如何实现高品质的冻干工艺？

在冻干过程中，产品中的水分(以冰的形式)或者其他(冷冻的)液体形式发生了升华，而被清除出去。最后，残留的水分子可通过渗滤和解吸附作用进行去除。经过良好的冻干工艺处理后，产品的温度保持在较低的温度水平上，能够很好地阻止有损产品外观和性能的改变发生。
1.什么是升华?
冻干工艺领域中的升华是指，绕过液相(例如水)环境，直接从固相(例如冰)过渡到气相的过程。升华的物理理论知识是成功应用冻干技术的基础。水的相图描述了各相(固相、液相和气相)与压力和温度之间的相互关系。为了能够在低压环境中实现升华，相变过程中需要消耗一定的能源。在冻干过程中，所需的能源以热能形式输入到冻干系统中。冻干时发生的升华过程如下：
冷冻：产品在盛放的容器中被完全冷冻起来，常用的容器为瓶或桶等;
真空：随后将冷冻的产品放入远远高于水的三相点的高真空环境中;
干燥：在升高温度之后输入了热能，冰升华为气。
2.什么是冻干?
对冻干材料物理化学性能的理解，是成功研发冻干工艺流程的基础。少数的产品升华时，会出现结晶;大多数冻干产品的成分是非结晶态的，在冷冻后能够形成类似玻璃的物质。因此，这些产品在升华过程中所使用的助剂，对产品的导热性能有着重要的影响，能够严重影响冻干所需的时间。
3.可重复再现的条件
一个冻干过程由多个步骤组成：首先是准备试样，以液体或者悬浮物的形式盛放在相应的容器中。其次，把这些试样放入冻干设备中。冻干过程是在环境大气压下进行的。而第一次(真正)升华是在真空中进行的，第二次(渗滤、吸附)升华也是在真空条件下进行的。必要时要进行加气(加入惰性气体)，并在局部真空状态下密闭保存一段时间。最后，才能取出产品。
成功冻干的产品应具有很长的保存期、完整的组织重构以及良好的外观。当该过程的工作参数，温度、压力和干燥时间不变时，该过程是可以重复再现的。
4.冻干系统的组成和分类
冻干机的主要组成部件包括：冷却系统、真空系统、监控系统、冻干室、放置瓶装容器等使用的干燥室和冷凝室。
冷却系统对冻干机内的冰状冷凝水进行冷却。它也可以用来对产品冷冻板的表面进行冷冻。真空泵管道应与冷凝器相互连接。
冻干过程监控系统有多种形式，用户可根据具体功能要求进行选择。温度和压力的监控属于监控系统的标准监控内容。其他可选的监控内容还包括：配方选择功能、过程显示功能、过程曲线绘制功能。用户在选择合适的监控系统时，应以应用为主导，例如：产品成分的复杂性、实验室应用或者生产应用。
一般冻干室由带有放置圆形烧瓶、瓶装容器连接件的干燥室，或者具有冷冻板的冷冻室组成。
冷凝室是该系统中温度最低的地方。产品与冷凝表面之间的温度梯度，与升华产品和冷凝室表面冰层之间的蒸气压力梯度有关，释放热能会导致固体(冰)相变。升华过程中沉积的冰最后需要手工清除(除霜)。
所需的冷凝温度由冰点和产品临界温度确定。冷却系统应具有保持冷凝室温度恒定的能力;因为这是冻干系统压力监控的主要要素。
当利用冷冻板进行冻干时，冷凝室既可以安装在冻干室的内部(内置冷凝)，也可以单独的作为一个部件(外部冷凝)、用管道与冻干室连接起来。对于利用法兰和连接管或者圆形烧瓶来产生升华所需能源的设备，其热能来自设备周围的环境。
上述各种“室”系统一般配备了可加热的冷却板，以便能够对干燥过程进行监控，促进干燥过程。同样，冷却板也应具有制冷能力，以便对产品进行冷冻。
冻干设备的分类可以按照连接方式来进行。典型的冻干设备是带有一个法兰或者烧瓶连接管的冻干设备。在这类冻干设备中，产品一般都是放在冻干设备外部进行冷冻的。在冷冻板式的冻干设备中，产品是放置在冷冻板上冷冻的。在复合式冻干设备中，既有冷冻板，也有连接烧瓶的法兰。
另一种可行的分类方法是按照容量和用途，例如实验室冻干仪、流程工艺试验冻干室以及冻干生产设备。很多情况下，工艺试验冻干室除用于按比例放大以及工艺研发之外，也常常用于配方研发和小批量生产。
选择合适的冻干设备，不仅与产品特性有关，也与许多辅助参数有关，例如：容器的容积、冷冻板面积、所需的连接管数量等。批量大小、需去除冰量多少，以及必要时有机溶剂的使用等，都是必须考虑的问题。
5盛放容器的选择
每一种产品都要选择适合盛放的容器。在选择盛放冻干制品的容器时，应保证容器内的产品高度不超过2cm。一些特殊的解决方案，例如对避免交叉污染有很高要求的解决方案，也已经在市场上有成熟的产品了，例如Gore-Tex和Tyvek。
使用广口瓶时一般要用到运输架。排满广口瓶的运输架被放置在冷冻板上。这样，广口瓶的瓶底就直接与冷冻板相互接触，提高了向产品中超导热能的能力。在处理有毒有害物质时，需要使用专门的安全保障系统，例如Glove-Boxen。
6没有万能的冻干方法
为了成功完成产品的升华过程，必须在升华材料基本定型的基础上，选择合适的升华流程(循环)。该升华流程包括了冻干的所有步骤(开始冷冻、一次干燥和二次干燥)。而每一个具体的步骤都要有规定的温度、压力和持续时间。
不同产品的冻干流程循环是不同的，根据冷冻原料、批量大小和使用的容器而单独设计的。没有适合于所有产品的万能冻干方法。
7正确的冻干过程
在开始抽真空之前，即在干燥过程开始之前，应彻底冷冻好产品原料。否则，产品可能因抽真空而出现膨胀，溢出产品容器之外。在简单的冻干设备中，首先应把需真空干燥的原料先以容器为单位进行冷冻，然后再移到干燥设备中。冷冻中可以使用标准制冷设备、冷池或者使用液氮。
在冷池中，广口瓶和制备的样品在连续旋转中完成冷冻。经过这样冷冻的产品会冻结在广口瓶的瓶壁上，从而形成了最大的表面积和最小的产品厚度尺寸。当广口瓶处于垂直位置冷冻时，情况则相反：瓶底的冷冻层厚度较大，越会对干燥过程产生不利影响。另外，还会因广口瓶玻璃承受的载荷不同而造成玻璃瓶的破裂。
在利用冷冻板进行冷冻时，可将待冷冻的原料直接冷冻到冷冻板上。此时，可把产品注入小瓶中，或者散装在盘类容器中。
利用冷冻板进行冷冻具有一个明显的优点，即可以对冷冻率进行监控。冷冻率决定了产品的冻结速率，从而也决定了该批次的均质性和冰晶的大小。在某种溶液介质冷冻后，首先出现的是过冷、出现晶核(冰晶的形成)，然后开始结成冰晶。但冰晶不是在所有的瓶类容器中同时开始形成的，因此，缓慢的冻结速率对于提高均质性有重要的意义。
结晶的时间越长，结成的冰晶体积就越大。较大的冰晶可以快速地进行干燥，通过其较大的微孔，可以快速排出水蒸气。当把冻干工艺从实验室移植到生产中时，这种影响体现得更为明显，因为超净室环境中的粉尘颗粒很少，对晶核生成的影响也小。
而生物工程技术又对冻干工艺提出了特殊的要求。它规定了冰晶大小的范围允许偏差，例如不允许有能够破坏细胞核的冰晶。因此，在对这类产品进行冻干时，应注意不能形成大颗粒的冰晶。