凍干也叫真空冷凍干燥,是在一定的壓力下,物質(zhì)中的水從固體升華成氣體,而逐步干燥的一個(gè)過程。凍干發(fā)生的條件物體中的水變成固體狀態(tài),固體狀態(tài)的水的升華需要熱量,需要能提供熱量,升華出來水蒸氣需要傳質(zhì)到其他物體上面。其中液體狀態(tài)的水變成固體狀態(tài)的冰晶狀態(tài),也就是物質(zhì)從液體變成被凍結(jié)的固體態(tài)是首要條件。第二部升華,升華能夠發(fā)生需要傳熱和傳質(zhì)的同時(shí)發(fā)生。物質(zhì)的升華熱和液體的汽化熱一樣,也是隨溫度升高而減小。升華界面溫度越高,升華越快。而升華是一個(gè)吸熱的過程,如果不給物料升溫,物料就會(huì)由于升華,而使得本身溫度下降,從而升華的速率就降低,同時(shí)隨著本身溫度的降低,當(dāng)達(dá)到與冷阱溫度一致,升華就停止,因此升華過程要給物料提供熱量。這個(gè)熱量來自傳導(dǎo),對(duì)流和輻射,所以要給板層升溫(提供傳導(dǎo)熱和輻射熱),或者摻氣,還有來不同界面不同處的溫度不同的傳導(dǎo)。而熱量的傳遞是非常容易的。
在外界供熱的情況下,升華所生成的蒸汽如不及時(shí)排除蒸汽分壓就會(huì)升高,物料溫度也隨之升高,當(dāng)達(dá)到物料的凍結(jié)點(diǎn)時(shí),物料中的冰晶就會(huì)融化,冷凍干燥就無法進(jìn)行,供給熱量的過程是一個(gè)傳熱的過程,排除蒸汽的過程是一個(gè)傳質(zhì)的過程。這里牽扯到的一個(gè)概念就是飽和蒸汽分壓,在密閉條件中,在一定溫度下,與固體或液體處于相平衡的蒸汽所具有的壓力稱為飽和蒸汽壓力。飽和蒸汽壓力又稱蒸汽壓力。同一物質(zhì)在不同溫度下有不同的蒸汽壓力,并隨著溫度的升高而增大。不同液體飽和蒸汽壓力不同,溶劑的飽和蒸汽壓力大于溶液的飽和蒸汽壓力;對(duì)于同一物質(zhì),固態(tài)的飽和蒸汽壓力小于液態(tài)的飽和蒸汽壓力。傳質(zhì)的動(dòng)力就是容器內(nèi)的飽和水蒸氣分壓的不同,梯度差決定的。也就是在容器內(nèi)的真空其實(shí)是一致的,而蒸汽之所以能夠流動(dòng)是因?yàn)椴煌幍娘柡驼羝謮旱牟煌?,他是有溫度差,也就是壓力差的,這個(gè)壓差就是一個(gè)傳質(zhì)的動(dòng)力,一個(gè)推動(dòng)力。干燥的速率與凍干箱和冷凝器之間的水蒸汽壓力差成正比,與水蒸汽流動(dòng)的阻力成反比。水蒸汽壓力差越大,流動(dòng)的阻力越小,則干燥的速率越快。水蒸汽的壓力差取決于冷凝器的有效溫度和產(chǎn)品溫度的溫度差。因此要盡可能地降低冷凝器的有效溫度和大限度地提高產(chǎn)品的溫度。因此從這里可以看出冷阱的冷量或者說極限溫度及補(bǔ)冰表面的補(bǔ)冰量與凍干制品的升華溫度之間的溫度差決定了凍干的升華效率,因此凍干成敗的關(guān)鍵或者效率與設(shè)備的選擇有很大關(guān)系。
如果產(chǎn)品的關(guān)鍵溫度很低,那么升華的溫度就比較低,因此選擇凍干機(jī)的時(shí)候要選擇冷阱溫度低的,冷阱是否能提供足夠的蒸氣壓差來驅(qū)使水蒸氣分子運(yùn)動(dòng),否則水蒸汽分子逐漸累積直到制品失效。如果選擇冷阱溫度梯度很小,并且設(shè)備設(shè)計(jì)氣流導(dǎo)向和阻力方面因素考慮不足,那么會(huì)造成研發(fā)的效率成本非常高。
研發(fā)用的凍干機(jī)的選擇,首先考慮的應(yīng)該是研發(fā)效率,也就是快讀的輔料篩選,排除干擾因素,做出來產(chǎn)品和找到合適的凍干曲線,千萬不要因?yàn)樵O(shè)備的投入的時(shí)候節(jié)省,而在研發(fā)的過程中投入更多的研發(fā)時(shí)間和人力,研發(fā)選擇好的凍干設(shè)備來提高效率才是關(guān)鍵。
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