在生命科學、材料化學與食品工程等研究領域，許多具有前瞻性的物質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)境下長期保存與研究。實驗室凍干機，作為真空冷凍干燥技術最基礎與最靈活的實現(xiàn)載體，便成為破解這一難題的鑰匙。它并非生產(chǎn)設備的微縮模型，而是一個專為探索、篩選與初步驗證而設計的精密科學儀器。其核心價值在于，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，從而得以窺見并保留物質在干燥狀態(tài)下的原始結構與活性，為后續(xù)的開發(fā)工作奠定決定性的第一步。
 

　　一、 核心功能定位
 

　　實驗室凍干機的根本任務，在于服務多樣化的科研探索活動，其功能設計緊密圍繞這一中心展開。
 

　　1.處方與配方的快速篩選： 在新藥研發(fā)或高級功能食品開發(fā)中，研究人員需要從數(shù)十甚至上百種保護劑配方中，篩選出能更為有效保護目標活性成分(如蛋白質、益生菌)的理想組合。實驗室凍干機以其小型化、多通道的特點，允許并行處理大量微小樣本(可低至1毫升)，從而在短時間內(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： 在面對一種全新的物料時，其是否適用于凍干技術是一個首要問題。通過實驗室凍干機，研究人員可以快速確定物料的共晶點、共熔點等關鍵熱力學參數(shù)，并初步探索預凍溫度、干燥時間等基本條件，判斷凍干工藝路線的可行性。
 

　　3.基礎原理的教學與演示： 在高等教育領域，實驗室凍干機是直觀展示傳質傳熱原理、水的三相圖以及真空3技術等工程與物理化學知識的理想教學平臺，培養(yǎng)學生對前沿技術裝備的感性認知與動手能力。
 

　　二、 系統(tǒng)構成與靈活性的設計權衡
 

　　與中試或生產(chǎn)型設備追求與工業(yè)標準的一致不同，實驗室凍干機的設計更強調靈活性、易用性與成本效益的平衡。
 

　　1.干燥腔體：開放與多樣的容器選擇
 

　　實驗室凍干機的腔體通常是一個鐘罩式或矩形箱體，材質多為不銹鋼或強化玻璃。這種設計提供了開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，直接置于導熱擱板或簡單支架上，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計
 

　　在大多數(shù)臺式實驗室凍干機中，冷阱(冷凝器)與干燥腔體是高度集成的。冷阱作為一個內(nèi)置的低溫表面，環(huán)繞在樣品周圍或位于其下方。它通過壓縮機制冷，能夠迅速達到-50℃至-80℃的低溫，用于捕獲升華的水蒸氣。這種一體化設計簡化了設備結構，但通常意味著冷阱的化霜需要人工進行，且其捕水容量是針對小規(guī)模樣品設計的。
 

　　3.真空系統(tǒng)：追求極限與穩(wěn)定的基礎
 

　　系統(tǒng)通常由一臺或兩臺直聯(lián)旋片真空泵構成，其核心指標是極限真空度(通常優(yōu)于1 Pa)和抽氣速率。一個性能穩(wěn)定的真空系統(tǒng)是確保升華過程順利進行的先決條件，它能快速建立并維持所需的真空環(huán)境，避免樣品在干燥過程中發(fā)生熔化或起泡。
 

　　4.控溫與加熱系統(tǒng)：從被動到主動的進階
 

　　根據(jù)設備級別，控溫方式差異顯著：
 

　　普通型： 可能不提供主動加熱的擱板，依賴環(huán)境溫度或簡單的電熱絲對腔體進行溫和加熱，干燥過程相對被動。
 

　　科研級： 配備可精確控溫的導熱擱板，具備制冷(依賴冷阱熱傳導)和電加熱功能，能夠執(zhí)行帶有升溫梯度的復雜干燥程序，實現(xiàn)了對過程的初步主動控制。
 

　　三、BIOCOOL實驗室凍干機系統(tǒng)配置
 

　　1.凍干自動控制系統(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，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)采用浸泡除霜帶來的不便。
 

　　4.壓塞系統(tǒng)：壓塞系統(tǒng)可自動上下移動，利于西林瓶壓塞，免除手動壓塞壓力不足及不方便的諸多問題。壓塞部分裝在凍干機的底部，全部板層升起后，可對箱底底部進行完整清潔。
 

　　5.升華結束判定系統(tǒng)：可在升華階段結束后，自動進行升華結束判定，防止升華未結束進入解析階段帶來的凍干失敗。
 

　　6.凍干終點測試系統(tǒng)：可在解析干燥階段結束后自動進行凍干終點測試，確保物質含水率到達標準要求。
 

　　7.真空調節(jié)系統(tǒng)：升華及解析干燥過程進行真空度調節(jié)，可自由控制干燥過程的熱量多少，從而實現(xiàn)凍干的精細要求。
 

　　8.脈沖回填系統(tǒng)：可慢速、中速、快速三種回填模式選擇，避免了對于凍干結束后顆粒狀及絮狀物質充氣產(chǎn)生有效物質被吹跑流失的問題。
 

　　9.自動排水系統(tǒng)：排水結束后與真空系統(tǒng)互鎖，避免再次使用忘記關閉排水閥產(chǎn)生的真空系統(tǒng)故障。
 

　　10.手自動模式選擇：手動模式用于摸索工藝參數(shù)(人為干預性強)，自動模式用于工藝成熟階段，一鍵操作，簡單便捷。
 

　　11.數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)：數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)多項選擇。
 

　　11.1本機內(nèi)存存儲，最多可存儲3個月。
 

　　11.2外存存儲(U盤)，存儲數(shù)據(jù)量與U盤的容量有關系。
 

　　11.3PC數(shù)據(jù)庫存儲，存儲數(shù)據(jù)量與電腦硬盤可使用容量有關系。
 

　　12.監(jiān)視系統(tǒng)：可手機、電腦實時監(jiān)視系統(tǒng)任一界面。溫度，真空度，采集頻率50ms/次。
 

　　13.凍干工藝配方存儲功能：可存儲2000組固定或者用戶自定義凍干工藝配方。
 

　　14.PC遠程監(jiān)控系統(tǒng)：可遠程監(jiān)控設備運行狀況，最遠監(jiān)控距離1.5KM。
 

　　15.共晶點測試功能：可離線、在線測試制品的共晶點溫度，可人工或自動分析圖譜。
 

　　16.校準功能：可進行溫度及真空度校準，確保長期使用測量值的精確性。
 

　　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)化及凍干效果驗證。
 

　　四、服務的主要科研探索活動
 

　　1. 基礎科學研究領域
 

　　（1）材料科學
 

　　納米材料制備：凍干法可制備多孔納米材料(如氣凝膠、MOF材料)，保持材料的三維多孔結構，避免傳統(tǒng)干燥導致的孔道坍塌
 

　　催化劑載體研究：研究不同干燥條件對催化劑比表面積、孔結構的影響
 

　　生物材料保存：膠原蛋白支架、組織工程材料的凍干保存，研究復水后活性
 

　　（2）化學與化工
 

　　晶體形態(tài)研究：探索不同凍干速率對藥物晶體形態(tài)、晶型的影響(影響溶解性)
 

　　熱敏性物質穩(wěn)定性：研究抗氧化劑、光敏物質在凍干過程中的降解動力學
 

　　共晶點測定實驗：通過差示掃描量熱法(DSC)結合凍干機，確定物料共晶點
 

　　（3）生命科學
 

　　細胞/組織保存：研究凍干保護劑配方對細胞存活率的影響
 

　　酶/蛋白質穩(wěn)定性：探索凍干工藝對酶活性、蛋白質構象的保留效果
 

　　標準品制備：制備高純度標準品(如多肽、核酸)，用于定量分析
 

　　2. 應用技術開發(fā)領域
 

　　（1）藥物制劑研究
 

　　凍干粉針劑開發(fā)：篩選凍干保護劑(甘露醇、蔗糖等)，優(yōu)化凍干曲線
 

　　脂質體/納米粒制備：研究凍干對粒徑分布、包封率的影響
 

　　緩釋制劑探索：開發(fā)凍干微球、微囊等新型劑型
 

　　（2）食品與保健品
 

　　功能成分保留研究：益生菌、多酚、維生素等活性成分的凍干工藝優(yōu)化
 

　　風味物質保留：研究不同預凍速率對揮發(fā)性香氣成分的保留率
 

　　速溶產(chǎn)品開發(fā)：咖啡、果蔬粉的復溶性、色澤保持研究
 

　　（3）化妝品原料
 

　　活性肽穩(wěn)定性：EGF、膠原蛋白等熱敏成分的凍干工藝探索
 

　　植物提取物干燥：對比凍干與傳統(tǒng)干燥對黃酮、多酚含量的影響
 

　　凍干面膜基材：研究膜材凍干后的復水性能、活性釋放曲線
 

　　3. 交叉學科探索
 

　　（1）環(huán)境科學
 

　　土壤/沉積物樣品前處理：凍干法去除水分，避免熱干燥導致?lián)]發(fā)性有機物損失
 

　　生物樣本保存：環(huán)境微生物、植物樣本的長期保存
 

　　（2）考古與文物保護
 

　　文物材料分析：凍干處理文物樣品(如紙張、紡織品)，避免熱損傷
 

　　生物樣本保存：古生物組織、化石樣品的干燥處理
 

　　（3）農(nóng)業(yè)科學
 

　　種子保存研究：探索凍干對種子發(fā)芽率的影響
 

　　植物提取物制備：高價值植物活性成分的低溫提取后干燥
 

　　五、實驗室凍干機的"服務能力"體現(xiàn)
 

　　1. 參數(shù)可調范圍廣
 

　　溫度控制：-60℃至+70℃寬范圍，可模擬惡劣條件(如超低溫預凍、高溫解析)
 

　　真空度調節(jié)：從常壓到1Pa以下，可研究不同真空度對升華速率的影響
 

　　程序段數(shù)：支持多段升溫/降溫程序，可設計復雜凍干曲線
 

　　2. 樣品容器多樣性
 

　　支持西林瓶、培養(yǎng)皿、托盤、離心管等多種容器
 

　　擱板間距可調，適應不同高度容器
 

　　可選配原位壓蓋功能，實現(xiàn)無菌操作
 

　　3. 數(shù)據(jù)采集與分析
 

　　實時記錄擱板溫度、物料溫度、真空度
 

　　可導出數(shù)據(jù)曲線，用于動力學分析
 

　　支持工藝重現(xiàn)性驗證
 

　　4. 快速切換能力
 

　　單次運行時間通常8-24小時(視物料而定)
 

　　清潔相對簡單，可快速更換實驗物料
 

　　適合多課題、多學生共用