真空冷凍干燥技術涉及的理論內(nèi)容非常豐富，但其最基本的原理卻可以簡單地概括為將待干燥的含水物料凍結(jié)后，置入密閉容器并維持系統(tǒng)的高真空，同時向系統(tǒng)供熱，使水分直接從固態(tài)升華為氣態(tài)，實現(xiàn)脫水。
現(xiàn)在我們來看水的相圖。
冷凍干燥基本原理是基于水的三態(tài)變化。水(H2O)有三種相態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，三種相態(tài)既可以相互轉(zhuǎn)換又可以共存。其變化關系可由水(H2O)的三相圖表示:
圖中OA、OB、OC三條曲線分別表示冰-水、水-水蒸氣、冰-水蒸氣兩相共存時水蒸汽與溫度之間的關系，分別稱為融化曲線、汽化山線和升華曲線。O點稱為三相點，所對應的溫度為0.01℃，水蒸氣壓為6.11mbar (4.58mmHg， 611Pa)， 在這樣的溫度和水蒸氣壓下，水、冰、水蒸氣三者可共存且相互平衡。當溫度或壓力變化，就會發(fā)生一相到另一相的突變。冷凍到固態(tài)的水溶液改變溫度或壓力就會發(fā)生由固態(tài)到氣態(tài)的相變升華。在高真空狀態(tài)下，利用升華原理，使預先凍結(jié)的物料中的水份，不經(jīng)過冰的融化，直接以冰態(tài)升華為水燕汽被除去，從而達到冷凍干燥的目的。因此，真空冷凍干燥又被稱為升華干燥。從理論上說，真空冷凍干燥的操作區(qū)域只需在水的三相點以下即可。但實際的操作條件要苛刻得多，通常在0.5- -1 .5mbar的真空度和-25℃左右溫度下，才能保證冷凍干燥的順利進行。
1.1、真空條件
冰在一定溫度下的飽和蒸汽壓大于環(huán)境的水蒸氣分壓時即可開始升華,這是產(chǎn)生升華所必需的條件
氣體分子在兩次連續(xù)碰撞之間所走的距離稱為平均自由程，它與壓力成反比。在常壓下，其值很小，升華的水分子很容易與氣體碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升華速度很慢。隨著壓力降低13.3Pa (0.133mbar)以下，平均自由程增大105倍，使升華速度顯著加快，飛離出來的水分子很少改變自己的方面，從而形成了定向的蒸汽流。所以，環(huán)境的水蒸氣分壓低于冰在一定溫度 下的飽和蒸汽壓，即真空度是維持升華所必需的第一個條件。
1.2溫度條件
比制品溫更低的冷阱(凝結(jié)器)對水水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維持升華所必需的條件。
真空泵在凍干機中起著抽除永久氣體的作用，以維護升華所必需的低壓強。1g 水蒸氣在常壓下為1.25L而在0.133mbar時卻膨脹為10000升，普通的真空泵在單位時間內(nèi)抽除如此大量的體積是不可能的。所以必須要讓這些水蒸氣重新凝結(jié)為冰而不返回產(chǎn)品，這就是專門]捕集水蒸氣的冷阱。制品與凝結(jié)的溫度差通常為-25°C與-50°C。冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分別為0.630mbar和0.040mbar,因而在升華面與冷凝面之間便產(chǎn)生了一個相當大的壓力差，如果此時系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體分壓可以忽略不計，它將促使制品升華出來的水蒸氣，以一定的流速定向地抵達凝結(jié)器表面結(jié)成冰霜。(下圖)因此，比制品溫更低的凝結(jié)器對水水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維護升華所必需的第一個條件。
1.3能量條件.
給產(chǎn)品一定程度的加熱，是加快并最終完成凍干的能量條件。
出于兩個原因，給產(chǎn)品加熱是不可或缺的:.
1、分子束縛力
上面講到的實現(xiàn)產(chǎn)品凍干的條件沒有考察溶液成份的情況，實際上，按前面的凍干條件一般只能得到含水量10%的產(chǎn)品。實踐經(jīng)驗表明，殘余水分干燥的時間與大量升華的時間幾乎相等有時甚至還會超過。
這剩下的殘余水分，與自由狀態(tài)的水在物理化學性質(zhì)上有所不同，殘余水分包括了化學結(jié)合之水與物理結(jié)合之水，諸如化合的結(jié)晶水結(jié)晶、蛋白質(zhì)通過氫鍵結(jié)合的水以及固體表面或毛細管中吸附水等。由于殘余水分受到種引力的束縛，其飽和蒸汽壓則是不同程度的降低，因而干燥速度明顯下降。需要提高制品溫度促進殘余水分的氣化，但隨著制品溫度與板溫逐漸靠攏，熱傳導變得更為緩慢，需要耐心等待相當長的一段時間，
2、升華熱
冰的升華熱約為2822J/克，如果升華過程不供給熱量,那末制品只有降低內(nèi)能來補償升華熱，直至其溫度與凝結(jié)器溫度平衡后，升華也就停止了。為了保持升華與冷凝來的溫度差，必須對制品提供足夠的熱量。
現(xiàn)代凍干技術，就是成功地從理論.上和實踐中滿足了實現(xiàn)凍干的三個條件，才使凍干技術得到長足發(fā)展。
升華的水分被真空泵抽走?
在干燥過程中產(chǎn)生的水蒸氣不是由真空泵抽走，而是由冷阱捕捉。真空泵的作用是，降低不凝結(jié)氣體的分壓使得水蒸氣由產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到冷阱。當然也在凍干開始時，有少數(shù)的水蒸氣被真空泵抽走。因此，真空泵裝有氣體鎮(zhèn)流裝置。
