罗博讲冻干008：冻干过程不同关键温度的内涵与作用

发布日期：2024-08-30 来源：本站阅读量：36

开谱首席冻干专家罗春博士，专注研究冻干工艺，现推出“罗博讲冻干”专栏，不定期连载，欢迎交流探讨。

今天是本专栏的第八篇。

0 前言

在设计冻干工艺的时候往往需要考虑一些关键温度，如塌陷温度、玻璃态转变温度等。这些温度适用于不同阶段，有着不同的内涵。但在实际冻干过程中，由于名字的相似性，往往会给用户朋友带来一定的困惑。在这篇文章中，我们将给大家介绍冻干过程中常见的一些关键温度，以帮助大家对冻干过程涉及的概念有更清楚的认识。

1 成核温度Tn

成核温度的定义是首次出现形核的温度。在溶液的冻结阶段往往伴随着过冷现象，即溶液在达到理论成核温度时并不会开始冻结，而是在低于成核温度一定值的温度下才会发生成核凝固现象。成核温度主要影响冰晶的粒径。一般来说，成核温度越高，过冷度越小，形成的冰晶越细小，反之，则形成的冰晶较大。

冰晶的尺寸会影响干燥速率。在升华干燥阶段，大的冰晶升华后留下较大的孔隙，有利于减小传质阻力，而在二次干燥阶段，由于结合水的解析速率正比于孔隙的比表面积，此时，较小的冰晶反而更有利于提升干燥速率。此外，冰晶的大小对生物组织的活性也有一定的影响，冻结阶段形成冰晶较大时，容易形成机械应力，导致蛋白质失活。

2 共晶点温度Te

在冻结阶段，一般是冰晶首先从溶液中析出，溶液中的溶质浓度增加，当溶质浓度达到共晶浓度时，溶液中不再析出冰晶，剩余的溶液凝固形成共晶体，此时对应的温度即被称为共晶点温度。共晶点温度是一个重要的参考温度，冻结阶段，样品温度需要保持在共晶点温度以下，才能保证样品完全冻结。对于溶液而言，冻结固化点也是融化开始点，因此共晶点温度也被称为共熔点温度。在冻干技术中，一般会将共晶（熔）点温度广义化，不单单指溶液，而是将所有需要冻干的物料达到全部冻结时的温度统称为共晶（熔）点温度。

目前共晶点温度测量的方式主要有两种，一种是DSC测量，一种是电阻率测量。使用DSC测量结果相对准确，但是DSC测量相对昂贵，而且是离线测量，此外，DSC用于测量的样品量较小，用于实际冻干的样品相对较大，受到冻干机内部环境的影响，这些会影响结果的准确性。

图1 冻结阶段典型相图

而电阻率测量则是通过溶液中电阻率变化的方式对共晶点温度进行测定，当电阻率达到最大值时即认为溶液内部已经形成共晶体，此时的温度即被认定为共晶温度。电阻率测量方式相对简单，价格也较为便宜。而且电阻率也可以用于检测干燥阶段样品是否发生融化。但是利用电阻率探头确定共晶点温度方式的应用范围有局限。这是由于电阻率探头是通过检测溶液冻结前后的电阻率变化来判断溶液是否完全冻结，但对于一些有机溶剂而言，如甲苯，在其冻结前后测定的电阻率没有变化。此外，由于实际的冻干样品包含较多的物质，这些物质既有晶体物质，也有无定形的物质，此时，电阻率探头并不能起到预期的作用。

3 玻璃态转变温度Tg

在冻干的样品中，并不是所有物体都是晶体物质，即有一个明确的相变温度。也有一些物质表现出了非晶体的特性。这种物质一般被称为无定形物质。从微观结构上看，其组成原子并不存在结构上长程有序或平移对称性。而有些液体非晶态的物料在凝固过程中不经过相变，而是连续固化成玻璃体的过程被称为玻璃态转变，其对应的温度被称为玻璃态转变温度。

与共晶点温度类似，在干燥过程中，物料温度不能超过玻璃态转变温度。而且玻璃态转变温度的测量也是通过DSC实现。需要注意的是，无定形物质和晶体物质在一定情况下可以转换。在冻结阶段，若降温速率过大，溶液会固化称为无定形物质，而此时，若将温度升高至其玻璃态转变温度以上、溶剂融化温度以下，即进行退火处理，无定形形态会转变成晶体形态。

4 塌陷温度Tc

当搁板温度或者升温速率过高时，进入到样品内部的热量增加，当某些已干燥的样品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，使干燥产品失去本该有的疏松多孔的状态，影响了升华阶段的继续进行，因此，升华速率降低，由外界供给给样品的热量将有剩余，引起冻结层温度上升，当温度上升至共晶点温度以上时，产品会发生融化或发泡现象。这种现象被称为塌陷现象，对应的温度即为塌陷温度。

塌陷温度与产品自身物性、保护剂种类等参数有关。需要注意的是，塌陷温度还受到冻结阶段的影响，已经有文献指出，在冻结阶段加入退火处理能够显著改变产品的塌陷温度。

塌陷温度通常通过冻干显微镜进行测量，通过观察不同温度下的样品微观形貌，可以判断出样品内部是否发生了塌陷。图2即为使用冻干显微镜观察到的样品微观形貌以及塌陷现象。