真空冷冻干燥就是将含水物质预先冻结,然后再在真空状态下使其中的水从固态升华成气态,从而除去水分保存物质。
与其它干燥方法一样,要维持升华干燥的不断进行,必须满足两个基本条件,冻干机价格即热量的不断供给和生成蒸汽的不断排除。
在开始阶段,如果物料温度相对较高,升华所需要的潜热可取自物料本身的显热。但随着升华的进行,物料温度很快就降到与干燥室蒸汽分压相平衡的温度,此时,若没有外界供热,升华干燥便停止进行。在外界供热的情况下,升华所生成的蒸汽如果不及时排除,蒸汽分压就会升高,物料温度也随之升高,当达到物料的冻结点时,物料中的冰晶就会融化,冷冻干燥也就无法进行了。
供给热量的过程是一个传热过程,排除蒸汽的过程是一个传质的过程,因此,升华干燥过程实质上是一个传热、传质同时进行的过程。自然界中所发生的任何过程都有驱动力,升华干燥中的传热驱动力为热源与升华界面之间的温差,而传质驱动力为升华界面与蒸汽捕集器之间的蒸汽分压差。温差愈大,传热速率愈快;蒸汽分压差愈大,传质(即蒸汽排除)速率愈快。
冻干时,既要保持产品的优良品质,冻干机价格又要取得较快的干燥速率。升华所需要的潜热必须由热源通过外界传热过程传送到被干燥物料的表面,然后再通过内部传热过程传送到物料内冰升华的实际发生处。所产生的水蒸气必须通过内部传质过程到达物料的表面,再通过外部传质过程转移到蒸汽捕集器中。任何一个过程或几个过程一起都可能成为干燥过程的“瓶颈”,它取决于冻干机的设计、操作条件以及被干燥物料的特征。只有同时提高传热、传质效率,增加单位体积冻干物料的表面积,才能取得更快的干燥速率。
在冰晶的升华过程中,每升华1g冰晶约需吸收2822.4J的热量,假如没有热量来源,冰晶升华时将会从制品中吸热,亦即通过降低制品的温度来维持升华所必须的热能,当制品的温度降低后,其冰晶饱和蒸汽压亦降低,当降低到与环境中相对压力相等时,升华亦即停止,因此,冻干机冻干过程中,必须给制品施加热能。