Memmert真空烘箱之原理特點與應用-實驗室烘箱設備

Memmert真空乾燥烘箱之原理特點與應用

真空乾燥烘箱是利用樣品處於真空條件下進行的加熱乾燥，利用幫浦進行抽氣抽濕，加熱面板進行樣品的加熱，利用低壓的環境能達到水或溶劑更低的沸點，使箱體內形成真空乾燥的狀態，在不須將樣品加熱至高溫的情況下即能使樣品中易揮發之溶劑液體揮發，加快樣品的乾燥速度。真空乾燥經常應用於熱敏性、易分解易氧化物質和複雜成份樣品的乾燥使用，亦能向內部充入惰性氣體，避免樣品的氧化和作用反應，特別是一些成份較複雜的物品也能進行快速的乾燥。
以水作為比照，在一大氣壓下1bar =1000mbar汽化沸點會在100°C，如圖一水的三相圖所示，隨著壓力的下降到近2mbar水的沸點也會隨之下降到近0°C，相對的壓力上升水的汽化溫度也隨之上升。固體的熔點亦會因為壓力的升高而上升，但因大多數的物體固態和液態間密度差距，相較於氣態和液態間的密度差，近乎微乎其微，因此當對其施加壓力沸點的上升會較熔點更為劇烈，利用這項特性便能以真空低壓的環境改變在一般大氣壓下液態物質的沸點，並在不破壞原本樣品物性的結構下，達到樣品乾燥的效果。

圖一：水壓力(mbar)和溫度對照之三相圖[1]

Memmert真空烘箱之特點與適用性用途

基於以上的技術基礎，真空乾燥箱經常被廣泛應用於化工製藥、醫療衛生、食品化妝品和電子產業等等，用於鋰電池樣品的真空烘箱，需要具備有耐強酸強鹼腐蝕、精確的溫控、穩定安全的特性；應用於食品業的需求需要快速的乾燥食材進行包裝，減少食品中的水分含量能大幅的提升產品的保值期限，減少營養價值的流失，利用低壓低溫快速乾燥樣品的特性，能避免了食材在高溫加熱時的變質；於製藥業的應用，需要符合了USP731之真空烘箱應用於測定藥品中水分含量的規定，要求精準並且穩定的控溫，測試藥錠中水分含量需低於7% [2]；於化妝品業，經常用於乳膠乳液的脫泡，利用真空的環境使液體周圍壓力降低，使溶於液體內的氣體因壓力差而逸散出，達到除泡的效果。真空烘箱的應用廣泛具有能夠快速乾燥樣品，並且在低溫的情況下對樣品進行不破壞樣品的快速乾燥處理。
可見其中技術的關鍵即是烘箱加熱控溫的能力、真空乾燥的速率、抽氣的穩定性、和對不同樣品加熱時的適用性。Memmert真空烘箱內外層皆是採用不鏽鋼，配置具化學抗性的抽氣幫浦，能夠抗汙、抗酸鹼、防刮並且堅固耐用，亦可以適用於高腐蝕性的樣品，各種類的樣品都能適用於Memmert的機台。
熱能有三種傳導方式[3]，一是直接接觸的熱傳導，分子間的傳遞震動能使熱能由高溫向低溫部分轉移，二是熱對流，指流體的相對位移冷熱部分間相互摻混引起的熱量傳遞，以及三是透過電磁波發散能量的熱輻射。對於真空烘箱因為在真空的環境下沒有空氣的熱對流，物體間直接接觸的熱傳導尤為重要，因此Memmert於每層的層架皆裝置獨立的Pt100溫控加熱元件如圖二所示[4]，以Pt100溫控直接的對層架上的樣品做加熱和控溫，對於需精準溫度控制熱敏性的樣品，直接的接觸加熱Pt100能夠對樣品達到最快速的乾燥時間和最少熱量的流失，同時對樣品做最即時溫度變化的感測，避免不必要的熱能消耗，每層的加熱層架皆能夠做單獨的校正，讓樣品溫度控制在最小的溫差範圍。

圖二：Pt100裝置於Memmert真空烘箱的層架解構圖[4]

圖三：抽氣循環系統壓力和溫度的對照圖[4]

Memmert的真空抽氣幫浦(選配)搭配ATOM Control的系統做控制，具有業界獨家的抽氣循環技術，能夠設定溫度上升的過程，也能夠控制箱體內的壓力、幫浦抽氣的循環間隔，在處理大體積粉末、顆粒狀樣品時，應用抽氣系統的壓力循環，讓乾燥空氣快速進入箱體內吸收濕氣後再快速地抽出反覆循環。這樣的循環技術和一般的持續抽氣裝置相比，能夠達到節省70%的能耗，並且在抽氣需要時的作動更可以延長氣閥瓣膜的使用年限、減少機台零件的耗損率，乾溼空氣的反覆交換對流更加快了樣品的乾燥速度。如圖三可以看出相對壓力和溫度的變化，在抽氣真空的最後階段也降低幫浦的抽氣壓力至500mbar的區間，減少了不必要的電能消耗，保有了高效的運作效能，又能達到低於同級產品70%的省電效果，並且也延長了儀器的使用壽命，是所謂魚與熊掌可以同時兼得的操作系統，會是您樣品處理的最佳夥伴。

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Memmert真空烘箱之相關參考資料

1. Handbook of Food Engineering- Phase Transitions and Transformations in Food Systems
https://www.routledgehandbooks.com/doi/10.1201/9781420014372.ch3
2. INTERNATIONAL JOURNAL OF PHARMACEUTICAL SCIENCES AND RESEARCH
http://ijpsr.com/bft-article/effect-of-moisture-content-of-exicipient-microcrystalline-cellulose-on-direct-compressible-solid-dosage-forms/?view=fulltext
3. 維基百科 熱傳導 (heat transfer)
https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E4%BC%A0%E7%83%AD
4. Memmert官方網站真空烘箱 (Vacuum oven VO)
https://www.memmert.com/products/heating-drying-ovens/vacuum-oven-1/#!filters=%7B%7D