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冻干升华干燥过程中的动力

时间:2022-07-12 点击次数:122

冻干过程中主要分为3大步骤,预冻、升华和解析。其中升华工艺是一个主要的脱水过程、途径。如何让冻结的水从冰状态成功的升华出来,就需要给样品提供动力,动力是热量,升华需要吸收热量,热量来源于传导、对流和辐射。

一次干燥过程中(即升华干燥)水蒸气从样品种升华出来被冷阱补集的过程中最主要的动力就是饱和蒸汽压差,饱和蒸汽压差越大,升华速度越快,升华时间越短;饱和蒸汽压力不同的数值对应不同的温度。因此升华界面不同温度,冷阱表面不同温度就对应不同的压差,两者的数值之差对应的就是样品升华的驱动力。提高样品升华界面的温度或者降低冷阱的温度都可以增大升华的驱动力。但是升高样品温度带来的驱动力的变化远远超过降低冷阱温度带来的驱动力的变化。但是升高样品温度有一个限度,不能无限升高,升高到一定温度,样品有塌陷或者融化的风险。而降低冷阱温度虽然容易做到,但是带来的驱动力的变化和升高样品温度相比确微乎其微。为什么会这样呢?我们可以列举一组数值来看。比如升华界面温度原来是-20度,对应饱和蒸汽压为102.11pa。升高温度为-15℃,对应饱和蒸汽压为165.43pa,对应冷阱-80度,对应的饱和蒸汽压为0.055pa,-20℃对应驱动力为102.055pa,而-15℃对应的驱动力为165.375pa。因此驱动力增加63.32pa。这是样品温度升高5度,冷阱温度不变的情况下驱动力增加的情况。

比如当样品温度-20度不变的情况下,冷阱温度从-80度降低到-85度,对应的驱动力的增加为0.031pa。通过数值列举我们就明显看出来同样是温度变化5℃,驱动力的增加相差甚远。为什么呢?水的平衡蒸汽压图能够解释。

温度升高,平衡蒸汽压增大,温度降低平衡蒸汽压减小,不同的温度区域范围,对应的升高降低的速率不同。0~-40度之间,蒸汽压降低的速度大,而低于-50~-80度之间,温度降低,蒸汽压减小的很少,这就解释了为什么同样是降低5度,升高样品温度和降低冷阱温度的差别相差这么大。既然这样那我冷阱温度是不是降低到-50度就可以了呢?这是不对的,因为我们前面解释的不是冻干箱或者冷阱的温度,而都是对应的升华界面或者冷阱补冰的冰表面对应的温度。温度探头监测的是冷阱表面的温度,并不是冰表面的温度,如果冷阱只降低到-50度,对应的冰表面温度可能只有-40度左右,和冰层的厚度有关。冰层厚度达到一定厚度,随着温度不断升高,可能导致对应平衡蒸汽压快速上升,从而导致冻干箱出现压力失控的现象。

因此提高升华效率的最主要方式是提高升华界面的温度,因此知道样品的安全温度是非常重要的,在知道样品安全温度的前提下设置冻干工艺,根据冻干曲线反应的数据和特点不断优化冻干工艺。


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