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冻干机样品预冻的原因是什么?

发布时间:2022-11-07      点击次数:118

      冻干机的样品为什么要预冻?首先,了解下冻干机的工作原理,是将含水物质,先低温冻结,使水转变为冰,然后在较高真空下将冰转变为汽态,升华出来,以去除水份而保存物质的方式。

      所谓预冻,就是把含有大量水分的产品冻结成固体的过程。 

     预冻的目的有三个:

    其一,固定产品,如果产品没能冻结成固体即直接抽真空,在真空制冷作用下,当真空抽到一定的时候,溶解在水中的空气会“沸腾"起泡,产品从容器中逸出,到压力低于6.11mbar时,产品则冻结成冰,但没有固定的形状,玻璃容器甚至还会破裂,冻干失败。

    其二,形成有利于升华的结晶,已知冻干产品大都数是溶液,可能不止一种成分,有些还含有蛋白质、生物体等生物活性物质,在冻结时有可能会形成玻璃态,产品在干燥一段时间后,会形成上层的干燥层和下层的冻结层,冻结层的产品继续干燥时,升华的气流必需通过干燥层,由于玻璃态几乎无间隙,升华气流没有通道,产品的继续干燥将受到影响,干燥失败。其三,保证所有产品获得相同的细微结构,冻干时通常应把所有的产品冷冻到某一低温,进箱温度一般是5 ℃,并持续一段时间,确保所有产品达到同一温度后再一起降温预冻,使所有产品的冷冻工艺相同,防止造成产品结构不均颜色不一等情况。为使产品在真空下升华时不会鼓泡,预冻时温度必须低于产品的共晶点温度,一般应低于产品的共晶点温度至少5℃。 

       预冻阶段是在常压下进行的,预冻过程是一个液相转化为固相的变化过程,同时也是一个放热过程,产品的冻结过程需要克服冻结过程中产品释放的熔化热,产品的热量(熔化热)通过辐射、传导、对流三种方式传给板层,板层传给硅油,硅油的热量再由冷冻机带走,因此预冻需要维持一定的时间,时间的长短与装量及容器有关,也与产品的共晶点有关,共晶点低的产品,达到低温所需时间较长,预冻时间一般为共晶点5 ℃之下持续2-3 h。同时,为了改善板层与产品间的热传导,应尽量增加产品容器与板层的接触面积,并减少传递层次。 

       预冻阶段的冷冻速率会影响冰晶尺寸的大小,因此也会影响干燥产品的质量。冷冻过程中,冰晶的数量和大小受两个因素影响,即成核速率和晶体生长速率,而这二者都受温度的影响。 

       在0℃时晶体的生长速率增加,而成核速率却很低,因此在0 ℃保持一段时间,将产生数量少而尺寸大的晶体,可理解为慢速预冻(见下图左),但在0℃以下冻结时,将得到数量多且尺寸小的晶体,可理解为快速预冻(见下图右)。冰晶的大小也影响干燥速率和干燥后产品的溶解速度和产品质量。大的冰晶利于升华,小的冰晶不利于升华;大的冰晶溶解慢,小的冰晶溶解快;冰晶越小干燥后越能反映产品的原来结构。

  

       对于细胞及一些生命体,冷冻干燥会产生一定的破坏作用,其作用机理目前尚不明确,一般认为是由机械效应和溶质效应引起的。机械效应是细胞内外冰晶生长而产生的机械应力引起的,特别是对有细胞膜这样的生命体影响较大,一般冰晶越大,细胞膜越易破裂,从而造成细胞的死亡,冰晶小,细胞膜的损伤小。 

       另一方面,产品冷冻时,随着冰晶的生长,溶液逐渐的浓缩(即电解质的浓缩),已知蛋白质活性受电解质浓度的影响,电解质浓度的增加,将诱发蛋白质的变性,造成生命体的死亡。同时,电解质浓度增加也会引起细胞脱水而死亡。 

       溶质效应在某一温度范围明显,这个范围在水的冰点和该液体的固化温度之间,如果能以较高的降温速率越过这一温度范围,则溶质效应产生的影响就能减小。因此,针对细胞及一些生命体的冻干,设臵合适的预冻参数(预冻时间、温度等),对于保护其生命活性,具有较高的意义。


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