冻干机的结构与配置

第三章冻干机的结构与配置

第一节冻干机在冻干药品生产过程中的关系

冻干机在冻干药品生产过程中的关系如下：

主要物料灭菌。

将药品主药和辅料溶解在适当的溶剂中（注射用水）。

用不同孔径的滤器对药液分级过滤，最后用0.22μm的过滤器除菌过滤。

将已除去的药液灌注到容器中，并在容器端口半上胶塞。

在无菌环境中把半上胶塞的药液或开口托盘（冻干原粉）移至冻干机的干燥箱内搁板上，有的工艺的这一步也可能采用另一腔室先进行预冻结。通过冻干机的运行，对搁板冻结、抽真空和对搁板加热供能，使药品在固态下，通过升华除去大部分的水分。然后加热蒸发解吸附去除残余水分。

通过安装在干燥腔室内的液压或螺杆式升降装置全压塞（小瓶冻干）。

对托盘中块状粉进行粉碎、过筛、装桶、加内塞（托盘冻干）。

由此可见，冻干机是冻干生产过程中的主要工艺装备，制品中的水分由它来去除。制品在冻干腔室内的无菌状态下完成干燥、解吸附除去水分和全压塞等操作。

第二节冻干设备的系统组成

产品的冷冻干燥需要在一定装置中进行，这个装置叫做真空冷冻干燥机，简称冻干机。冻干机主要由制冷系统、真空系统、循环系统、液压系统、控制系统、CIP/SIP系统及箱体等组成。

一、制冷系统

制冷系统在冻干设备中最为重要，被称为“冻干机的心脏”。制冷系统由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和热力膨胀阀所构成，主要是为干燥箱内制品前期预冻供给冷量；以及为后期冷阱盘管捕集升华水汽供给冷量。

冷冻干燥过程中常常要求温度达到-50℃以下，因此在中、大型冷冻干燥机中常采用

两级压缩进行制冷。主机选用活塞式单机双级图3-1制冷系统

压缩机，每套压缩机都有独立的制冷循环系统，通过板式交换器或冷凝盘管，分别服务于板层和冷凝器。根据控制系统的运行逻辑，压缩机可以独立制冷板层或制冷冷凝器。

制冷机组应有足够大的制冷量储备，能应付绝大多数制冷异常的情况，即使满负荷工作时，也不至于达到系统极限。

在制冷系统中，除装有显示的高、中、低压、油压力表外，还装有各种压力控制器。当压力出现时，相应压力继电器及时动作，保护压缩机；当控制电源接通后，低压压力超过低压压力控制器的设定值时，压缩机自动收液。电磁阀是用作在压缩机停车时切断高压液体之用，以免压缩机停车后大量液体进入蒸发器，当压缩机再次启动时避免液击，起到压缩机的保护作用。

冷凝器冷却靠制冷剂直接膨胀获得，每组冷凝器盘管配备一台独立的压缩机制冷系统，一个测温探头分别对一组盘管进行测试。

图3-2 制冷系统原理图

1.制冷剂、载冷剂

制冷系统中的工作介质称为制冷剂，它是一种特殊液体，其沸点低，在低温下极易蒸发，当它在蒸发时吸收了周围的热量，使周围物体的温度降低；然后这种液体的蒸汽经压缩成为高温、高压汽体，在冷凝器中冷却变成液体，再将该液体降压节流到蒸发器中吸热，如此循环不断，便能使蒸发部位的温度不断降低，这样制冷剂就把热量从一个物体移到另一个物体上，实现了制冷的过程。制冷剂的性质直接关系到制冷装置的制冷效果、经济性、安全性及运行管理，因而对制冷剂性质要求的了解是不容忽视的。为了制冷系统的正常运行和提高效率，对制冷剂有如下的要求：

（1）有高的临界温度和低的冷凝压力；

（2）液体的汽化潜热和导热系数要大，蒸汽的比容要小

（3）沸点和凝固点要低

（4）密度和粘度、绝热指数要小。

（5）化学稳定性强，不与润滑剂起化学反应，对机械无腐蚀作用。

（6）对人体无害，不易燃易爆

（7）价格便宜

通常用的制冷剂有：氨（R717）、氟利昂12（R12）、氟利昂13（R13）、氟利昂22（R22）、共沸混合制冷剂R500、共沸制冷剂R502、共沸制冷剂R503等。

载冷剂在冻干机中是一种中间介质，亦称第二制冷剂，主要用于箱体内搁板的冷却和加热，它将所吸收的热量传给制冷剂或吸收加热热源的热量传给搁板，提供产品冻结时所需的冷量及产品干燥的升华热。使用载冷剂的目的是使搁板温度均匀。

对载冷剂有如下要求：

1.）在要求的工作温度范围内应是液态，凝固点要低，而沸点又要高；

2.）比热要大，导热系数要高，使在一定制冷量时流量少，功率消耗低；

3.）粘度小，密度小，可以减少在管道中的流动阻力和泵功率的消耗；

4.）化学稳定性好，在所要求的工作范围内不分解，不氧化；

5.）不腐蚀管道与设备；

6.）载冷剂应不燃烧，不爆炸，对人体无害；

7.）价格低廉，便于获得。

常用的载冷剂有：低粘度硅油、三氯乙烯、三元混合溶液（4.2.4）、8号仪表油、丁基二乙二醇等。

2.制冷系统的保护

制冷系统在真空冷冻干燥中是必不可少的组成部件，冻干设备要求制冷系统长期稳定地工作。但是冻干机的制冷系统的运行条件却十分恶劣。它既要在“满负荷”下运行，又要在几乎没有负荷（解析干燥期）的“零负荷”下运行，且需要十几个小时以上连续运行。“零负荷”下运行时，制冷剂蒸发量小，压缩机吸气压力低，比容大，加之压比大，输气系数小，使制冷剂循环量很小。给系统运行带来诸多不利。因此，冻干机的制冷系统应有“零负荷”运行的保护。目前，国内、外厂商解决这一问题的办法有如下几种：

1）将压缩机的高温排气旁通一部份到水汽凝结器凝结盘管的进口，以增加蒸发器的热负荷和循环量；

2）将压缩机的高温排气旁通一部份到凝结盘管的出口，以增加流过压缩机的流量；

3）共和真空采用“三重热交换器”作凝结盘管。在“零负荷”运行期，自动将加热搁板的载冷剂旁通一部份到“三重热交换器”的载冷剂中，以增加其热负荷。这种方式运行最平稳。

二、箱体

1、干燥箱

干燥箱是冻干机中的重要部件之一，它的性能好坏直接影响到整个冻干机的性能。冻干箱是一个矩形或圆桶型的，既能够制冷到-40℃左右，又可以加热到+50℃左右的真空密闭的高、低温箱箱体。冻干箱用不锈钢制成，箱内表面粗糙度Ra≤0.6µm,箱体内角均为满足GMP条件的大圆角（R ≥50mm）。箱体底面略向后方倾斜，排水口设计在最低点，以利于排水。制品的冷冻干燥是在干燥箱中进行，在其内部主要有搁置制品的搁板。搁板采用不锈钢制成，内有媒体导管分布其中，可对制品进行冷却或加热。板层组件通过支架安装在冻干箱内，由液压活塞杆带动可上下运动，便于进出料和清洗。最上层的一块板层为温度补偿加强板，它保证箱内所有制品的热环境相同。

图3-3：箱体内部结构图图3-4：箱体外貌全图