1、本文根據(jù)凍干過程干燥室內的露點值和物料的水分含量有關提出一種新的方法露點法來監(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（凍干保護劑）為研究對象，分別取80個，160個，20個小瓶，通過不同的過充小瓶數(shù)（1個，2個），不同的溶液高度（溶液高度6.5mm , 0.32mm）來檢驗露點法在監(jiān)測整批樣品凍干過程的靈 敏性。與稱重法對照，稱重法即在凍干過程不同的時刻取出樣品測量整批樣品質量。實驗結果表明露點法即使當過充小瓶率為0.625% ,或者溶液高度為0.32mm時仍有足夠的靈敏度，露點法得到的一次升華結束點與稱重法結果一致。這說明非接觸法露點法是一種可靠， 便利的監(jiān)測一次升

2、華結束點的方法，將其應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，復水后可恢復原狀的特點。但是冷凍干 燥一直也存在著凍干時間長，能耗高，整批樣品升華速率不均勻、設備無法判斷一次升華干 燥結束和二次解析干燥結束等硬傷”。一次升華干燥結束點是指結束一次升華干燥轉入解析干燥階段的那個時刻。 這是凍干控制的關鍵點，因為最后的殘余冰核升華以后，傳遞給物料的熱量全部用于使物料的內能增加，溫度上升，這樣持續(xù)的時間過長會導致物料塌陷，褐變，失去香味或者失去活性；反之如果一次升華干燥時間太短的話，冰晶來不

3、及升華，進入解析 干燥階段溫度上升，物料的溫度超過其玻璃化轉變溫度或者共晶溫度，產品會產生供熱過剩而融化報廢。因此冷凍干燥迫切需要一種方法來判斷一次升華干燥結束點。目前，在實際工業(yè)應用中判斷一次升華干燥結束點最廣泛的方法是產品溫度響應法。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，當熱電偶（或熱電阻）所接觸的冰晶升華后，溫度就會迅速上升，但這反映的是局部的溫度變化，在這之后要再延長六小時，使整個物料中的冰晶都升華成水蒸氣逸出。但這個方法存在下述幾點問題：首先由于傳感器插入樣品，當電流流過傳感器在加熱自身的同時也在加熱周圍的環(huán)境， 影響了探頭周圍產品的結晶；其次探頭插入

4、樣品使探頭周圍的溶液異相成核，結晶在有無傳感器時不同；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，但冷凍過程進行的較慢，慢凍造成產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，產品結構較粗糙，外觀不均勻；第四通常溫度響應法無法檢測出一次升華過程 的小瓶的干燥不均的問題；第五由于此法當制品溫度達到設定溫度時需要再維持46h增加了凍干時間；第六在藥品的生產過程要求干燥室內無菌，而溫度探頭等破壞了干燥室內的環(huán) 境，很難達到無菌的要求。所以采用溫度響應法判斷一次升華干燥結束并不合適。早在1969年Bouldoires 提出測量凍干機中的水蒸氣分壓可能是控制凍干過程

5、最合適的方法；1989 年Roy和Piakal在半工業(yè)化情況下用濕度傳感器檢測了在凍干機內各向異性情況下判斷一次升華干燥結束 點的靈敏水平。1993年Bardat 等人比較了多種測試方法（包括濕度傳感器），得出產品1996的最終殘余水份與干燥室中的相對濕度有關。他們建議控制凍干循環(huán)使用這種方法。年N. Genin, F . Rene 等人，提出了用傳質定律來解釋水蒸汽的擴散，可分為等摩爾逆向 擴散和單向擴散，并分別用這兩個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， 并與稱重結果比較，發(fā)現(xiàn)二者數(shù)據(jù)接近，并將這兩個模型聯(lián)立得出一次升華結束點的判斷方 法，認為該方法在過程控制中不需要再測量其

6、他參數(shù)，而只是用到過程中的水蒸氣壓。所以受此啟發(fā)本文采用和水蒸汽分壓等價的露點來監(jiān)測凍干過程和判斷一次升華干燥結束點。1、露點法的原理露點指的是當濕空氣內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)點沿定壓冷卻線達到飽和狀態(tài)，繼續(xù)冷卻就會結露， 對應于Pv的飽和溫度為露點。即td=f（Pv）。水蒸氣分壓與露點呈一一對應的關系。冷凍干燥過程中干燥室內露點 的變化就是水蒸氣分壓（水蒸氣含量）的變化。而干燥室內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入干燥室。露點曲線反映了凍干過程中干燥室內水蒸氣含量的變化趨勢。2、甘露醇凍干試驗實驗裝

7、置本試驗所用的凍干機是上海東富龍科技有限公司生產的Lyo- 0.2 型凍干機。雙級壓縮制冷，箱體為雙層擱板，擱板有效面積0.2 m 2,真空泵最低可抽到2 Pa,立式這阱，冷阱溫 度可達-60 C,有自動壓蓋裝置，冷阱最大捕水量4 kg ,板式換熱器換熱，導熱油采用三元混合液。本試驗在原有裝置上添加了露點測試功能。露點測試儀探頭通過快速連接件固定， 插入凍干室內部。露點儀 DMT348 是芬蘭維薩拉公司 DrycapDmt340系列露點和溫度變送器中專門用于壓力環(huán)境下測量低露點的產品，露點的測量范圍是-80 C+80 C,精度i2C；鉗電阻的溫度測量范圍是 080C,室溫下的精度 S.2 C,

8、露點探頭可在溫度范 圍為-40 C +80 C環(huán)境下工作。T型熱電偶（直流電弧焊接）線芯直徑2X0.3 mm ,測量誤差為W.5 C。凍干機內部的控制系統(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，接線簡單，功耗低的特點。本試驗稱重采用的電子天平是瑞士梅特勒托利多公司的 PL203型號產品，最大稱量值是 210 g,實際分度0.001 g 。實驗材料與方法甘露醇：C6H14O6 ,分析醇，分子量為182.18 ,熔點范圍166169 C,白色針狀 晶體，由上海光鋅科技有限公司生產（100 g/ 瓶）。管制西林瓶容積7 mL,高度39.7 mm 。將甘露醇配成2% （W/V

9、 ）溶液.。實驗一： 取78個小瓶每個小瓶填充2 ml2% 的甘露醇溶液，2個小瓶填充3 ml2% 的甘露醇溶液。共80個小瓶。80個小瓶分8排每排10個均勻地排列在上層擱板，窺視鏡這側取為外部，從外至內依次為第一排、第二排等等。將熱電偶1號插入第一排最左邊3 mL 溶液小瓶中部，Pt100 插入其旁邊的2 mL溶液小瓶，熱電偶5號插入第三排中間的3 mL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熱。凍干過程設置如下：先將擱板溫度降至-30 C,維持3 h后將冷阱溫度降至-45 C,接著抽真空至40 Pa ;擱板溫度升至-25 C維持30 min ;

10、擱板溫度升至-10 C,維持60 min ;擱板溫度升至-6 C ,維持800 min ;解析干燥將擱板溫度升至 30 C ,維持120 min , 真空度控制40 Pa ;擱板溫度不變，抽極限真空，維持 120 min ;最后將真空度升至40 Pa , 擱板溫度不變，維持120 min 。實驗二：設置同樣的凍干過程，空載運行。實驗三：取160個瓶，159個填充2 mL2% 的甘露醇溶液，1個填充3 mL2% 的甘 露醇溶液。160個小瓶分兩層，每層80個排列在擱板上。Pt100插入下層擱板第一排中 間的3 mL小瓶，1號熱電偶插入上層擱板第三排中間的2 mL小瓶，2號熱電偶插入上層擱板第一排

11、中間的2 mL小瓶。凍干過程參數(shù)設置同實驗一。實驗四：取20個小瓶，每個小瓶填充 0.1 ml2%的甘露醇溶液。20個瓶分兩排，每排10個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)設置如下：先將擱板溫度降至-30 C,維持2 h后將冷阱溫度降至-45 C,接著抽真空至40 Pa ; 擱板溫度升至-25 c維持30 min ;擱板溫度升至-10 C ,維持60 min ;擱板溫度升至-6 C, 維持420 min ;解析干燥將擱板溫度升至 30 C,維持120 min ,真空度控制40 Pa ;擱板 溫度不變，抽極限真空，維持 120 min ;最后將真空度升至40 Pa

12、 ,擱板溫度不變，維持 30 min 。實驗五：取80個小瓶，每個小瓶填充 2ml2% 的甘露醇溶液。80個小瓶分8排，每 排10個均勻地排列在上層擱板。調整凍干時間參數(shù)，完成整個凍干過程。凍干過程參數(shù)設 置如下：先將擱板溫度降至-30 C,維持2 h后將冷阱溫度降至-45 C,接著抽真空至40Pa ; 擱板溫度升至-25 c維持30min ;擱板溫度升至-10 C,維持60 min ;擱板溫度升至-6 C, 維持420 min ;解析干燥將擱板溫度升至 30 ,維持240 min ,真空度控制40 Pa ;擱板 溫度不變，抽極限真空，維持 240 min 。實驗六十一：根據(jù)實驗五的甘露醇凍干

13、步驟，分別在不同的過程時間， 停止凍干過程，將所有小瓶取出，稱量它們的總質量。凍干過程參數(shù)設置與實驗五相同。取 80個小瓶，分 8次，每次10個，在電子天平上稱量其質量，總和為 80個小瓶的空瓶質量 m瓶，加入 溶液后，再分8次，每次10個，稱量溶液與瓶的質量，得出其總和 m瓶+溶液。二者的 差值為加入的溶液質量 m溶液。取出小瓶后，依照上述方法稱量物料與瓶的質量m瓶+物料，將其與m瓶+溶液的差值為該過程的失水量。為保證實驗的可比性，每次加入的溶液質量均為158.859g。3、實驗結果與分析圖1是80個小瓶，其中兩個小瓶填充 3 ml2% 甘露醇溶液的甘露醇凍干實驗曲線。如 圖1所示，預凍階段

14、擱板溫度降低，干燥室內水蒸氣凝結，水蒸氣量減少，露點曲線下降。升華干燥是一種水蒸氣從干燥層逸出，擴散到干燥室后，由于干燥室和冷阱之間的水蒸氣分壓差，水蒸氣擴散到冷阱并在冷阱盤管上凝結的過程。在升華干燥開始之前先將干燥室內真空抽至40Pa ,干燥室內水蒸氣分壓隨著總壓一起迅速下降到最低值，露點值隨著下降到最 低值。升華干燥剛開始時是一個非穩(wěn)態(tài)階段，擱板溫度升高，水蒸氣分壓（露點）升高到與 干燥室總壓相當?shù)闹怠?升華干燥初期維持平臺期， 是因為從干燥層逸出的水蒸氣量等于冷阱 的凝結水量即干燥室內的增加的水蒸氣量等于失去的水蒸氣量，根據(jù)質量守恒原理干燥室內水蒸氣量維持恒定值，露點曲線維持平臺期。隨著

15、干燥進行，從干燥層逸出的水蒸氣量逐漸 小于冷阱的凝結水量，干燥室內水蒸氣量緩慢減小，露點值緩慢下降。當從干燥層逸出的水 蒸氣量大大小于冷阱凝結水量時，干燥室內增加的水蒸氣量大大小于失去的水蒸氣量，干燥室內水蒸氣量迅速減小，露點曲線迅速下降。當干燥層逸出的水蒸氣量為0時，干燥室內增加的水蒸氣量為0,此時干燥室內水蒸氣量最少，露點值達到最低值。從圖1中發(fā)現(xiàn)露點曲線能夠與產品溫度響應法的溫度趨勢對應，同時表現(xiàn)了露點法優(yōu)于產品溫度響應法的一點是不用將探頭插入樣品。圖中可看出第一排的2 ml樣品升華干燥最早結束，而第三排中間的 3 ml樣品最慢，與實際情相符，這是由于周圍的小瓶的熱量增 量除了導熱還有箱

16、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。干燥室內露點溫度在升華干燥階段有較平的平臺期， 當?shù)谝慌诺? ml、3 ml樣品的溫度曲線開始往上升時，露點曲線斜率略微下降，而當?shù)谌?排中間的3ml樣品溫度上升時露點曲線線開始迅速下降，最后到達最低點。pn一樣品2 miff 晶 /3rHl中間樣格點時阿h水氣分出iHM/h圖1實驗一 2%甘露醇溶液凍干曲線 （80瓶，78瓶2ml , 2瓶3ml ） 圖2實驗一 2% 甘露醇溶液凍干過程露點、水蒸氣分壓曲線因此只有當干燥較慢的小瓶升華結束時，露點曲線才會快速下降，說明露點測試法并不受個別升華速

17、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，真實地反映整批樣品的干燥情況，也是說只有當最后一個小瓶干燥結束，露點值才會降到最低值，否則露點值都將大于最低值，處于下降狀態(tài)。至于它有多大的靈敏性， 將繼續(xù)通過實驗來檢驗，這次實驗的過充小瓶率（即小瓶填充量與整體不一致的百分比）是2.5%。在真空技術網(wǎng)中某文中用水蒸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，但是當升華干燥結束，水蒸氣分壓值迅速降低到 0.0020.02 mbar值很小，因此從圖上看變化不明顯，當二次干燥開始時幾乎看不出有什么變化。因此作為圖形分析用露點更直觀，

18、采用露點法來監(jiān)控凍干過程水分遷移情況和判斷一次升華干燥結束點更有效。圖3是空載運行凍干曲線， 過程設置與實驗一相同?？蛰d實驗中露點平均值-70.5 度,范圍是-73.6 C-67 C,在圖1中露點在升華干燥階段最低值為-73.2 C-72.9 C,說明當露點在升華干燥階段到最低值時，干燥室內水蒸氣量最少，干燥室內增加的水蒸氣量為0,相當于空載，無水蒸氣從干燥層逸出。宜空i網(wǎng)10Ihlfiil. h0 5 ht EpV岫MwrchvdjE.20020406(1 一 T -圖3實驗二空載凍干曲線圖4實驗三2%甘露醇溶液凍干曲線 （160瓶，159瓶2ml ,1 瓶 3ml ）圖4中160個小瓶，其

19、中1個小瓶填充3 ml2% 的甘露醇溶液，從圖中可以看出上層 擱板第一排的2 ml樣品溫度最早上升而露點曲線仍保持基本水平，當 3 ml樣品溫度上升 時，露點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,露點法仍能反映出整批樣品的干燥情況。升華干燥后期當擱板溫度維持不變時，露點曲線也維持不變，二次干燥開始，擱板溫度上升如圖A點，露點值隨之上升如圖 A點，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)，從物料內部解析出來，但其數(shù)量很少，因此露點值上升幅度不大，并且產生的水蒸氣量小于冷阱凝結水量，上升的露點值很快下降，繼而隨著新的水蒸氣產生露點值又上升。

20、圖5中由于小瓶中填充的溶液很少，溶液高度很低只有0.32 mm ,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，溫度曲線有三個臺階，三次平臺期， 除了最后一個為干燥結束后的恒溫階段，另外兩個階段從溫度曲線看無法判定都屬于升華干燥階段。但是露點曲線卻不受影響，只有一個平臺階段， 可以肯定該平臺為升華干燥期，當所有樣品自由水升華干燥結束后，露點下降到最低值，并保持不變。pishttp:，/* *wthvwiCig(|n,cumU ,5jt空埔本同I圖6露點曲線與失水率曲線對照圖5實驗四2%甘露醇溶液凍干曲線（20瓶，0.1ml ）圖6是80個小瓶，每個小瓶填充2 ml , 2%的

21、甘露醇溶液的凍干全過程露點曲線。80個小瓶分8排，每排10個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 別在不同的過程時間，標志為 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間的失水率如表1所示。林志ABCDEF時間h1 1.5212.48H.03I6_L5_24.S2直中忖JUMj失zK率0.983 KH IIf.工kJ., jf J - 1表1整批樣品在不同凍干時間的失水率圖7冷阱溫度曲線與露點曲線從圖中可以看出 A-B是一個突變，失水率迅速增加；B - E過程中，B - C失水率基本不增加，C-D點失水率略有增加，這是因為在運行D點的凍干過程 C至D段有少量束縛水析出，說明二次干燥已經開始，會有少量束縛水析出，D-E擱板溫度上升至30 C,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點由于干燥箱內抽極限真空 (23Pa),束縛水析出增加，有一個陡然上升的階段，這是由于物料的水蒸氣壓和干燥箱內的水蒸氣壓差變大，使水蒸氣逸出量增加。從稱重曲線上看B點是失水量的分界點， B-C失水率基本不增加，B點是一次干燥結束點，失水率曲線與露點曲線都表明B點是一次干燥的結束點。圖7至9是截取實驗五升華干燥以后的露點、冷阱溫度、干燥室溫度、前