第一节冷冻干燥技术原理
干燥是保持物质不腐败变质的方法之一。干燥的方法有许多，如晒干、煮干、烘干、喷雾干燥和真空干燥等。但这些干燥方法都是在0℃以上或更高的温度下进行。干燥所得的产品，一般是体积缩小、质地变硬，有些物质发生了氧化，一些易挥发的成分大部分会损失掉，有些热敏性的物质，如蛋白质、维生素会发生变性。微生物会失去生物活力，干燥后的物质不易在水中溶解等。因此干燥后的产品与干燥前相比在性状上有很大的差别。而冷冻真空干燥法不同于以上的干燥方法，产品的干燥基本上在0℃以下的温度进行，即在产品冻结的状态下进行，直到后期，为了进一步降低干燥产品的残余水分含量，才让产品升至0℃以上的温度，但一般不超过40℃。
溶剂效应
在药物化学合成中涉及到的有机反应，许多都需要溶剂存在下才能进行。加入溶剂往往不仅是为了改善反应物料的传质和传热，而且由于许多溶剂分子还能与反应试剂的微粒相互作用，围绕这些微粒形成溶剂膜，从而能够改变微粒的自由能和电子结构。溶剂的这种作用将对反应速率产生影响，有时还会改变反应历程和定向。因此，溶剂的使用是关键。
溶液：溶液是由至少两种物质组成的均一、稳定的混合物，被分散的物质（溶质）以分子或更小的质点分散于另一物质（溶剂）中。
溶质，溶液中被溶剂溶解的物质。溶质可以是固体：如溶于水中的糖和盐等、液体：如溶于水中的酒精等、或气体：如溶于水中的氯化氢气体等。
溶剂（solvent）广义指在均匀的混合物中含有的一种过量存在的组分。狭义地说，在化学组成上不发生任何变化并能溶解其他物质（一般指固体）的液体；或者与固体发生化学反应并将固体溶解的液体。溶解生成的均匀混合物体系称为溶液，在溶液中过量的成分叫溶剂；量少的成分叫溶质。
溶剂也称为溶媒，即含有溶解溶质的媒质之意。但是在工业上所说的溶剂一般是指能够溶解固体化合物（这一类物质多数在水中不溶解）而形成均匀溶液的单一化合物或者两种以上组成的混合物，这类除水之外的溶剂称为非水溶剂或有机溶剂，水、液氨、液态金属、元机气体等则称为无机溶剂。
冻干就是把含有大量水分物质，预先进行降温冻结成固体，然后在真空的条件下使水蒸汽直接升华出来。而物质本身留剩在冻结时的冰架子中，因此它干燥后体积不变，疏松多孔。在升华时冻结产品内的冰或其它溶剂要吸收热量。引起产品本身温度的下降而减慢升华速度，为了增加升华速度，缩短干燥时间，必须要对产品进行适当加热。整个干燥过程是在较低的温度下进行的。
冻干有下列优点：
⑴冻干在低温下进行，因此对于许多热敏性的物质特别适用。如蛋白质、微生物之类不会发生变性或失去生物活力。因此在医药上得到广泛地应用。
⑵在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小，适合一些化学产品、药品和食品干燥。
⑶在冻干的过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因此能保持原来的性状。
⑷由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。
⑸干燥后的物质疏松多孔，呈海绵状，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。
⑹由于干燥是在真空下进行，氧气极少，因此一些易氧化的物质得到了保护。
⑺冻干能排除95-99％以上的水分，使干燥后产品能长期保存而不致变质。
因此，冷冻干燥目前在医药工业、食品工业、科研和其他部门得到广泛的应用。
第二节 冻干机的组成
产品的冷冻干燥需要在一定装置中进行，这个装置叫做真空冷冻干燥机或冷冻干燥装置，简称冻干机。
冻干机按系统分，由制冷系统、真空系统、冷热媒介系统和控制系统四个主要部分和CIP/SIP系统、自动进出料系统、气动液压系统组成。按结构分，冻干箱（或称干燥箱）、冷凝器（或称水汽凝结器）、制冷机组、真空泵组和各类阀门、电气测量、控制元件等组成。
冻干箱内的搁板能够制冷到-55℃左右，又能够加热到+80℃或箱体升温℃以上的高低温箱，也是一个能抽成真空的密闭容器。它是冻干机的主要部分，需要冻干的产品就放在箱内分层的金属板层上，对产品进行冷冻，并在真空下加温，使产品内的水分升华而干燥。
冷凝器同样是一个高低温的真空密闭容器，在它的内部有一个较大表面积的金属吸附面，吸附面的温度能降到-40℃～-70℃以下，并且能维持这个低温范围。冷凝器的功用是把冻干箱内产品升华出来的水蒸气冻结吸附在其金属表面上。
冻干箱、冷凝器、真空管道、阀门、真空泵等构成冻干机的真空系统。真空系统要求没有漏气现象，真空泵是真空系统建立真空的重要部件。真空系统对于产品的迅速升华干燥是必不可少的。
制冷系统由制冷机与冻干箱、冷凝器内部的管道等组成。制冷机可以是互相独立的二套或以上，也可以合用一套。制冷机的功用是对板层和冷凝器进行制冷，以产生和维持它们工作时所需要的低温，它有直接制冷和间接制冷二种方式。
冷热媒介系统对于不同的冻干机有不同的热传导方式。主要由循环泵，电加热器和板式换热器组成，通过间接制冷和加热实现对冻干箱板层的温度控制。冻干箱板层的最高温度80℃，有的是利用直接电加热法；有的则利用中间介质来进行热传导，由一台泵(或加一台备用泵)使中间介质不断循环。冷热媒介系统的作用是对冻干箱内的产品进行加热，以使产品内的水分不断升华，并达到规定的残余含水量要求。
控制系统由各种控制开关，指示调节仪表及一些自动装置等组成，由电源柜，控制柜和个人电脑（PC机）组成。电源柜是强电柜，安装主开关、空气开关或熔断器、控制变压器、交流接触器、热继电器和固态继电器等，控制柜是弱电柜，安装模拟图、记录仪表、可编程序控制器（PLC）、手动操作系统等。PC机可以安装在远离冻干机的地方，对冻干机进行控制成监视。电气控制系统可以完成对冻干机的各种手动和自动控制。它可以较为简单，也可以很复杂。一般自动化程度较高的冻干机则控制系统较为复杂。控制系统的功用是对冻干机进行手动或自动控制，操纵机器正常运转，以使冻干机生产出合乎要求的产品来。
气动液压系统：
气动系统由气动二联件，管路，气动换向阀及气动阀门组成，用作各种气动阀门的开闭和门锁机构等。液压系统由液压站和液压缸等组成，用作小瓶的箱内压塞和蘑菇阀的开闭或门锁机构，大型冻干机的液压系统还用作产品的进箱和出箱，另外液压系统还配合清洗时作板层的升降运动，以使清洗更彻底。
CIP/SIP系统：
在位清洗（CIP）系统由清洗泵和安装在冻干箱、冷阱内的一系列管道和喷嘴，冻干箱门应有锁紧装置组成。
在位灭菌（SIP）系统用于冻干箱、冷阱和放气过滤器的灭菌之用，在位灭菌系统的冻干箱、冷阱必须是压力容器，必须按压力容器的设计要求和制造要求进行设计和制造，材料和设备必须能耐受灭菌时的压力和温度的要求；冻干箱门配置门锁紧装置。为了灭菌之后的干燥也需要配备水环泵，较大型的冻干机要有冷却水夹套，用于灭菌之后的快速冷却之用。
自动进出料系统：自动上料和卸料系统分为：平板式、移动小车、传送带式三类。系统所使用的材料必须符合无菌卫生等级的需要，边框和外包必须是L不锈钢，导向杆，传动轮等非金属材料一般使用超高量聚乙烯体。在位清洗和在位消毒是大多数有关无菌制品生产设备的特征，其中涉及到所有的设计必须避免有清洗与消毒的死角，所有表面都必须能被完全的清洗与消毒。冻干机自动装料和卸料系统一般所采用的方法是用蒸汽或过氧化氢蒸汽对设备进行消毒，并保证能放入物质的无菌。
第三节冻干参数
水的存在形式和水的冻结
水是构成生命的重要物质，水在生物系统中有多种存在形式。一种叫做自由水以溶液或悬浮液形式存在，这种水冷冻的时能结冰；另一种以氢键方式结合在一些极性基团上，包含在极性基团形成的网状结构之中，这部分水即使在极低的温度下也不会结冰，叫做结合水；另外生物系统中还有至今仍未搞清楚的其他形式存在的水。
水的结冰过程是这样的：当水的温度降到冰点0℃时，如果缺乏晶核，水并不结冰，温度继续下降，水还是保持在液体状态，这叫做水的过冷现象；当水中存在一些外来物质时，外来物质便成为水结冰的晶核，于是水分子以晶核为核心，并以一定的排列方式结合成固态的晶格结构。一旦结冰开始之后温度会从过冷温度迅速上升到0℃（结冰时的放热所引起），在结冰过程中保持0℃不变，只有全部水都结成冰之后，温度才继续下降。冰晶的数量和大小受二个因素的影响；即成核速率和晶体生长速率的影响，接近0℃时晶核的生长速率增加而成核速率很低，因此在0℃保持一段时间将产生数量少而尺寸大的晶体；越过0℃，在较低
的温度下冻结时将得到数量多而尺寸小的晶体。
结晶的基本原理
结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出形成新相的过程。这一过程不仅包括溶质分子凝聚成固体，还包括这些分子有规律地排列在一定的晶格中，这种有规律的排列与表面分子化学键力的变化有关，因此结晶过程也是一个表面化学反应的过程。
当溶液的浓度等于溶质的溶解度时，该溶液称为饱和溶液，溶质的浓度超过溶解度时的溶液则称为过饱和溶液，溶质只有在过饱和溶液中才有可能析出。众所周知，溶解度与温度有关，一般物质的溶解度随温度升高而增大，也有少数例外，如红霉素的溶解度反而随温度的升高而降低。溶解度与温度的关系，可以用饱和曲线和过饱和曲线来表示。
图中S—S线为饱和溶解度曲线，在此曲线以下的区域为不饱和区，称
为稳定区。T—T线为过饱和溶解度曲线，在此曲线以上的区域称为不稳定区。而介于S—S线和T—T线之间的区域称为亚稳区。
在稳定区内的任一点溶液都是稳定的，不管采用什么措施都不会有结晶析出。在亚稳区内的任一点，如不采取措施，溶液也可以长时间保持稳定，若加入晶种，溶质就会在晶种上长大，溶液的浓度随之下降到S—S线。亚稳区中各部分的稳定性并不一样，接近!—!线的区域较稳定，而接近S—S线的区域极易受刺激而结晶。因此有人提出将亚稳区再一分为二，上半部为刺激结晶区，下半部为养晶区。
在不稳区内的任一点溶液都能立即自发结晶，在温度不变时溶液浓度会自动降至S—S线。因此，溶液需要在亚稳区或不稳区才能结晶。在不稳区结晶生成很快，来不及长大，浓度即降至溶解度，易形成大量细小的晶体，这是工业结晶不希望的。为了得到颗粒较大而又整齐的晶体，通常需加入晶种并把溶液浓度控制在亚稳区的养晶区内，让晶体缓慢长大，因为在养晶区内自发产生晶核的可能性很小。
晶体的产量取决于固体物质与溶液之间的平衡关系。若溶液未达到饱和，则固体溶解。如果溶液饱和，则固体与饱和溶液处于平衡状态，其溶解速度等于沉淀速度。只有当溶液浓度超过饱和浓度达到过饱和时，才有可能析出结晶，因此过饱和度是结晶过程的推动力和首要条件。
结晶过程的步骤
结晶是从均一的溶液中析出固相晶体的过程，通常包含三个步骤：即过饱和溶液的形成，晶核的生成与晶体的成长。
1、过饱和溶液的形成
结晶的首要条件是溶液要过饱和，制备过饱和溶液的方法一般有以下（4）种。
（1）冷却结晶这是最简便而常用的结晶方法，使溶液冷却降温成为过饱和溶液而析出结晶。例如制霉菌素的浓缩液，将其在5℃条件下冷却4-6h，即能结晶完全。析出晶体。此法一般适用于溶解度随温度的降低而显著下降的物质。
（2）蒸发结晶在常压或减压下加热蒸发，除去部分溶剂，使溶液达到过饱和而析出结晶。为了避免产物在高温下易破坏，生物药物一般多采用减压蒸发。例如赤霉素的乙酸乙醋提取液在减压下浓缩，除去溶剂后即有结晶析出。
（3）盐析结晶在溶液中添加某些物质，从而使溶质在溶剂中的溶解度降低而析出。
加入的物质既可以是固体，也可以是液体。常用的有氯化钠、硫酸铵等盐类和甲醇、乙醇、丙酮等有机溶剂。例如在巴龙霉素硫酸盐的浓缩液中加10-12倍体积的质量分数为95%的乙醇，即可得硫酸巴龙霉素的结晶。
（4）化学反应结晶调节溶液的pH值或加入反应剂，生成溶解度更小的新物质，使其浓度超过它的溶解度而析出结晶。氨基酸等一些两性化合物，常利用它们在等电点时溶解度最小的原理，只需调节溶液的pH值就可获得结晶。如6.氨基青霉烷酸（(6.APA）的钠盐水溶液，用盐酸调节至pH为3.8-4.1（等电点附近）时，即可从水溶液中结晶出来。许多抗生素也常利用加入某些成盐剂（反应剂），使生成难溶性盐或复盐的形式从溶液中析出结晶。
上述方法在工业生产上可单独使用，也可结合起来使用，以强化过饱和度而获得较多的结晶。
2.晶核的生成
晶核的形成是一个新相产生的过程，需要消耗一定的能量。在溶液中分子的能量或速度具有统计分布的性质，在过饱和溶液中也是如此。当能量在某一瞬间、某一区域由于布朗运动暂时达到较高值时会析出微小的颗粒，即结晶中心称为晶核。晶核不断生成并继续成长为晶体。一般自动成核的机会较少，常需借助外来因素促进生成晶核，如机械振动、搅拌等。
晶核生成的速率与过饱和度及温度有关，在一定温度下成核速率随过饱和度的增加而加快，但当超过某一值时，反而会使溶液的分子运动减慢，黏度增加，成核也受到阻碍。在过饱和度不变的情况下，温度升高，成核速率也会加快。但温度对过饱和度也有影响，一般当温度升高时，过饱和度降低，所以温度对成核速率的影响要以温度和过饱和度的相互消长程度来决定。实际情况是成核速率开始随温度升高而升高，达最大值后，温度继续升高，成核速率反而降低。在工业生产上，结晶过程要求有适当的成核速率，成核速率过快，必将导致生成细小的晶体，影响产品质量。
3.晶体的成长
在饱和溶液中，晶核一经形成，立即开始长成晶体，同时还在不断生成新的晶核，因此，所得到晶体的大小，决定于晶核生成速率与晶体成长速率两者的对比关系。若晶体成长速率大大超过晶核生成速率，过饱和度主要用来使晶体成长，则可得到粗大而有规则的晶体；反之过饱和度主要用来生成新的晶核，则所得到的晶体颗粒参差不齐，晶体细小，甚至呈无定形。在工业生产中，通常都希望得到颗粒粗大而均匀的晶体，可以使后续的过滤、洗涤和干燥操作比较方便，同时产品质量也可提高。
影响晶体大小的因素主要有溶液的过饱和度、温度、搅拌速率等。一般来说过饱和度增加，所得晶体较细。温度的影响比较复杂，当溶液快速冷却时，达到过饱和度较高，所得晶体也较细，而缓慢冷却常得到粗大颗粒。搅拌能促使成核和加速扩散，提高晶核成长的速率，但超过一定范围后，效果就不显著。相反搅拌越快，晶体越细。若要获得比较粗大和均匀的晶体，一般温度不宜太低，搅拌不宜太快，并要控制好晶核生成速率，应小于晶体成长速率。最好将溶液控制在亚稳区内结晶，使其在较长的时间内，只有一定量的晶核生成，而使原有的晶核不断成长为晶体。
此外，加入晶种也能控制晶体的形状、大小和均匀度。但首先晶种应有一定的形状、大小和比较均匀。加入晶种还可降低溶液的过饱和度，诱导结晶，提前生成晶核。所以在工业生产中如遇结晶液浓度较低而结晶发生困难时，可加入适量晶种，促使结晶顺利地进行。多糖、蛋白质、酶和核酸等生物高分子物质，由于相对分子质量大，结构复杂，不易定向聚集，比一般小分子物质较难形成结晶，常需加晶种诱导，且所需的时间和能量也较多。
重结晶
重结晶就是将晶体用合适的溶剂溶解后再次进行结晶，以提高纯度。虽然从理论上说通过结晶可以得到纯的产物，但实际上，通过一次结晶得到的产品总含有一些杂质。这是因为一些溶解度与产品相近的杂质，也会部分地结晶下来。有些杂质还会被结合到产品结晶的晶格中去，或因洗涤不完全，不能除去结晶中夹杂的母液，使晶体沾染了杂质。因此需要重结晶来进一步提高产品的纯度。
重结晶的关键是选择合适的溶剂。用于重结晶的溶剂一般应具备下列条件：
1.对需重结晶的产物有一定的溶解度，但不宜过大，当外界条件改变时其溶解度明显减少；
2.对色素、降解产物等杂质有较好的溶解度；
3.无毒或低毒，沸点低便于回收套用。
常用于重结晶的溶剂有蒸馏水、丙酮、甲醇、乙醇等低级醇、石油醚、乙酸乙酯等。若该产物结晶易溶于某一种溶剂而难溶于另一种溶剂，且该两种溶剂能互溶，则可以用两者的混合溶剂来进行重结晶。重结晶的操作方法是将该产物先溶于溶解度较大的溶剂中，然后缓慢加入第二种溶剂直至稍呈浑浊，即结晶刚开始时为止，冷却放置一段时间，使结晶完全。
例如将维生素B12粗品结晶溶解于少量蒸馏水中，滤去不溶杂质，然后加入水溶液体积8-10倍的丙酮至呈现混浊为止，冷却静置两天，可得纯度较高的产品。
结晶和重结晶都是制备纯物质的有效方法。通常只有同类分子或离子才能有规律地排列成晶体，所以结晶过程有很好的选择性。通过结晶，溶液中的大部分杂质会留在母液中，再经过滤、洗涤等就可得到纯度高的晶体。
溶液的冻结
溶液的冰点和沸点与溶媒和溶质都不同，它随溶质的浓度不同而有不同的冰点和沸点。以水溶液为例来说明溶液的凝结过程。水溶液的凝结与纯水不一样，它不是在某一固定温度下完全凝结成固体，溶液温度降低到某一温度对，晶体开始析出，随着温度的降低，晶体的数量不断增加，最后溶液全部凝结。因此溶液是在某一温度范围内凝结的，冷却时开始析出晶体的温度称溶液的冰点，而溶液全部凝结的温度叫溶液的凝固点，是溶质和溶媒全部结晶的温度点。在溶液的结晶过程中溶液的浓度会增加，冰点会下降，稀溶液变为浓溶液，并逐步成为饱和溶液，温度继续降低时，由于溶解度降低，将会有溶质的晶体析出，最后成为冰晶体和溶质晶体的共晶混合物，这时的温度就是溶液的共晶点温度。这个过程也是一个放热过程，在冷冻曲线上也会像水结冰那样出现过冷和一个平台。
产品的冷冻参数：过冷度、共晶点温度、产品冻结温度、结晶度。
过冷度:
过冷度是指低于冰开始形成时的冷冻平衡温度的度数。水保持过冷状态冷冻含有不同成分的配方可以形成冰晶体。在过冷条件下，高冰的生长速率和过冷度的平方成正比。高过冷度会提高冰晶体的生长速率而形成非常小的冰晶。
产品冻结温度:冷冻产品到比崩解温度低10℃的温度；冻结温度下水的移动性小于0.5。
结晶度D:配方冷冻时结冰的量。
结晶度是指产品中形成的冰的量和等量水形成的冰的量的比率。当产品中冰的量与产品中可冻结水的总量比值接近0.5时，得到的产品块不会有海绵状外观并且对通过产品块的水蒸气气流阻碍作用增大。
共晶点
共晶点的基本定义：冷冻过程中，该温度下溶液的自由度为零。饱和溶液的溶解曲线和溶剂结冰点凹陷的交点。
需要冻干的产品，一般是预先配制成水的溶液或悬浊液，因此它的冰点与水就不相同了，水在0℃时结冰，溶液的冰点将低于溶媒的冰点。另外，溶液的结冰过程与纯液体也不一样，纯液体如水在0℃时结冰，水的温度并不下降，直到全部水结冰之后温度才下降，这说明纯液体有一个固定的结冰点。而溶液却不一样，它不是在某一固定温度完全凝结成固体，而是在某一温度时，晶体开始析出，随着温度的下降，晶体的数量不断增加，直到最后，溶液才全部凝结。这样，溶液并不是在某一固定温度时凝结。而是在某一温度范围内凝结。当冷却时开始析出晶体的温度称为溶液的冰点。而溶液全部凝结的温度叫做溶液的凝固点。凝固点就是融化的开始点（即熔点），对于溶液来说也就是溶质和溶媒共同熔化的点。所以又叫做共熔点或共晶点。可见溶液的冰点与共熔点是不相同的。共熔点才是溶液真正全部凝成固体的温度。
显然共熔点的概念对于冷冻干燥是重要的。因为冻干产品可能有盐类、糖类、明胶、蛋白质、血球、组织、病毒、细菌等等的物质。因此它是一个复杂的液体，它的冻结过程肯定也是一个复杂的过程，与溶液相似，也有一个真正全部凝结成固体的温度，即共熔点。由于冷冻干燥是在真空状态下进行的。只有产品全部冻结后才能在真空下进行升华干燥，否则有部分液体存在时，在真空下不仅会迅速蒸发，造成液体的浓缩，产品的体积缩小；而且溶解在水中的气体在真空下会迅速蒸发出来，造成像液体沸腾的样子，冻干产品鼓泡、甚至冒出瓶外。这是我们所不希望的。为此冻干产品在升华开始时必须要制冷产品温度到共熔点以下的温度使产品真正全部冻结。
在冻结过程中，从外表的观察来确定产品是否完全冻结成固体是不可能的；靠测量温度也无法确定产品内部的结构状态。而随着产品结构发生变化时电性能的变化是极为有用的，特别是在冻结时电阻率的测量能使我们知道冻结是在进行还是已经完成了，全部冻结后电阻率将非常大，因此溶液是离子导电。冻结时离子将固定不能运动，因此电阻率明显增大。而有少量液体存在时电阻率将显著下降。因此测量产品的电阻率将能确定产品的共熔点。
产品的共熔点可以通过电阻法、示差热分析法（DTA）、示差扫描热量法（DSC）和低温显微镜直接观察法得知。其中电阻检测法方便宜行，目前应用最多，可以自制测定装置，直接获取数据。
正规的共熔点测量法是将一对白金电极浸入液体产品之中，并在产品中插一支温度计，把它们冷却到-40℃以下的低温，然后将冻结产品慢慢升温。用“惠斯顿”电桥来测量其电阻，当发生电阻突然降低时，这时的温度即为产品的共熔点。电桥要用交流电供电，因为直流电会发生电解作用，整个过程由仪表记录。
也可用简单的方法来测量，用二根适当粗细而又互相绝缘的铜丝插入盛放产品的容器中，作为电极。在铜电极附近插入一支温度计，插入深度与电极差不多，把它们一起放入冻干箱内的观察窗孔附近，并用适当方法把它们固定好，然后与其他产品一起预冻，这时我们用万用表不断地测量在降温过程中的电阻数值，根据电阻数值的变化来确定共熔点。
共熔点是在预冻阶段和升华阶段需要进行控制的温度值。
冻干升华参数：共溶点温度、玻璃化转变温度、崩解温度。
玻璃化转变温度：
当液体温度降低时，液态转变为固态，有两种不同状态：晶态和非晶态。在非晶态固体材料中，原子、离子或分子的排列是无规则的。因为人们已习惯将融化物质在冷却过程中不发生结晶的无机物质称为玻璃，所以后来逐渐地将其他非晶态均称为玻璃态。由于在药品冻干中要求更加严格，希望药品在冻干的过程中处于玻璃化温度以下。但这里玻璃化转变温度不是指完全的玻璃化，因为完全的玻璃化是指整个样品都形成了玻璃态，实现完全玻璃化要求极高的降温速率，几乎是不可能的。冻干的过程中玻璃化温度指最大冻结浓缩液的玻璃化转变温度。因为在冻结过程中随着冰晶的析出，剩余溶液的浓度逐渐增加，当达到一定浓度时，剩余的水分不继续结晶，此时的溶液达到最大冻结浓缩状态，对应的温度称为最大冻结浓缩液的玻璃化转变温度。
塌陷（崩解）温度
塌陷温度是指溶质间区域的水的流动性为零时温度。一个正常升华的产品，当升华进行到一定的时候，就会出现上部的已干层和下部的冻结层，这二层之间的交界面就是升华面，随着升华的进行而不断下降的。
已经干燥的产品应该是疏松多孔，并保持在这一稳定的状态，以便下层冻结产品升华出来的水蒸汽能顺利地通过，使全部产品都得到良好的干燥。但某些已经干燥的产品当温度升高到某一数值时，会失去刚性，变得有粘性，发生类似塌方的崩解现象，使干燥产品失去疏松多孔的状态，封闭了下层冻结产品水蒸汽的逸出通路，妨碍了升华的继续进行。于是，升华速率变慢，从冻结产品吸收升华热也随之减少，板层供给的热量将有多余，这样便引起冻结产品的温度上升，当温度升高到共熔点以上的温度时，产品就会发生熔化或发泡现象，致使冻干失败。
发生崩解时的温度叫做该产品的崩解温度。对于这样的产品要获得良好的干燥，只有保持升华中的干燥产品的温度在崩解点以下，直到冻结产品全部升华完毕为止，才能使产品温度继续上升。这时由于产品中已不存在冻结冰，干燥产品即使发生崩解也不会影响产品的干燥而会影响产品的活性，因为产品已从升华阶段转入解吸干燥阶段。没有发生崩解的干燥产品与发生崩解的干燥产品在外观上用肉眼看不出有什么差别，只有在显微镜下才能看到结构上的变化。当在显微镜下观察产品的冷冻干燥过程时，如果看到发生崩解现象，那么这时的温度就是该产品的崩解温度。
有些产品的崩解温度高于共熔点温度，那么升华时仅需控制产品温度低于共熔点就行了；但有些产品的崩解温度低于共熔点温度，那么按照一般的方法控制升华时就可能发生崩解现象，这样的产品只有在较低的温度下进行升华，因此必须延长冻干时间。
产品的共熔点可以通过电阻法、示差热分析法（DTA）、示差扫描量热法（DSC）和低温显微镜直接观察法得知，但产品的崩解温度只有在冷冻干燥显微镜下直接观察才能得知。产品的崩解温度取决于产品本身的品种和保护剂的种类；混合物质的崩解温度取决于各组分的崩解温度。因此在选择产品的冻干保护剂时，应选择具有较高崩解温度的材料，使升华干燥能在不很低的温度下进行，以节省冻干的能耗和时间，提高生产率。
第四节冷冻干燥的程序
冷冻干燥的程序：
⑴分装
在冻干之前，把需要冻干的产品分装在合适的容器内，一般是盘子、玻璃管子瓶等，装量要均匀，蒸发表面尽量大而厚度尽量薄一些；
⑵装载准备
装载之前，先将板层进行空载降温到工艺要求的温度。
⑶装载
手动模式：放入与冻干箱板层尺寸相适应的金属盘内。对瓶装一般采用脱底盘，有利于热量的有效传递，然后将产品放入冻干箱内进行预冻；
自动模式：自动上料和卸料系统将瓶子在百级层流保护下装进冻干箱板层或者将产品放入冻干箱内的板层上同时进行预冻；
⑷预冻结：
预冻是将溶液中的自由水固化，赋予干燥后产品与干燥前有相同的形态，防止抽空干燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不可逆变化发生。
溶液在冻结过程中，需过冷到冰点以下，其内产生晶核以后，自由水才能结晶，同时放出结晶热，使其温度上升到冰点，随着晶体的生长，溶液浓度增加，当浓度到达共晶浓度，温度下降到共晶点以下时，溶液就全部冻结。冷却速度愈快，过冷温度越低，所形成的晶核数量越多，晶体来不及生长就被冻结，形成的晶粒数量越多，晶粒也细。冷却速度慢，形成的晶粒数量越少，晶粒也粗大。
冻结的方法分为以下几类：
⑴板层温度降得较快，且板层温度比产品温度低很多，则制品底部先冻结产生结晶，但上部液体仍较热，所以不至于瞬间全部结晶，结晶会缓慢生长，就得到了慢冻的效果。
⑵板层温度降得较慢，板层温度与产品温度相差不大，则制品整体均匀降温，并形成过冷，当能量积累足够时，瞬间全部结晶，得到快速冻的效果。
⑶板层温度降得很慢，并在低于共熔点的适宜温度保持（或缓慢降温），则制品形成较小的过冷度，液体中先出现少量结晶，继续降温结晶生长，得到大结晶，这即是真正的慢冻。
⑷制品浸入超低温环境（如液氮），整体瞬间结晶，形成极细小的晶体（或处于无定形态），这即是真正的快冻。
企业大多数情况下还是采用瓶子冻结的冻干方法，瓶子冻结的受热不均匀现象就更明显了。根据对瓶装制品搁板预冻过程的研究，样品的初温越高，料液上下部分的温度梯度越大，冰晶生长速度越慢。溶液若慢速降温，则形成冰晶比较粗大，冰界面由下向上推进的速度慢，溶液中溶质迁移时间充足，溶液表面冻结层溶质积聚也就多。因而导致上表层的溶质往往较多，密度较高，而下底层密度较小，结构疏松。同时，在不同的预冻温度下冻结的样品，干燥后支架孔径处有明显差异。预冻温度愈低，支架孔隙直径愈小。这种分层现象，在骨架差的制品上体现得最为明显，或者底部萎缩，或者中间断层，或者顶部突起，或者顶部脱落一层硬壳，不一而足。
冻干制品升华前，必须冻结到一定的温度，这个温度应设在制品的共熔点以下10℃至20℃左右，如不经过预冻直接抽真空，当压力降到一定程度时，液体就会被抽去。这种情况也叫蒸发，这种蒸汽叫做不饱和蒸汽，如果制品冻结不实而抽真空，液体中的气体迅速逸出而引起“沸腾”的现象。制品如在“沸腾”中冻结，有部分可能逸出瓶外，引起药物损失或使制品表面凹凸不平。由此可见，共熔点的温度是保证产品正常干燥的最安全的温度，冻结温度只能比它低，不能高于共溶点温度。
⑸预干燥（干燥准备）
抽真空之前要根据冷凝器的降温速度提前使冷凝器工作，抽真空时冷凝器至少应达到-40℃的温度；待真空度达到一定数值后（通常应达到13Pa～26Pa内的真空度），或者有的冻干工艺要求达到所要求的真空度后继续抽真空±1h以上；即可对箱内产品进行加热。
⑹升华干燥（一次干燥）
将冻结后的产品置于一个密闭的真空容器中加热，其冰晶就会升华成水蒸气逸出而使产品脱水干燥。干燥是从外表面开始逐步向内（从上向下）推移的，冰晶升华后残留的空隙变成尔后升华水蒸气的逸出通道。升华所需的热量由以下几种途径得到：固体的传导，辐射，气体的对流。
产品升华时受以下几个温度限制：
产品冻结部分的温度应低于产品共溶点的温度。产品干燥部分的温度要低于其崩解温度或容许的最高温度（不烧焦或变性）。
⑺解析干燥（二次干燥）
第一阶段干燥是将水以冰晶的形式除去，因此其温度和压力都必须控制在产品共溶点以下，才不使冰晶溶化。对于吸附水，由于其吸附能量高，如果不提供足够的能量，水就不可能从吸附中解析出来。为了使解析出来的水蒸气有足够的推动力逸出产品，必须使产品内外形成较大的蒸汽压差，所以箱体内要保持高真空，迅速地使产品上升到规定的最高许可温度。一般最高许可温度保持2h左右，即可结束冻干。
整个升华干燥的时间一般12～24h左右有的甚至更长，与产品在每瓶内的装量，总装量，玻璃容器的形状、规格，产品的种类，冻干曲线及机器的性能等等有关。
⑻充气压塞
冻干的程序结束后，生产工艺要求充入干燥无菌的空气或惰性气体进入干燥箱，然后尽快地进行加塞封口，以防重新吸收空气中的水分。
冻干的程序把产品和传热板层的温度、冷凝器温度和真空度对照时间划成曲线，叫做冻干曲线。一般以温度为纵坐标，时间为横坐标。冻干不同的产品采用不同的冻干曲线。同一产品使用不同的冻干曲线时，产品的质量也不相同，冻干曲线还与冻干机的性能有关。因此不同的产品，不同的冻干机应用不同的冻干曲线。
第五节影响冷冻干燥过程的因素
冷冻干燥过程实际上是水的物态变化及其转移过程。含有大量水分的生物制品首先冻结成固体，然后在真空状态下由固态冰直接升华成水蒸汽，水蒸汽又在冷凝器内凝华成冰霜，干燥结束后冰霜熔化排出。在冻干箱内得到了需要的冷冻干燥产品。
冻干的过程有二个放热过程和二个吸收过程：液体生物制品放出热量凝固成固体生物制品为放热过程；固体生物制品在真空下吸收热量升华成水蒸汽为吸热过程；水蒸汽在冷凝器中放出热量凝华成冰霜为放热过程；冻干的程序完成，冰霜在冷凝器中吸收热量熔化成水为吸热过程。
整个冻干的过程中进行着热量和质量的传递现象。热量的传递贯穿冷冻干燥的全过程中。预冻阶段、干燥的第一阶段和第二阶段以及化霜阶段均进行着热量的传递；质量的传递只在干燥阶段进行，冻干箱内制品中产生的水蒸汽到冷凝器内凝华成冰霜的过程，实际上也是质量传递的过程，只有发生了质量的传递,产品才能获得干燥。在干燥阶段，热的传递是为了促进质的传递，改善热的传递也能改善质的传递。
如果在产品的升华过程中不提供热量，那么产品由于升华吸收自身的热量使其自身的温度下降，升华速率也逐渐下降，直到产品温度相等于冷凝器的表面温度，干燥便停止进行。这时从冻结产品到冷凝器表面的水蒸汽分子数与从冷凝器表面返回到冻结产品的水蒸汽分子数相等，冻干箱体与冷凝器之间的水蒸汽压力差等于零，达到动态平衡状态。
如果一个外界热量加到冻结产品上，这个动态平衡状态就被破坏，冻结产品的温度就高于冷凝器表面的温度，冻干箱体与冷凝器之间便产生了水蒸汽压力差，形成了从冻干箱体流向冷凝器的水蒸汽流。由于冷凝器制冷的表面凝华水蒸汽为冰霜，使冷凝器内来自冻干箱内的水蒸汽不断地被吸附掉，冷凝器内便保持较低的蒸汽压力；而冻干箱体内流走的水蒸汽又不断被产品中升华的水蒸汽得到补充，维持冻干箱内较高的水蒸汽压力。这一过程的不断进行，使产品逐步得到了干燥。
升华首先从产品的表面开始，在干燥进行了一段时间之后，在冻结产品上面形成了一层已干燥的产品，产生了干燥产品与冻结产品之间的交界面(也称升华界面)。交界面随着干燥的进行不断下降，直到升华完毕交界面消失。当产生了升华界面之后，水分子要穿越这层已干燥的产品才能进入空间；水分子跑出升华界面之后，进入已经干燥产品的某一间隙内。以后可能还要穿过许多这样的间隙后，才能从产品的缝隙进入空间。也可以经过一些转折又回到冻结产品之中，干燥产品内的间隙有时与迷宫一样。
当水分子跑出产品表面以后，它的运动路径还很曲折。可能与玻璃瓶壁碰撞、可能与玻璃瓶上橡胶塞碰撞、可能与冻干箱内的金属板壁碰撞、也经常发生水分子之间的相互碰撞，然后进入冷凝器内。当水分子与冷凝器的表面发生碰撞时，由于该表面的温度很低，低温表面吸收了水分子的能量，这样水分子便失去了动能，使其没有能量再离开冷凝器的制冷表面，于是水分子被“捕获”了。大量水分子捕获后在冷凝器表面形成一层冰霜，这样冷凝器表面温度就略有上升，但随着来自于冻干箱内的水蒸汽负荷的逐渐减少，冷凝器冰霜表面温度就慢慢下降，从而也慢慢降低了系统内的水蒸汽压力，压差驱使冻干箱体内的水蒸汽不断地流向冷凝器。随着时间的延长，冻干箱内不断对产品进行加热以及冷凝器的持久工作，产品逐渐得到了干燥。
产品干燥的速率和冻干箱体与冷凝器之间的水蒸汽压力差成正比，与水蒸汽流动的阻力成反比。水蒸汽的压力差越大，流动的阻力越小，则干燥的速率越快。水蒸汽的压力差取决与冷凝器的有效温度和产品温度的温度差。因此要尽可能地降低冷凝器的有效温度和最大限度地提高产品的温度。
水蒸汽的流动阻力来自以下几个方面：
⑴产品内部的阻力：水分子通过已经干燥的产品层的阻力。这个阻力的大小与干燥物质层的结构与产品的种类、成份、浓度、保护剂等有关。
⑵容器的阻力：容器的阻力主要来自瓶口之处。因为瓶口的截面较小，瓶口处可能还有某些物品。例如：带槽的胶塞等，瓶口截面大，则阻力小。
③机器本身的阻力：主要是冻干箱体与冷凝器之间的连接管道阻力，管道粗、短、直则阻力小。另外阻力还与冻干箱体结构和几何形状有关。
加快冻干产品的升华速率办法如下：
①提高冻干箱内产品的温度：能增加冻干箱内的水蒸汽压力，加速水蒸汽流向冷凝器，加快质的传递，增加干燥速率。但是提高产品的温度是有一定限度的，不能使产品温度超过共熔点的温度。
②降低冷凝器的温度：也就降低了冷凝器内水蒸汽的压力，也能加速水蒸汽从冻干箱体流向冷凝器的速率。同样能加快质的传递，提高干燥速率。但是更多的降低冷凝器的温度需增加投资和运行费用。
减少水蒸汽的流动阻力也能加快质的传递，提高干燥速率。降低水蒸汽流动阻力办法有：
①减小产品的分装厚度和增加冻结产品的升华面积；
②合理的设计瓶、塞、减少瓶口阻力；
③合理的设计冻干机，减少机器的管道阻力；
④选择合适的浓度和保护剂，产品干燥后的结构疏松多孔，减少水蒸汽通过已干燥产品的阻力；
⑤试验最优的预冻方法，造成有利于升华的冰晶结构等。这些方法均能促进质的传递，提高干燥速率。
第六节冻干制品不合格现象和解决方法
1.产品抽空时有喷发现象：这是由于产品还没有冻实时就抽真空的缘故，预冻温度还没有低于共晶点温度，或者已低于共晶点温度，但时间还不够，产品的冻结还未完成。解决方法是降低预冻温度和延长预冻时间。2．产品有干缩和鼓泡现象：这是由于在升华干燥过程中出现了局部熔化，由液体蒸发为汽体，造成体积缩小，或者干燥产品溶入液体之中，造成体积缩小，严重的熔化会产生鼓泡现象，原因是加热太高或局部真空不良使产品温度超过了共晶点或崩解点温度。解决方法是降低加热温度和提高冻干箱内的真空度，应控制产品温度，使它低于共晶点或崩解点温度5℃。3.无固定形状：这是由于产品中的干物质太少，产品浓度太低，没有形成骨架，甚至已干燥的产品被升华汽流带到容器的外边。解决方法是增加产品浓度或添加赋形剂。4．产品未干完：产品中还有冻结冰的存在时就结束冻干，出箱后冻结部分熔化成液体，少量的液体被干燥产品吸走，形成一个“空缺”，液体量大时，干燥产品全部溶解到液体之中，成为浓缩的液体。这种产品出箱时若触摸容器的底部，有冰凉的感觉，即使看起来产品良好，但残余水含量也不会合格。解决方法是增加热量供应，提高板层温度或采用真空调节，也可能是干燥时间不够，需要延长升华干燥或解吸干燥的时间。5．产品颜色不均匀：产品有结晶花纹，这是由于冷冻速率缓慢引起的，解决方法是提高冷冻速率，不在0℃左右的温度停留，使产品冻结成较小的晶体。有时产品中能看到一圈颜色较深的分层线，这往往是升华中短时间真空不良造成的，短暂停电会产生这种现象。6．产品上层好，下层不好：升华阶段尚未结束，提前进入解吸阶段，这等于提前升高板层温度，结果下层产品受热过多而熔化，解决方法是延长升华阶段的时间；有些产品由于装载厚度太大，或干燥产品的阻力太大，当产品干燥进行到下层时，升华阻力增加，局部真空变坏也会引起下层产品的熔化。解决方法是降低板层温度和提高冻干箱内的真空度。7．产品上层不好，下层好：冷冻时产品表面形成不透气的玻璃样结构，但未做回热处理，升华开始不久产品升温，部分产品发生熔化收缩，产品的收缩使表层破裂，因此下层的升华能正常进行。解决方法是预冻时做回热处理。8．产品水分不合格：解吸阶段的时间不够，或者解吸干燥时没有采用真空调节，或用了真空调节，但产品到达最高许可温度后未恢复高真空。解决方法是延长解吸干燥的时间，使用真空调节并在产品到达最高许可温度后恢复高真空。9.产品溶解性差：产品干燥过程中有蒸发现象发生，产品发生局部浓缩，例如产品内部有夹心的硬块，它是在升华中发生熔化，产生蒸发干燥，产品浓缩造成的。解决方法是适当降低板层温度，提高冻干箱内的真空度，或延长升华干燥的时间。10．产品失真空：真空状态下压塞，瓶内真空良好，但贮存后不久即失真空，可能是瓶塞不配套或铝帽轧得太松，漏气而失真空，解决方法是更换瓶塞或调整压铝帽的松紧度；也可能是产品含水量太高，由水蒸汽压力引起的失真空，解决方法是延长解吸阶段的时间。另外还有一个与冻干曲线无关而影响产品的质量问题，由于冻干箱内硅油或液压油出现渗漏。
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