在生命科學(xué)、材料化學(xué)與食品工程等研究領(lǐng)域，許多具有前瞻性的物質(zhì)因其固有的熱敏性與不穩(wěn)定性，難以在常規(guī)液態(tài)或高溫環(huán)境下長(zhǎng)期保存與研究。實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)，作為真空冷凍干燥技術(shù)最基礎(chǔ)與最靈活的實(shí)現(xiàn)載體，便成為破解這一難題的鑰匙。它并非生產(chǎn)設(shè)備的微縮模型，而是一個(gè)專為探索、篩選與初步驗(yàn)證而設(shè)計(jì)的精密科學(xué)儀器。其核心價(jià)值在于，能夠在最小的物料消耗下，為研究人員提供一種溫和的脫水方法，從而得以窺見(jiàn)并保留物質(zhì)在干燥狀態(tài)下的原始結(jié)構(gòu)與活性，為后續(xù)的開(kāi)發(fā)工作奠定決定性的第一步。
一、 核心功能定位
實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)的根本任務(wù)，在于服務(wù)多樣化的科研探索活動(dòng)，其功能設(shè)計(jì)緊密圍繞這一中心展開(kāi)。
1.處方與配方的快速篩選： 在新藥研發(fā)或高級(jí)功能食品開(kāi)發(fā)中，研究人員需要從數(shù)十甚至上百種保護(hù)劑配方中，篩選出能更為有效保護(hù)目標(biāo)活性成分(如蛋白質(zhì)、益生菌)的理想組合。實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)以其小型化、多通道的特點(diǎn)，允許并行處理大量微小樣本(可低至1毫升)，從而在短時(shí)間內(nèi)、以低成本完成初步篩選，極大提升了研發(fā)效率。
2.工藝可行性的初步探究： 在面對(duì)一種全新的物料時(shí)，其是否適用于凍干技術(shù)是一個(gè)首要問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)，研究人員可以快速確定物料的共晶點(diǎn)、共熔點(diǎn)等關(guān)鍵熱力學(xué)參數(shù)，并初步探索預(yù)凍溫度、干燥時(shí)間等基本條件，判斷凍干工藝路線的可行性。
3.基礎(chǔ)原理的教學(xué)與演示： 在高等教育領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)是直觀展示傳質(zhì)傳熱原理、水的三相圖以及真空3技術(shù)等工程與物理化學(xué)知識(shí)的理想教學(xué)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)前沿技術(shù)裝備的感性認(rèn)知與動(dòng)手能力。
二、 系統(tǒng)構(gòu)成與靈活性的設(shè)計(jì)權(quán)衡
與中試或生產(chǎn)型設(shè)備追求與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的一致不同，實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)的設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)靈活性、易用性與成本效益的平衡。
1.干燥腔體：開(kāi)放與多樣的容器選擇
實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)的腔體通常是一個(gè)鐘罩式或矩形箱體，材質(zhì)多為不銹鋼或強(qiáng)化玻璃。這種設(shè)計(jì)提供了開(kāi)放的視野和便捷的操作空間。物料可放置于燒瓶、西林瓶、培養(yǎng)皿或不銹鋼料盤等多種容器中，直接置于導(dǎo)熱擱板或簡(jiǎn)單支架上，滿足了不同物理狀態(tài)樣品(液體、顆粒狀或固態(tài))的處理需求。
2.冷阱系統(tǒng)：高度集成的一體化設(shè)計(jì)
在大多數(shù)臺(tái)式實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)中，冷阱(冷凝器)與干燥腔體是高度集成的。冷阱作為一個(gè)內(nèi)置的低溫表面，環(huán)繞在樣品周圍或位于其下方。它通過(guò)壓縮機(jī)制冷，能夠迅速達(dá)到-50℃至-80℃的低溫，用于捕獲升華的水蒸氣。這種一體化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，但通常意味著冷阱的化霜需要人工進(jìn)行，且其捕水容量是針對(duì)小規(guī)模樣品設(shè)計(jì)的。
3.真空系統(tǒng)：追求極限與穩(wěn)定的基礎(chǔ)
系統(tǒng)通常由一臺(tái)或兩臺(tái)直聯(lián)旋片真空泵構(gòu)成，其核心指標(biāo)是極限真空度(通常優(yōu)于1 Pa)和抽氣速率。一個(gè)性能穩(wěn)定的真空系統(tǒng)是確保升華過(guò)程順利進(jìn)行的先決條件，它能快速建立并維持所需的真空環(huán)境，避免樣品在干燥過(guò)程中發(fā)生熔化或起泡。
4.控溫與加熱系統(tǒng)：從被動(dòng)到主動(dòng)的進(jìn)階
根據(jù)設(shè)備級(jí)別，控溫方式差異顯著：
普通型： 可能不提供主動(dòng)加熱的擱板，依賴環(huán)境溫度或簡(jiǎn)單的電熱絲對(duì)腔體進(jìn)行溫和加熱，干燥過(guò)程相對(duì)被動(dòng)。
科研級(jí)： 配備可精確控溫的導(dǎo)熱擱板，具備制冷(依賴?yán)溱鍩醾鲗?dǎo))和電加熱功能，能夠執(zhí)行帶有升溫梯度的復(fù)雜干燥程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)程的初步主動(dòng)控制。
三、BIOCOOL實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)系統(tǒng)配置
1.凍干自動(dòng)控制系統(tǒng)：可程序化編程，從凍干到除霜均程序化控制。
2.板層加溫控制系統(tǒng)：熱循環(huán)監(jiān)視保護(hù)，特殊加熱材料，模糊PID控制算法。
3.冷阱除霜系統(tǒng)：熱氟+輔熱除霜方式，安全性能高；除霜速度快，解決了傳統(tǒng)采用浸泡除霜帶來(lái)的不便。
4.壓塞系統(tǒng)：壓塞系統(tǒng)可自動(dòng)上下移動(dòng)，利于西林瓶壓塞，免除手動(dòng)壓塞壓力不足及不方便的諸多問(wèn)題。壓塞部分裝在凍干機(jī)的底部，全部板層升起后，可對(duì)箱底底部進(jìn)行完整清潔。
5.升華結(jié)束判定系統(tǒng)：可在升華階段結(jié)束后，自動(dòng)進(jìn)行升華結(jié)束判定，防止升華未結(jié)束進(jìn)入解析階段帶來(lái)的凍干失敗。
6.凍干終點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)：可在解析干燥階段結(jié)束后自動(dòng)進(jìn)行凍干終點(diǎn)測(cè)試，確保物質(zhì)含水率到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求。
7.真空調(diào)節(jié)系統(tǒng)：升華及解析干燥過(guò)程進(jìn)行真空度調(diào)節(jié)，可自由控制干燥過(guò)程的熱量多少，從而實(shí)現(xiàn)凍干的精細(xì)要求。
8.脈沖回填系統(tǒng)：可慢速、中速、快速三種回填模式選擇，避免了對(duì)于凍干結(jié)束后顆粒狀及絮狀物質(zhì)充氣產(chǎn)生有效物質(zhì)被吹跑流失的問(wèn)題。
9.自動(dòng)排水系統(tǒng)：排水結(jié)束后與真空系統(tǒng)互鎖，避免再次使用忘記關(guān)閉排水閥產(chǎn)生的真空系統(tǒng)故障。
10.手自動(dòng)模式選擇：手動(dòng)模式用于摸索工藝參數(shù)(人為干預(yù)性強(qiáng))，自動(dòng)模式用于工藝成熟階段，一鍵操作，簡(jiǎn)單便捷。
11.數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)：數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)多項(xiàng)選擇。
11.1本機(jī)內(nèi)存存儲(chǔ)，最多可存儲(chǔ)3個(gè)月。
11.2外存存儲(chǔ)(U盤)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量與U盤的容量有關(guān)系。
11.3PC數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量與電腦硬盤可使用容量有關(guān)系。
12.監(jiān)視系統(tǒng)：可手機(jī)、電腦實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)任一界面。溫度，真空度，采集頻率50ms/次。
13.凍干工藝配方存儲(chǔ)功能：可存儲(chǔ)2000組固定或者用戶自定義凍干工藝配方。
14.PC遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)：可遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況，最遠(yuǎn)監(jiān)控距離1.5KM。
15.共晶點(diǎn)測(cè)試功能：可離線、在線測(cè)試制品的共晶點(diǎn)溫度，可人工或自動(dòng)分析圖譜。
16.校準(zhǔn)功能：可進(jìn)行溫度及真空度校準(zhǔn)，確保長(zhǎng)期使用測(cè)量值的精確性。
17.凍干曲線查詢功能：可查詢溫度及真空度曲線，方便工藝優(yōu)化及凍干效果驗(yàn)證。
