冷凍干燥機(Freeze Dryer)，又稱凍干機，是一種利用升華原理將含水物質低溫凍結后，在真空條件下使冰直接升華為水蒸氣而除去水分的設備。該技術廣泛應用于生物醫藥、食品加工、材料科學、微生物保存等領域，能夠最大限度地保持物質的原有結構和活性。
 

　　本文將從以下八個方面對冷凍干燥機進行全面解析：
 

　　一、冷凍干燥的基本原理
 

　　二、冷凍干燥的過程階段
 

　　三、冷凍干燥機的系統組成
 

　　四、冷凍干燥機的操作流程
 

　　五、冷凍干燥的應用領域
 

　　六、冷凍干燥機的選型指南
 

　　七、使用注意事項與維護
 

　　八、常見問題與解決方案

  

　　一、冷凍干燥的基本原理
 

　　冷凍干燥基于“水的三相圖”中的升華過程，即固態冰不經過液態直接轉化為氣態水蒸氣。其基本原理包括：
 

　　冷凍階段：將物料快速冷卻至共晶點或玻璃化轉變溫度以下，使水分凍結成冰晶。
 

　　初級干燥(升華干燥)：在真空環境下，冰晶直接升華為水蒸氣，由冷阱捕獲。
 

　　次級干燥(解吸干燥)：進一步去除物料中結合水(吸附水)，通常通過升高溫度實現。
 

　　關鍵物理原理：
 

　　升華需要吸收熱量(升華熱)；
 

　　真空降低水的三相點壓力，使冰在低溫下即可升華；
 

　　冷阱溫度低于升華界面溫度，確保水蒸氣被有效凝結。
  

　　二、冷凍干燥的過程階段
 

　　預凍階段(Freezing)
 

　　目的：將物料中的游離水凍結，形成穩定冰晶結構。
 

　　方法：程序降溫或速凍(如-40℃或液氮速凍)。
 

　　注意：避免慢凍導致冰晶粗大，影響復水性。
 

　　初級干燥階段(Primary Drying / Sublimation)
 

　　條件：真空度通常為10~100 Pa，擱板升溫至-40℃ ~ 0℃。
 

　　過程：冰晶升華，物料溫度基本保持在共晶點附近。
 

　　時間占比：最長(約占總時間的60~80%)。
 

　　次級干燥階段(Secondary Drying / Desorption)
 

　　條件：提高擱板溫度(20~50℃)，繼續抽真空。
 

　　過程：去除結合水(吸附于物料內部的水分)。
 

　　終點：產品含水量降至1%~3%(視需求而定)。
  

　　三、冷凍干燥機的系統組成
 

　　制冷系統
 

　　壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器(冷阱)
 

　　作用：提供低溫環境，實現物料預凍與冷阱捕冰。
 

　　真空系統
 

　　旋片真空泵 + 羅茨泵(或分子泵)組合
 

　　作用：建立并維持高真空環境(10?¹ ~ 10² Pa)。
 

　　加熱系統
 

　　電加熱擱板(可控溫)
 

　　作用：為升華和解吸過程提供熱量。
 

　　冷阱(Condenser)
 

　　位于干燥室外部，溫度可達-80℃以下
 

　　作用：捕獲升華的水蒸氣，防止其進入真空泵。
 

　　干燥室(Chamber)
 

　　材質：不銹鋼，帶透明觀察窗
 

　　類型：圓瓶式、歧管式(Manifold)、原位式(in-situ)、多歧管組合式等。
 

　　控制系統
 

　　PLC或觸摸屏控制，可編程凍干曲線(溫度、真空、時間)
 

　　監測參數：擱板溫度、物料溫度、真空度、冷阱溫度。
 

　　尾氣處理系統(可選)
 

　　過濾器或活性炭吸附裝置，防止有機溶劑或生物危害物排放。
  

　　四、冷凍干燥機的操作流程
 

　　以實驗室型冷凍干燥機為例：
 

　　準備階段
 

　　檢查設備狀態(真空泵油位、制冷劑壓力、電源)。
 

　　清潔干燥室與冷阱，安裝樣品架。
 

　　連接真空泵與設備，打開冷卻水(如有)。
 

　　裝樣
 

　　將待干燥樣品裝入凍干瓶、托盤或西林瓶中(注意預留升華空間)。
 

　　密封瓶口(留通氣孔或使用膠塞+濾膜)。
 

　　預凍
 

　　啟動制冷系統，將擱板溫度降至-40℃或設定值。
 

　　樣品隨擱板同步冷凍，或提前在冰箱/凍干機外預凍。
 

　　冷凍時間：通常1~2小時，至樣品凍結。
 

　　抽真空干燥
 

　　啟動真空泵，關閉放氣閥，建立真空(<100 Pa)。
 

　　設置凍干曲線：
 

　　初級干燥：擱板升溫至-20℃ ~ 0℃，維持數小時至數十小時。
 

　　次級干燥：升溫至20~40℃，繼續干燥2~6小時。
 

　　監控真空度與溫度變化，防止“噴瓶”或塌陷。
 

　　結束與卸料
 

　　干燥完成后，緩慢放氣(防止氣流沖擊樣品)。
 

　　取出樣品，密封保存(如壓蓋西林瓶)。
 

　　關閉設備，清理冷阱融霜水。
 

　　維護
 

　　定期更換真空泵油，清潔冷阱與干燥室。
 

　　檢查制冷劑是否泄漏，校準溫度傳感器。
  

　　五、冷凍干燥的應用領域

領域	典型應用
生物醫藥	疫苗、酶、抗體、血漿、細胞、mRNA疫苗的凍干保存
食品工業	咖啡、果蔬、肉類、益生菌、方便湯料的凍干保鮮
微生物學	菌種、噬菌體、藻類的長期保藏
材料科學	納米材料、高分子前驅體、催化劑的脫水處理
化妝品	活性成分（如膠原蛋白、植物提取物）的凍干粉末
科研教學	樣品預處理、結構分析前的脫水

 

　　優勢：
 

　　保留物質結構、活性與風味；
 

　　復水性好；
 

　　便于長期儲存(常溫或4℃下數年穩定)；
 

　　重量輕，適合運輸。
  

　　六、冷凍干燥機的選型指南
 

　　選擇凍干機時需綜合考慮以下因素：
 

　　用途與規模
 

　　實驗室研發：小型臺式機(0.1~10 L容量)
 

　　中試生產：中型機(10~100 L)
 

　　工業生產：大型連續式凍干機(>100 L)
 

　　凍干方式
 

　　歧管式(Manifold)：適合瓶裝液體，成本低，但無法控溫。
 

　　圓瓶/托盤式：適合固體或粘稠樣品。
 

　　原位式(in-situ)：樣品置于干燥室內，可程序控溫，適合無菌要求高的場景(如制藥)。
 

　　多歧管組合式：兼顧靈活性與控溫能力。
 

　　溫度范圍
 

　　擱板低溫度：-50℃、-80℃(推薦-80℃用于生物樣品)
 

　　冷阱低溫度：-80℃、-105℃(越低效率越高)
 

　　真空性能
 

　　極限真空度：≤10 Pa(優質設備可達1~5 Pa)
 

　　真空泵配置：旋片泵+羅茨泵組合更優。
 

　　控制系統
 

　　是否支持編程凍干曲線(多段溫控、真空控制)
 

　　數據記錄與導出功能(符合GMP/GLP要求)
 

　　安全與合規
 

　　防爆設計(用于有機溶劑樣品)
 

　　無菌過濾、在線滅菌(SIP)、在位清洗(CIP)(制藥級)
 

　　CE、FDA 21 CFR Part 11認證(如需電子數據合規性)
 

　　品牌與售后
 

　　國際品牌：Labconco、Christ、SP Scientific、Millrock
 

　　國產品牌：博醫康、永合創信、上海賀德、中科美菱
 

　　關注耗材供應、維修響應速度、耗材成本(如真空泵油、密封圈)
 

　　七、使用注意事項與維護
 

　　注意事項
 

　　樣品必須凍結后再抽真空，否則會“沸騰”噴樣。
 

　　有機溶劑樣品需謹慎：部分溶劑(如乙醇、丙酮)在低壓下易揮發甚至爆炸，需專用防爆機型。
 

　　避免頻繁開關門，防止真空泄漏與冷阱結霜過厚。
 

　　西林瓶需半壓塞，防止空氣回流導致回潮。
 

　　日常維護
 

　　每周檢查真空泵油顏色與液位，定期更換(建議每200~500工作小時)。
 

　　每次使用后清潔干燥室與冷阱，防止交叉污染。
 

　　冷阱除霜：停機后自然融化或電加熱除霜，勿用尖銳工具刮鏟。
 

　　定期檢查制冷劑壓力與壓縮機運行聲音。
 

　　校準溫度傳感器(每年一次)。
 

　　八、常見問題與解決方案

問題	原因	解決方法
樣品塌陷或熔化	溫度過高、真空不足、預凍不充分	降低擱板溫度，確認真空達標，加強預凍
凍干時間過長	真空度差、冷阱效率低、樣品過厚	檢查真空系統，清潔冷阱，減薄樣品厚度
真空抽不下去	漏氣、泵油污染、閥門故障	檢漏，換泵油，檢修閥門
噴瓶（bumping）	未全凍結、真空上升過快	充分預凍，緩慢抽真空
復水性差	干燥不或結構破壞	延長次級干燥時間，優化凍干曲線
冷阱結冰嚴重	除霜不及時、水汽負荷過大	定期除霜，分批處理樣品

 

　　總結
 

　　冷凍干燥機是一種高效、溫和的脫水設備，核心在于“低溫冷凍 + 真空升華”的物理過程。其選型需結合應用場景、樣品特性與工藝需求，操作過程中需嚴格控制預凍、真空與溫度曲線，以確保產品質量。隨著生物制藥、功能性食品和高附加值材料的發展，冷凍干燥技術正朝著智能化、無菌化、規?；较蜓葸M。正確掌握其原理、操作與維護技能，是科研與生產成功的關鍵。