凍干實驗室工作過程中的預(yù)凍就是將溶液中的自由水固化，賦予干后產(chǎn)品與干燥前相同的形態(tài)，防止抽空干燥時起泡、濃縮和溶質(zhì)移動等不可逆變化發(fā)生，盡量減少由溫度引起的物質(zhì)可溶性減少和生命特性的變化。
1、 預(yù)凍的方法
溶液的預(yù)凍方法有兩種：凍干箱內(nèi)預(yù)凍法和箱外預(yù)凍法。
箱內(nèi)預(yù)凍法是直接把產(chǎn)品放置在凍干機內(nèi)的多層擱板上，由凍干機的冷凍機來進(jìn)行冷凍，大量的小瓶和安瓶進(jìn)行凍干時為了進(jìn)箱和出箱方便，一般把小瓶或安瓶分放在若干金屬盤內(nèi)，再裝進(jìn)箱子，為了改善熱傳遞。有些金屬盤制成可抽活底式，進(jìn)箱時把底抽走，讓小瓶直接與凍干箱的金屬板接觸；對于不可抽底的盤子，要求盤底平整，以獲得產(chǎn)品的均一性。采用旋凍法的大血漿瓶要事先凍好后加上導(dǎo)熱用的金屬架后再進(jìn)箱進(jìn)行冷凍。
箱外預(yù)凍法有二種方法。有些小型凍干機沒有進(jìn)行預(yù)凍產(chǎn)品的裝置，只能利用低溫冰箱或酒精加干冰來進(jìn)行預(yù)凍。另一種是的旋凍器，它可把大瓶的產(chǎn)品邊旋轉(zhuǎn)邊冷凍成殼狀結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)入凍干箱內(nèi)。
圖2-2旋轉(zhuǎn)型冷凍
還有一種特殊的離心式預(yù)凍法，離心式凍干機就采用此法。利用在真空下液體迅速蒸發(fā)，吸收本身的熱量而凍結(jié)。旋轉(zhuǎn)的離心力防止產(chǎn)品的氣體逸出，使產(chǎn)品能“平靜地”凍結(jié)成一定的形狀。轉(zhuǎn)速一般為800轉(zhuǎn)/分左右。
圖2—3 靠離心或旋轉(zhuǎn)液體形成楔狀或殼狀
2、 預(yù)凍的過程：
水溶液溫度降到一定時，根據(jù)溶液共晶濃度，濃度淡溶液里開始結(jié)冰，這個溫度就叫結(jié)冰點。一般來說結(jié)冰點受濃度的支配與濃度一起下降。溶液溫度低于結(jié)冰點時，溶液中的一部分會結(jié)晶析出，剩下的溶液濃度將會上升，就這樣結(jié)冰點下降，接著繼續(xù)冷卻，冰結(jié)晶隨著冷卻而增加，剩下的溶液濃度隨之而增大?？墒菧囟冉档侥骋稽c時剩下的溶液就全部凍結(jié)，這時的凍結(jié)物里混雜著冰晶體，這時的溫度就是共晶點。
溶液需過冷到冰點以后，其內(nèi)產(chǎn)生晶核以后，自由水才會開始以冰的形式結(jié)晶，同時放出結(jié)晶熱使其溫度上升到冰點，隨著晶體的生長，溶液濃度的增加，當(dāng)濃度達(dá)到共晶濃度，溫度下降到共晶點以下時，溶液就會全部凍結(jié)。
溶液結(jié)晶的晶粒數(shù)量和大小除了與溶液本身的性質(zhì)有關(guān)以外，還與晶核生成速率和晶體生長速率有關(guān)。而晶核生成速率和晶體生長速率這兩個因素又是隨溫度和壓強的變化而變化的，因此，我們可以通過控制溫度和壓強來控制溶液結(jié)晶的晶粒數(shù)量和大小。一般來說，冷卻速度越快，過冷溫度越低，所形成的晶核數(shù)量越多，晶體來不及生長就被凍結(jié)，此時所形成的晶粒數(shù)量越多，晶粒越細(xì)；反之晶粒數(shù)量越少，晶粒越大。
晶體的形狀也與凍結(jié)溫度有關(guān)。在0oC附近開始凍結(jié)時，冰晶呈六角對稱形，在六個主軸方向向前生長，同時，還會出現(xiàn)若干副軸，所有冰晶連接起來，在溶液中形成一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨著過冷度的增加，冰晶將逐漸喪失容量辨認(rèn)的六角對稱形式，加之成核數(shù)多，凍結(jié)速度快,可能形成一種不規(guī)則的樹枝型，它們有任意數(shù)目的軸向柱狀體，而不象六方晶型那樣只有六條。
圖2-4冷凍干燥碎片，表示冰升華后空隙(無比例)
生物體液(如血液血漿、肌肉漿液、玻璃體液等)結(jié)冰形成的結(jié)晶單元，往往與單一成分的水溶液形成的冰晶類型相似。結(jié)晶類型主要取決于冷卻速度和體液濃度，例如血漿、肌肉漿液等在正常濃度下結(jié)冰時，在較高零下溫度、慢冷卻速度下形成六方結(jié)晶單元，快速冷卻至低溫時形成不規(guī)則樹枝狀晶體。
細(xì)胞懸浮液(如紅血球、白血球、精子、細(xì)菌等懸浮于蒸餾水、血漿或其他懸浮介質(zhì)中)，在高零下溫度緩慢結(jié)冰時，懸浮液中大量的冰生長，將細(xì)胞擠在兩冰柱之間的狹窄管道中，管道內(nèi)的懸浮介質(zhì)因水析出結(jié)冰而溶質(zhì)濃縮，細(xì)胞內(nèi)的水通過細(xì)胞膜滲透出細(xì)胞，又造成細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)的濃縮。與此同時，胞外冰的生長，還將迫使細(xì)胞物質(zhì)體積縮小、變形。但此時細(xì)胞內(nèi)不結(jié)冰。當(dāng)在低溫下快速結(jié)冰時，則細(xì)胞內(nèi)將形成胞內(nèi)冰。冰的大小、形狀和分布與冷卻速度、保護劑的存在與否、保護劑的性質(zhì)以及細(xì)胞內(nèi)水的含量有關(guān)，一般說來，冷卻速度越快、溫度越低，細(xì)胞內(nèi)形成的冰越多。懸浮液中添加非滲透性保護劑，可以使快速結(jié)冰時細(xì)胞內(nèi)形成的冰數(shù)目減少。
溶液結(jié)晶的形式對凍干速率有直接的影響。冰晶升華后留下的空隙是后續(xù)冰晶升華時水蒸氣的逸出通道，大而連續(xù)的六方晶體升華后形成的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干燥速度快，反之樹枝形和不連續(xù)的球狀冰晶通道小或不連續(xù)，水蒸汽靠擴散或滲透才能逸出，因而干燥速度慢。因此僅從干燥速率來考慮，慢凍為好。
此外，凍結(jié)的速率還與凍結(jié)設(shè)備的種類、能力和傳熱介質(zhì)等有關(guān)。
預(yù)凍會對細(xì)胞和生命產(chǎn)生一定的破壞作用，其機理是非常復(fù)雜的，一般認(rèn)為，預(yù)凍過程中水結(jié)冰所產(chǎn)生的機械效應(yīng)和溶質(zhì)效應(yīng)是引起生化藥品在凍干過程中失活或變性的重要因素。機械效應(yīng)是指水結(jié)冰時體積增大，致使活性物質(zhì)活性部位中一些弱分子力鍵受到破壞，從而使活性損失；溶質(zhì)效應(yīng)是指水結(jié)冰以后引起溶質(zhì)濃度上升以及由于各種溶質(zhì)在各種溫度條件下溶解度變化不一致引起pH值的變化，導(dǎo)致活性物質(zhì)所處的環(huán)境發(fā)生變化而造成失活或變性。對這種現(xiàn)象可采用下列措施解決：①預(yù)凍采用速凍法，先將擱板溫度降至-45OC，再放入產(chǎn)品急速冷凍，形成細(xì)微冰晶，使其來不及產(chǎn)生機械效應(yīng)。②選用緩沖劑時要選用溶解度相當(dāng)?shù)木彌_配對鹽。③加入產(chǎn)品保護劑。
