凍干過程中主要分為3大步驟,預(yù)凍、升華和解析。其中升華工藝是一個主要的脫水過程、途徑。如何讓凍結(jié)的水從冰狀態(tài)成功的升華出來,就需要給樣品提供動力,動力是熱量,升華需要吸收熱量,熱量來源于傳導(dǎo)、對流和輻射。
一次干燥過程中(即升華干燥)水蒸氣從樣品種升華出來被冷阱補(bǔ)集的過程中最主要的動力就是飽和蒸汽壓差,飽和蒸汽壓差越大,升華速度越快,升華時間越短;飽和蒸汽壓力不同的數(shù)值對應(yīng)不同的溫度。因此升華界面不同溫度,冷阱表面不同溫度就對應(yīng)不同的壓差,兩者的數(shù)值之差對應(yīng)的就是樣品升華的驅(qū)動力。提高樣品升華界面的溫度或者降低冷阱的溫度都可以增大升華的驅(qū)動力。但是升高樣品溫度帶來的驅(qū)動力的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過降低冷阱溫度帶來的驅(qū)動力的變化。但是升高樣品溫度有一個限度,不能無限升高,升高到一定溫度,樣品有塌陷或者融化的風(fēng)險。而降低冷阱溫度雖然容易做到,但是帶來的驅(qū)動力的變化和升高樣品溫度相比確微乎其微。為什么會這樣呢?我們可以列舉一組數(shù)值來看。比如升華界面溫度原來是-20度,對應(yīng)飽和蒸汽壓為102.11pa。升高溫度為-15℃,對應(yīng)飽和蒸汽壓為165.43pa,對應(yīng)冷阱-80度,對應(yīng)的飽和蒸汽壓為0.055pa,-20℃對應(yīng)驅(qū)動力為102.055pa,而-15℃對應(yīng)的驅(qū)動力為165.375pa。因此驅(qū)動力增加63.32pa。這是樣品溫度升高5度,冷阱溫度不變的情況下驅(qū)動力增加的情況。
比如當(dāng)樣品溫度-20度不變的情況下,冷阱溫度從-80度降低到-85度,對應(yīng)的驅(qū)動力的增加為0.031pa。通過數(shù)值列舉我們就明顯看出來同樣是溫度變化5℃,驅(qū)動力的增加相差甚遠(yuǎn)。為什么呢?水的平衡蒸汽壓圖能夠解釋。
溫度升高,平衡蒸汽壓增大,溫度降低平衡蒸汽壓減小,不同的溫度區(qū)域范圍,對應(yīng)的升高降低的速率不同。0~-40度之間,蒸汽壓降低的速度大,而低于-50~-80度之間,溫度降低,蒸汽壓減小的很少,這就解釋了為什么同樣是降低5度,升高樣品溫度和降低冷阱溫度的差別相差這么大。既然這樣那我冷阱溫度是不是降低到-50度就可以了呢?這是不對的,因為我們前面解釋的不是凍干箱或者冷阱的溫度,而都是對應(yīng)的升華界面或者冷阱補(bǔ)冰的冰表面對應(yīng)的溫度。溫度探頭監(jiān)測的是冷阱表面的溫度,并不是冰表面的溫度,如果冷阱只降低到-50度,對應(yīng)的冰表面溫度可能只有-40度左右,和冰層的厚度有關(guān)。冰層厚度達(dá)到一定厚度,隨著溫度不斷升高,可能導(dǎo)致對應(yīng)平衡蒸汽壓快速上升,從而導(dǎo)致凍干箱出現(xiàn)壓力失控的現(xiàn)象。
因此提高升華效率的最主要方式是提高升華界面的溫度,因此知道樣品的安全溫度是非常重要的,在知道樣品安全溫度的前提下設(shè)置凍干工藝,根據(jù)凍干曲線反應(yīng)的數(shù)據(jù)和特點不斷優(yōu)化凍干工藝。