第二章冷冻干燥基本理论.pptVIP

第二章 冷冻干燥的基本理论 2.2 冻结过程1. 典型的降温曲线 图中的虚线表示槽内温度；实线表示水温。纯水在一个大气压下的冰点是273.15K(即0℃)，但在一般情况下，纯水只有被冷却到低于0℃的某一温度（点C）时才开始冻结．这种现象被称为过冷(supercooling)。开始出现冰晶的温度与相平衡冻结温度之差，称之为过冷度。 在过程abc中，水以释放显热的方式降温；当过冷到点c时，由于冰晶开始形成，释放的相变潜热使样品的温度迅速地回升到0℃，即过程cd；在过程de中，水在平衡的条件下，继续析出冰晶，不断释放大量固化潜热。在此阶段中，样品温度保持在恒定的平衡冻结温度0℃ ；当全部水被冻结后，固化的样品以较快速率降温。 2.过冷与均匀成核 水的冻结实际上存在冰晶成核和冰晶生长两个过程。冰晶的成核(nucleation)过程主要由热力学条件决定，而冰晶的生长过程主要由动力学条件决定。 当水处于过冷态(亚稳态)时，可能以两种型式形成冰晶核心(晶核，nuclei)，即均匀成核(homogenous nucleation)和非均匀成核(heterogenous nucleation)。 2.过冷与均匀成核 均匀成核，是指在一个体系内各处的成核几率均相等。由于液相内的能量和密度的随机起伏涨落，使系统内分子一时地聚集成为新相的集团(又称为新相的胚芽，embryos)。 图表示形成冰相胚芽和晶核过程中所需的形成能(energy of formation)的变化规律。在临界尺寸r*处出现峰值。若液相分子热起伏聚集成的冰相集团的尺寸大于r*，则胚芽就成为晶核，结冰过程成为自发过程；否则，冰相胚芽将自行消失。我们将热起伏形成的新相尺寸r r*的区域称为晶核区。 2.过冷与均匀成核 当水的过冷度增加时，晶核的临界尺寸r*急剧减小，这样就极大地提高了形成晶核的几率。 3.非均匀成核 非均匀成核，又称异相成核，是指水在尘埃、容器表面及其它的异相表面处，所形成晶核的现象。 对于均匀成核，要求有较大的过冷度。例如，对很纯的微小水滴，已发现到-40 ℃或更低的温度还未结冰的现象。 对于非均匀成核，所要求的过冷度比均匀成核要小得多。对于体积较大的水，一般均具有异相成核的条件，因此只要温度比0 ℃稍低几度就能形成冰晶核。 4.冰晶的生长 结晶过程是由晶核形成过程和晶粒长大过程所共同构成。成核速率J是指一定温度下，单位时间内单位容积中所生成的晶核数；晶体长大速率U则是指一定温度下，单位时间晶体的线增长速率。 4.冰晶的生长 晶体的成核和长大，都需要一定的过冷度（50％ 的PVP水溶液,Tm≈-5℃）。在一定的过冷度下，J或U才能分别达到最大，对应于图中的两个峰值。 如果在J较大处结晶，往往容易形成颗粒较多而尺寸小的细晶；如果结晶控制在U较大处发生，则容易形成颗粒较少而尺寸大的粗晶。 J和U两曲线通常有一重叠区，称之为“析晶区”。在析晶区，J和U都较大，最有利于结晶。因此析晶区越大，越容易结晶；反之则越容易形成玻璃态。由此可见，要使自发结晶能力大的溶液形成玻璃态，应采用超快速冷却，以迅速越过析晶区，使其来不及析晶而达到玻璃态。 4.冰晶的生长 从动力学的观点来看，物质在冷却过程中，最终固化形成晶体，还是玻璃体，是两种速率竞争的结果：一是晶体的成核和生长的速率；另一是温度下降的速率。前者受热力学相变驱动力，即吉布斯自由能差，以及由粘性扩散系数所表示的分子运动性而控制，这些与过冷度有关。后者取决于样品的质量和几何形状，它的热导率、热容，以及样品外表面的冷却状况。 2.3 程序降温与超快速降温技术 在进行生物材料的低温保存时，不同的细胞要求不同的降温程序，一些复杂的细胞还要求降温程序分成多段进行，每段具有不同的冷却速率。为了满足生物材料、药品和食品低温保存和冷冻干燥对降温过程的要求，可以有多种降温方法，有利用冰箱进行的两步法降温；有利用液氮容器内气相区的温度梯度，用手控办法进行降温的。 70年代以来，随着计算机技术的发展，逐步研制成功了用微机控制的程序降温仪( Programmable cooler, programmable freezer )，它已经成为实现生物材料低温保存技术的一个关键设备．根据降温及控制原理的不同，目前较常用的降温仪大致可以分成两类：液氮喷射式降温仪(spurt type)；和利用液氮容器内气相区温度梯度的升降式降温仪(Immersion type)。 在设计低温生物降温仪时，要考虑的因素很多，比如降温速率、控温的温度范围、控温的准确度及被冷却样品的数量和形状等。降温速率、控温的温度范围和控温的准确度对传热方式及温度控制系统的设计有重要影响；而被冷却样品的数量和形状在设计冷却室时需要加以考虑。同时，设计时还要考虑到方案的经济性和实用