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凍干機的工作原理基于真空冷凍干燥技術,主要分為預凍、升華干燥(一次干燥)和解析干燥(二次干燥)三個階段,具體如下:
1.預凍階段:將需要干燥的物料放置在凍干機的物料盤中,然后將物料盤送入干燥倉內。通過制冷系統對干燥倉進行降溫,使物料中的水分凍結成冰。預凍的目的是使物料中的液態水全部變成固態冰,為后續的升華干燥做準備。預凍溫度一般要低于物料的共晶點溫度(物料中水分與溶質開始形成晶體的溫度),以確保物料中的水分凍結,比如一些生物制品的預凍溫度可能低至 - 40℃到 - 50℃。
2.升華干燥(一次干燥)階段:在物料預凍完成后,開啟真空系統,使干燥倉內達到較高的真空度(一般在 10Pa 到 100Pa 之間)。此時,物料中的冰在低溫和真空條件下,直接從固態升華為氣態的水蒸氣。為了使冰能夠持續升華,需要通過加熱系統對物料進行緩慢加熱,提供冰升華所需要的熱量,比如采用電加熱或油加熱的方式。升華過程中,水蒸氣會被真空泵抽出干燥倉,然后在冷阱(溫度一般在 - 50℃到 - 80℃之間)中被冷凝成冰,從而實現物料中水分的初步去除。
3.解析干燥(二次干燥)階段:經過升華干燥后,物料中大部分的冰已經被去除,但仍殘留少量的結合水(與物料分子結合較緊密的水分)。為了進一步去除這些結合水,需要提高加熱溫度(一般在 20℃到 40℃之間),使物料中的結合水變成游離水,然后在真空條件下,游離水再從物料中逸出并被冷阱捕獲。當物料的含水量達到預期的要求后,關閉加熱系統、真空系統和制冷系統,取出干燥后的物料,完成整個凍干過程。
通過以上三個階段,凍干機能夠在低溫和真空的條件下,將物料中的水分去除,同時最大限度地保留物料的原有結構、成分和活性,常用于生物制品、藥品、食品等的干燥處理。
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