凍干實(shí)驗室工作過(guò)程中的預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(shí)起泡、濃縮和溶質(zhì)移動(dòng)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、 預凍的方法
溶液的預凍方法有兩種：凍干箱內預凍法和箱外預凍法。
箱內預凍法是直接把產(chǎn)品放置在凍干機內的多層擱板上，由凍干機的冷凍機來(lái)進(jìn)行冷凍，大量的小瓶和安瓶進(jìn)行凍干時(shí)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(pán)內，再裝進(jìn)箱子，為了改善熱傳遞。有些金屬盤(pán)制成可抽活底式，進(jìn)箱時(shí)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(pán)子，要求盤(pán)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熱用的金屬架后再進(jìn)箱進(jìn)行冷凍。
箱外預凍法有二種方法。有些小型凍干機沒(méi)有進(jìn)行預凍產(chǎn)品的裝置，只能利用低溫冰箱或酒精加干冰來(lái)進(jìn)行預凍。另一種是的旋凍器，它可把大瓶的產(chǎn)品邊旋轉邊冷凍成殼狀結構，然后再進(jìn)入凍干箱內。
圖2-2旋轉型冷凍
還有一種特殊的離心式預凍法，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。旋轉的離心力防止產(chǎn)品的氣體逸出，使產(chǎn)品能“平靜地”凍結成一定的形狀。轉速一般為800轉/分左右。
圖2—3 靠離心或旋轉液體形成楔狀或殼狀
2、 預凍的過(guò)程：
水溶液溫度降到一定時(shí)，根據溶液共晶濃度，濃度淡溶液里開(kāi)始結冰，這個(gè)溫度就叫結冰點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)結冰點(diǎn)受濃度的支配與濃度一起下降。溶液溫度低于結冰點(diǎn)時(shí)，溶液中的一部分會(huì )結晶析出，剩下的溶液濃度將會(huì )上升，就這樣結冰點(diǎn)下降，接著(zhù)繼續冷卻，冰結晶隨著(zhù)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(diǎn)時(shí)剩下的溶液就全部?jì)鼋Y，這時(shí)的凍結物里混雜著(zhù)冰晶體，這時(shí)的溫度就是共晶點(diǎn)。
溶液需過(guò)冷到冰點(diǎn)以后，其內產(chǎn)生晶核以后，自由水才會(huì )開(kāi)始以冰的形式結晶，同時(shí)放出結晶熱使其溫度上升到冰點(diǎn)，隨著(zhù)晶體的生長(cháng)，溶液濃度的增加，當濃度達到共晶濃度，溫度下降到共晶點(diǎn)以下時(shí)，溶液就會(huì )全部?jì)鼋Y。
溶液結晶的晶粒數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(cháng)速率有關(guān)。而晶核生成速率和晶體生長(cháng)速率這兩個(gè)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(guò)控制溫度和壓強來(lái)控制溶液結晶的晶粒數量和大小。一般來(lái)說(shuō)，冷卻速度越快，過(guò)冷溫度越低，所形成的晶核數量越多，晶體來(lái)不及生長(cháng)就被凍結，此時(shí)所形成的晶粒數量越多，晶粒越細；反之晶粒數量越少，晶粒越大。
晶體的形狀也與凍結溫度有關(guān)。在0oC附近開(kāi)始凍結時(shí)，冰晶呈六角對稱(chēng)形，在六個(gè)主軸方向向前生長(cháng)，同時(shí)，還會(huì )出現若干副軸，所有冰晶連接起來(lái)，在溶液中形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )結構。隨著(zhù)過(guò)冷度的增加，冰晶將逐漸喪失容量辨認的六角對稱(chēng)形式，加之成核數多，凍結速度快,可能形成一種不規則的樹(shù)枝型，它們有任意數目的軸向柱狀體，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(wú)比例)
生物體液(如血液血漿、肌肉漿液、玻璃體液等)結冰形成的結晶單元，往往與單一成分的水溶液形成的冰晶類(lèi)型相似。結晶類(lèi)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冰時(shí)，在較高零下溫度、慢冷卻速度下形成六方結晶單元，快速冷卻至低溫時(shí)形成不規則樹(shù)枝狀晶體。
細胞懸浮液(如紅血球、白血球、精子、細菌等懸浮于蒸餾水、血漿或其他懸浮介質(zhì)中)，在高零下溫度緩慢結冰時(shí)，懸浮液中大量的冰生長(cháng)，將細胞擠在兩冰柱之間的狹窄管道中，管道內的懸浮介質(zhì)因水析出結冰而溶質(zhì)濃縮，細胞內的水通過(guò)細胞膜滲透出細胞，又造成細胞內溶質(zhì)的濃縮。與此同時(shí)，胞外冰的生長(cháng)，還將迫使細胞物質(zhì)體積縮小、變形。但此時(shí)細胞內不結冰。當在低溫下快速結冰時(shí)，則細胞內將形成胞內冰。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)以及細胞內水的含量有關(guān)，一般說(shuō)來(lái)，冷卻速度越快、溫度越低，細胞內形成的冰越多。懸浮液中添加非滲透性保護劑，可以使快速結冰時(shí)細胞內形成的冰數目減少。
溶液結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冰晶升華時(shí)水蒸氣的逸出通道，大而連續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(shù)枝形和不連續的球狀冰晶通道小或不連續，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(lái)考慮，慢凍為好。
此外，凍結的速率還與凍結設備的種類(lèi)、能力和傳熱介質(zhì)等有關(guān)。
預凍會(huì )對細胞和生命產(chǎn)生一定的破壞作用，其機理是非常復雜的，一般認為，預凍過(guò)程中水結冰所產(chǎn)生的機械效應和溶質(zhì)效應是引起生化藥品在凍干過(guò)程中失活或變性的重要因素。機械效應是指水結冰時(shí)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)效應是指水結冰以后引起溶質(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。對這種現象可采用下列措施解決：①預凍采用速凍法，先將擱板溫度降至-45OC，再放入產(chǎn)品急速冷凍，形成細微冰晶，使其來(lái)不及產(chǎn)生機械效應。②選用緩沖劑時(shí)要選用溶解度相當的緩沖配對鹽。③加入產(chǎn)品保護劑。
