真空冷凍干燥（簡稱凍干）是先將濕物料凍結(jié)到共晶點(diǎn)溫度以下，使水分變成固態(tài)的冰，然后通過抽真空將物料中的水分由固態(tài)直接升華為氣態(tài)而排出物料之外的一種干燥方法。

真空冷凍干燥是一門古老的現(xiàn)代技術(shù)。說它古老是因?yàn)樗某霈F(xiàn)比較早，發(fā)展歷史坎坷；說它現(xiàn)代是因?yàn)樗?0世紀(jì)90年代開始，其應(yīng)用進(jìn)入了高科技領(lǐng)域；說它是現(xiàn)代技術(shù)是因?yàn)樗鼜?0世紀(jì)90年代開始，已加入現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域的例列。人體各器官的保存和再植是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的課題之一。營養(yǎng)保健食品是現(xiàn)代人們生活的追求。航天飛機(jī)用的超輕隔熱陶瓷，是現(xiàn)代科學(xué)的熱門話題之一。低溫超導(dǎo)材料等納米級超細(xì)微粉的制備等，都需要真空冷凍干燥技術(shù)與設(shè)備。

1.1 凍干技術(shù)在國際上的發(fā)展概況

真空冷凍干燥技術(shù)大約出現(xiàn)在1811年，當(dāng)時(shí)用于生物體的脫水。1813年美國人W.H. 沃拉斯頓（Wollaston）發(fā)現(xiàn)水的飽和蒸氣壓與水的溫度有關(guān)：在真空條件下，水容易汽化，水在汽化時(shí)將導(dǎo)致溫度的降低。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，沙克爾（Shackell）于1909 年試驗(yàn)用冷凍干燥的方法保存菌種、病毒和血清，取得較好的效果，使真空冷凍干燥技術(shù)得到了實(shí)際的應(yīng)用。

最早使用凍干法制作生物標(biāo)本的人是阿特曼（Altmann）。他于1890年采用凍干法干燥生物體的器官和組織，制成既能保持原來生物的組織結(jié)構(gòu)，又能長期貯藏的生物標(biāo)本，供人們在顯微鏡下觀察，以便于學(xué)習(xí)和研究。1900年Shackell開始用凍干法干燥血清和細(xì)菌，經(jīng)9年的努力，于1909年獲得成功，并且在 American Journal Physiology上發(fā)表了他的凍干實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這是凍干技術(shù)應(yīng)用發(fā)表最早的論文。1911年，D.L.Harris和L.F.Shackell把狂犬病腦組織凍干；1912年，Carrel 最先提出采用凍干技術(shù)保存器官組織，供外科移植用的設(shè)想；1921年，H.F.Swift提出了保存菌株用的標(biāo)準(zhǔn)凍干方法。

第一臺商業(yè)用凍干機(jī)的問世在1935年，W.J.Elser 等在凍干機(jī)上最先采用了低溫冷阱，從而改變了用真空泵直接抽水蒸氣的方法；在凍干機(jī)上采用主動加熱的辦法，使升華過程得到強(qiáng)化，干燥時(shí)間得到縮短，因而可用于生產(chǎn)。這時(shí)凍干產(chǎn)品擴(kuò)展到藥品，主要有培養(yǎng)基、荷爾蒙和維生素等。1940年凍干人血漿開始進(jìn)入市場。1942年第二次世界大戰(zhàn)期間，由于輸血的需要，必須發(fā)展血液制品。同時(shí)，抗生素的需要量也急劇增加，促使凍干技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中得到了迅速的發(fā)展。最早把凍干血漿、血清提供給臨床使用的是美國賓州大學(xué)醫(yī)學(xué)系的 E.W.Flosdorf 和S.Mudd。在1941年12月珍珠港事件爆發(fā)、美國參戰(zhàn)之后的6個(gè)月，在紐約召開了 American Human Seium Association年會?；谝虻萝娗终际狗▏獛煸獾狡茐牡氖聦?shí)，會上做出了凍干血漿緊急籌集的決議，促使美國紅十字會實(shí)施這一計(jì)劃，于1942年真空冷凍干燥技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)藥工業(yè)。1943年在英國和丹麥制成并開始使用大型食品凍干機(jī)。冷阱設(shè)在凍干箱內(nèi)，是現(xiàn)在這種凍干設(shè)備的原型。1944年 Wyckoff 和Logcdin采用雙管干冰阱，使捕水器溫度降低，捕水效果更好，從而又開發(fā)出在外側(cè)直接與多歧管連接的裝置，成為現(xiàn)在歧管式凍干機(jī)最早的原型。用這種設(shè)備生產(chǎn)出凍干的血漿。在日本，軍醫(yī)中校內(nèi)藤良一主持了所謂防疫研究。實(shí)際上是在凍干細(xì)菌，為細(xì)菌戰(zhàn)做準(zhǔn)備。在1939～1943 年間進(jìn)行了免疫補(bǔ)體、血清、血漿、細(xì)菌、病毒等凍干研究，并于1943年將多歧管凍干機(jī)成功地改制成箱式凍干機(jī)。

凍干法加工和貯藏食品很早就被人類所利用。古代斯堪的納維亞人（Vikings）利用北冰洋干爽寒冷的空氣生產(chǎn)一種脆魚（Klip-fish），南美的古印第安人利用自然條件凍干生產(chǎn)一種稱為Chuno 的馬鈴薯淀粉。對食品進(jìn)行凍干研究始于1930年，F(xiàn)losdorf在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了食品的凍干實(shí)驗(yàn)。最原始的食品凍干設(shè)備于1943年出現(xiàn)在丹麥。對食品凍干的系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)50年代。其中規(guī)模大的是英國食品部于1950～1960年提出在蘇格蘭 Aberdeen 試驗(yàn)工廠進(jìn)行的研究，研究成果中最為著名的是加速凍干法（AFD）。1985 年日本有25家公司生產(chǎn)凍干食品，其銷售額達(dá)1700億日元。1992年日本凍干食品的年生產(chǎn)量為7000t。

凍干技術(shù)在材料科學(xué)中的應(yīng)用是最近幾十年的事情。從查到的資料看，最早發(fā)表文章的是Y.S.Kim 和F.R.Monforte，于1971年寫出了用凍干法生產(chǎn)透光性氧化鋁的文章。20世紀(jì) 90年代，隨著納米科技（NST）的迅速崛起，制備納米級超細(xì)微粉的各種方法應(yīng)運(yùn)而生，凍干法也占得一席之地。

隨著凍干技術(shù)應(yīng)用的推廣，對凍干理論和工藝的研究也逐漸興旺起來。1944年，弗洛斯道夫（Flosdorf）出版了第一部有關(guān)冷凍干燥技術(shù)和理論的專著。1951年和1958年先后在倫敦召開了第一屆和第二屆以真空冷凍干燥為主題的專題討論會。1963年，美國最先制定了GMP（Good Manu-factoring Practice）凍干藥品的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。1969年，世界各國紛紛制定GMP計(jì)劃，國際貿(mào)易組織共同決定 GMP標(biāo)準(zhǔn)。

有關(guān)描述真空冷凍干燥數(shù)學(xué)模型的研究方面，許多人提出了各種各樣的理論。提出最早和應(yīng)用*的模型是桑德爾（Sandll）和金（King）的冰界面均勻向后移動模型（The Uni-formly Retreating Ice Front Model），簡稱URIF模型，屬于穩(wěn)態(tài)模型。其主要思想是熱量通過干燥層和冷凍層傳導(dǎo)到升華界面，冰升華得以進(jìn)行，產(chǎn)生的水蒸氣通過多孔的干燥層，在真空室內(nèi)擴(kuò)散，最后被真空泵抽到捕水器內(nèi)被捕集。隨著升華的進(jìn)行，冰界面向凍結(jié)層均勻地退卻，在其后產(chǎn)生多孔的干燥層。這種模型描述液態(tài)和固態(tài)物料的凍干過程是有效的。但是，實(shí)際的于燥過程是非穩(wěn)態(tài)的。為更接近于實(shí)際情況，1968年，D.Z.Dyre 和J.E.Sunderland 又提出了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。第三種模型是利奇菲爾德（Litchfield）和利亞皮斯（Liapis）于1979年提出來的，稱為解吸—升華模型。在該模型中，認(rèn)為冷凍層的冰升華和干燥層的吸附水解吸是同時(shí)進(jìn)行的。前兩種模型對于占物料含水量中75%～90%的自由水的升華是比較準(zhǔn)確的。還有一部分結(jié)合水，它們以物理吸附和化學(xué)吸附的方式存在著。雖然它們的比例較小，但把它們從物料中移出需要很長的時(shí)間。在凍干過程中，凍干物料的溫度不斷升高，在冰升華的同時(shí)，干燥曾所吸附的水也會同時(shí)解吸。

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