露點(diǎn)法判斷凍干過程的一次升華結(jié)束點(diǎn)

1、本文根據(jù)凍干過程干燥室內(nèi)的露點(diǎn)值和物料的水分含量有關(guān)提出一種新的方y(tǒng)露點(diǎn)法來監(jiān)控凍干過程物料的水分遷移情況。以濃度為2%（W/V）的甘露醇（凍干保護(hù)劑）為研究對(duì)象，分別取80個(gè)，160個(gè)，20個(gè)小瓶，通過不同的過充小瓶數(shù)（1個(gè)，2個(gè)），不同的溶液高度（溶液高度6.5mm,0.32mm）來檢驗(yàn)露點(diǎn)法在監(jiān)測整批樣品凍干過程的靈敏性。與稱重法對(duì)照，稱重法即在凍干過程不同的時(shí)刻取出樣品測量整批樣品質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明露點(diǎn)法即使當(dāng)過充小瓶率為0.625%，或者溶液高度為0.32mm時(shí)仍有足夠的靈敏度，露點(diǎn)法得到的一次升華結(jié)束點(diǎn)與稱重法結(jié)果一致。這說明非接觸法露點(diǎn)法是一種可靠，便利的監(jiān)測一次升華結(jié)束點(diǎn)的方法

2、，將其應(yīng)用于控制成批凍干樣品大有可為。冷凍干燥是近年來新興的一項(xiàng)用于食品、藥品、生物制品長期保存的方法。冷凍干燥后的制品具有色澤、形狀、香味不改變，可長期保存，復(fù)水后可恢復(fù)原狀的特點(diǎn)。但是冷凍干燥一直也存在著凍干時(shí)間長，能耗高，整批樣品升華速率不均勻、設(shè)備無法判斷一次升華干燥結(jié)束和二次解析干燥結(jié)束等“硬傷”。一次升華干燥結(jié)束點(diǎn)是指結(jié)束一次升華干燥轉(zhuǎn)入解析干燥階段的那個(gè)時(shí)刻。這是凍干控制的關(guān)鍵點(diǎn)，因?yàn)樽詈蟮臍堄啾松A以后，傳遞給物料的熱量全部用于使物料的內(nèi)能增加，溫度上升，這樣持續(xù)的時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致物料塌陷，褐變，失去香味或者失去活性;反之如果一次升華干燥時(shí)間太短的話，冰晶來不及升華，進(jìn)入解析干

3、燥階段溫度上升，物料的溫度超過其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或者共晶溫度，產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生供熱過剩而融化報(bào)廢。因此冷凍干燥迫切需要一種方法來判斷一次升華干燥結(jié)束點(diǎn)。目前，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中判斷一次升華干燥結(jié)束點(diǎn)最廣泛的方法是產(chǎn)品溫度響應(yīng)法。它是一種間接測量方法。將熱電偶或熱電阻插入樣品中，在升華過程溫度恒定，當(dāng)熱電偶（或熱電阻）所接觸的冰晶升華后，溫度就會(huì)迅速上升，但這反映的是局部的溫度變化，在這之后要再延長六小時(shí)，使整個(gè)物料中的冰晶都升華成水蒸氣逸出。但這個(gè)方法存在下述幾點(diǎn)問題：首先由于傳感器插入樣品，當(dāng)電流流過傳感器在加熱自身的同時(shí)也在加熱周圍的環(huán)境，影響了探頭周圍產(chǎn)品的結(jié)晶；其次探頭插入樣品使探頭周圍的溶液異

4、相成核，結(jié)晶在有無傳感器時(shí)不同；第三傳感器周圍過冷度變小，帶有傳感器的小瓶總是首先冷凍，但冷凍過程進(jìn)行的較慢，慢凍造成產(chǎn)品形成冰晶尺寸較大，水蒸汽通過干燥層阻力較小，在升華過程，升華速率較快，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較粗糙，外觀不均勻；第四通常溫度響應(yīng)法無法檢測出一次升華過程的小瓶的干燥不均的問題；第五由于此法當(dāng)制品溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)需要再維持46h增加了凍干時(shí)間；第六在藥品的生產(chǎn)過程要求干燥室內(nèi)無菌，而溫度探頭等破壞了干燥室內(nèi)的環(huán)境，很難達(dá)到無菌的要求。所以采用溫度響應(yīng)法判斷一次升華干燥結(jié)束并不合適。早在1969年Bouldoires提出測量凍干機(jī)中的水蒸氣分壓可能是控制凍干過程最合適的方法；1989年Ro

5、y和Piakal在半工業(yè)化情況下用濕度傳感器檢測了在凍干機(jī)內(nèi)各向異性情況下判斷一次升華干燥結(jié)束點(diǎn)的靈敏水平。1993年Bardat等人比較了多種測試方法（包括濕度傳感器），得出產(chǎn)品的最終殘余水份與干燥室中的相對(duì)濕度有關(guān)。他們建議控制凍干循環(huán)使用這種方法。1996年N.Genin,F.Rene等人，提出了用傳質(zhì)定律來解釋水蒸汽的擴(kuò)散，可分為等摩爾逆向擴(kuò)散和單向擴(kuò)散，并分別用這兩個(gè)模型建立了凍干過程的失水量和水蒸汽分壓的函數(shù)方程,并與稱重結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)二者數(shù)據(jù)接近，并將這兩個(gè)模型聯(lián)立得出一次升華結(jié)束點(diǎn)的判斷方法，認(rèn)為該方法在過程控制中不需要再測量其他參數(shù)，而只是用到過程中的水蒸氣壓。所以受此啟發(fā)本

6、文采用和水蒸汽分壓等價(jià)的露點(diǎn)來監(jiān)測凍干過程和判斷一次升華干燥結(jié)束點(diǎn)。1、露點(diǎn)法的原理露點(diǎn)指的是當(dāng)濕空氣內(nèi)水蒸氣的含量保持不變，即水蒸氣分壓力Pv不變而環(huán)境溫度逐漸降低，狀態(tài)點(diǎn)沿定壓冷卻線達(dá)到飽和狀態(tài)，繼續(xù)冷卻就會(huì)結(jié)露，對(duì)應(yīng)于Pv的飽和溫度為露點(diǎn)。即td=f（Pv）。水蒸氣分壓與露點(diǎn)呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。冷凍干燥過程中干燥室內(nèi)露點(diǎn)的變化就是水蒸氣分壓（水蒸氣含量）的變化。而干燥室內(nèi)的水蒸氣含量的增量除了空氣的泄漏外主要是由于樣品中的水蒸氣不斷從干燥層逸出進(jìn)入干燥室。露點(diǎn)曲線反映了凍干過程中干燥室內(nèi)水蒸氣含量的變化趨勢。2、甘露醇凍干試驗(yàn)21、實(shí)驗(yàn)裝置本試驗(yàn)所用的凍干機(jī)是上海東富龍科技有限公司生產(chǎn)的L

7、yo-0.2型凍干機(jī)。雙級(jí)壓縮制冷，箱體為雙層擱板,擱板有效面積0.2m2,真空泵最低可抽到2Pa,立式冷阱，冷阱溫度可達(dá)-60C，有自動(dòng)壓蓋裝置，冷阱最大捕水量4kg,板式換熱器換熱，導(dǎo)熱油采用三元混合液。本試驗(yàn)在原有裝置上添加了露點(diǎn)測試功能。露點(diǎn)測試儀探頭通過快速連接件固定,插入凍干室內(nèi)部。露點(diǎn)儀DMT348是芬蘭維薩拉公司DrycapDmt340系列露點(diǎn)和溫度變送器中專門用于壓力環(huán)境下測量低露點(diǎn)的產(chǎn)品，露點(diǎn)的測量范圍是80C+80C，精度2C；鉑電阻的溫度測量范圍是080C，室溫下的精度土0.2C，露點(diǎn)探頭可在溫度范圍為-40C+80C環(huán)境下工作。T型熱電偶（直流電弧焊接）線芯直徑2x0

8、.3mm,測量誤差為土0.5C。凍干機(jī)內(nèi)部的控制系統(tǒng)采用歐姆龍CJ1W系列，其具有靈活通用，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，接線簡單，功耗低的特點(diǎn)。本試驗(yàn)稱重采用的電子天平是瑞士梅特勒托利多公司的PL203型號(hào)產(chǎn)品，最大稱量值是210g,實(shí)際分度0.001g。22、實(shí)驗(yàn)材料與方法甘露醇：C6H14O6,分析醇，分子量為182.18，熔點(diǎn)范圍166169C，白色針狀晶體，由上海光鏵科技有限公司生產(chǎn)（100g/瓶）。管制西林瓶容積7mL,高度39.7mm。將甘露醇配成2%（W/V）溶液.。實(shí)驗(yàn)一：取78個(gè)小瓶每個(gè)小瓶填充2ml2%的甘露醇溶液，2個(gè)小瓶填充3ml2%的甘露醇溶液。共80個(gè)小瓶。80個(gè)小瓶分

9、8排每排10個(gè)均勻地排列在上層擱板，窺視鏡這側(cè)取為外部，從外至內(nèi)依次為第一排、第二排等等。將熱電偶1號(hào)插入第一排最左邊3mL溶液小瓶中部，Pt100插入其旁邊的2mL溶液小瓶，熱電偶5號(hào)插入第三排中間的3mL溶液小瓶。小瓶四周用聚四氟乙烯板包圍，防止箱壁和窺視鏡的輻射熱。主要的傳熱方式是導(dǎo)熱。凍干過程設(shè)置如下：先將擱板溫度降至-30C，維持3h后將冷阱溫度降至-45C,接著抽真空至40Pa；擱板溫度升至-25C維持30min；擱板溫度升至-10C，維持60min；擱板溫度升至-6C,維持800min；解析干燥將擱板溫度升至30C,維持120min,真空度控制40Pa；擱板溫度不變，抽極限真空，

10、維持120min；最后將真空度升至40Pa,擱板溫度不變，維持120min。實(shí)驗(yàn)二：設(shè)置同樣的凍干過程，空載運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)三：取160個(gè)瓶，159個(gè)填充2mL2%的甘露醇溶液，1個(gè)填充3mL2%的甘露醇溶液。160個(gè)小瓶分兩層，每層80個(gè)排列在擱板上。Pt100插入下層擱板第一排中間的3mL小瓶，1號(hào)熱電偶插入上層擱板第三排中間的2mL小瓶，2號(hào)熱電偶插入上層擱板第一排中間的2mL小瓶。凍干過程參數(shù)設(shè)置同實(shí)驗(yàn)一。實(shí)驗(yàn)四：取20個(gè)小瓶，每個(gè)小瓶填充0.1ml2%的甘露醇溶液。20個(gè)瓶分兩排，每排10個(gè)排列在上層擱板中間，將熱電偶插在第一排中間的小瓶中部。凍干過程參數(shù)設(shè)置如下：先將擱板溫度降至-30C

11、，維持2h后將冷阱溫度降至-45C，接著抽真空至40Pa；擱板溫度升至-25C維持30min；擱板溫度升至-10C,維持60min；擱板溫度升至-6C,維持420min；解析干燥將擱板溫度升至30C,維持120min,真空度控制40Pa；擱板溫度不變，抽極限真空，維持120min；最后將真空度升至40Pa,擱板溫度不變，維持30min。實(shí)驗(yàn)五：取80個(gè)小瓶，每個(gè)小瓶填充2ml2%的甘露醇溶液。80個(gè)小瓶分8排,每排10個(gè)均勻地排列在上層擱板。調(diào)整凍干時(shí)間參數(shù)，完成整個(gè)凍干過程。凍干過程參數(shù)設(shè)置如下：先將擱板溫度降至-30C,維持2h后將冷阱溫度降至-45C,接著抽真空至40Pa；擱板溫度升至-

12、25C維持30min；擱板溫度升至-10C,維持60min；擱板溫度升至-6C,維持420min；解析干燥將擱板溫度升至30C,維持240min,真空度控制40Pa；擱板溫度不變，抽極限真空，維持240min。實(shí)驗(yàn)六十一：根據(jù)實(shí)驗(yàn)五的甘露醇凍干步驟，分別在不同的過程時(shí)間，停止凍干過程，將所有小瓶取出，稱量它們的總質(zhì)量。凍干過程參數(shù)設(shè)置與實(shí)驗(yàn)五相同。取80個(gè)小瓶，分8次，每次10個(gè)，在電子天平上稱量其質(zhì)量，總和為80個(gè)小瓶的空瓶質(zhì)量m瓶，加入溶液后，再分8次，每次10個(gè)，稱量溶液與瓶的質(zhì)量，得出其總和m瓶+溶液。二者的差值為加入的溶液質(zhì)量m溶液。取出小瓶后，依照上述方法稱量物料與瓶的質(zhì)量m瓶+物

13、料，將其與m瓶+溶液的差值為該過程的失水量。為保證實(shí)驗(yàn)的可比性，每次加入的溶液質(zhì)量均為158.859g。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析圖1是80個(gè)小瓶，其中兩個(gè)小瓶填充3ml2%甘露醇溶液的甘露醇凍干實(shí)驗(yàn)曲線。如圖1所示，預(yù)凍階段擱板溫度降低，干燥室內(nèi)水蒸氣凝結(jié)，水蒸氣量減少，露點(diǎn)曲線下降。升華干燥是一種水蒸氣從干燥層逸出，擴(kuò)散到干燥室后，由于干燥室和冷阱之間的水蒸氣分壓差，水蒸氣擴(kuò)散到冷阱并在冷阱盤管上凝結(jié)的過程。在升華干燥開始之前先將干燥室內(nèi)真空抽至4OPa，干燥室內(nèi)水蒸氣分壓隨著總壓一起迅速下降到最低值，露點(diǎn)值隨著下降到最低值。升華干燥剛開始時(shí)是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)階段，擱板溫度升高，水蒸氣分壓（露點(diǎn)）升高到

14、與干燥室總壓相當(dāng)?shù)闹?。升華干燥初期維持平臺(tái)期，是因?yàn)閺母稍飳右莩龅乃魵饬康扔诶溱宓哪Y(jié)水量即干燥室內(nèi)的增加的水蒸氣量等于失去的水蒸氣量，根據(jù)質(zhì)量守恒原理干燥室內(nèi)水蒸氣量維持恒定值，露點(diǎn)曲線維持平臺(tái)期。隨著干燥進(jìn)行，從干燥層逸出的水蒸氣量逐漸小于冷阱的凝結(jié)水量，干燥室內(nèi)水蒸氣量緩慢減小，露點(diǎn)值緩慢下降。當(dāng)從干燥層逸出的水蒸氣量大大小于冷阱凝結(jié)水量時(shí)，干燥室內(nèi)增加的水蒸氣量大大小于失去的水蒸氣量，干燥室內(nèi)水蒸氣量迅速減小，露點(diǎn)曲線迅速下降。當(dāng)干燥層逸出的水蒸氣量為0時(shí)，干燥室內(nèi)增加的水蒸氣量為0,此時(shí)干燥室內(nèi)水蒸氣量最少，露點(diǎn)值達(dá)到最低值。從圖1中發(fā)現(xiàn)露點(diǎn)曲線能夠與產(chǎn)品溫度響應(yīng)法的溫度趨勢對(duì)應(yīng)，

15、同時(shí)表現(xiàn)了露點(diǎn)法優(yōu)于產(chǎn)品溫度響應(yīng)法的一點(diǎn)是不用將探頭插入樣品。圖中可看出第一排的2ml樣品升華干燥最早結(jié)束，而第三排中間的3ml樣品最慢，與實(shí)際情相符，這是由于周圍的小瓶的熱量增量除了導(dǎo)熱還有箱壁的輻射熱，獲得的熱量比中間的小瓶多，干燥過程總是四周的小瓶干燥速率快，而中間的小瓶干燥速率慢8。干燥室內(nèi)露點(diǎn)溫度在升華干燥階段有較平的平臺(tái)期,當(dāng)?shù)谝慌诺?ml、3ml樣品的溫度曲線開始往上升時(shí)，露點(diǎn)曲線斜率略微下降，而當(dāng)?shù)谌胖虚g的3ml樣品溫度上升時(shí)露點(diǎn)曲線線開始迅速下降，最后到達(dá)最低點(diǎn)。斗|2；dml雄外側(cè)樣品/1加時(shí)哉/_Ipis)0httpz/.Miww.chvaQ.C時(shí)卩i”h3ml中何樣胡

16、10.4inDO24Ipma時(shí)叩hicuum.圖1實(shí)驗(yàn)一2%甘露醇溶液凍干曲線（80瓶，78瓶2ml,2瓶3ml）圖2實(shí)驗(yàn)一2%甘露醇溶液凍干過程露點(diǎn)、水蒸氣分壓曲線因此只有當(dāng)干燥較慢的小瓶升華結(jié)束時(shí)，露點(diǎn)曲線才會(huì)快速下降，說明露點(diǎn)測試法并不受個(gè)別升華速率特別快的小瓶影響，它反映的是整批樣品的干燥情況，它不受樣品升華速率不均一的影響，真實(shí)地反映整批樣品的干燥情況，也是說只有當(dāng)最后一個(gè)小瓶干燥結(jié)束，露點(diǎn)值才會(huì)降到最低值，否則露點(diǎn)值都將大于最低值，處于下降狀態(tài)。至于它有多大的靈敏性,將繼續(xù)通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)，這次實(shí)驗(yàn)的過充小瓶率（即小瓶填充量與整體不一致的百分比）是2.5%。在真空技術(shù)網(wǎng)中某文中用水蒸

17、氣分壓來觀察干燥過程的水汽變化，如圖2所示水蒸氣分壓曲線在升華干燥階段變化明顯，但是當(dāng)升華干燥結(jié)束，水蒸氣分壓值迅速降低到0.0020.02mbar值很小，因此從圖上看變化不明顯，當(dāng)二次干燥開始時(shí)幾乎看不出有什么變化。因此作為圖形分析用露點(diǎn)更直觀，采用露點(diǎn)法來監(jiān)控凍干過程水分遷移情況和判斷一次升華干燥結(jié)束點(diǎn)更有效。圖3是空載運(yùn)行凍干曲線，過程設(shè)置與實(shí)驗(yàn)一相同?？蛰d實(shí)驗(yàn)中露點(diǎn)平均值-70.5度,范圍是-73.6C-67C,在圖1中露點(diǎn)在升華干燥階段最低值為-73.2C-72.9C,說明當(dāng)露點(diǎn)在升華干燥階段到最低值時(shí)，干燥室內(nèi)水蒸氣量最少，干燥室內(nèi)增加的水蒸氣量為0,相當(dāng)于空載，無水蒸氣從干燥層逸

18、出。20pis20-0I23時(shí)間八時(shí)間小圖3實(shí)驗(yàn)二空載凍干曲線圖4實(shí)驗(yàn)三2%甘露醇溶液凍干曲線（160瓶，159瓶2ml,1瓶3ml）圖4中160個(gè)小瓶，其中1個(gè)小瓶填充3ml2%的甘露醇溶液，從圖中可以看出上層擱板第一排的2ml樣品溫度最早上升而露點(diǎn)曲線仍保持基本水平，當(dāng)3ml樣品溫度上升時(shí)，露點(diǎn)曲線仍保持基本水平，之后才迅速下降至最低值。說明在過充小瓶率為0.625%時(shí)，露點(diǎn)法仍能反映出整批樣品的干燥情況。升華干燥后期當(dāng)擱板溫度維持不變時(shí)，露點(diǎn)曲線也維持不變，二次干燥開始，擱板溫度上升如圖A點(diǎn)，露點(diǎn)值隨之上升如圖A點(diǎn)，這是由于溫度上升，物料上附著的束縛水獲得足夠的能量蒸發(fā)，從物料內(nèi)部解析出

19、來，但其數(shù)量很少,因此露點(diǎn)值上升幅度不大，并且產(chǎn)生的水蒸氣量小于冷阱凝結(jié)水量，上升的露點(diǎn)值很快下降，繼而隨著新的水蒸氣產(chǎn)生露點(diǎn)值又上升。圖5中由于小瓶中填充的溶液很少，溶液高度很低只有0.32mm,熱電偶插在溶液中部有困難，更靠近溶液中下部，升華階段分三次升溫，溫度曲線有三個(gè)臺(tái)階，三次平臺(tái)期,除了最后一個(gè)為干燥結(jié)束后的恒溫階段，另外兩個(gè)階段從溫度曲線看無法判定都屬于升華干燥階段。但是露點(diǎn)曲線卻不受影響，只有一個(gè)平臺(tái)階段，可以肯定該平臺(tái)為升華干燥期，當(dāng)所有樣品自由水升華干燥結(jié)束后，露點(diǎn)下降到最低值，并保持不變。40時(shí)：心h10時(shí)間/h圖5實(shí)驗(yàn)四2%甘露醇溶液凍干曲線（20瓶，0.1ml）圖6露點(diǎn)

20、曲線與失水率曲線對(duì)照?qǐng)D圖6是80個(gè)小瓶，每個(gè)小瓶填充2ml,2%的甘露醇溶液的凍干全過程露點(diǎn)曲線。80個(gè)小瓶分8排,每排10個(gè)均勻地排列在上層擱板。根據(jù)該甘露醇曲線，升華干燥開始后分別在不同的過程時(shí)間，標(biāo)志為A、B、C、D、E、F處停止凍干過程。稱量整批樣品在不同的時(shí)間的失水率。根據(jù)前述，整批樣品在升華干燥開始后不同時(shí)間的失水率如表1所示。標(biāo)志ABCDEF吋間h1L5212.4814.031(r!5201824.52失水率0J7880J8360.98380/真空H袖門哪為時(shí)口u丹娜右表1整批樣品在不同凍干時(shí)間的失水率圖7冷阱溫度曲線與露點(diǎn)曲線從圖中可以看出A-B是一個(gè)突變，失水率迅速增加；B-E過程中，B-C失水率基本不增加，C-D點(diǎn)失水率略有增加，這是因?yàn)樵谶\(yùn)行D點(diǎn)的凍干過程C至D段有少量束縛水析出，說明二次干燥已經(jīng)開始，會(huì)有少量束縛水析出，D-E擱板溫度上升至30C,大量束縛水析出，斜率略微上升，說明在二次干燥階段，束縛水析出量相比一次升華干燥階段析出的水分量很少很少；E-F點(diǎn)由于干燥箱內(nèi)抽極限真空（23Pa），束縛水析出增加，有一個(gè)陡然上升的階段，這是由于物料的水蒸氣壓和干燥箱內(nèi)的水蒸氣壓差變大，使水蒸氣逸出量增加。從稱重曲線上看B點(diǎn)是失水量的分界點(diǎn)，B-C失水率基本不增加，B點(diǎn)是一次干燥結(jié)束點(diǎn)，失水率曲線與露點(diǎn)曲線都表明B點(diǎn)是一次干