實驗室凍幹機是冷凍幹燥技術研發、小試工藝摸索和新產品篩選的核心工具。它位於凍幹設備金字塔的底層，主要服務於實驗室環境，用於處理微量到小批量(通常幾毫升到幾升) 的物料。
一、核心定位與目的
配方開發與篩選： 快速評估不同配方組分(保護劑、賦形劑等)的凍幹行為，篩選理想配方組合。
基礎工藝摸索： 初步確定預凍條件(速率、溫度)、一次幹燥/升華條件(溫度、真空度)、二次幹燥/解析吸條件(溫度、時間、真空度)。
樣品試製： 為結構分析、生物活性測定、穩定性研究等製備足夠量的凍幹粉樣品。
特性研究： 研究物料的共晶點、塌陷溫度、幹燥速率等關鍵物理化學性質。
小批量生產： 生產用於早期實驗、小規模動物實驗或概念驗證的凍幹產品批次。
高通量測試： 部分設計(如歧管式)支持同時凍幹多個獨立的小樣品。
二、基本原理
實驗室凍幹機是一種將液態或半固態物質轉化為幹燥狀態的設備，其原理是利用低溫和真空環境下的物質相變過程，將水分等揮發性成分從樣品中去除，以達到長期保存、易儲存和易運輸的目的。具體來說，其內部包括一個蒸發器和一個凝結器。在凍幹過程中，通常包括三個關鍵步驟：預凍、升華和解析。
1.預凍
預凍是凍幹過程的第一步，即將待處理的生物樣本在極低的溫度下迅速凍結，形成固態的冰晶。這一步驟的目的是為了減少樣品內部的水分含量，同時避免冰晶對細胞結構的破壞。預凍溫度通常低於共晶點(樣品中所有成分同時結晶的溫度)，以確保所有水分均轉化為固態。預凍過程不僅降低了樣品中的水分含量，還減少了後續升華過程中因液態水引起的細胞膨脹和破裂風險。
2.升華
在真空狀態下，隨著溫度的逐步升高(但仍遠低於水的沸點)，冰晶直接從固態轉變為氣態，這一過程稱為升華。升華過程避免了液態水的存在，從而進一步減少了細胞膨脹和破裂的風險。同時，真空環境減少了空氣對樣本的氧化作用，有利於保持樣本的生物活性和化學穩定性。升華過程的高效進行，使得樣品中的水分得以迅速去除，為後續的幹燥處理奠定了堅實基礎。
3.解析
在升華完成後，樣品中可能還殘留部分結合水或吸附水。這些水分需要通過進一步提高溫度或延長真空時間的方式去除，稱為解析過程。解析的完成標誌著凍幹過程的結束，此時的樣品含水量極低，形態穩定，便於長期保存。解析過程確保了樣品在幹燥後，提高了其儲存的穩定性和安全性。
三、應用領域
1.微生物樣本保存
微生物樣本的保存對於疾病防控、生態研究等領域至關重要。冷凍幹燥技術能夠去除微生物樣本中的自由水，降低其代謝活性，從而延長保存時間。同時，該技術還能夠有效防止微生物樣本在保存過程中的汙染和變異。通過實驗室凍幹機進行微生物樣本的保存，不僅能夠確保樣本的完整性和生物活性，還能夠方便後續的實驗研究和分析工作。
2.細胞培養物保存
細胞培養物是生命科學研究的重要材料之一。在細胞培養過程中，由於細胞對環境的敏感性較高，其保存一直是科學家們關注的焦點。通過去除細胞培養物中的水分，減少了冰晶對細胞結構的破壞，從而保持了細胞的完整性和生物活性。這對於後續的細胞培養、基因測序等實驗研究具有重要意義。此外，凍幹後的細胞培養物便於長期儲存和運輸，為科學研究的國際合作與交流提供了便利。
3.疫苗與生物製品保存
疫苗和生物製品的保存對於預防和控製疾病具有重要意義。冷凍幹燥技術能夠去除這些製品中的水分，降低其儲存溫度要求，從而延長其保質期。同時，該技術還能夠保持製品的生物活性和穩定性，確保其在使用時的安全性和有效性。實驗室凍幹機在疫苗和生物製品保存中的應用，不僅提高了製品的儲存穩定性，還降低了儲存和運輸成本，為公共衛生事業提供了有力支持。
4.其他應用領域
除了微生物、細胞培養物和疫苗等生物樣本的保存外，還在食品科學、水產科學、生物化學和環境科學等領域得到了廣泛應用。在食品工業中，用於製備各種凍幹食品，如凍幹水果、蔬菜、肉類和海鮮等，這些食品在幹燥後能夠保持原有的營養、色澤和口感，同時延長了保質期。在水產養殖和加工領域，被用於製備和保存各種水產製品，如魚粉、蝦粉和海藻粉等，這些製品在幹燥後不僅易於儲存和運輸，還保留了原有的營養成分和生物活性。在生物化學和環境科學領域，實驗室凍幹機被用於製備和保存各種生化樣品和環境樣品，這些樣品在幹燥後可以長期保存，便於後續的分析和研究。
四、與中試凍幹機的關鍵區別
核心使命： 實驗室機主攻 “探索、篩選、初步確定”；中試機主攻 “放大、優化、驗證、轉移”。
規模容量： 實驗室機 << 中試機 << 工業機。
性能： 實驗室機的製冷/加熱功率、真空泵抽速通常遠低於中試機，控溫精度和真空控製精細度也較弱。
控製係統： 實驗室機通常無法精確控製製品溫度(無專用探頭)，工藝參數控製能力相對基礎。
GMP符合性： 實驗室機通常不設計用於GMP生產環境(無CIP/SIP，審計追蹤功能弱或沒有)。
接近生產程度： 實驗室機與實際大型工業化凍幹機差距很大；中試機設計上模仿工業機，為工藝轉移鋪路。
