍在兩種方式:一種是制品與干燥箱同時降溫,另一種是待干燥箱擱板降溫至-40℃左右,再將制品放入,前者相當于慢凍,后者則介于速凍與慢凍之間,因而常被采用,以兼顧凍干效率與產品質量。此法的缺點是制品入箱時,空氣中的水蒸氣將迅速地凝結在擱板上,而在升華初期,若板升溫較快,由于大面積的升華將有可能超越凝結器的正常負荷。此現象在夏季尤為顯著。
       制品的凍結處于靜止狀態。經驗證明,過冷現象容易發生至使制品溫度雖已達到共晶點。但溶質仍不結晶,為了克服過冷現象,制品凍結的溫度應低于共晶點以下一個范圍,并需保持一段時間,以待制品完全凍結。

       冷凍干燥的基本原理是基于水的三態變化。水有固態、液態和氣態,三種相態既可以相互轉換又可以共存。 當水在三相點(溫度為0.01℃,水蒸氣壓為610.5Pa)時,水、冰、水蒸氣三者可共存且相互平衡。在高真空狀態下,利用升華原理,使預先凍結的物料中的水分,不經過冰的融化,直接以冰態升華為水蒸汽被除去,從而達到冷凍干燥的目的。 
       凍干制品成海綿狀、無干縮、復水性極好、含水分極少,相應包裝后可在常溫下長時間保存和運輸。 由于冷凍式干燥機具有其它干燥方法無可比擬的優點,因此該技術問世以來越來越受到人們的青睞,在醫藥、生物制品和食品方面的應用已日益廣泛。血清、菌種、中西醫藥等生物制品多為一些生物活性物質,冷凍干燥技術也為保存生物活性提供了良好的解決途徑。
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