กระบวนการทำแห้งเยือกแข็งคือการเปลี่ยนวัสดุของน้ำและกระบวนการถ่ายโอน ผลิตภัณฑ์ชีวภาพที่มีน้ำปริมาณมากจะแข็งตัวเป็นของแข็งก่อน จากนั้นน้ำแข็งที่เป็นของแข็งจะระเหยกลายเป็นไอน้ำโดยตรงในสถานะสุญญากาศ และไอน้ำจะควบแน่นเป็นน้ำแข็งในคอนเดนเซอร์ หลังจากการอบแห้งน้ำค้างแข็งจะละลายและระบายออก ได้ผลิตภัณฑ์แห้งเยือกแข็งที่ต้องการมาในกล่องทำแห้งเยือกแข็ง
กระบวนการทำแห้งแบบเยือกแข็งมีกระบวนการคายความร้อนสองกระบวนการและกระบวนการดูดซับสองกระบวนการ: ผลิตภัณฑ์ชีวภาพเหลวปล่อยความร้อนและแข็งตัวเป็นผลิตภัณฑ์ชีวภาพที่เป็นของแข็ง และผลิตภัณฑ์ชีวภาพที่เป็นของแข็งดูดซับความร้อนและระเหยเป็นไอน้ำภายใต้สุญญากาศ ไอน้ำจะปล่อยความร้อนในคอนเดนเซอร์และควบแน่นเป็นน้ำแข็ง และหลังจากการทำให้แห้งแบบเยือกแข็ง น้ำค้างแข็งจะดูดซับความร้อนและละลายเป็นน้ำในคอนเดนเซอร์
ในระหว่างกระบวนการทำแห้งเยือกแข็งทั้งหมด ปรากฏการณ์ของการถ่ายเทความร้อนและมวลจะเกิดขึ้น การถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นตลอดกระบวนการทำแห้งเยือกแข็ง ขั้นตอนก่อนการแช่แข็ง: ขั้นตอนที่หนึ่งและสองของการทำให้แห้งและขั้นตอนการละลายน้ำแข็งทั้งหมดเป็นการถ่ายเทความร้อน การถ่ายโอนมวลจะดำเนินการเฉพาะในขั้นตอนการทำให้แห้งเท่านั้น และไอน้ำที่เกิดขึ้นในกล่องทำแห้งเยือกแข็งจะควบแน่นเป็นน้ำแข็งในคอนเดนเซอร์ อันที่จริงมันเป็นกระบวนการถ่ายโอนมวลด้วย หลังจากที่เกิดการถ่ายเทมวล ผลิตภัณฑ์สามารถทำให้แห้งได้ ในขั้นตอนการทำให้แห้ง การถ่ายเทความร้อนคือการส่งเสริมการถ่ายเทมวล และการปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนยังสามารถปรับปรุงการถ่ายเทมวลได้อีกด้วย
หากไม่มีการให้ความร้อนระหว่างกระบวนการระเหิดของผลิตภัณฑ์ อุณหภูมิของผลิตภัณฑ์จะลดลงเนื่องจากการดูดซับความร้อนของตัวเองโดยการระเหิด และอัตราการระเหิดจะค่อยๆ ลดลงจนอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์เท่ากับอุณหภูมิพื้นผิวของ คอนเดนเซอร์และการอบแห้งจะหยุดลง จำนวนโมเลกุลของไอน้ำสู่ผิวคอนเดนเซอร์เท่ากับจำนวนโมเลกุลของไอน้ำที่ส่งคืนจากพื้นผิวคอนเดนเซอร์ไปยังผลิตภัณฑ์แช่แข็ง และความดันไอน้ำระหว่างกล่องทำแห้งเยือกแข็งและคอนเดนเซอร์เท่ากับศูนย์ ถึง สภาวะสมดุล
หากเพิ่มความร้อนจากภายนอกลงในผลิตภัณฑ์แช่แข็ง สภาวะสมดุลนี้จะถูกทำลาย อุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ที่แช่แข็งจะสูงกว่าอุณหภูมิของพื้นผิวคอนเดนเซอร์ และความแตกต่างของแรงดันไอน้ำจะถูกสร้างขึ้นระหว่างกล่องทำแห้งเยือกแข็ง และคอนเดนเซอร์ ไอน้ำก่อตัวขึ้นจากกล่องทำแห้งเยือกแข็งไปยังคอนเดนเซอร์ เนื่องจากไอน้ำที่ควบแน่นบนพื้นผิวของคอนเดนเซอร์เป็นน้ำแข็ง ไอน้ำในคอนเดนเซอร์จะถูกดูดซับอย่างต่อเนื่อง และความดันไอในคอนเดนเซอร์จะอยู่ในระดับต่ำ และไอน้ำที่ไหลออกไปในกล่องทำแห้งเยือกแข็งจะถูกดูดซับอย่างต่อเนื่อง ไอน้ำที่เกิดขึ้นในผลิตภัณฑ์จะถูกเติมเข้าไป เพื่อรักษาแรงดันไอน้ำให้สูงในกล่องทำแห้งเยือกแข็ง กระบวนการต่อเนื่องของกระบวนการนี้ทำให้ผลิตภัณฑ์แห้ง
การระเหิดเริ่มต้นจากพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ และหลังจากการทำให้แห้งเป็นระยะเวลาหนึ่ง ชั้นของผลิตภัณฑ์แห้งจะเกิดขึ้นที่ด้านบนของผลิตภัณฑ์แช่แข็ง ทำให้เกิดรอยต่อระหว่างผลิตภัณฑ์แห้งกับผลิตภัณฑ์แช่แข็ง ในขณะที่การอบแห้งดำเนินไป ส่วนต่อประสานจะลดลงอย่างต่อเนื่องจนกว่าการระเหิดจะเสร็จสิ้นและส่วนต่อประสานจะหายไป เมื่อสร้างส่วนต่อประสาน โมเลกุลของน้ำจะต้องผ่านชั้นของผลิตภัณฑ์แห้งนี้เพื่อเข้าสู่อวกาศ หลังจากที่โมเลกุลของน้ำหมดจากส่วนต่อประสาน มันจะเข้าสู่ช่วงระยะเวลาหนึ่งของผลิตภัณฑ์แห้ง ช่องว่างเหล่านี้จำนวนมากอาจถูกสำรวจในอนาคตก่อนจะเข้าสู่ช่องว่างจากช่องว่างในผลิตภัณฑ์ นอกจากนี้ยังสามารถกลับไปใช้ผลิตภัณฑ์แช่แข็งด้วยการบิดเบี้ยว และช่วงเวลาภายในผลิตภัณฑ์แห้งบางครั้งก็เหมือนเขาวงกต
หลังจากที่โมเลกุลของน้ำหมดพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ เส้นทางการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก็ยังคงคดเคี้ยว อาจชนกับผนังขวดแก้ว อาจชนกับผนังแผ่นโลหะของเครื่องทำลมแห้งเยือกแข็ง และมักชนกันระหว่างโมเลกุลของน้ำ แล้วจึงเข้าไปในคอนเดนเซอร์ เมื่อโมเลกุลของน้ำชนกับผิวทำความเย็นของคอนเดนเซอร์เนื่องจากอุณหภูมิของพื้นผิวต่ำมาก พื้นผิวอุณหภูมิต่ำจะดูดซับพลังงานของโมเลกุลของน้ำ โมเลกุลของน้ำจึงสูญเสียพลังงานจลน์ไปจึงไม่มีพลังงานไป ออกจากพื้นผิวทำความเย็นของคอนเดนเซอร์ ดังนั้นโมเลกุลของน้ำจึงถูก "จับ" หลังจากดักจับโมเลกุลของน้ำจำนวนมาก ชั้นของน้ำค้างแข็งก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของคอนเดนเซอร์ ซึ่งจะช่วยลดแรงดันไอน้ำในระบบ ทำให้ไอน้ำของกล่องทำแห้งเยือกแข็งไหลไปยังคอนเดนเซอร์อย่างต่อเนื่อง ด้วยการยืดเวลา การให้ความร้อนอย่างต่อเนื่องของผลิตภัณฑ์ในกล่องทำแห้งแบบเยือกแข็งและการทำงานที่ยาวนานของคอนเดนเซอร์ ผลิตภัณฑ์จะค่อยๆ แห้ง
อัตราการทำให้แห้งเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของแรงดันไอน้ำระหว่างกล่องทำแห้งเยือกแข็งและคอนเดนเซอร์ และเป็นสัดส่วนผกผันกับความต้านทานการไหลของไอน้ำ ยิ่งความแตกต่างของแรงดันไอน้ำมากเท่าใด ความต้านทานการไหลก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น และอัตราการทำให้แห้งเร็วขึ้น ความแตกต่างของแรงดันของไอน้ำขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างอุณหภูมิที่มีประสิทธิภาพของคอนเดนเซอร์และอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องลดอุณหภูมิที่มีประสิทธิภาพของคอนเดนเซอร์ให้มากที่สุดและเพิ่มอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ให้สูงสุด
***ความต้านทานการไหลของไอน้ำมาจากลักษณะดังต่อไปนี้:
ความต้านทานภายในผลิตภัณฑ์ ความต้านทานของโมเลกุลของน้ำผ่านชั้นของผลิตภัณฑ์ที่แห้ง ขนาดของความต้านทานนี้สัมพันธ์กับโครงสร้างของชั้นทำให้แห้งและประเภท องค์ประกอบ ความเข้มข้น สารป้องกัน ฯลฯ ของผลิตภัณฑ์
ความต้านทานของภาชนะ ความต้านทานของภาชนะส่วนใหญ่มาจากปากขวด เนื่องจากส่วนของปากขวดมีขนาดเล็ก อาจมีบางสิ่งที่ปากขวด ตัวอย่างเช่น จุกยางที่มีร่อง ผ้าก๊อซ ฯลฯ ยิ่งหน้าตัดของปากขวดใหญ่ ความต้านทานก็ยิ่งน้อย
ความต้านทานของตัวเครื่องนั่นเอง ส่วนใหญ่เป็นความต้านทานของไปป์ไลน์ระหว่างกล่องทำแห้งเยือกแข็งและคอนเดนเซอร์ ความต้านทานมีน้อยเมื่อไปป์ไลน์มีความหนา สั้น และตรง นอกจากนี้ ความต้านทานยังสัมพันธ์กับโครงสร้างและรูปทรงของกล่องทำแห้งเยือกแข็งอีกด้วย
การเพิ่มอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ในกล่องทำแห้งเยือกแข็งสามารถเพิ่มแรงดันของไอน้ำในกล่องทำแห้งเยือกแข็ง เร่งการไหลของไอน้ำไปยังคอนเดนเซอร์ เร่งการถ่ายโอนมวล และเพิ่มอัตราการทำให้แห้ง อย่างไรก็ตาม มีขีดจำกัดในการเพิ่มอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ และอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ต้องไม่เกินอุณหภูมิยูเทคติก
ลดอุณหภูมิของคอนเดนเซอร์ นอกจากนี้ยังช่วยลดความดันของไอน้ำในคอนเดนเซอร์และเร่งการไหลของไอน้ำจากกล่องทำแห้งเยือกแข็งไปยังคอนเดนเซอร์ นอกจากนี้ยังสามารถเร่งการถ่ายโอนมวลและเพิ่มอัตราการทำให้แห้ง แต่การลดอุณหภูมิคอนเดนเซอร์ลงต่อไปจะเพิ่มการลงทุนและต้นทุนการดำเนินงาน
การลดความต้านทานการไหลของไอน้ำยังช่วยเพิ่มความเร็วในการถ่ายเทมวลและเพิ่มอัตราการทำให้แห้ง ลดความหนาของบรรจุภัณฑ์ของผลิตภัณฑ์ ออกแบบขวดและจุกปิดอย่างสมเหตุสมผลเพื่อลดความต้านทานของปากขวด ออกแบบเครื่องทำแห้งเยือกแข็งอย่างสมเหตุสมผลเพื่อลดความต้านทานท่อของเครื่อง เลือกความเข้มข้นที่เหมาะสมและสารป้องกันเพื่อทำให้โครงสร้างของผลิตภัณฑ์แห้งหลวมและยุ่งเหยิง ลดความต้านทานของชั้นการอบแห้ง ทดสอบวิธีการแช่แข็งล่วงหน้าที่เหมาะสมที่สุด ส่งผลให้เกิดโครงสร้างผลึกน้ำแข็งที่เอื้อต่อการระเหิด ฯลฯ วิธีการเหล่านี้สามารถส่งเสริมการถ่ายโอนมวลและเพิ่มอัตราการทำให้แห้ง