真空冷冻干燥

真空冷冻干燥（又称为冷冻真空干燥、冷冻干燥，简称冻干），是一种古老而又现代的先进干燥技术。目前已经在食品、医药、生物制品、多孔材料和纳米粉体材料制备、标本制作、文物保护等领域实现了广泛的应用。近年来，真空冷冻干燥技术应用范围不断扩大，使其成为了一项热门的真空工程应用技术。
我们在做硕士、博士期间一直跟随导师从事真空冷冻干燥的实验和理论研究工作。本书介绍了近年来先进的、具有代表性的冻干理论和实用技术成果，其中也包括了我们的研究成果。我们希望本书能为从事冻干研究或者在研究中需要利用冻干技术的科技工作者提供一些参考，为推动冻干理论研究的发展、完善和推广冻干技术的应用作出应有的贡献。
本书是在《冷冻真空干燥》（化学工业出版社，2015年）一书的基础上修改的。本书首先分析了真空冷冻干燥的特点及发展方向，其次详细介绍了冻干过程中的传热传质理论和冻干设备及其相关部件，又介绍了冻干过程中涉及的特定参数及其测量与意义，在本书的第5～8章，总结了冻干技术的应用领域，给读者呈现了部分代表性物料的冻干工艺。为了更好地聚焦与冻干技术密切相关的理论与实践主题，本书中未阐述基础的物理化学理论和常识性知识，而是突出与真空冷冻干燥密切相关的传热传质理论和先进的实用技术。
本书分为8章，依次为真空冷冻干燥技术概述、真空冷冻干燥传热传质原理、真空冷冻干燥设备、真空冷冻干燥特性参数测量与分析、生物制品和生物组织冻干技术、药用材料及原料的冻干技术、食材冻干技术、溶液冻干技术制备无机纳米粉体材料。其中第1、第4～8章由沈阳大学刘军教授撰写，第2、第3章由西安工业大学彭润玲博士撰写。本书由冷冻干燥领域专家、东北大学博士生导师张世伟教授审稿。同我们一起为本书编写作出贡献的还有谢元华、邹惠芬、郑文利、王德喜博士等，李春青、王琼先、余风强、高雅杰、赵雨霞、张茜、陈海峰硕士等。
在本书的撰写和审稿过程中得到了很多人的关心、支持和帮助，尤其是得到了东北大学徐成海教授、张世伟教授的指导，在此深致谢意！同时也感谢化学工业出版社的有力支持与密切合作。书中引用了其他研究者的成果，在此一并表示感谢！
由于我们水平有限，本书涉及的知识面又很广，书中不妥之处，恳请各界读者指正。

编著者
2021年5月1日

本书首先分析了真空冷冻干燥技术的特点及发展方向，详细介绍了真空冷冻干燥中的传热传质理论、设备及相关部件，还介绍了真空冷冻干燥所涉及的特定参数及测量与分析；本书还特别总结了真空冷冻干燥技术的应用领域，呈现了部分代表性物料的冻干工艺。
本书分为8章。第1、2章为真空冷冻干燥概述及传热传质原理，第3、4章为真空冷冻干燥设备及特性参数测量与分析，第5～8章为部分代表性物料的真空冷冻干燥工艺。
本书理论知识与实践技术相结合，具有较强的实用性。
本书可供从事真空冷冻干燥技术研究开发、生产应用的技术人员阅读，也可作为相关专业师生的参考资料。

1真空冷冻干燥技术概述1
1.1冻干技术在国际上的发展概况1
1.2冻干技术在国内的发展概况3
1.3真空冷冻干燥的基本工艺过程4
1.4真空冷冻干燥技术的特点5
1.5真空冷冻干燥技术的发展趋势6
1.5.1冻干机的发展趋势6
1.5.2冻干工艺的发展趋势6
1.5.3冻干理论研究的发展趋势7
参考文献9

2真空冷冻干燥传热传质原理11
2.1冷冻过程的传热传质11
2.1.1冻干箱内的冻结过程11
2.1.2冷库内的冻结过程16
2.1.3微尺度冻结过程的传热传质19
2.2真空干燥过程的传热传质22
2.2.1传统的冻干理论22
2.2.2多孔介质的冻干理论24
2.2.3微纳尺度冻干过程的传热传质30
参考文献37

3真空冷冻干燥设备40
3.1冻干机的组成40
3.2冻干机的分类41
3.2.1按冻干面积的大小分类41
3.2.2按冻干机的用途分类44
3.2.3按冻干机的生产方式分类47
3.2.4按捕水器的安放位置分类48
3.2.5其他分类方式49
3.3冻干机的主要性能指标49
3.4冻干机的设计简介50
3.4.1冻干箱的设计50
3.4.2捕水器的设计52
3.4.3真空系统设计53
3.4.4制冷系统设计55
3.4.5加热系统的设计56
3.4.6控制系统设计58
参考文献60

4真空冷冻干燥特性参数测量与分析61
4.1共晶点和熔融点温度的测量61
4.1.1简易自制测量装置61
4.1.2一种典型液态物料共晶点测试仪63
4.2冻干过程的分析与观察64
4.2.1低温显微镜64
4.2.2差示扫描量热法70
4.2.3核磁共振72
4.2.4热力学分析74
4.2.5介电分析75
4.2.6X射线衍射学-拉曼光谱学76
4.3冻干过程中物料含水量的测量76
4.4冻干终点的判断77
4.5冻干产品的质量分析77
4.5.1残余水分的测量77
4.5.2冻干产品的质量及其变化82
4.6冻干产品的贮藏与复水84
4.6.1真空或充气包装84
4.6.2冻干产品的复水84
参考文献85

5生物制品和生物组织冻干技术87
5.1概述87
5.2菌种和疫苗的冻干88
5.2.1醋酸菌菌种冻干89
5.2.2乳酸菌菌种冻干90
5.2.3冰核菌种冻干92
5.2.4鼠疫菌种冻干92
5.2.5麻疹减毒疫苗冻干93
5.2.6猪丹毒疫苗冻干94
5.2.7猫泛白细胞减少症疫苗和“犬四联”弱毒疫苗冻干94
5.2.8甲型肝炎减毒活疫苗冻干96
5.3皮肤的冻干96
5.3.1大鼠皮肤冻干工艺及药物渗透性实验96
5.3.2大鼠皮肤吹干与冻干比较研究98
5.4骨骼和骨髓干细胞的冻干99
5.4.1冻干骨的生物性能99
5.4.2人体骨髓基质干细胞的冻干100
5.5动物眼角膜的冻干101
5.5.1眼角膜的冻干工艺流程101
5.5.2眼角膜冻结过程中的冷平衡102
5.5.3冻结眼角膜的干燥过程103
5.5.4冻干角膜的贮存与复水105
5.5.5冻干-复水角膜的再植105
5.6心脏瓣膜的冻干106
5.6.1心脏瓣膜玻璃化温度的测定106
5.6.2冻干工艺对冻干心脏瓣膜性状的影响107
5.7纳豆激酶的冻干111
5.7.1纳豆激酶物性参数的测定112
5.7.2纳豆激酶冻干的实验112
5.8人血液制品的冻干114
5.8.1红细胞冻干114
5.8.2血小板冻干119
5.8.3脐带血冻干127
5.9精子的冻干129
5.9.1猪精子冻干130
5.9.2人精子冻干131
参考文献133

6药用材料及原料的冻干技术136
6.1人参的冻干137
6.1.1人参的共晶点温度测定137
6.1.2人参冻干的工艺138
6.1.3影响人参冻干的因素139
6.2山药的冻干140
6.2.1山药粉的冻干实验140
6.2.2微波加热冻干山药片142
6.3螺旋藻的冻干143
6.3.1用DSC测定螺旋藻的共晶点144
6.3.2螺旋藻冻干保护剂144
6.3.3螺旋藻冻干工艺146
6.4脂质体药物冻干149
6.4.1脂质体溶液冻干过程中结晶对冻干品质的影响149
6.4.2冷冻方式和冻干保护剂对脂质体冻干药物粒径和包封率的影响153
6.4.3苦参碱脂质体注射剂的冻干制备154
6.5冬虫夏草和林蛙油的冻干156
6.5.1冬虫夏草的冻干156
6.5.2林蛙油的冻干158
6.6鹿茸的冻干158
6.6.1水分测量159
6.6.2共晶（熔）点温度测量159
6.6.3鹿茸的冻干实验160
6.6.4冻干鹿茸性质检测及对比162
6.7三七的冻干163
参考文献164

7食材冻干技术166
7.1植物性食材冻干167
7.1.1典型蔬菜——菠菜的冻干167
7.1.2典型水果——香梨的冻干170
7.1.3典型谷类——绿豆的冻干176
7.2动物性食材的冻干179
7.2.1典型肉类——牛肉的冻干179
7.2.2典型禽蛋——鸡蛋的冻干182
7.2.3典型水产——海参的冻干186
7.3食用菌类食材的冻干190
7.3.1共晶点温度的测定190
7.3.2切片厚度对双孢菇含水率的影响190
7.3.3预冻温度对双孢菇含水率的影响191
7.3.4预冻时间对双孢菇含水率的影响191
7.3.5冻干时间对双孢菇含水率的影响191
7.3.6双孢菇冻干因素正交实验191
7.3.7双孢菇营养成分分析192
参考文献192

8溶液冻干技术制备无机纳米粉体材料194
8.1溶液冻干法制备纳米粉体的一般过程和前体的确定194
8.2溶液冻干法制备纳米粉体的特点196
8.2.1溶液冻干法制备纳米粉体在方法上的特点196
8.2.2溶液冻干法制备纳米粉体在物料方面的特点198
8.3冻干法制备氧化铝纳米粉体199
8.3.1氧化铝纳米粉体的性能与应用199
8.3.2真空冷冻干燥法制备氧化铝纳米粉体的过程200
8.3.3氧化铝样品的检测及分析201
8.4冻干法制备氢氧化镍和金属镍纳米粉体203
8.4.1氢氧化镍和镍纳米粉体的性能与应用203
8.4.2真空冷冻干燥法制备氢氧化镍的原理204
8.4.3真空冷冻干燥法制备氢氧化镍的过程205
8.4.4氢氧化镍粉体检测及分析206
8.4.5镍纳米粉体的制备208
8.5冻干法制备氢氧化铜和氧化铜纳米粉体209
8.5.1氢氧化铜和氧化铜纳米粉体的性能及应用209
8.5.2真空冷冻干燥法制备氢氧化铜及氧化铜纳米粉体的原理210
8.5.3真空冷冻干燥法制备氢氧化铜和氧化铜纳米粉体的过程210
8.5.4氢氧化铜和氧化铜粉体检测和分析212
8.6冻干法制备银纳米粉体215
8.6.1银纳米粉体的性能及应用215
8.6.2真空冷冻干燥法制备银纳米粉体的原理216
8.6.3真空冷冻干燥法制备银纳米粉体的过程216
8.6.4银纳米粉体的检测及分析218
参考文献221