冷冻干燥技术推荐教材与补充讲义.docx
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冷冻干燥技术推荐教材与补充讲义
《冷冻干燥原理》
前 言
冷冻真空干燥也叫干燥。
升华干燥或简称冻干。
它是干燥方法之一，目的是为了贮存物品。
物品之所以会损坏、腐烂、变质，主要是由于外因和内因二个因素引起，外因者，空气、水、温度、生物等的作用；内因者，主要是生物物质自身的新陈代谢作用。
如果能使外因和内因的作用减小到最低程度，则能达到物品在一定时间内保持不变的目的。
干燥法就是驱除物品内部所含的水份，因为水份是一切生物生长的必要条件之一。
生物体水份减少到一定程度，则生物不易或不能生长繁殖。
因而能较长时间的贮藏保存；另外，当有水份存在时，一些酸碱溶解其内还会发生一些化学作用而使物品变质。
干燥的方法很多，如晒干、烘干、煮干、晾干、喷雾干燥、真空干燥、冷冻干燥等。
其中唯有冷冻干燥法是保存有生命生物物质的最理想方法。
冷冻干燥之后的产品，进行真空或氮气封口，以隔绝空气特别是氧气，再在低温下存放，则水份、空气、温度三个因素被控制，使产品能在较长的时间内得到有效的保存。
冷冻干燥技术是在第2次世界大战期间，因大量需要血浆和青霉素而发展起来的。
现在已广泛应用于化学、制药工业、食品工业和科学研究等方面，特别是应用于含有生物活性物质的生物药品方面最为普遍。
我国在解放前就已使用冷冻干燥法制造疫苗，但数量极少，仅应用于人医，解放后我国的冷冻干燥事业得到迅速发展。
1952年起开始在兽医界应用，并在国内制造了一批大、中型的冷冻干燥机，现在全国所有的省、市自治区均有各种不同型号的冷冻干燥机。
在兽医方面，主要用于各种兽用微生物的贮存，各种兽医生物药品的制造，一切用于猪、牛、马、鸡、鸭、鹅、兔、狗的各种预防疾病的药品均离不开冷冻干燥机。
冷冻干燥属于边缘科学，它涉及到物理、化学、生物学等知识，包括制冷、真空、电工、仪表等技术。
因此也是一门综合性的专业科学技术。
第一章 基础知识
第一节 物态的变化
我们生活在物质世界之中，在我们周围的一切，如空气、水、铁等都是物质，一切物质均在不断地发生变化。
一种最常见的物质存在形态有三种：
即气态、液态和固态。
即使同一种物质也有三种形态。
例如水，在摄氏零度时结成冰变成固态，而在摄氏一XX时则变成蒸汽而成气态，在0～100℃之间则是液态，可见在一定的条件下，物质的形态能够互相发生转化。
物质是由分子组成的，在物质的三种形态变化中，物质的本质并没有发生变化。
物质的气态、液态和固态三者的主要区别在于物质分子间的距离和作用力的大小不同，这些仅是程度上的差别，本质上是相同的。
气态物质分子间的距离较大。
分子间的相互作用力较小，以致气态物质不能单独地维持自己的形态和体结，总是充满在容纳它的物体之中，液态物质分子间的距离较气态小，作用力较大。
因此液态物质只能单独地保持其体积而不能保持起形状。
固态物质分子间的距离小，作用力大，因此固态物质能保持自己的独立形状和体积。
物质在发生形态的变化时，伴随着热量的变化。
如冰熔化要加热，水变成汽也要加热，说明它们吸收热量；相反，水结成冰要移去热量，汽变成水也要移去热量，说明它们放出热量。
一般地说，从固态变成液态，液态变成气态，固态直接变成气态的过程是从分子排列密，相互作用力大的状态，变为分子排列疏，作用力小的状态；这一过程要从外界吸取热量，而相反的过程则向外界传递热量。
如图一所示。
由固体变成液体的过程叫做熔化。
将固体加热，当升高到一定的温度时固体即变成液体。
固体物质熔化时的这个温度称为熔点，固体熔化时内能增加，因此需要从外界吸收热量，一些物质的熔点见表一。
表一一些物质的熔点（℃）
物质
熔点
物质
熔点
冰
0
玻璃
460~800
氨
-77.7
铜
1083
F-12
-155
铝
658
F-22
-160
钢铁
1300-1400
水银
-39
锡
232
酒精
-114
钨
3410
单位质量的物质，由固体变为同温度的液体所需要吸收的热量叫做该物质的熔化热。
物质的熔点和熔化热随压强的变化而变化。
一些物质的熔化热见表二。
单位为卡/克。
表二 一些物质的熔化热（卡/克）
物质
熔化热
物质
熔化热
冰
79.4
锡
14.5
水银
2.8
铝
92.4
氯化钠
123.5
铜
51
由液体变为固体的过程叫做凝固。
它是熔化的逆过程。
物体由液体变为固体时要放出热量，放出的热量与该物质的熔化热相等。
凝固是在与熔化相同的温度下进行的，所以同一物质的熔点和凝固点是一样的。
物质由液态变成气态或固态直接变气态的过程都称为汽化过程，它可分为蒸发、沸腾和升华三种情况。
蒸发是指在任何温度下（只要低于临界温度）液体表面的汽化过程。
在制冷技术中。
“蒸发”通常代表液体的沸腾过程。
将液体加热到一定的温度，液体逐渐变成蒸汽；当蒸汽的形成不仅来自液体表面，而且来自液体内部，形成许多小汽泡上升至液面上方空间时称为沸腾。
也就是温度升高到液体的蒸汽压力与周围的空间压力相等时，液体即开始沸腾。
液体开始沸腾时的温度叫做沸点。
沸腾也是同时发生在液体内部和表面的汽化现象。
一些物质的沸点见表三。
表三一些物质的沸点（℃）
物质
沸点
物质
沸点
铁
2840
氮
-196
铅
1755
氧
-183
水银
357
氨
-33.4
水
100
F-12
-29.8
酒精
78
F-22
-40.8
某固体不经过液态而直接变成汽化现象叫做升华。
升华是固体的直接汽化过程。
容易升华到固体叫挥发性固体。
物质在汽化时要吸收热量，单位质量的液体变成同温度的汽体所吸收的热量叫做汽化热，因为也是蒸发时所吸收的热量，所以也可叫做蒸发热。
熔化热和汽化热都叫做物体的潜热，一些物质的汽化热见表四，单位为卡/克。
将蒸汽冷却或与压缩空气同时进行，使蒸汽转变为液体的过称叫做液化。
（温度和压力都要在小于临界值的条件下）。
单位重量的蒸汽变成同温度的液体所移去的热量称为冷凝热。
冷凝时的温度叫做冷凝温度，冷凝温度在冷凝过程中保持不变。
它与冷凝蒸汽的压力有关。
表四 一些物质的汽化热（卡/克）
物质
汽化热
物质
汽化热
水
536.5
氨
327.3
酒精
216.4
F-12
40
水银
68.7
F-22
56
当蒸汽遇到比该蒸汽物质的凝固温度低的物体时，则蒸汽不经过液体而能直接凝固成固体而附在低温物体的表面，叫做凝华。
例如水蒸汽遇到比水的冰点低的物体时，它就在低温物体的表面结成冰霜，它实际上是升华的逆过程，这一过程显然是要放出热量的。
这一现象在制冷和冷冻干燥中是经常遇到的。
第二节 热和温度
热是物质运动的形式之一。
任何物质都是有许许多多的分子所组成，而这些分子都在不停地作无规则的运动，我们称之热运动，而这些无规则运动的分子所具有的能就叫做热能。
热能的大小用温度来表示。
温度越高，分子运动越剧烈。
物体的热能也就越多；温度低，分子运动缓慢，物体的热能就少。
温度就是表示物体热和冷的程度，热和冷是相对的。
它们都是表示物体所含热能的多少或温度的高低。
增加物体的热能叫做加热；移去物体的热能叫做制冷。
温度常用摄氏和华氏二种温标来表示。
摄氏温标：
在标准大气压下，以水的冰点为0，水的沸点为100，在0和100之间分成100等分。
每一等分叫1度。
这种温标就叫做摄氏温标，用符号℃表示。
华氏温标：
在大气压下，以水的冰点为32，水的沸点为212，在32和212之间分成180等分，每一等分叫1度，这种温标就叫做华氏温标，用符号°F表示。
华氏和摄氏和用下面的公式进行换算：
华氏换摄氏：
℃＝5/9×（°F-32）
另外还有一种温标叫开氏温标，以摄氏零下273.15度作为零度，开氏温标符号用号°K表示。
开氏温标也叫绝对温标；开氏零度即摄氏273.15也叫绝对零度。
绝对零度是达不到的。
温度只能表示物体冷热的程度，温度高或者温度低，不能从数量上来表示物体热能的多少。
因此就有热量的概念：
物体吸收或放出热能的多少叫做热量。
计算热量的单位是卡或千卡，千卡又叫大卡，1大卡＝1000卡。
卡的单位是这样规定的：
把1克水的温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量规定为1卡。
还有一种热量单位叫做英热单位，它是这样规定的：
1磅水升高1°F所需的热量称为1个英热单位（B、T、U），I英热单位＝252卡。
质量相同的不同物质温度升高1℃时所需的热量是不相同的，我们把单位质量的某种物质温度升高或降低1℃时所吸收或放出的热量，叫做这种物质的比热。
单位是卡/克·度，读作每克每度卡，一些物质的比热见表五。
表五 一些物质的比热（卡/克·度）
物质
比热
物质
比热
水
1
铜
0.091
冰
0.43
钢铁
0.11
水蒸汽
0.45
铝
0.21
F-12
0.225
水银
0.033
氨
0.52
玻璃
0.20
空气
0.24
酒精
0.58
热量能通过传导、对流、辐射三种方式进行传递。
传导：
在受热不均匀的物体中，热从高温处依靠物体的分子逐渐传到低温处的现象，称为热的传导。
这种方式的热交换一直进行到整个物体的温度相等为止。
传导在固体、液体和气体之间均能发生，传导作用必须要使物体相互接触才能完成。
一切金属是传导的良导体，非金属是热的不良导体。
物质传导热的能力可用导热系数来表示。
导热系数是热的传导作用在1平方厘米截面上一秒钟内当温差为1℃时通过长度1厘米的热量卡数。
单位卡/厘米·度·秒，一些物质的导热系数见表六。
表六 一些物质的导热系数（卡/厘米·度·秒）
物质
导热系数
物质
导热系数
银
0.97
玻璃
0.0014~0.0018
铜
0.92
水
0.00142
铝
0.50
冰
0.0055
钨
0.48
空气
0.000057
铁
0.16
棉花
0.00014
对流：
在液体或气体（包括蒸汽）中，热量靠物质的流动从一部分向另一部分转移的传递方式称为对流。
含热的液体或气体，体积因热而膨胀，密度减少，于是因重量减轻而上升，其周围冷的部份就补充原来地位，形成了对流，热的对流只发生在液体或气体中，而且必与传导同时发生。
辐射：
高温热源通过空间射向低温物体，使低温物体受热升温，这种热量的传递方式叫做辐射、热射与光相似，它以直线方式进行，可以在真空中传播；辐射可以通过空气和玻璃等透明介质，而这些透明介质本身吸热极少，表面黑、粗糙的物体善于吸收热；表面白亮光滑的物体不善于吸收热和辐射热，但善于反射热。
事实上，热量传递的三种方式并非单独进行，而是一种方式伴随着另一种方式同时进行，或者是三种方式同时进行的。
为了衡量物体温度高低的程度，就需要对温度进行测量，温度的测量是利用温度计来完成的。
常见的温度计有液体温度计、压力式温度计、双金属温度计、热电偶、热电阻和热敏电阻等。
液体温度计是利用了某些液体的热胀冷缩原理制成的，它封灌在一根细长的玻璃管中，一端有一个膨大部分，以容纳工作液体。
常用的液体有酒精、煤油、水银等。
压力式温度计是利用了二种不同金属的不同热膨胀系数原理制成的，双金属片卷成螺旋形。
当温度变化时，引起双金属片的运动，从而带动指针指示出了温度。
热电偶是利用不同的金属丝一端焊接在一起时，在它们的二个游离端会随温度的变化而产生不同的电动势，测量这个电动势的大小测量了温度的高低。
热电阻是利用了金属丝的电阻温度系数原理制成的，一定长度的金属丝，当温度升高时电阻增加，温度降低时电阻下降，利用慧斯顿电桥能测知温度的高低。
热电阻一般用铂丝制作，因此又称铂热电阻。
利用铂电阻测量温度的原理如图二所示，在电桥的AB端接入电源，CD端接上电流表，假设Rt处于0℃。
其阻值为100Ω，调整电阻R在100Ω，这时有于Rt＝R，电桥
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