Quá trình đông khô là sự thay đổi vật chất của nước và quá trình chuyển hóa của nó. Các sản phẩm sinh học có chứa một lượng lớn nước đầu tiên đóng băng thành chất rắn, sau đó đá rắn trực tiếp thăng hoa thành hơi nước ở trạng thái chân không, và hơi nước ngưng tụ thành sương trong bình ngưng. Sau khi làm khô, sương giá được làm tan chảy và thải ra ngoài. Sản phẩm đông khô mong muốn thu được trong hộp đông khô.
Quá trình đông khô có hai quá trình tỏa nhiệt và hai quá trình hấp thụ: sinh phẩm lỏng tỏa nhiệt và đông đặc thành sinh phẩm rắn, sinh phẩm rắn hấp thụ nhiệt và thăng hoa thành hơi nước trong điều kiện chân không. Hơi nước giải phóng nhiệt trong bình ngưng và ngưng tụ thành sương giá, và sau khi đông khô, sương giá sẽ hấp thụ nhiệt và tan thành nước trong bình ngưng.
Trong toàn bộ quá trình đông khô xảy ra hiện tượng truyền nhiệt và truyền khối. Quá trình truyền nhiệt xảy ra trong suốt quá trình đông khô. Giai đoạn tiền cấp đông: Giai đoạn sấy khô thứ nhất và thứ hai và giai đoạn rã đông đều thực hiện truyền nhiệt; sự chuyển khối chỉ được thực hiện trong giai đoạn làm khô, và hơi nước sinh ra trong các sản phẩm hộp đông khô ngưng tụ thành nước đá trong bình ngưng. Trên thực tế, đó cũng là quá trình chuyển khối. Chỉ sau khi quá trình chuyển khối xảy ra, sản phẩm mới có thể được làm khô. Trong giai đoạn sấy, truyền nhiệt là để thúc đẩy truyền khối, và cải thiện truyền nhiệt cũng có thể cải thiện truyền khối.
Nếu không cung cấp nhiệt trong quá trình thăng hoa của sản phẩm thì nhiệt độ của sản phẩm sẽ giảm xuống do quá trình thăng hoa hấp thụ nhiệt riêng, tốc độ thăng hoa giảm dần cho đến khi nhiệt độ của sản phẩm bằng nhiệt độ bề mặt của bình ngưng, và quá trình sấy khô sẽ dừng lại. Số phân tử hơi nước đến bề mặt bình ngưng bằng số phân tử hơi nước từ bề mặt bình ngưng trở về sản phẩm đông lạnh và áp suất hơi nước giữa hộp đông khô và bình ngưng bằng không, đạt trạng thái cân bằng.
Nếu thêm nhiệt bên ngoài vào sản phẩm đông lạnh, trạng thái cân bằng này sẽ bị phá hủy, nhiệt độ của sản phẩm đông lạnh sẽ cao hơn nhiệt độ bề mặt bình ngưng và tạo ra chênh lệch áp suất hơi nước giữa hộp đông khô. và bình ngưng. Một dòng hơi nước được hình thành từ hộp đông khô đến bình ngưng. Vì hơi nước ngưng tụ trên bề mặt của bình ngưng là sương giá, nên hơi nước trong bình ngưng liên tục bị hấp phụ và áp suất hơi trong bình ngưng được giữ ở mức thấp; và hơi nước chảy đi trong hộp đông khô được hấp thụ liên tục hơi nước xuất hiện trong sản phẩm được bổ sung, duy trì áp suất hơi nước cao trong hộp đông khô. Quá trình liên tục của quá trình này giữ cho sản phẩm luôn khô ráo.
Sự thăng hoa bắt đầu từ bề mặt của sản phẩm, và sau khi sấy một thời gian, một lớp sản phẩm khô được hình thành trên đầu sản phẩm đông lạnh, tạo ra một mặt phân cách giữa sản phẩm sấy khô và sản phẩm đông lạnh. Khi quá trình sấy diễn ra, bề mặt giảm liên tục cho đến khi hoàn thành quá trình thăng hoa và bề mặt biến mất. Khi mặt phân cách được tạo ra, các phân tử nước phải đi qua lớp sản phẩm khô này để đi vào không gian; sau khi phân tử nước chạy ra khỏi bề mặt phân cách, nó đi vào một khoảng nhất định của sản phẩm đã làm khô. Nhiều khoảng trống trong số này có thể bị vượt qua trong tương lai trước khi đi vào khoảng trống từ các khoảng trống trong sản phẩm. Cũng có thể quay trở lại sản phẩm đông lạnh với một số vòng xoắn, và các khoảng thời gian trong sản phẩm đã sấy khô đôi khi giống như một mê cung.
Sau khi các phân tử nước chạy ra khỏi bề mặt của sản phẩm, đường chuyển động của nó vẫn quanh co. Nó có thể va chạm vào thành chai thủy tinh, có thể va chạm vào thành tấm kim loại của máy sấy đông lạnh, và thường va chạm với nhau giữa các phân tử nước, rồi đi vào bình ngưng. Khi các phân tử nước va chạm vào bề mặt làm mát của bình ngưng vì nhiệt độ của bề mặt rất thấp, bề mặt có nhiệt độ thấp sẽ hấp thụ năng lượng của các phân tử nước nên các phân tử nước bị mất động năng nên không có năng lượng để rời khỏi bề mặt làm mát của bình ngưng. Vì vậy các phân tử nước bị “bắt”. Sau khi nhiều phân tử nước bị giữ lại, một lớp sương giá hình thành trên bề mặt của bình ngưng, làm giảm áp suất hơi nước trong hệ thống. Làm cho hơi nước của hộp đông khô liên tục chảy về dàn ngưng. Với việc kéo dài thời gian, sản phẩm được làm nóng liên tục trong hộp đông khô và sự làm việc của dàn ngưng trong thời gian dài, sản phẩm được làm khô dần dần.
Tốc độ làm khô tỷ lệ thuận với chênh lệch áp suất hơi nước giữa hộp đông khô và bình ngưng, và tỷ lệ nghịch với lực cản dòng hơi nước. Chênh lệch áp suất hơi nước càng lớn thì khả năng cản trở dòng chảy càng ít và tốc độ làm khô càng nhanh. Sự chênh lệch áp suất của hơi nước phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hiệu dụng của bình ngưng và nhiệt độ sản phẩm. Vì vậy, cần phải giảm nhiệt độ hiệu dụng của bình ngưng càng nhiều càng tốt và tối đa hóa nhiệt độ của sản phẩm.
*** Sức cản dòng chảy của hơi nước xuất phát từ các khía cạnh sau:
Điện trở bên trong sản phẩm, lực cản của các phân tử nước qua lớp sản phẩm đã được làm khô. Kích thước của điện trở này liên quan đến cấu trúc của lớp sấy và loại, thành phần, nồng độ, chất bảo vệ, v.v. của sản phẩm.
Lực cản của bình, lực cản của bình chủ yếu đến từ miệng bình, do tiết diện của miệng bình nhỏ, có thể có một số vật dụng ở miệng bình. Ví dụ: nút cao su có rãnh, gạc…, tiết diện của miệng chai càng lớn thì điện trở càng nhỏ.
Điện trở của chính máy. Chủ yếu là lực cản của đường ống dẫn giữa hộp đông khô và bình ngưng. Trở lực nhỏ khi đường ống dày, ngắn và thẳng. Ngoài ra, điện trở còn liên quan đến cấu tạo và hình học của hộp đông khô.
Nâng cao nhiệt độ của sản phẩm trong hộp đông khô có thể làm tăng áp suất của hơi nước trong hộp đông khô, đẩy nhanh dòng hơi nước đến bình ngưng, tăng tốc độ truyền khối và tăng tốc độ sấy. Tuy nhiên, có một giới hạn để tăng nhiệt độ của sản phẩm, và nhiệt độ của sản phẩm không được vượt quá nhiệt độ eutectic.
Hạ nhiệt độ của bình ngưng. Nó cũng làm giảm áp suất của hơi nước trong bình ngưng và tăng tốc độ di chuyển của hơi nước từ hộp đông khô đến bình ngưng. Nó cũng có thể tăng tốc độ chuyển khối và tăng tốc độ sấy. Nhưng việc hạ thấp nhiệt độ bình ngưng sẽ làm tăng chi phí đầu tư và vận hành.
Giảm sức cản dòng chảy của hơi nước cũng có thể tăng tốc độ truyền khối và tăng tốc độ làm khô. Giảm độ dày của bao bì sản phẩm; thiết kế bình và nút đậy hợp lý để giảm sức cản của miệng bình; thiết kế máy sấy đông hợp lý để giảm sức cản đường ống dẫn của máy; chọn nồng độ và chất bảo vệ thích hợp làm cho cấu trúc sản phẩm sấy lỏng lẻo, lộn xộn, Giảm sức cản của lớp sấy; thử nghiệm phương pháp làm đông trước tối ưu, tạo ra cấu trúc tinh thể nước đá có lợi cho sự thăng hoa, v.v ... Các phương pháp này có thể thúc đẩy chuyển khối và tăng tốc độ sấy.