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凍干技術(shù)-凍干機(jī)凍干過程主要參數(shù)的控制
更新時(shí)間:2016-07-06 點(diǎn)擊次數(shù):3011

簡(jiǎn)言:博醫(yī)康一直致力于小試、中試、生產(chǎn)型真空冷凍干燥設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)。在長(zhǎng)期服務(wù)客戶的過程中,發(fā)現(xiàn)廣大凍干機(jī)使用客戶對(duì)凍干的機(jī)理不了解,對(duì)制品的凍干工藝應(yīng)該如何摸索及優(yōu)化不知如何進(jìn)行。尤其對(duì)凍干過程中特別重要的幾個(gè)參數(shù)不清楚其科學(xué)原理及如何確定。針對(duì)以上情況,特將凍干過程中涉及的共晶點(diǎn)溫度、共熔點(diǎn)溫度、崩解點(diǎn)溫度及玻璃化轉(zhuǎn)化溫度進(jìn)行詳細(xì)講訴。

凍干機(jī)影響干燥過程的主要因素是升華界面的溫度(或供熱量)和水蒸汽逸出制品的能力。前者主要由擱板的溫度和干燥箱的壓力(真空度)所決定,而后者主要由升華界面的溫度(對(duì)應(yīng)的水蒸汽飽和壓力)和箱內(nèi)的水蒸汽分壓所決定。因此,要使干燥過程具有“再現(xiàn)性”,擱板的溫度、干燥箱的壓力(真空度)和其水蒸汽分壓這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行“過程控制”,才能使批與批間的制品具有相同的凍干條件和同樣的質(zhì)量。

下面從“過程再現(xiàn)”的角度分別介紹目前所采用的擱板溫度,干燥箱內(nèi)壓力(真空度)和水蒸汽分壓的控制。

一、擱板溫度的控制

生物醫(yī)藥冷凍干燥機(jī)均用電加熱,利用控制電加熱的通斷,可以方便地控制加熱量和溫度。一般采用兩種方式。

  • 階梯式升溫

即將升溫階段分成若干區(qū)段,在每區(qū)段開始時(shí)接通加熱器升溫。當(dāng)擱板(介質(zhì))溫度達(dá)到該段值上*,切斷加熱器,保溫到該段時(shí)間結(jié)束,再轉(zhuǎn)入下區(qū)段的升溫。此種方式中每區(qū)段擱板的升溫速率不進(jìn)行控制,但因制品升溫滯后于擱板的升溫,因此制品的升溫速率與預(yù)定的接近。

  •  跟蹤式升溫

根據(jù)制品要求的升溫速率,制定出擱板升溫速率曲線,將實(shí)測(cè)的擱板升溫速率與對(duì)應(yīng)時(shí)刻要求的升溫速率曲線相比較,確定加熱器的通斷時(shí)間比例,并不斷修正這個(gè)比例使實(shí)際升溫曲線跟蹤要求的升溫曲線,這種方式能較準(zhǔn)確的進(jìn)行過程控制。

 

二、箱內(nèi)壓力(真空度)的控制

    過去人們調(diào)控箱內(nèi)壓力的目的,主要在于提高箱內(nèi)壓力,可以提高升華界面允許的zui高溫度和供熱量,從而可加快干燥的速度。引入“過程再現(xiàn)性”的觀點(diǎn)以后,人們還要用能否獲得“相同的凍干條件”來重新審視這些方法的優(yōu)劣。箱內(nèi)壓力調(diào)控的方法主要有:

1、 校下漏孔法

    這是目前多數(shù)生物、醫(yī)藥凍干機(jī)所采用的方法,它是基于提高干燥塔速率而提出來的。其方法是將無菌空氣(或氣體,下同)引入干燥箱和冷阱,在冷阱的冷凝表面上形成一層空氣膜,因而水蒸汽的凝結(jié)阻力增大,冷阱壓力提高,同時(shí)使干燥箱的壓力也相應(yīng)提高。

       

                        圖2-7外部摻氣控制的模式圖

 這種方法提高了干燥箱的全壓,改善了傳熱條件和提高了升華界面的zui高允許溫度,而水蒸汽分壓稍低,有得水蒸汽的逸出,因此可以提高升華速率。

但是:

熱傳導(dǎo)真空計(jì)的標(biāo)度與氣體成份有關(guān),空氣進(jìn)入箱內(nèi)后,其氣體成分不斷變化,特別是解吸干燥階段與升華階段箱內(nèi)氣體成分差別較大,引起較大的測(cè)量誤差。

此種方法是利用降低冷阱的冷凝效率來提高箱內(nèi)壓力的,在開始升華階段有大量的水蒸汽需要捕捉,冷阱效率的降低無疑阻礙了升華速率的進(jìn)一步提高,因此實(shí)際使用中多用于升華后期和解吸干燥初期。  

此外這種方法在冷阱入口若氣流速度大,冷凝面上聚集的空氣膜不斷被沖走,因而水蒸汽容易被捕捉凝結(jié):而在氣流后段空氣比例越來越多,凝結(jié)阻力越來越大,因而結(jié)冰較少。這種凝結(jié)表面結(jié)冰的不均勻,甚至可能造成冷阱入口處的氣道阻塞。

2.  調(diào)節(jié)真空泵能力法

它也是基于提高干燥速率而采用的。其辦法是降低真空泵的抽氣能力或關(guān)閉真空泵,使漏入的和從制品中揮發(fā)出來的不凝性氣體逐步聚集在冷阱中,以降低冷凝效率,從而提高了冷阱的壓力和干燥箱的壓力。這種方法提高了箱內(nèi)全壓,改善了傳熱條件和升華界面的允許溫度,因而對(duì)提高升華速率是有效的,且停真空泵還可以降低運(yùn)行費(fèi)用。但熱功當(dāng)量傳導(dǎo)真空計(jì)會(huì)出現(xiàn)較大測(cè)量誤差,僅控制全壓在一范圍內(nèi),造成全壓和水蒸汽分壓控制的不確定性。此外,冷阱結(jié)冰也不均勻,其進(jìn)口處可能造成阻塞。

3. 節(jié)流調(diào)壓法

對(duì)于分離型冷凝器是可能的方式,限制干燥箱與冷凝器間的真空管道的開度,將干燥發(fā)生的水蒸氣在管道的流路中用閥門、擋板等進(jìn)行節(jié)流,調(diào)節(jié)水蒸氣流路的阻力系數(shù),用升華的水蒸汽在箱內(nèi)的集存量來控制箱內(nèi)壓力表,實(shí)現(xiàn)控制干燥箱真空度。在升華階段箱內(nèi)全壓和水蒸汽分壓基本相等,因此,這種方法既控制了全壓也控制了水蒸汽分壓,加上擱板溫度的控制,可實(shí)現(xiàn)批與批間凍干條件的再現(xiàn),冷阱的結(jié)冰也較均勻。在*階段干燥水蒸氣發(fā)生期可利用這一方法。

這一方法的優(yōu)點(diǎn)是:*,僅由箱體發(fā)生的水蒸氣來控制,沒有重新從外部導(dǎo)入氣體,所以不需要外部氣體的過濾以及氣體無菌性的驗(yàn)證。第二、由于在真空管道中將水蒸氣氣體排除掉,冷凝器健全地工作能夠充分發(fā)揮其作用。第三,由于在真空管道中將水蒸氣氣體節(jié)流來控制真空度,因此,有充分地真空儲(chǔ)蓄。所以即使在zui壞情況負(fù)荷時(shí)停電發(fā)生的情況下,與摻氣控制的情況不同不會(huì)立即發(fā)生干燥箱真空度的變化。在冷凝器室的真空壓力劣化到干燥箱真空壓的一半為止,干燥箱的真空度保持不變。

其主要問題是: 由于箱內(nèi)水蒸汽分壓不能過高,使其全壓也不能進(jìn)一步提高,這對(duì)受傳熱限制階段(如升華前期)增強(qiáng)傳熱不利;在解吸干燥階段,解吸了販水蒸汽量很少,節(jié)流操作困難。加之此時(shí)又希望箱內(nèi)水蒸汽分壓小,以利于水蒸汽的解吸,所以此法只適合升華階段的調(diào)壓。

 

2-8 變節(jié)流真空控制(升華期)

 

4、 冷阱溫度調(diào)壓法

即用調(diào)控冷阱的溫度以控制冷阱的壓力表,從而控制了干燥箱的壓力。這種方法不是直接控制干燥箱的壓力,而是用冷阱的溫度間接控制箱內(nèi)壓力表。在穩(wěn)定的水蒸汽流時(shí),箱內(nèi)壓力與冷阱壓力和冷阱溫度之間均存在某種確定的依從關(guān)系,因而其控制是可行的。例如解吸干燥階段,新產(chǎn)生的水蒸汽量較少,冰層亦沒有顯著變化。但在升華階段,升華的水蒸汽流量在不斷變化,冰層厚度亦在不斷變化,這將引起冷阱溫度與冷阱壓力之間依從關(guān)系的變化,使其對(duì)箱內(nèi)壓力控制帶來不確定性。

此外要實(shí)現(xiàn)冷阱溫度的控制,還需要采用載冷介質(zhì)間接制冷循環(huán),而這對(duì)要求-60oC 左右低溫的冷阱來說,由于增加了一道傳熱溫差損失和增加了循環(huán)泵功的加熱,大大增加了所需制冷機(jī)的容量和運(yùn)行能耗。日本共和真空技術(shù)采用三重?zé)峤粨Q器冷阱,利用冷熱抵消,較好的實(shí)現(xiàn)了冷阱溫度的控制。

 

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