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冷凍干燥設(shè)備整體方案供應(yīng)商
預(yù)凍步驟Freezing 通常是凍干機開始冷凍干燥周期的第一個“工藝”步驟，在這個過程中，制品被降溫冷凍，從而將產(chǎn)品中的溶液從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)，為后期的升華干燥創(chuàng)造初始條件。對于預(yù)凍步驟有兩個目標(biāo)會被考慮，即（階段/最終）目標(biāo)溫度和到達此目標(biāo)溫度的時間，而二者可以轉(zhuǎn)化為預(yù)凍速率。
而預(yù)凍之所以關(guān)鍵，不僅是由于預(yù)凍需要實現(xiàn)制品從液態(tài)轉(zhuǎn)變固態(tài)的關(guān)鍵溫度的過冷，而且拋開一些不可控的因素，其速度及過冷程度還可能會影響到冰晶的形態(tài)，而冰晶形態(tài)又會影響一次干燥，乃至產(chǎn)品的質(zhì)量。
冰晶形態(tài)
很多“教科級”資料都會提到，快速冷卻 Rapid cooling導(dǎo)致生成“小”冰晶，而緩慢冷卻Slow cooling導(dǎo)致形成“大”冰晶。簡單的理解就是，快速冷卻讓水在措手不及的情況下過冷，當(dāng)反應(yīng)過來時已被凍上，由于時間緊迫，冰晶無法實現(xiàn)“大團結(jié)”，因此冰晶小。冰晶大小決定了干燥固體中空隙的大小，因此小冰晶造成了狹小的水汽升華通道，增加了升華阻力，從而導(dǎo)致需要更長的初級干燥時長來去除結(jié)晶水。反之，緩慢冷卻帶了相反的效果。
產(chǎn)品質(zhì)量
首先是速率對冰晶形態(tài)作用的延伸，冰晶大小會直接影響到比表面積的大小，例如蛋白質(zhì)溶液，冷凍會產(chǎn)生冰-水界面，蛋白質(zhì)會被吸附在這個界面上，從而破壞其天然折疊狀態(tài)。伴隨而來的二級和三級結(jié)構(gòu)的損失可導(dǎo)致表面誘導(dǎo)變性。但緩慢冷凍也有可能增加對蛋白質(zhì)的損害，例如隨著水結(jié)晶，相分離的可能性增加，而緩慢冷凍提供了足夠的時間暴露于高濃度的不同化學(xué)物質(zhì)、pH值變化、相分離。
其次，冷凍可能會因多種原因（例如溶液效應(yīng)、細(xì)胞外結(jié)冰、脫水）而損害細(xì)胞，但細(xì)胞內(nèi)結(jié)冰是最重要的原因，細(xì)胞內(nèi)的冰形成增加了細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)的濃度，進而影響了可參與穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)酶天然狀態(tài)的離子相互作用，通常在高冷卻速率下，當(dāng)細(xì)胞不能保持與環(huán)境的滲透平衡時，細(xì)胞內(nèi)結(jié)冰。細(xì)胞內(nèi)冰晶也許會直接對細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)造成機械損傷，或者細(xì)胞也會受到冰形成引起的體積膨脹的影響。（Wolfe, J. and G. Bryant, Cellular cryobiology: thermodynamic and mechanical effects. International Journal of Refrigeration, 2001; 24(5): 438-450.）
凍干機板層降溫速率的影響
很顯然，上面提到的冷卻速度是基于理想熱力條件下，針對制品而言的，并不應(yīng)該簡單地歸結(jié)于凍干機板層里硅油溫度的降溫快慢。例如，同樣的凍干機板層降溫速率，面對不同的制品、不同的盛裝形式、不同的灌裝/裝載量、不同的制品初始溫度，所帶來的制品本身降溫效果也是不同的。
但現(xiàn)實又無法回避，如果制品不是選擇離線冷凍設(shè)備進行速凍，那么制品溫度降低更多是依靠凍干機的板層溫度變化來實現(xiàn)、控制。曾有朋友問，很多文章會以1°C/分鐘為一個快慢的分界線（這里不討論這個值的定義是否有道理），但為何很多凍干機的URS中板層降溫指標(biāo)不用速率表示，而用溫度區(qū)間和時間表示，例如 “從20℃到 -40℃的時間應(yīng)≤ 60分鐘“，”而非“1°C/分鐘”。個人理解，首先凍干機的指標(biāo)多為空載指標(biāo)，在測試其性能時，無需進行“線性”斜率控制，而是查看設(shè)備的性能邊界在哪里。而常規(guī)制冷系統(tǒng)性能由于受很多因素影響，不是一個線性表現(xiàn)，溫度越低速率越慢，所以僅對于空載設(shè)備進行性能確認(rèn)，目的是了解其邊界。
因為，設(shè)備的性能邊界是很重要的，正是因為其極限降溫曲線不是線性的，其最差表現(xiàn)將成為“木桶”的短板，影響所能實現(xiàn)的降溫曲線斜率；換句話說，如果凍干機板層在實際凍干工藝中，無法在“有需求”的溫度范圍內(nèi)保持恒定的冷卻速率，則將會給產(chǎn)品冷凍速率帶來額外不必要的影響因素。
例如，如果有工藝要求，期望板層以“1°C/分鐘”速率線性降至-50°C，那么對于一些常規(guī)工業(yè)級凍干機來說就是一件有挑戰(zhàn)的事情。如果要穩(wěn)定實現(xiàn)這樣要求，就要拓展設(shè)備的性能邊界，可能需要對凍干設(shè)備進行系統(tǒng)配置的變化。
雖然說可控成核技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了很多年，但未來一定時期內(nèi)想要全面工業(yè)化程度地普及，仍有很長的路要走。因此，從目前行業(yè)的現(xiàn)狀看，研究和依靠可控的冷凍速度，仍是形成適當(dāng)冰晶體結(jié)構(gòu)，進行優(yōu)化升華過程的主要手段。
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