基于露點法判斷凍干過程的一次升華結束點
本文根據(jù)凍干過程干燥室內(nèi)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(zhì)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(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)變溫度或者共晶溫度，產(chǎn)品會產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品的結晶；其次探頭插入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(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4～6h增加了凍干時間；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(nèi)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(chǎn)品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。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(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(nèi)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(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入干燥室。露點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
2.1、實驗裝置
本試驗所用的凍干機是上海東富龍科技有限公司生產(chǎn)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 m2，真空泵最低可抽到2 Pa，立式冷阱，冷阱溫度可達-60℃，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(nèi)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(chǎn)品，露點的測量范圍是- 80℃～+80℃，精度±2℃；鉑電阻的溫度測量范圍是0～80℃，室溫下的精度±0.2℃，露點探頭可在溫度范圍為- 40℃~+80℃環(huán)境下工作。T 型熱電偶（直流電弧焊接）線芯直徑2×0.3 mm，測量誤差為±0.5℃。
凍干機內(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，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(chǎn)品，最大稱量值是210 g,實際分度0.001 g。
2.2、實驗材料與方法
甘露醇：C6H14O6，分析醇，分子量為182.18，熔點范圍166～169℃，白色針狀晶體，由上海光鏵科技有限公司生產(chǎn)（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）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(nèi)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℃，維持3 h 后將冷阱溫度降至- 45℃，接著抽真空至40 Pa；擱板溫度升至- 25℃ 維持30 min； 擱板溫度升至- 10℃，維持60 min；擱板溫度升至- 6℃, 維持800 min；解析干燥將擱板溫度升至30℃，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中間的2 mL小瓶。凍干過程參數(shù)設置同實驗一。
