冷凍乾燥法的原理

冷凍乾燥法利用將樣品冷凍至冰點以下，使水分凝固成冰的狀態，隨後施加低壓，使冰直接昇華，達到去除水分的效果，從而實現乾燥。

這種方法主要是利用大氣壓力變化影響物質性質的現象。例如，在一大氣壓下（約0.1 MPa），水的沸點為100℃，結冰點為0 ℃。但在低氣壓地區，例如玉山山頂，由於氣壓較低，水在未達到100 ℃時即開始沸騰。進一步降低壓力至610.6 Pa時，水的沸點降至0 ℃。0 ℃不僅是水的凝固點，同時也是固體、液體、氣體三相共存的點 (見圖一)。

(圖一、水標準三相狀態圖。)

冷凍乾燥法的基本原理即是在此壓力下，樣品在常溫常壓下水分均勻分布在樣品內部，當處於低溫環境並受到壓力影響，水分會凍解，此時提供熱量使水分子直接昇華，最後即可取得去除水分具有孔隙之乾燥樣品。這種方法利用低溫凍結水分，然後在凍結狀態下去除水分，以保持樣品在水分昇華前後的物理和化學性質的穩定性 (見圖二)。

(圖二、冷凍乾燥過程。)

而一般樣品中所含水分可以簡單區分成兩類，一類稱作游離水或自由水，與樣品各自獨立存在；另一類則是結合水，受到凡得瓦力 (van der Waals force)或氫鍵等分子間作用力影響，較不容易移除。所以通常在凍乾過程中，會有三個階段，來達成有效移除樣品中水分，分別是”預備凍結、一次乾燥與二次乾燥”。

在預備凍結過程中，冰晶大小對乾燥效果有著重要影響。不同的凍結速度將直接影響乾燥後試驗樣品的大小和多孔性。迅速凍結時，冰晶尺寸較小，使得乾燥後樣品的多孔性更為細緻；反之，凍結速度較慢時，冰晶尺寸較大，造成乾燥後樣品的多孔性較疏鬆。因此，調整凍結速度能夠改變乾燥後試驗樣品的結構狀態（見圖三）。

(圖三、凍結速度不同表現出多孔性大小示意圖。)

 一次乾燥是在真空狀態下，對已凍結的樣品進行昇華乾燥的過程。冷凍凝結的物質透過昇華變成氣態的水蒸氣，而冰在此過程中不會融化。然而，冰要直接昇華成水蒸氣，必須在接近真空的環境中進行。這使得表面能夠快速乾燥，但內部則需要更多時間才能完全乾燥。

二次乾燥的目的是去除樣品內部結合的水分。即使一次乾燥可以去除大部分水分，但分子間結合的水分或深層水份仍會殘留。升高溫度有助於乾燥物質中殘存的水分，但這些殘存的水分受到凡得瓦力、氫鍵等作用力影響，因而降低乾燥速率。為氣化殘存的水分，需要提高溫度，但同時也需要確保不損害其成分。這個步驟對於物質保存的穩定性至關重要，且為達到去除這些結合水，需要以合適的溫度對試料進行最終乾燥。 (見圖四)。

(圖四、樣品乾燥過程示意圖，箭頭越長代表水分越容易昇華。)

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以下為一個完整冷凍乾燥三個程序以及溫度與時間關係圖範例 (見圖五) :

1. 預備凍結程序 : 棚溫度 - 40℃設定、樣本溫度達-35℃後維持20分

-->開始抽真空

-->進行一次乾燥程序

2. 一次乾燥程序 : 棚溫度 -10℃設定、溫度接近後維持14小時

-->進行二次乾燥程序

3. 二次乾燥 : 棚溫度 20℃設定、溫度接近後維持5小時

(圖五、樣品冷凍乾燥過程中預備凍結、一次乾燥與二次乾燥流程溫度、真空與時間關係圖。)

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冷凍乾燥法常見問題與改進

1. 預備凍結不完全 :

問題 : 降溫太快或時間太短

改進 : 慢慢降溫並延長時間，形成大冰晶，降低融化風險。

2. 一次乾燥時樣品部份溶化

問題 : 樣品量放太多

改進 : 將樣品分裝成小量，進行多次乾燥。

3. 水份去除不完全

問題 : 乾燥後仍殘留少量水份

改進 : 進行加熱二次乾燥，以完全去除水份。

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冷凍乾燥法的特點

1. 冷凍狀態下乾燥，減少變性：

冷凍加工有助於保留食物的風味、色澤、香氣和營養價值，最大程度地減少了變性，使食物保存完整原始特性。

2. 保持形狀和高復原性：

冷凍狀態下的乾燥能保持物品體積不變，產生多孔狀的乾燥品。添加水後可以恢復原始形狀，具有優秀的回復能力。

3. 長期保鮮與儲存：

低溫和真空條件下的加工方式避免了氧化和細菌汙染的風險，使樣品能夠長期保持新鮮和品質穩定。

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冷凍乾燥法的操作方法

操作概要包括預備凍結、水蒸氣排放、熱供應以及乾燥樣品取出等階段。預備凍結不僅是冷凍乾燥的必要步驟，同時也是前置處理的一部分，為整個冷凍乾燥操作的一環。其完整操作順序如下:

1. 在適當的容器中放入樣品進行凍結。為提高乾燥效率，需盡可能擴大表面積，讓樣品薄薄地凍結在容器內壁上（見圖六）。

2. 放入凍結乾燥機進行減壓。

3. 樣品表面開始昇華進行乾燥。這時昇華潛熱會產生水份，使容器外側出現結霜現象。

4. 完成乾燥後，恢復到常壓，即可從機器內取出樣品。

(圖六、冷凍乾燥樣品盛裝方式。)

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冷凍乾燥法的應用領域 :

冷凍乾燥技術是一種重要的乾燥方法，廣泛應用於各個領域。該技術以低溫和真空環境為基礎，將物質中的水份直接從固態轉變為氣態，而避免了水份的液態狀態。這種方法能夠保留物質的結構和化學特性，對於需要保存其天然狀態和活性的產品特別有用。在醫藥產業中，冷凍乾燥用於保存藥物和疫苗，確保其長期穩定性和有效性。同時，在食品製造中，它被廣泛用於保存易腐敗的食品，例如水果、蔬菜和乳製品，保持它們的營養成分和風味。此外，冷凍乾燥技術也在科學研究中扮演重要角色，用於保存生物樣本和實驗室試劑。它的應用範圍廣泛，能夠有效保留物質的品質和特性，在多個領域發揮著關鍵作用 (見下表分類)。

應用範圍	特點	樣品種類
醫藥品、試藥	-可避免熱變性  -延長有效期限  -可常溫保存  -再溶解性良好	-抗生物質、荷爾蒙、酵素、蛋白製劑  -維他命劑、疫苗類、漢方萃取劑  -免疫血清學之檢查  -生化學、血液學之檢查
生細胞	-掌握水的化學性反應  -長期保存微生物	-微生物 (細菌、酵母、放射菌、病毒)  -花粉、原生動物、哺乳類細胞 (血球、精子)
食品	-防止腐化、防止化學反應  -可常溫保存、簡便性  -復原性良好  -具色、香、味、營養價值	-肉、魚類、海鮮  -常見飲料 (咖啡、可可)  -蔬菜類、味噌、乳製品、蛋類  -加工品、榖類、菇類、果子  -速食品 (泡麵、調味包)
其他	-可避免熱變性  -再溶解性良好  -防止腐化  -完全注入浸漬液	-陶瓷、高分子樹脂  -BIO 相關  -文化財產的保存

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