凍結乾燥プロセス全体は、本質的に熱と物質（水蒸気）の同時移動プロセスです。熱と物質の移動速度は乾燥速度に影響を与え、ひいては凍結乾燥サイクル全体に影響を及ぼします。熱と物質の移動に影響を与えるすべての要因は、乾燥速度に影響を与えます。要約すると、凍結乾燥機における熱と物質の移動に影響を与える主な要因は以下のとおりです。
1. 物質の形態と組成：凍結乾燥される物質は、一般的に固体と液体に分類されます。固体の形態と液体の濃度は、凍結乾燥速度に大きな影響を与えます。
2. 予備凍結速度：凍結中に形成される結晶のサイズは、乾燥速度と乾燥製品の溶解速度に大きく影響します。凍結乾燥機における急速凍結と緩慢凍結のプロセスは、以下の点で異なります。急速凍結ではより小さな氷結晶が生成され、緩慢凍結ではより大きな氷結晶が生成されます。大きな氷結晶は昇華を促進しますが、小さな氷結晶は昇華を阻害します。急速凍結では昇華速度が低く、脱着速度が速くなります。一方、緩慢凍結では昇華速度が速く、脱着速度が遅くなります。
3. 充填量：凍結乾燥において、容器に投入された材料は、表面積と厚さの比率が一定です。したがって、凍結乾燥は充填量と密接に関係しています。表面積と厚さが小さいほど水の昇華が促進され、凍結乾燥が容易になり、理想的な品質が得られます。乾燥中、トレイの単位面積あたりの湿重量は、乾燥時間を決定する重要な要素です。一般的に、材料の堆積が薄いほど、熱と物質の移動が速くなり、乾燥時間が短くなります。しかし、材料の堆積層が薄いと、単位凍結乾燥面積あたりの乾燥材料量が少なくなり、単位凍結乾燥面積および単位時間あたりの収量増加に悪影響を及ぼします。
4. 乾燥室圧力：乾燥室内の圧力は、熱伝達と物質移動の速度に影響を与えます。物質移動に関しては圧力が低い方が有利ですが、熱伝達に関しては圧力が高い方が有利です。凍結乾燥機の物質移動速度は、主に昇華界面と乾燥層表面の温度と圧力によって決まります。乾燥層からの水蒸気の蒸発速度を上げるには、昇華界面の温度を上げて界面水蒸気圧を高める方法と、乾燥室内の真空度を上げて乾燥層表面の水蒸気圧を下げる方法があります。
5. 熱伝達方式：凍結乾燥機は、従来、伝導、対流、熱放射、および媒体加熱（マイクロ波加熱）に分類されます。凍結乾燥機における昇華乾燥プロセスは、熱と物質（水蒸気）の移動を伴うため、材料に効率的に熱を伝えるために使用される熱伝達方法は、凍結乾燥機の乾燥速度に大きな影響を与える。
