冷冻干燥机(Freeze Dryer)，又称冻干机，是一种利用升华原理将含水物质低温冻结后，在真空条件下使冰直接升华为水蒸气而除去水分的设备。该技术广泛应用于生物医药、食品加工、材料科学、微生物保存等领域，能够最大限度地保持物质的原有结构和活性。
本文将从以下八个方面对冷冻干燥机进行全面解析：
一、冷冻干燥的基本原理
二、冷冻干燥的过程阶段
三、冷冻干燥机的系统组成
四、冷冻干燥机的操作流程
五、冷冻干燥的应用领域
六、冷冻干燥机的选型指南
七、使用注意事项与维护
八、常见问题与解决方案
一、冷冻干燥的基本原理
冷冻干燥基于“水的三相图”中的升华过程，即固态冰不经过液态直接转化为气态水蒸气。其基本原理包括：
冷冻阶段：将物料快速冷却至共晶点或玻璃化转变温度以下，使水分冻结成冰晶。
初级干燥(升华干燥)：在真空环境下，冰晶直接升华为水蒸气，由冷阱捕获。
次级干燥(解吸干燥)：进一步去除物料中结合水(吸附水)，通常通过升高温度实现。
关键物理原理：
升华需要吸收热量(升华热)；
真空降低水的三相点压力，使冰在低温下即可升华；
冷阱温度低于升华界面温度，确保水蒸气被有效凝结。
二、冷冻干燥的过程阶段
预冻阶段(Freezing)
目的：将物料中的游离水冻结，形成稳定冰晶结构。
方法：程序降温或速冻(如-40℃或液氮速冻)。
注意：避免慢冻导致冰晶粗大，影响复水性。
初级干燥阶段(Primary Drying / Sublimation)
条件：真空度通常为10~100 Pa，搁板升温至-40℃ ~ 0℃。
过程：冰晶升华，物料温度基本保持在共晶点附近。
时间占比：最长(约占总时间的60~80%)。
次级干燥阶段(Secondary Drying / Desorption)
条件：提高搁板温度(20~50℃)，继续抽真空。
过程：去除结合水(吸附于物料内部的水分)。
终点：产品含水量降至1%~3%(视需求而定)。
三、冷冻干燥机的系统组成
制冷系统
压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器(冷阱)
作用：提供低温环境，实现物料预冻与冷阱捕冰。
真空系统
旋片真空泵 + 罗茨泵(或分子泵)组合
作用：建立并维持高真空环境(10⁻¹ ~ 10² Pa)。
加热系统
电加热搁板(可控温)
作用：为升华和解吸过程提供热量。
冷阱(Condenser)
位于干燥室外部，温度可达-80℃以下
作用：捕获升华的水蒸气，防止其进入真空泵。
干燥室(Chamber)
材质：不锈钢，带透明观察窗
类型：圆瓶式、歧管式(Manifold)、原位式(in-situ)、多歧管组合式等。
控制系统
PLC或触摸屏控制，可编程冻干曲线(温度、真空、时间)
监测参数：搁板温度、物料温度、真空度、冷阱温度。
尾气处理系统(可选)
过滤器或活性炭吸附装置，防止有机溶剂或生物危害物排放。
四、冷冻干燥机的操作流程
以实验室型冷冻干燥机为例：
准备阶段
检查设备状态(真空泵油位、制冷剂压力、电源)。
清洁干燥室与冷阱，安装样品架。
连接真空泵与设备，打开冷却水(如有)。
装样
将待干燥样品装入冻干瓶、托盘或西林瓶中(注意预留升华空间)。
密封瓶口(留通气孔或使用胶塞+滤膜)。
预冻
启动制冷系统，将搁板温度降至-40℃或设定值。
样品随搁板同步冷冻，或提前在冰箱/冻干机外预冻。
冷冻时间：通常1~2小时，至样品冻结。
抽真空干燥
启动真空泵，关闭放气阀，建立真空(<100 Pa)。
设置冻干曲线：
初级干燥：搁板升温至-20℃ ~ 0℃，维持数小时至数十小时。
次级干燥：升温至20~40℃，继续干燥2~6小时。
监控真空度与温度变化，防止“喷瓶”或塌陷。
结束与卸料
干燥完成后，缓慢放气(防止气流冲击样品)。
取出样品，密封保存(如压盖西林瓶)。
关闭设备，清理冷阱融霜水。
维护
定期更换真空泵油，清洁冷阱与干燥室。
检查制冷剂是否泄漏，校准温度传感器。
五、冷冻干燥的应用领域
| |
| 疫苗、酶、抗体、血浆、细胞、mRNA疫苗的冻干保存 |
| |
| |
| |
| |
| |
优势：
保留物质结构、活性与风味；
复水性好；
便于长期储存(常温或4℃下数年稳定)；
重量轻，适合运输。
六、冷冻干燥机的选型指南
选择冻干机时需综合考虑以下因素：
用途与规模
实验室研发：小型台式机(0.1~10 L容量)
中试生产：中型机(10~100 L)
工业生产：大型连续式冻干机(>100 L)
冻干方式
歧管式(Manifold)：适合瓶装液体，成本低，但无法控温。
圆瓶/托盘式：适合固体或粘稠样品。
原位式(in-situ)：样品置于干燥室内，可程序控温，适合无菌要求高的场景(如制药)。
多歧管组合式：兼顾灵活性与控温能力。
温度范围
搁板低温度：-50℃、-80℃(推荐-80℃用于生物样品)
冷阱低温度：-80℃、-105℃(越低效率越高)
真空性能
极限真空度：≤10 Pa(优质设备可达1~5 Pa)
真空泵配置：旋片泵+罗茨泵组合更优。
控制系统
是否支持编程冻干曲线(多段温控、真空控制)
数据记录与导出功能(符合GMP/GLP要求)
安全与合规
防爆设计(用于有机溶剂样品)
无菌过滤、在线灭菌(SIP)、在位清洗(CIP)(制药级)
CE、FDA 21 CFR Part 11认证(如需电子数据合规性)
品牌与售后
国际品牌：Labconco、Christ、SP Scientific、Millrock
国产品牌：博医康、永合创信、上海贺德、中科美菱
关注耗材供应、维修响应速度、耗材成本(如真空泵油、密封圈)
七、使用注意事项与维护
注意事项
样品必须冻结后再抽真空，否则会“沸腾”喷样。
有机溶剂样品需谨慎：部分溶剂(如乙醇、丙酮)在低压下易挥发甚至爆炸，需专用防爆机型。
避免频繁开关门，防止真空泄漏与冷阱结霜过厚。
西林瓶需半压塞，防止空气回流导致回潮。
日常维护
每周检查真空泵油颜色与液位，定期更换(建议每200~500工作小时)。
每次使用后清洁干燥室与冷阱，防止交叉污染。
冷阱除霜：停机后自然融化或电加热除霜，勿用尖锐工具刮铲。
定期检查制冷剂压力与压缩机运行声音。
校准温度传感器(每年一次)。
总结
冷冻干燥机是一种高效、温和的脱水设备，核心在于“低温冷冻 + 真空升华”的物理过程。其选型需结合应用场景、样品特性与工艺需求，操作过程中需严格控制预冻、真空与温度曲线，以确保产品质量。随着生物制药、功能性食品和高附加值材料的发展，冷冻干燥技术正朝着智能化、无菌化、规模化方向演进。正确掌握其原理、操作与维护技能，是科研与生产成功的关键。
