Proces sušenja smrzavanjem je promjena materijala vode i proces njenog prijenosa. Biološki proizvodi koji sadrže veliku količinu vode prvo se smrzavaju u čvrstu supstancu, a zatim čvrsti led direktno sublimira u vodenu paru u vakuumskom stanju, a vodena para kondenzira u mraz u kondenzatoru. Nakon sušenja, mraz se topi i ispušta. U kutiji za sušenje zamrzavanjem dobijen je željeni proizvod osušen smrzavanjem.
Proces sušenja zamrzavanjem ima dva egzotermna procesa i dva procesa apsorpcije: tečni biološki proizvodi emituju toplotu i učvršćuju se u čvrste biološke proizvode, a čvrsti biološki proizvodi apsorbuju toplotu i sublimiraju u vodenu paru pod vakuumom. Vodena para oslobađa toplotu u kondenzatoru i kondenzuje se u mraz, a nakon sušenja smrzavanjem, mraz apsorbuje toplotu i topi se u vodu u kondenzatoru.
Tokom čitavog procesa sušenja zamrzavanjem, odvija se fenomen prijenosa topline i mase. Prenos toplote se dešava tokom procesa sušenja zamrzavanjem. Faza prethodnog zamrzavanja: Prva i druga faza sušenja i faza odmrzavanja obavljaju prijenos topline; prijenos mase se vrši samo u fazi sušenja, a vodena para stvorena u liofiliziranim kutijama kondenzira se u led u kondenzatoru. U stvari, to je i proces prijenosa mase. Tek nakon što dođe do prijenosa mase, proizvod se može sušiti. U fazi sušenja, prijenos topline treba promovirati prijenos mase, a poboljšanje prijenosa topline također može poboljšati prijenos mase.
Ako se tijekom procesa sublimacije proizvoda ne daje toplina, temperatura proizvoda će pasti zbog apsorpcije vlastite topline sublimacijom, a brzina sublimacije će se postepeno smanjivati sve dok temperatura proizvoda ne bude jednaka temperaturi površine kondenzator, a sušenje će prestati. Broj molekula vodene pare na površini kondenzatora jednak je broju molekula vodene pare vraćenih sa površine kondenzatora u smrznuti proizvod, a pritisak vodene pare između kutije za sušenje zamrzavanjem i kondenzatora jednak je nuli, dostižući stanje ravnoteže.
Ako se smrznutom proizvodu doda vanjska toplina, ovo ravnotežno stanje će biti uništeno, temperatura smrznutog proizvoda će biti viša od temperature površine kondenzatora, a razlika tlaka vodene pare će se stvoriti između kutije za sušenje zamrzavanjem. i kondenzator. Struja vodene pare se formira od kutije za sušenje zamrzavanjem do kondenzatora. Budući da je kondenzaciona vodena para na površini kondenzatora mraz, vodena para u kondenzatoru se kontinuirano adsorbuje, a pritisak pare u kondenzatoru se održava niskim; a vodena para koja teče u kutiji za sušenje zamrzavanjem se kontinuirano apsorbuje, a vodena para koja se javlja u proizvodu se obnavlja, održavajući visok pritisak vodene pare u kutiji za sušenje zamrzavanjem. Kontinuirani proces ovog procesa održava proizvod suhim.
Sublimacija počinje od površine proizvoda, a nakon sušenja tokom određenog vremenskog perioda, na vrhu smrznutog proizvoda formira se sloj osušenog proizvoda, stvarajući međuprostor između osušenog i smrznutog proizvoda. Kako sušenje napreduje, interfejs se kontinuirano smanjuje sve dok se sublimacija ne završi i interfejs nestane. Kada se stvori interfejs, molekuli vode moraju proći kroz ovaj sloj osušenog proizvoda da bi ušli u prostor; nakon što molekula vode iscuri iz interfejsa, ulazi u određeni interval osušenog proizvoda. Mnoge od ovih praznina se mogu prijeći u budućnosti prije nego što uđu u prostor iz praznina u proizvodu. Moguće je i vraćanje na smrznuti proizvod uz neke zaokrete, a intervali unutar sušenog proizvoda ponekad su poput lavirinta.
Nakon što molekuli vode iscure sa površine proizvoda, njegova putanja kretanja je i dalje krivudava. Može se sudariti sa zidom staklene boce, može se sudariti sa zidom metalne ploče sušača smrzavanjem i često se sudariti jedni s drugima između molekula vode, a zatim ući u kondenzator. Kada se molekuli vode sudare sa rashladnom površinom kondenzatora jer je temperatura površine veoma niska, površina niske temperature apsorbuje energiju molekula vode, pa molekuli vode gube svoju kinetičku energiju, tako da nemaju energiju za napustite rashladnu površinu kondenzatora. Tako su molekuli vode "zarobljeni". Nakon što su mnogi molekuli vode zarobljeni, na površini kondenzatora se formira sloj mraza, koji smanjuje pritisak vodene pare u sistemu. Neka vodena para iz kutije za sušenje zamrzavanjem neprekidno teče u kondenzator. Produženjem vremena, kontinuiranim zagrijavanjem proizvoda u kutiji za sušenje zamrzavanjem i dugotrajnim radom kondenzatora, proizvod se postepeno suši.
Brzina sušenja je proporcionalna razlici pritiska vodene pare između kutije za sušenje zamrzavanjem i kondenzatora, i obrnuto proporcionalna otporu protoku vodene pare. Što je veća razlika u pritisku vodene pare, manji je otpor protoku i brža je brzina sušenja. Razlika pritiska vodene pare zavisi od temperaturne razlike između efektivne temperature kondenzatora i temperature proizvoda. Stoga je potrebno smanjiti efektivnu temperaturu kondenzatora što je više moguće i maksimizirati temperaturu proizvoda.
***Otpor protoka vodene pare dolazi iz sljedećih aspekata:
Otpor unutar proizvoda, otpor molekula vode kroz sloj proizvoda koji je osušen. Veličina ovog otpora je povezana sa strukturom sloja za sušenje i vrstom, sastavom, koncentracijom, zaštitnim sredstvom itd. proizvoda.
Otpor kontejnera, otpor kontejnera uglavnom dolazi iz otvora boce, jer je dio otvora boce mali, može biti nekih predmeta na otvoru boce. Na primjer: gumeni čepovi sa žljebovima, gaza i sl., što je veći poprečni presjek otvora boce, manji je otpor.
Otpornost same mašine. To je uglavnom otpor cjevovoda između kutije za sušenje zamrzavanjem i kondenzatora. Otpor je mali kada je cevovod debeo, kratak i ravan. Osim toga, otpornost je također povezana sa strukturom i geometrijom kutije za sušenje zamrzavanjem.
Podizanje temperature proizvoda u kutiji za sušenje zamrzavanjem može povećati pritisak vodene pare u kutiji za sušenje zamrzavanjem, ubrzati protok vodene pare u kondenzator, ubrzati prijenos mase i povećati brzinu sušenja. Međutim, postoji ograničenje za povećanje temperature proizvoda, a temperatura proizvoda ne može premašiti eutektičku temperaturu.
Smanjite temperaturu kondenzatora. Takođe smanjuje pritisak vodene pare u kondenzatoru i ubrzava protok vodene pare iz kutije za sušenje zamrzavanjem do kondenzatora. Također može ubrzati prijenos mase i povećati brzinu sušenja. Ali dalje snižavanje temperature kondenzatora povećava investicione i operativne troškove.
Smanjenje otpora protoka vodene pare također može ubrzati prijenos mase i povećati brzinu sušenja. Smanjite debljinu pakovanja proizvoda; razumno dizajnirati bocu i čep kako bi se smanjio otpor otvora boce; razumno dizajnirati sušač smrzavanjem kako bi se smanjio otpor cevovoda mašine; odaberite odgovarajuću koncentraciju i zaštitno sredstvo kako biste strukturu osušenog proizvoda učinili labavom i neurednom, Smanjite otpornost sloja za sušenje; testirati optimalnu metodu prethodnog zamrzavanja, što rezultira strukturom ledenog kristala koja pogoduje sublimaciji, itd. Ove metode mogu promovirati prijenos mase i povećati brzinu sušenja.