实验室研发冻干机(冷冻干燥机)的工艺原理核心在于在低温、低压条件下，使物料中的水分(或其他溶剂)直接从固态冰升华为气态，从而达到干燥的目的，同时最大限度保留物料的原始结构和活性。其工艺过程主要分为三个关键阶段：
一、预冻阶段：
1、目的： 将待干燥的物料(通常是溶液、悬浊液或湿的固体)全部冻结成固态冰晶结构。这是后续升华过程的基础。
2、原理： 物料被置于冻干机的干燥室搁板上。通过搁板内部的循环制冷剂(或直接制冷)或冷阱辐射，将物料温度迅速降低到其共晶点(对于溶液)或共熔点(对于晶体混合物)以下，通常远低于水的冰点(如-40℃到-50℃或更低)。此阶段的降温速率(慢冻或速冻)对最终冻干产物的结构(如冰晶大小、孔隙率)和活性物质的保留至关重要，需要根据物料特性精确控制。
二、一次干燥/升华干燥阶段：
1、目的： 在维持物料冻结状态的前提下，将固态冰直接转化为水蒸气并移除。
2、核心原理：
真空建立： 真空泵启动，对干燥室持续抽真空，使系统压力显著降低(通常在几十到几百帕斯卡范围内)。
低温维持： 搁板温度保持在较低水平(通常在-30℃到-10℃或根据物料设定)，确保物料核心温度低于其塌陷温度或共晶/熔点，物料始终处于冻结状态。
升华发生： 在低温和低压环境下(远低于水的三相点压强610.5 Pa)，冰分子获得足够的能量，不经过液态水阶段，直接从固态升华为水蒸气。这个过程需要吸收大量的热量(升华潜热)。
热量供给与平衡： 搁板提供可控的热量(通过内部加热介质循环)，精确地补偿冰升华所需吸收的热量。热量不足会导致升华过慢甚至停滞；热量过多则可能导致物料局部融化或塌陷(破坏多孔结构)。水分在物料内部升华后，通过物料干燥层留下的多孔通道扩散出来。
水汽捕集(捕获)： 升华产生的大量水蒸气被位于干燥室和真空泵之间的冷阱(冷凝器) 高效捕捉。冷阱温度远低于干燥室(通常低于-50℃，可达-80℃甚至更低)，水蒸气接触到冰冷的冷阱盘管表面时，迅速凝华成冰附着其上，从而防止水蒸气进入真空泵造成损坏，并维持系统所需的低压环境和低的蒸气分压差(驱动升华的关键动力)。
3、关键点： 此阶段移除的是物料中绝大部分的自由水(约占物料总水分的90%以上)。升华速率由提供给升华界面的热量、水蒸气通过干燥层的传导速率以及冷阱的冷凝能力共同决定。通常持续时间最长。
三、二次干燥/解吸干燥阶段：
1、目的： 移除一次干燥结束后，残留在干燥物料内部的、与物料分子(如蛋白质、多糖)结合较紧密的结合水。
2、原理：
温度提升： 在维持高真空的条件下(真空度可能比一次干燥更高)，逐步(有时甚至是阶跃式地)提高搁板的温度(可从室温到60℃甚至更高，具体取决于物料的耐热性)。
解吸发生： 提高的温度赋予结合水分子足够的能量，使其从物料分子上解吸(脱附)下来，转化为水蒸气状态。
真空移除： 解吸出来的水蒸气同样被冷阱捕获。
3、关键点： 此阶段虽然移除的水分总量较少(约占物料总水分的5-10%)，但对于最终产品的水分含量、长期稳定性和复溶性至关重要。需要精确控制温度和持续时间，避免过热导致物料变性或降解。
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