1. Đóng băng sản phẩm
Khi dung dịch được đông cứng nhanh chóng (nhiệt độ giảm 10 ~ 50 độ mỗi phút), các tinh thể vẫn giữ được kích thước có thể nhìn thấy được dưới kính hiển vi; ngược lại, khi đông lạnh chậm (1 độ / phút), các tinh thể hình thành có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Các tinh thể thô để lại một khoảng trống lớn trong quá trình thăng hoa, điều này có thể cải thiện hiệu quả của quá trình đông khô. Các tinh thể mịn để lại một khe hở nhỏ sau khi thăng hoa, điều này cản trở sự thăng hoa của lớp dưới. Các hạt thành phẩm được tạo ra bằng cách đông lạnh nhanh là mịn, với đặc điểm là bề ngoài đồng nhất, diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp tốt, hòa tan nhanh và khả năng hút ẩm của thành phẩm tương đối mạnh hơn. Thuốc được đông lạnh sơ bộ trong tủ sấy đông lạnh theo hai cách: một là sản phẩm được làm lạnh trong tủ sấy cùng một lúc; Cách còn lại là đợi kệ hộp sấy được làm lạnh đến khoảng -40 độ rồi mới cho sản phẩm vào. Loại trước tương đương với cấp đông chậm, còn loại sau là giữa cấp đông nhanh và cấp đông chậm, vì vậy thường được sử dụng để xem xét hiệu quả đông khô và chất lượng sản phẩm. Nhược điểm của phương pháp này là khi cho sản phẩm vào hộp, hơi nước trong không khí sẽ ngưng tụ trên kệ nhanh chóng. Tuy nhiên, trong giai đoạn đầu của quá trình thăng hoa, nếu nhiệt độ của giá thể tăng nhanh hơn, có thể vượt quá tải bình thường của bình ngưng do sự thăng hoa diện tích lớn. Hiện tượng này đặc biệt rõ rệt vào mùa hè. Cấp đông sản phẩm ở trạng thái tĩnh. Kinh nghiệm cho thấy, hiện tượng quá đông dễ xảy ra sẽ dẫn đến nhiệt độ sản phẩm đạt đến eutectic mà chất tan vẫn không bị kết tinh. Để khắc phục hiện tượng quá lạnh, nhiệt độ cấp đông của sản phẩm phải thấp hơn một khoảng dưới điểm eutectic, và nên giữ trong một khoảng thời gian cho đến khi sản phẩm đông hoàn toàn.
2. Điều kiện và tốc độ thăng hoa
Sự thăng hoa có thể bắt đầu khi áp suất hơi bão hòa của nước đá ở một nhiệt độ nhất định cao hơn áp suất riêng phần của hơi nước ở môi trường xung quanh; Việc hút và thu giữ hơi nước của bình ngưng có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của sản phẩm là điều kiện cần thiết để duy trì sự thăng hoa. Quãng đường đi được của một chất khí giữa hai lần va chạm liên tiếp được gọi là đường đi tự do trung bình, tỷ lệ nghịch với áp suất. Dưới áp suất thường, các phân tử nước cực nhỏ và thăng hoa sẽ dễ dàng va chạm với chất khí rồi quay trở lại bề mặt nguồn hơi nước nên tốc độ thăng hoa rất chậm. Khi áp suất giảm xuống dưới 13,3Pa, đường đi tự do trung bình tăng lên 105 lần, điều này làm cho tốc độ thăng hoa nhanh hơn đáng kể. Các phân tử nước bay ra hiếm khi thay đổi các khía cạnh riêng của chúng, do đó tạo thành dòng hơi nước có hướng. Bơm chân không đóng vai trò loại bỏ khí trong máy sấy đông lạnh để duy trì áp suất thấp cần thiết cho quá trình thăng hoa. 1 gam hơi nước là 1,25L ở áp suất thường, nhưng nó nở ra 10, 000 L ở 13,3Pa. Không thể bơm chân không thông thường với khối lượng lớn như vậy trong một đơn vị thời gian. Trên thực tế, bình ngưng tạo thành một máy bơm chân không đặc biệt để thu hơi nước. Nhiệt độ của quá trình sản xuất và ngưng tụ thường là -25 độ và -50 độ. Ở nhiệt độ này, áp suất hơi bão hòa của nước đá lần lượt là 63,3Pa và 1,1Pa, tạo ra sự chênh lệch áp suất đáng kể giữa bề mặt thăng hoa và bề mặt ngưng tụ. Nếu lúc này có thể bỏ qua áp suất riêng phần của khí không ngưng tụ trong hệ thống, nó sẽ thúc đẩy hơi nước thăng hoa từ sản phẩm đến bề mặt của bình ngưng theo hướng theo một tốc độ dòng chảy nhất định và tạo thành sương giá. Nhiệt thăng hoa của nước đá vào khoảng 2822J / g. Nếu quá trình thăng hoa không cấp nhiệt thì sản phẩm chỉ có thể giảm nội năng để bù nhiệt thăng hoa cho đến khi nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ của bình ngưng thì quá trình thăng hoa sẽ dừng lại. Cung cấp đủ nhiệt cho sản phẩm để duy trì sự chênh lệch nhiệt độ giữa thăng hoa và ngưng tụ.
3. Quá trình thăng hoa
Trong giai đoạn gia nhiệt đầu tiên (giai đoạn thăng hoa khối lượng), nhiệt độ của sản phẩm phải thấp hơn điểm eutectic của nó một khoảng. Do đó, nhiệt độ của kệ cần được kiểm soát. Nếu sản phẩm đã được làm khô một phần nhưng nhiệt độ vượt quá điểm eutectic thì lúc này sản phẩm sẽ tan chảy. Lúc này, chất lỏng tan chảy bão hòa với nước đá, nhưng không có chất tan, vì vậy chất tan khô sẽ hòa tan vào nó nhanh chóng, cuối cùng cô đặc lại thành một khối đông lạnh mỏng, có hình thức xấu và tốc độ hòa tan kém. Nếu sản phẩm nóng chảy ở giai đoạn thăng hoa muộn hơn, nó sẽ bị hấp thụ bởi chất rắn xốp khô do lượng chất lỏng nóng chảy ít, làm cho cục bị hỏng sau khi đông khô, và tốc độ hòa tan cũng có thể chậm lại. khi thêm nước để hòa tan. Trong quá trình thăng hoa, mặc dù nhiệt độ của kệ và sản phẩm chênh lệch nhau khá nhiều nhưng về cơ bản nhiệt độ của tấm, bình ngưng và chân không không thay đổi. Vì vậy sự hấp thụ nhiệt thăng hoa tương đối ổn định và nhiệt độ sản phẩm tương đối không đổi. Khi sản phẩm khô từ trên xuống dưới, sức cản của sự thăng hoa của nước đá tăng dần. Nhiệt độ sản phẩm cũng sẽ tăng nhẹ tương ứng cho đến khi mắt thường không thể nhìn thấy các tinh thể đá. Tại thời điểm này, hơn 90 phần trăm lượng nước đã được loại bỏ. Cho đến nay, quá trình thăng hoa về cơ bản đã kết thúc. Để đảm bảo sự thăng hoa của cả hộp sản phẩm, nhiệt độ trên kệ vẫn cần được giữ trong một giai đoạn trước khi gia nhiệt giai đoạn hai. Phần trăm nước còn lại được gọi là nước dư, khác với nước tự do về các tính chất vật lý và hóa học. Nước dư bao gồm nước kết hợp hóa học và nước kết hợp vật lý, chẳng hạn như sự kết tinh của nước tinh thể kết hợp, nước được liên kết với protein thông qua các liên kết hydro, và nước được hấp thụ trên bề mặt rắn hoặc mao quản. Áp suất hơi bão hòa của nước dư giảm theo các mức độ khác nhau do lực cản của một trọng lực nhất định, do đó tốc độ sấy giảm rõ ràng. Mặc dù việc tăng nhiệt độ của sản phẩm có thể thúc đẩy quá trình khí hóa của nước dư, nhưng nếu vượt quá nhiệt độ nhất định, hoạt tính sinh học cũng có thể giảm mạnh. Nhiệt độ sấy cao nhất để đảm bảo an toàn cho sản phẩm cần được xác định bằng các thí nghiệm. Thông thường, trong giai đoạn thứ hai, nhiệt độ tấm khoảng 30 độ và được giữ cố định. Khi bắt đầu giai đoạn này, nhiệt độ của sản phẩm tăng nhanh khi nhiệt độ tấm tăng lên và lượng nước dư bay hơi ít hơn. Tuy nhiên, khi nhiệt độ sản phẩm tiến dần đến nhiệt độ tấm, sự dẫn nhiệt trở nên chậm hơn, và phải kiên nhẫn chờ đợi trong một thời gian dài. Kinh nghiệm thực tế cho thấy, thời gian làm khô của nước dư gần như bằng thời gian thăng hoa, thậm chí có khi vượt quá nó.
4. Đường cong đông khô
Đường cong đông khô thu được bằng cách ghi lại sự thay đổi nhiệt độ của giá thể và nhiệt độ của sản phẩm theo sự thay đổi của thời gian. Đường cong lyophilizationg điển hình chia nhiệt độ kệ thành hai giai đoạn. Nhiệt độ kệ được giữ ở mức thấp trong quá trình thăng hoa khối lượng, thường có thể được kiểm soát trong khoảng từ -10 độ đến 10 độ tùy theo tình hình thực tế. Trong giai đoạn thứ hai, nhiệt độ kệ sẽ được nâng lên theo đặc tính của sản phẩm một cách thích hợp. Phương pháp này thích hợp cho các sản phẩm có nhiệt độ nóng chảy thấp. Nếu không rõ hiệu suất của sản phẩm và hiệu suất của máy kém hoặc công việc của nó không đủ ổn định, thì sẽ an toàn hơn khi sử dụng phương pháp này. Nếu điểm eutectic của sản phẩm cao, độ chân không của hệ thống có thể được duy trì tốt và công suất lạnh của bình ngưng là đủ thì có thể áp dụng tốc độ gia nhiệt nhất định để tăng nhiệt độ của kệ lên nhiệt độ tối đa cho phép cho đến khi quá trình đông khô kết thúc. Tuy nhiên, cũng cần đảm bảo rằng nhiệt độ của sản phẩm trong quá trình thăng hoa khối lượng không được vượt quá điểm eutectic. Nếu sản phẩm không ổn định với nhiệt, nhiệt độ tấm giai đoạn hai không được quá cao. Để cải thiện tốc độ thăng hoa trong giai đoạn đầu, nhiệt độ ngăn kệ có thể được tăng lên trên nhiệt độ tối đa cho phép của sản phẩm tại một thời điểm; Khi giai đoạn thăng hoa khối lượng cơ bản kết thúc, nhiệt độ kệ sẽ được hạ xuống nhiệt độ tối đa cho phép. Mặc dù hai phương pháp sau đã cải thiện tốc độ thăng hoa khối lượng, nhưng khả năng chống nhiễu sẽ bị giảm tương ứng, và việc giảm đột ngột độ chân không và khả năng làm lạnh hoặc mất điện có thể làm chảy sản phẩm. Một cách tiếp cận hợp lý và linh hoạt đối với phương pháp đầu tiên là một phương pháp ngày càng được sử dụng phổ biến hiện nay.