冻干箱内的真空度与升华效率的关系

冻干机内制品冻干的升华阶段，我们主要能控制的参数有冷阱温度、板层温度和真空度，因此真空度影响制品的升华效率。而真空度与制品的升华效率到底是正相关还是负相关，还是没有规律呢。

   首先我们来分析一下冻干箱内升华能够顺利进行的原因。我们都知道升华是一个吸热的反应，升华过程中需要吸热，如果没有板层加热升温，而靠自身供给热量，那么随着一开始升华的不断进行，制品的温度就会逐步降低，降低到与冷阱温度相同，那么升华就停止，也就是达到了冻干箱和冷阱内热量平衡，因此升华过程中必须提供外界热。其次如果冷阱内的温度很高，与制品的温度相差很少，随着升华的不断进行，那么冻干箱内和冷阱内的温度也会达到一个平衡，因此冷阱内的温度必须始终低于冻干箱内的温度，这就是为什么不知道样品的共晶点温度时，尽量选择低温型冻干机，尽量选择-80℃或者更低的冷阱温度。这样能保证我们的产品顺利的升华。而冻干箱内的真空度也就是低压力，是升华能够发生的一个*条件。也就是之所以能够升华，是因为压力低于制品的三相点压力，温度必须低于制品的三相点温度，物质才能从固体直接变成气体，发生升华。而升华能够持续的进行时因为饱和水蒸气压力差，也就是冻干箱内的真空度与冷阱内的真空度不同。箱内的真空度要高于冷阱内的真空度，形成梯度差也就是传质动力，升华出来的水蒸气才能从冻干箱内到冷阱内从而被低的冷阱补集。

   已经明确冻干箱内的压力必须是真空状态，也就是小于水的三相点压力，611pa，那么是越低越好么。下面一个图是升华速率与真空度的关系，从这个研究发现是，当板层温度恒定时，在一定范围内，随着压力的增高，升华速率逐渐增大。但是我们都知道压力的增高导致干燥层两边的压差也增高，而制品表面的水汽压力也就增高了，因而制品的温度随着升高，而随着制品的温度的升高时有限度的必须低于制品的共熔点温度，因此这个压力增加不能无限制的增加。

   图1  升华速率与真空压力关系

    通过恒定制品的升华温度，研究者又发现升华速率在一定的真空度范围基本是不变的，随着真空压力的升高，反而升华速率下降。（图2）而国外的研究者通过大量的实验得到，板层温度和压力有一个*效率点（图3），也就是为了保证制品的温度低于共熔点温度，当适当的提高板层温度，降低真空度能够提高升华效率，但是这个真空度是有一定范围的，通过大量的实验，研究者发现真空度控制在制品升华温度对应饱和蒸汽压力的50%以下为宜，在10%~30%效率较高，但是要结合制品的升华温度和板层温度进行正交和分析实验，从而找到一个较为高效的真空压力范围。

图2：升华温度恒定时，​升华速率与真空压力关系

图3： 升华效率与板层温度， 升华温度，真空压力的关系