凍干技術原理之預凍階段
預凍就是將溶液中的自由水固化，賦予干后產品與干燥前相同的形態，防止抽空干燥時起泡、濃縮和溶質移動等不可逆變化發生，盡量減少由溫度引起的物質可溶性減少和生命特性的變化。
1、 預凍的方法
溶液的預凍方法有兩種：凍干箱內預凍法和箱外預凍法。
箱內預凍法是直接把產品放置在凍干機內的多層擱板上，由凍干機的冷凍機來進行冷凍，大量的小瓶和安瓶進行凍干時為了進箱和出箱方便，一般把小瓶或安瓶分放在若干金屬盤內，再裝進箱子，為了改善熱傳遞。有些金屬盤制成可抽活底式，進箱時把底抽走，讓小瓶直接與凍干箱的金屬板接觸；對于不可抽底的盤子，要求盤底平整，以獲得產品的均一性。采用旋凍法的大血漿瓶要事先凍好后加上導熱用的金屬架后再進箱進行冷凍。
箱外預凍法有二種方法。有些小型凍干機沒有進行預凍產品的裝置，只能利用低溫冰箱或酒精加干冰來進行預凍。另一種是專用的旋凍器，它可把大瓶的產品邊旋轉邊冷凍成殼狀結構，然后再進入凍干箱內。
圖1 旋轉型冷凍
還有一種特殊的離心式預凍法，離心式凍干機就采用此法。利用在真空下液體迅速蒸發，吸收本身的熱量而凍結。旋轉的離心力防止產品的氣體逸出，使產品能“平靜地”凍結成一定的形狀。轉速一般為800轉/分左右。
圖2 靠離心或旋轉液體形成楔狀或殼狀
2、 預凍的過程
水溶液溫度降到一定時，根據溶液共晶濃度，濃度淡溶液里開始結冰，這個溫度就叫結冰點。一般來說結冰點受濃度的支配與濃度一起下降。溶液溫度低于結冰點時，溶液中的一部分會結晶析出，剩下的溶液濃度將會上升，就這樣結冰點下降，接著繼續冷卻，冰結晶隨著冷卻而增加，剩下的溶液濃度隨之而增大。可是溫度降到某一點時剩下的溶液就全部凍結，這時的凍結物里混雜著冰晶體，這時的溫度就是共晶點。
溶液需過冷到冰點以后，其內產生晶核以后，自由水才會開始以冰的形式結晶，同時放出結晶熱使其溫度上升到冰點，隨著晶體的生長，溶液濃度的增加，當濃度達到共晶濃度，溫度下降到共晶點以下時，溶液就會全部凍結。
溶液結晶的晶粒數量和大小除了與溶液本身的性質有關以外，還與晶核生成速率和晶體生長速率有關。而晶核生成速率和晶體生長速率這兩個因素又是隨溫度和壓強的變化而變化的，因此，我們可以通過控制溫度和壓強來控制溶液結晶的晶粒數量和大小。一般來說，冷卻速度越快，過冷溫度越低，所形成的晶核數量越多，晶體來不及生長就被凍結，此時所形成的晶粒數量越多，晶粒越細；反之晶粒數量越少，晶粒越大。
晶體的形狀也與凍結溫度有關。在0 ℃附近開始凍結時，冰晶呈六角對稱形，在六個主軸方向向前生長，同時，還會出現若干副軸，所有冰晶連接起來，在溶液中形成一個網絡結構。隨著過冷度的增加，冰晶將逐漸喪失容量辨認的六角對稱形式，加之成核數多，凍結速度快,可能形成一種不規則的樹枝型，它們有任意數目的軸向柱狀體，而不象六方晶型那樣只有六條。
圖3 冷凍干燥碎片，表示冰升華后空隙（無比例）
生物體液（如血液血漿、肌肉漿液、玻璃體液等）結冰形成的結晶單元，往往與單一成分的水溶液形成的冰晶類型相似。結晶類型主要取決于冷卻速度和體液濃度，例如血漿、肌肉漿液等在正常濃度下結冰時，在較高零下溫度、慢冷卻速度下形成六方結晶單元，快速冷卻至低溫時形成不規則樹枝狀晶體。
細胞懸浮液（如紅血球、白血球、精子、細菌等懸浮于蒸餾水、血漿或其他懸浮介質中），在高零下溫度緩慢結冰時，懸浮液中大量的冰生長，將細胞擠在兩冰柱之間的狹窄管道中，管道內的懸浮介質因水析出結冰而溶質濃縮，細胞內的水通過細胞膜滲透出細胞，又造成細胞內溶質的濃縮。與此同時，胞外冰的生長，還將迫使細胞物質體積縮小、變形。但此時細胞內不結冰。當在低溫下快速結冰時，則細胞內將形成胞內冰。冰的大小、形狀和分布與冷卻速度、保護劑的存在與否、保護劑的性質以及細胞內水的含量有關，一般說來，冷卻速度越快、溫度越低，細胞內形成的冰越多。懸浮液中添加非滲透性保護劑，可以使快速結冰時細胞內形成的冰數目減少。
溶液結晶的形式對凍干速率有直接的影響。冰晶升華后留下的空隙是后續冰晶升華時水蒸氣的逸出通道，大而連續的六方晶體升華后形成的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干燥速度快，反之樹枝形和不連續的球狀冰晶通道小或不連續，水蒸汽靠擴散或滲透才能逸出，因而干燥速度慢。因此僅從干燥速率來考慮，慢凍為好。
此外，凍結的速率還與凍結設備的種類、能力和傳熱介質等有關。
預凍會對細胞和生命產生一定的破壞作用，其機理是非常復雜的，一般認為，預凍過程中水結冰所產生的機械效應和溶質效應是引起生化藥品在凍干過程中失活或變性的重要因素。機械效應是指水結冰時體積增大，致使活性物質活性部位中一些弱分子力鍵受到破壞，從而使活性損失；溶質效應是指水結冰以后引起溶質濃度上升以及由于各種溶質在各種溫度條件下溶解度變化不一致引起pH值的變化，導致活性物質所處的環境發生變化而造成失活或變性。對這種現象可采用下列措施解決：①預凍采用速凍法，先將擱板溫度降至－45 ℃，再放入產品急速冷凍，形成細微冰晶，使其來不及產生機械效應。②選用緩沖劑時要選用溶解度相當的緩沖配對鹽。③加入產品保護劑。
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