冻干工艺原理

冻干工艺原理－－第四节冻干过程中主要参数的控制

第四节 冻干过程中主要参数的控制

冻干机影响干燥过程的主要因素是升华界面的温度（或供热量）和水蒸汽逸出制品的能力。前者主要由搁板的温度和干燥箱的压力（真空度）所决定，而后者主要由升华界面的温度（对应的水蒸汽饱和压力）和箱内的水蒸汽分压所决定。因此，要使干燥过程具有“再现性”，搁板的温度、干燥箱的压力（真空度）和其水蒸汽分压这三个参数进

行“过程控制”，才能使批与批间的制品具有相同的冻干条件和同样的质量。

下面从“过程再现”的角度分别介绍目前所采用的搁板温度，干燥箱内压力（真空度）和水蒸汽分压的控制。

一、搁板温度的控制

生物医药冷冻干燥机均用电加热，利用控制电加热的通断，可以方便地控制加热量和温度。一般采用两种方式。

1、阶梯式升温

即将升温阶段分成若干区段，在每区段开始时接通加热器升温。当搁板（介质）温度达到该段值上限时，切断加热器，保温到该段时间结束，再转入下区段的升温。此种方式中每区段搁板的升温速率不进行控制，但因制品升温滞后于搁板的升温，因此制品的升温速率与预定的接近。

2、跟踪式升温

根据制品要求的升温速率，制定出搁板升温速率曲线，将实测的搁板升温速率与对应时刻要求的升温速率曲线相比较，确定加热器的通断时间比例，并不断修正这个比例使实际升温曲线跟踪要求的升温曲线，这种方式能较准确的进行过程控制。

二、箱内压力（真空度）的控制

过去人们调控箱内压力的目的，主要在于提高箱内压力，可以提高升华界面允许的最高温度和供热量，从而可加快干燥的速度。引入“过程再现性”的观点以后，人们还要用能否获得“相同的冻干条件”来重新审视这些方法的优劣。箱内压力调控的方法主要有：

1、校下漏孔法

这是目前多数生物、医药冻干机所采用的方法，它是基于提高干燥塔速率而提出来的。其方法是将无菌空气（或气体，下同）引入干燥箱和冷阱，在冷阱的冷凝表面上形成一层空气膜，因而水蒸汽的凝结阻力增大，冷阱压力提高，同时使干燥箱的压力也相应提高。

这种方法提高了干燥箱的全压，改善了传热条件和提高了升华界面

的最高允许温度，而水蒸汽分压稍低，有得水蒸汽的逸出，因此可以提高升华速率。

但是：①热传导真空计的标度与气体成份有关，空气进入箱内后，其气体成分不断变化，特别是解吸干燥阶段与升华阶段箱内气体成分差别较大，引起较大的测量误差。②此种方法是利用降低冷阱的冷凝效率来提高箱内压力的，在开始升华阶段有大量的水蒸汽需要捕捉，冷阱效率的降低无疑阻碍了升华速率的进一步提高，因此实际使用中多用于升华后期和解吸干燥初期。③此外这种方法在冷阱入口若气流速度大，冷凝面上聚集的空气膜不断被冲走，因而水蒸汽容易被捕捉凝结：而在气流后段空气比例越来越多，凝结阻力越来越大，因而结冰较少。这种凝结表面结冰的不均匀，甚至可能造成冷阱入口处的气道阻塞。

2. 调节真空泵能力法

它也是基于提高干燥速率而采用的。其办法是降低真空泵的抽气能力或关闭真空泵，使漏入的和从制品中挥发出来的不凝性气体逐步聚集在冷阱中，以降低冷凝效率，从而提高了冷阱的压力和干燥箱的压力。这种方法提高了箱内全压，改善了传热条件和升华界面的允许温度，因而对提高升华速率是有效的，且停真空泵还可以降低运行费用。但热功当量传导真空计会出现较大测量误差，仅控制全压在一范围内，造成全压和水蒸汽分压控制的不确定性。此外，冷阱结冰也不均匀，其进口处可能造成阻塞。

3． 节流调压法

对于分离型冷凝器是可能的方式，限制干燥箱与冷凝器间的真空管道的开度，将干燥发生的水蒸气在管道的流路中用阀门、挡板等进行节流，调节水蒸气流路的阻力系数，用升华的水蒸汽在箱内的集存量来控制箱内压力表，实现控制干燥箱真空度。在升华阶段箱内全压和水蒸汽分压基本相等，因此，这种方法既控制了全压也控制了水蒸汽分压，加上搁板温度的控制，可实现批与批间冻干条件的再现，冷阱的结冰也较均匀。在第一阶段干燥水蒸气发生期可利用这一方法。

这一方法的优点是：第一，仅由箱体发生的水蒸气来控制，没有重新从外部导入气体，所以不需要外部气体的过滤以及气体无菌性的验证。第二、由于在真空管道中将水蒸气气体排除掉，冷凝器健全地工作能够充分发挥其作用。第三，由于在真空管道中将水蒸气气体节流来控制真空度，因此，有充分地真空储蓄。所以即使在最坏情况负荷时停电发生的情况下，与掺气控制的情况不同不会立即发生干燥箱真空度的变化。在冷凝器室的真空压力劣化到干燥箱真空压的一半为止，干燥箱的真空度保持不变。

其主要问题是：① 由于箱内水蒸汽分压不能过高，使其全压也不能进一步提高，这对受传热限制阶段（如升华前期）增强传热不利；②在解吸干燥阶段，解吸了贩水蒸汽量很少，节流操作困难。加之此时又希望箱内水蒸汽分压小，以利于水蒸汽的解吸，所以此法只适合升华阶段的调压。

2-8 变节流真空控制（升华期）

4、 冷阱温度调压法

即用调控冷阱的温度以控制冷阱的压力表，从而控制了干燥箱的压力。这种方法不是直接控制干燥箱的压力，而是用冷阱的温度间接控制箱内压力表。在稳定的水蒸汽流时，箱内压力与冷阱压力和冷阱温度之间均存在某种确定的依从关系，因而其控制是可行的。例如解吸干燥阶段，新产生的水蒸汽量较少，冰层亦没有显著变化。但在升华阶段，升华的水蒸汽流量在不断变化，冰层厚度亦在不断变化，这将引起冷阱温度与冷阱压力之间依从关系的变化，使其对箱内压力控制带来不确定性。

此外要实现冷阱温度的控制，还需要采用载冷介质间接制冷循环，而这对要求-60oC 左右低温的冷阱来说，由于增加了一道传热温差损失和增加了循环泵功的加热，大大增加了所需制冷机的容量和运行能耗。日本共和真空技术采用三重热交换器冷阱，利用冷热抵消，较好的实现了冷阱温度的控制。