冷冻干燥技术基础知识

冷冻干燥技术基础知识上海东富龙科技有限公司基础知识－物态的变化⒈物质三态一般物质存在三种形态：气态、液态和固态。即使同一种物质也有三种形态。例如水H2O，在0℃时能结成冰变成固态。而在100℃时则变成蒸气而成气态。在0～100℃之间则是液态。可见在一定的条件下，物质的形态能够互相转化。基础知识－物态的变化物态变化时的热量变化以水H2O为例说明基础知识－物态的变化⑴熔化固态吸收热量变成液态的过程，此时温度叫熔点。⑵熔化热单位质量的物质，由固体变为同温度的液体所需要吸收的热量。单位：kcal/kg⑶凝固由液体放出热量变为固体的过程。凝固是熔化的逆过程。放出的热量与该物质的熔化热相等。凝固是在与熔化相同的温度下进行的，所以同一物质的熔点和凝固点是一样的。基础知识－物态的变化蒸发、沸腾、升华物质由液态变成气态或固态直接变成气态的过程都称为汽化过程，它可分为蒸发、沸腾和升华三种情况。⑴蒸发在任何温度下（只要低于临界温度如水为374℃）液体表面的汽化过程。在制冷技术中，“蒸发”通常代表液体的沸腾过程。⑵沸腾将液体加热到一定的温度，液体逐渐变成蒸气；当蒸汽的形成不仅来自液体表面，而且来自液体内部，且形成许多小汽泡上升至液面上方空间时，这一现象称为沸腾。也就是温度升高到液体的蒸汽压力与周围的空间压力相等时，液体即开始沸腾。液体开始沸腾时的温度叫做沸点。沸腾也是同时发生在液体内部和表面的汽化现象。⑶升华某些固体不经过液态而直接变成气态的汽化现象叫做升华。升华是固体的直接汽化过程，容易升华的固体叫挥发性固体。物质在汽化时要吸收热量，单位质量的液体变成同温度的汽体所吸收的热量叫做汽化热，因为也是蒸发时所吸收的热量，所以也可叫做蒸发热。熔化热和汽化热都叫做物体的潜热。基础知识－物态的变化冷凝与凝化在温度和压力都要小于气体临界值的条件下，将蒸汽冷却或与压缩同时进行时，使蒸汽转变为液体的过程叫做液化。单位重量的蒸汽变成同温度的液体所移去的热量称为冷凝热。冷凝时的温度叫做冷凝温度，冷凝温度在冷凝过程中保持不变。它与冷凝蒸汽的压力有关。当蒸汽遇到比该蒸汽物质的凝固温度低的物体时，则蒸汽不经过液体能直接凝固成固体而附在低温物体的表面，叫做凝华。例如水蒸汽遇到比水的冰点低的物体时，它就在低温物体的表面结成冰霜，它实际上是升华的逆过程，这一过程显然是要放出热量的。这一现象在制冷和冻干中是经常遇到的。基础知识－物态的变化临界温度与临界压力气体和蒸汽都是物质的气态状态，物质的临界温度可以作为判断气态物质是气体还是蒸汽的标准。当温度高于该物质的临界温度时，该物质的气态称为气态；当温度低于该物质的临界温度时，该物质的气态称为蒸汽。气体的液化温度是与压力有关的。气体的压力越小时，则其液化温度越低；随着压力的增加，气体的液化温度也升高。对于某一种物质的气体，有一个固定的温度值。超出这个温度时，物质只能处于气态，无论加多大的压力也不能使其压缩成液体，这个温度就称为该物质气体的临界温度。在临界温度时使该气体液化所需要的最小压力，称为该物质气体的临界压力。水蒸汽的临界温度为374℃，临界压力是217.7atm。温度降低时水蒸汽很容易液化。在不同的温度水和冰均有不同的蒸汽压。温度降低时，冰和水的蒸汽压也随之降低。基础知识－物态的变化饱和蒸汽压任何液体物质，当在一密闭容器内蒸发时，达到一定的程度后，液体汽化与蒸汽的液化就处于平衡状态。这时密闭容器内的蒸汽称为饱和蒸气；密闭容器内的蒸汽压强称为饱和蒸汽压。饱和蒸汽压随温度的升高而增大，随温度的降低而减小。对于同一蒸汽，在不同的温度有不同的饱和蒸汽压。如果饱和蒸汽继续得到热量，则温度将比饱和时的温度高，但压力仍保持原饱和温度时相应压力值，这样的蒸汽称超热蒸汽。如果在某一密闭系统内，有一个蒸汽源，而该系统内各部份有不同的温度差时，则该密闭系统的饱和蒸汽压由最低的温度所决定，即最低温度所对应的饱和蒸汽压。基础知识－热与温度温标⑴摄氏温标在标准大气压下，以水的冰点为0℃。水的沸点为100℃。在0～100之间分成100等分，每一等分叫1℃。这种温标就叫做摄氏温标，用符号℃表示。⑵华氏温标在标准大气压下，以水的冰点为32。水的沸点为212，在32～212之间分成180等分，每一等分叫1°F。这种温标就叫做华氏温标，用符号°F表示。华氏和摄氏可用下面的公式进行换：华氏换摄氏：℃=5/9×（°F－32）摄氏换华氏：°F=９／５℃＋32⑶开氏温标以摄氏零下273.15℃作为零度，也就是开氏零度等于摄氏零下273.15℃。开氏温标用符号°K表示，开氏温标也叫绝对温标；开氏零度即零下273.15℃，也叫做绝对零度。绝对零度是达不到的。开氏温度：°Ｋ＝℃＋273.15基础知识－热与温度热量及单位⑴温度只能表示物体冷或热的程度。温度高或温度低，不能从数量上来表示物体热能的多少。⑵热量物体吸收或放出热能的多少叫做热量。计算热量的单位是卡（cal）或千卡（kcal），千卡又叫大卡，1大卡（kcal）=1000卡（cal）。⑶卡（cal）的单位规定把1g水的温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量规定为1卡（cal）。⑷比热质量相同的不同物质温度升高1℃时所需要的热量是不相同的，我们把单位质量的某种物质温度升高或降低1℃时所吸收或放出的热量，叫做这种物质的比热。单位是卡/克·度（cal/g·℃）、（千卡/公斤·℃）kcal/kg·℃⑸热量数学表达式：Q=C·m（t2－t1）千卡（kcal）1kcal（千卡）=3.6×10＋6J(焦耳)=3.6×10＋3KJ(千焦)基础知识－热与温度热量的传递方式⑴传导在受热不均匀的物体中，热从高温处依靠物体的分子逐渐传到低温处的现象，称为热的传导。这种方式的热交换一直进行到整个物体的温度相等为止。传导在固体、液体和气体之间均能发生，传导作用必须要使物体相互接触才能完成。⑵对流在液体或气体包括蒸汽中，热量靠物质的流动从一部分向另一部分转移的传递方式称为对流。含热的液体或气体，体积因热而膨胀，密度减少，于是因重量减轻而上升，其周围冷的部份就被补充其原来地位，形成了对流。热的对流只发生在液体或气体中，而且必与传导同时发生。⑶辐射高温热源通过空间射向低温物体，使低温物体受热升温，这种热量的传递方式叫做辐射。热辐射与光相似，它以直线方式进行，可以在真空中传播；辐射可以通过空气和玻璃等透明介质，而这些透明介质本身吸热极少。表面黑、粗糙的物体善于吸收热；表面白亮光滑的物体不善于吸收热和辐射热，但善于反射热。热量传递的三种方式并非单独进行，而是一种方式伴随着另一种方式同时进行，或者是三种方式同时进行的。基础知识－热与温度热力学定律⑴热力学第一定律在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后能量的总量维持恒定。热力学第一定律就量能量守定律，即能量既不能消灭也不能创生。只能以一种形式的能量转换成另一种形式的能量。⑵热力学第二定律热量只能从高温物体传到低温物体，不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。制冷装置就是根据热力学第二定律，消耗一定的机械能，使热量从低温传到高温。⑶热力学第三定律不可能用任何方法使一个物体冷却到绝对温度的零度。此定律指出了绝对温度是达不到的。基础知识－热与温度温度的测量为了衡量物体温度高低的程度，就需要对温度进行测量，温度的测量是利用温度计来完成的。冻干机中常见的温度计有热电阻、热电偶和热敏电阻等。⑴热电阻热电阻是利用了金属丝的电阻温度系数原理制成的。一定长度的金属丝，当温度升高时电阻增加，温度降低时电阻下降。利用惠斯顿电桥能测知温度的高低。热电阻一般用铂丝制作，因此又称铂热电阻。常用Pt100铂电阻，0℃时电阻值100Ω，测量范围－200～+600℃，精度A级，充许误差：±0.15+0.2%t（JB/T8622-1997等效于IEC751)⑵热电偶热电偶是利用不同的金属丝一端焊接在一起时，在它们的二个游离端会随温度的变化而产生不同的电动势，测量这个电动势的大小便知道温度的高低。冻干机上一般用”T“型热偶温度（铜-康铜），测量范围：－200～300℃，精度Ⅰ级，充许误差±0.5℃或0.4％t（JB/T9238-1999等效于IEC751）基础知识－水和溶液的特性制品中的水分⑴游离水(自由水)系附着于物料中，用离心、过滤法或一般干燥温度即可容易除去的水份，游离水可被微生物利用，是造成干燥物料腐败的因素之一。⑵结合水在物料中以氢键结合在物料的成分如蛋白质或碳水化合物上的水分，因其与物料紧密结合，所以很难以一般方法和操作加以分离，亦不被微生物利用。⒉溶液一种或多种物质均匀地混合在另一种物质中所组成的混合液。溶液一般由溶剂和溶质组成。含量多的叫溶剂，含量少的叫溶质。以水为溶剂的混合物叫水溶液。基础知识－水和溶液的特性溶液的冻结过程和共晶温度⑴区为溶液完全以液态存在的条件。⑵区因溶液的溶解度太小，部分液态及有部份溶剂因溶质之不足而形成固态的状态，故为一液、固态混合物。⑶区因溶液的溶解度太大，部份液态及部份过量溶质析出为固态的状态，故亦为一液、固态混合物。⑷区因溶液的温度太低，且低于溶液能以液态形成的温度，故完全凝固为固态，为部份溶剂与溶液的固态混合物。⑸区因溶液的温度太低，且低于溶液能以液态形成的温度，故完全凝固为固态，为部份溶质与溶液的固态混合物。这五区的共同交会点即溶液所能达到的最低冻结温度，故此点称为共晶温度，由此状态下的溶液称为共晶溶液。基础知识－水和溶液的特性图中A：溶剂，B：溶质Ta/Te，Te/T饱和溶解度线基础知识－水和溶液的特性水的特性及相态图水的分子由二个氢原子和一个氧原子组成，化学符号为H2O。分子量为18。水的密度在+4℃时最大，为1g/cm3，温度升高或降低时均减少。冰的密度为0.92g/cm3，所以冰比水轻，并且结冰时发生体积膨胀现象。在1atm下水的冰点是0℃。压力增加时冰点反而下降。压力为130atm时，冰下降1℃。压力降低时，熔点上升。当水的蒸汽压等于外界压力时，它就沸腾。在1atm下水的沸点为100℃，当压力减小时沸点会降低；压力增加时沸点会升高。基础知识－水和溶液的特性水的特性及相态图OC线表示水的蒸汽压曲线，蒸汽压随温度增加而上升；OC线是水、汽共存线OA线冰的熔点与压力的关系；OA线是冰、水共存线OB线表示冰的蒸汽压曲线，冰的蒸汽压随温度的增加而上升；OB线是冰、汽共存线O点是冰、水、汽三态平衡点，在这个温度和压力时，冰、水、汽可以同时共存，它的温度为0.01℃和压力为610Pa从图可以看出，当压力低于610Pa时，不管温度如何变化，水的液态不能存在，这时只有固态和气态二种形态。水蒸汽的临界温度为374℃，临界压力是217.7atm。温度降低时水蒸汽很容易液化。在不同的温度水和冰均有不同的蒸汽压。温度降低时，冰和水的蒸汽压也随之降低。基础知识－水和溶液的特性水或水蒸汽饱和温度与饱和蒸汽压对应数据基础知识－共晶点测量方法将一对白金电极浸入液体产品之中，并在产品中插一支温度计，把它们冷却到－40℃以下的低温，然后将冻结产品慢慢升温。用惠斯顿电桥来测量其电阻，当发生电阻突然降低时，这时的温度即为产品的共熔点。电桥要用交流电供电，因为直流电会发生电解作用，整个过程由仪表记录。完全冻结的溶液或制品，当温度升高至某一点时，开始出现冰晶熔化，该温度称为共熔点温度或共熔点。共熔点温度并不等于共晶点温度。对升华来说，制品温度必须低于共熔点。基础知识－冻干产品的崩解温度升华界面的概念：一个正常升华的产品，当升华进行到一定的时候，就会出现上层的干燥层和下层的冻结层，这二层之间的交界面就是升华界面。升华界面是随着升华的进行而不断下降的。基础知识－冻干产品的崩解温度产品崩解温度：某些已经干燥的产品当温度升高到某一数值时，会失去刚性，变得有粘性，发生类似塌陷的崩解现象，使干燥产品失去疏松多孔的状态，封闭了下层冻结产品水蒸汽的逸出通路，妨碍了升华的继续进行。发生崩解时的温度叫做该产品的崩解温度。对于产品要获得良好的干燥，只有保持升华中的干燥产品的温度在崩解点以下，直到冻结产品全部升华完毕为止，才能使产品温度继续上