罗博讲冻干002：真空冻结干燥过程介绍（一）

长沙开谱仪器有限公司

2024/10/10 09:34

开谱仪器首席冻干专家罗春博士专门研究冻干工艺，现推出“罗博讲冻干”专栏，不定期连载，以飨读者，欢迎交流探讨。

今天是本专栏的第二篇。

0 前言

真空冷冻干燥过程是一个涉及到多种复杂物理现象、受到多个参数综合影响的过程。冻干技术的这种复杂性也常常在实际应用中给用户带来困扰，如成核温度、塌陷温度、共晶温度、玻璃化转变温度这些参数是什么？彼此之间的关系又是什么？同时，大家对冻干中出现的问题不能正确归因，从而不能适当地进行处理。这些问题归根结底，还是因为大家对于冻干过程的原理和冻干阶段发生的现象了解不深入。为此，本栏目拟用三到四期的内容为大家介绍冻干过程中发生的现象和涉及到的关键参数，为大家提供对冻干过程比较直观的认识。这次为大家带来的是冻结过程的子阶段和重要参数的介绍。

1 相图的概念

相图是了解冻结阶段的重要工具，相图能够帮助我们更好的理解相变过程。常见二元溶液的相图如下图所示，相图的纵坐标代表温度，横坐标代表溶质浓度。在这里需要注意的是，根据吉布斯相律，对二元溶液相变过程的描述需要3个变量（温度，压强，浓度），但是考虑到冻结基本都是在大气压环境下进行，因此，实际过程通常会忽略压强的影响，仅考虑温度和溶质浓度。这样的处理不会带来太大的误差，同时也能简化我们的分析过程。

图1 相图

从上图可以看出，坐标区域被不同的实线划分成了不同的区域。不同的区域代表了溶液不同的状态，如上图a点所在区域即表示此时为溶液状态。而沿着a点竖直向下，即代表降温过程，在降温后，物料即从纯溶液状态变为了溶液和冰晶的混合状态。

此外，通过横坐标（溶质浓度）和纵坐标（温度）可以在图上确定任一点的位置，也就是溶液此时所处的状态。而温度的改变或者浓度的改变则代表了状态点的位置的改变，结合具体的值，即可判断出物质所处的相状态。从而对过程有着更好的理解。

2 冻结阶段中发生的现象

这个阶段的发生我们还是结合相图来理解。对于稀溶液而言（大家不妨先思考下，为什么不能用浓溶液，这一问题将在后面进行解释），在室温下，其状态可以用a点来表示，在冻结阶段，溶液被冷却。此时溶液经历过冷阶段，到达b点，达到冰晶的成核温度。冰晶首先从溶液中析出。

图2 冻结阶段在相图上的示意图

在冰晶析出后，由于绝大部分物质在冰晶中的溶解度都极低，因此，溶质在冰晶与溶液溶解度差的作用下，从冰晶中被排出，由于溶液中的传质条件有限，溶质在冰晶界面附近累积，使得冰晶附近区域的溶质浓度增加。这一过程通常被称为溶质浓缩现象。

增加的溶质浓度会反过来影响冰晶成核温度。通常来讲，溶质浓度越高，冰晶成核温度越低。这被称为冰点降低现象（Freezing Point Depression，FPD）。其实这一现象也是在冻结阶段要将温度做到足够低的原因之一。因为，冰晶的成核温度随着浓度的增加在不断降低，若搁板温度不够低，则可能会出现物料内部不能“冻结实”的现象。

随着冻结阶段的进行，溶液的状态从b点沿着AE线一直下降到E点。E点代表着共晶点，其对应的浓度称为共晶点浓度，对应的温度被称为共晶点温度。当局部溶质浓度到达共晶点浓度后，对溶液进行进一步冷却，溶液中将不再会有冰晶形成。而是最终形成水分子和溶质分子均匀混合的共晶体。随着冻结的进一步进行，未冻结的溶液最终全部转换为共晶体。由于物体内部热阻的存在以及过冷度的存在，通常需要保证搁板温度在共晶点温度以下。

在引入共晶体浓度的概念之后，我们可以回答在上文中提出的问题，即为什么在冻干过程中采用的都是稀溶液，而不是溶质浓度比较高的溶液。要解决这个问题我们还是从相图入手。从下图来看，当浓度较高，超过共晶点浓度时，溶液所处的状态为a₁点，在冻结阶段对该溶液进行降温，溶液的状态到达b₁点。溶液中将首先析出溶质，而不是如之前稀溶液那般析出冰晶。在这种情况下，得到的物质是以溶质为主，冰晶被溶质包裹住，在后续的升华干燥阶段无法形成联通的孔隙，冰晶升华形成的水蒸气无法从物料中除去，最终导致冻干过程失败。

图3 不同浓度溶液冻结阶段在相图上的示意图

3 小结

这篇文章主要是结合相图介绍了冻结阶段中发生的现象，冻结阶段可以分成五个子阶段：（i）溶液过冷；（ii）冰晶析出；（iii）溶质浓缩；（iv）共晶体形成；（v）完全固化，并介绍了冻结阶段的主要参数。然而本文只是对整个冻结阶段做了个粗浅的介绍。冻结阶段还涉及到了更为微观精细的现象，这些内容，我们将在后续的文章中进行进一步介绍。

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