在凍干過程中，產(chǎn)品中的水分(以冰的形式)或者其他(冷凍的)液體形式發(fā)生了升華，而被清除出去。最后，殘留的水分子可通過滲濾和解吸附作用進行去除。經(jīng)過良好的凍干工藝處理后，產(chǎn)品的溫度保持在較低的溫度水平上，能夠很好地阻止有損產(chǎn)品外觀和性能的改變發(fā)生。
1.什么是升華?
凍干工藝領(lǐng)域中的升華是指，繞過液相(例如水)環(huán)境，直接從固相(例如冰)過渡到氣相的過程。升華的物理理論知識是成功應(yīng)用凍干技術(shù)的基礎(chǔ)。水的相圖描述了各相(固相、液相和氣相)與壓力和溫度之間的相互關(guān)系。為了能夠在低壓環(huán)境中實現(xiàn)升華，相變過程中需要消耗一定的能源。在凍干過程中，所需的能源以熱能形式輸入到凍干系統(tǒng)中。凍干時發(fā)生的升華過程如下：
冷凍：產(chǎn)品在盛放的容器中被完全冷凍起來，常用的容器為瓶或桶等;
真空：隨后將冷凍的產(chǎn)品放入遠遠高于水的三相點的高真空環(huán)境中;
干燥：在升高溫度之后輸入了熱能，冰升華為氣。
2.什么是凍干?
對凍干材料物理化學(xué)性能的理解，是成功研發(fā)凍干工藝流程的基礎(chǔ)。少數(shù)的產(chǎn)品升華時，會出現(xiàn)結(jié)晶;大多數(shù)凍干產(chǎn)品的成分是非結(jié)晶態(tài)的，在冷凍后能夠形成類似玻璃的物質(zhì)。因此，這些產(chǎn)品在升華過程中所使用的助劑，對產(chǎn)品的導(dǎo)熱性能有著重要的影響，能夠嚴(yán)重影響凍干所需的時間。
3.可重復(fù)再現(xiàn)的條件
一個凍干過程由多個步驟組成：首先是準(zhǔn)備試樣，以液體或者懸浮物的形式盛放在相應(yīng)的容器中。其次，把這些試樣放入凍干設(shè)備中。凍干過程是在環(huán)境大氣壓下進行的。而第一次(真正)升華是在真空中進行的，第二次(滲濾、吸附)升華也是在真空條件下進行的。必要時要進行加氣(加入惰性氣體)，并在局部真空狀態(tài)下密閉保存一段時間。最后，才能取出產(chǎn)品。
成功凍干的產(chǎn)品應(yīng)具有很長的保存期、完整的組織重構(gòu)以及良好的外觀。當(dāng)該過程的工作參數(shù)，溫度、壓力和干燥時間不變時，該過程是可以重復(fù)再現(xiàn)的。
4.凍干系統(tǒng)的組成和分類
凍干機的主要組成部件包括：冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、凍干室、放置瓶裝容器等使用的干燥室和冷凝室。
冷卻系統(tǒng)對凍干機內(nèi)的冰狀冷凝水進行冷卻。它也可以用來對產(chǎn)品冷凍板的表面進行冷凍。真空泵管道應(yīng)與冷凝器相互連接。
凍干過程監(jiān)控系統(tǒng)有多種形式，用戶可根據(jù)具體功能要求進行選擇。溫度和壓力的監(jiān)控屬于監(jiān)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控內(nèi)容。其他可選的監(jiān)控內(nèi)容還包括：配方選擇功能、過程顯示功能、過程曲線繪制功能。用戶在選擇合適的監(jiān)控系統(tǒng)時，應(yīng)以應(yīng)用為主導(dǎo)，例如：產(chǎn)品成分的復(fù)雜性、實驗室應(yīng)用或者生產(chǎn)應(yīng)用。
一般凍干室由帶有放置圓形燒瓶、瓶裝容器連接件的干燥室，或者具有冷凍板的冷凍室組成。
冷凝室是該系統(tǒng)中溫度最低的地方。產(chǎn)品與冷凝表面之間的溫度梯度，與升華產(chǎn)品和冷凝室表面冰層之間的蒸氣壓力梯度有關(guān)，釋放熱能會導(dǎo)致固體(冰)相變。升華過程中沉積的冰最后需要手工清除(除霜)。
所需的冷凝溫度由冰點和產(chǎn)品臨界溫度確定。冷卻系統(tǒng)應(yīng)具有保持冷凝室溫度恒定的能力;因為這是凍干系統(tǒng)壓力監(jiān)控的主要要素。
當(dāng)利用冷凍板進行凍干時，冷凝室既可以安裝在凍干室的內(nèi)部(內(nèi)置冷凝)，也可以單獨的作為一個部件(外部冷凝)、用管道與凍干室連接起來。對于利用法蘭和連接管或者圓形燒瓶來產(chǎn)生升華所需能源的設(shè)備，其熱能來自設(shè)備周圍的環(huán)境。
上述各種“室”系統(tǒng)一般配備了可加熱的冷卻板，以便能夠?qū)Ω稍镞^程進行監(jiān)控，促進干燥過程。同樣，冷卻板也應(yīng)具有制冷能力，以便對產(chǎn)品進行冷凍。
凍干設(shè)備的分類可以按照連接方式來進行。典型的凍干設(shè)備是帶有一個法蘭或者燒瓶連接管的凍干設(shè)備。在這類凍干設(shè)備中，產(chǎn)品一般都是放在凍干設(shè)備外部進行冷凍的。在冷凍板式的凍干設(shè)備中，產(chǎn)品是放置在冷凍板上冷凍的。在復(fù)合式凍干設(shè)備中，既有冷凍板，也有連接燒瓶的法蘭。
另一種可行的分類方法是按照容量和用途，例如實驗室凍干儀、流程工藝試驗凍干室以及凍干生產(chǎn)設(shè)備。很多情況下，工藝試驗凍干室除用于按比例放大以及工藝研發(fā)之外，也常常用于配方研發(fā)和小批量生產(chǎn)。
選擇合適的凍干設(shè)備，不僅與產(chǎn)品特性有關(guān)，也與許多輔助參數(shù)有關(guān)，例如：容器的容積、冷凍板面積、所需的連接管數(shù)量等。批量大小、需去除冰量多少，以及必要時有機溶劑的使用等，都是必須考慮的問題。
5盛放容器的選擇
每一種產(chǎn)品都要選擇適合盛放的容器。在選擇盛放凍干制品的容器時，應(yīng)保證容器內(nèi)的產(chǎn)品高度不超過2cm。一些特殊的解決方案，例如對避免交叉污染有很高要求的解決方案，也已經(jīng)在市場上有成熟的產(chǎn)品了，例如Gore-Tex和Tyvek。
使用廣口瓶時一般要用到運輸架。排滿廣口瓶的運輸架被放置在冷凍板上。這樣，廣口瓶的瓶底就直接與冷凍板相互接觸，提高了向產(chǎn)品中超導(dǎo)熱能的能力。在處理有毒有害物質(zhì)時，需要使用專門的安全保障系統(tǒng)，例如Glove-Boxen。
6沒有萬能的凍干方法
為了成功完成產(chǎn)品的升華過程，必須在升華材料基本定型的基礎(chǔ)上，選擇合適的升華流程(循環(huán))。該升華流程包括了凍干的所有步驟(開始冷凍、一次干燥和二次干燥)。而每一個具體的步驟都要有規(guī)定的溫度、壓力和持續(xù)時間。
不同產(chǎn)品的凍干流程循環(huán)是不同的，根據(jù)冷凍原料、批量大小和使用的容器而單獨設(shè)計的。沒有適合于所有產(chǎn)品的萬能凍干方法。
7正確的凍干過程
在開始抽真空之前，即在干燥過程開始之前，應(yīng)徹底冷凍好產(chǎn)品原料。否則，產(chǎn)品可能因抽真空而出現(xiàn)膨脹，溢出產(chǎn)品容器之外。在簡單的凍干設(shè)備中，首先應(yīng)把需真空干燥的原料先以容器為單位進行冷凍，然后再移到干燥設(shè)備中。冷凍中可以使用標(biāo)準(zhǔn)制冷設(shè)備、冷池或者使用液氮。
在冷池中，廣口瓶和制備的樣品在連續(xù)旋轉(zhuǎn)中完成冷凍。經(jīng)過這樣冷凍的產(chǎn)品會凍結(jié)在廣口瓶的瓶壁上，從而形成了最大的表面積和最小的產(chǎn)品厚度尺寸。當(dāng)廣口瓶處于垂直位置冷凍時，情況則相反：瓶底的冷凍層厚度較大，越會對干燥過程產(chǎn)生不利影響。另外，還會因廣口瓶玻璃承受的載荷不同而造成玻璃瓶的破裂。
在利用冷凍板進行冷凍時，可將待冷凍的原料直接冷凍到冷凍板上。此時，可把產(chǎn)品注入小瓶中，或者散裝在盤類容器中。
利用冷凍板進行冷凍具有一個明顯的優(yōu)點，即可以對冷凍率進行監(jiān)控。冷凍率決定了產(chǎn)品的凍結(jié)速率，從而也決定了該批次的均質(zhì)性和冰晶的大小。在某種溶液介質(zhì)冷凍后，首先出現(xiàn)的是過冷、出現(xiàn)晶核(冰晶的形成)，然后開始結(jié)成冰晶。但冰晶不是在所有的瓶類容器中同時開始形成的，因此，緩慢的凍結(jié)速率對于提高均質(zhì)性有重要的意義。
結(jié)晶的時間越長，結(jié)成的冰晶體積就越大。較大的冰晶可以快速地進行干燥，通過其較大的微孔，可以快速排出水蒸氣。當(dāng)把凍干工藝從實驗室移植到生產(chǎn)中時，這種影響體現(xiàn)得更為明顯，因為超凈室環(huán)境中的粉塵顆粒很少，對晶核生成的影響也小。
而生物工程技術(shù)又對凍干工藝提出了特殊的要求。它規(guī)定了冰晶大小的范圍允許偏差，例如不允許有能夠破壞細(xì)胞核的冰晶。因此，在對這類產(chǎn)品進行凍干時，應(yīng)注意不能形成大顆粒的冰晶。