冻干工艺经验谈（五）一次干燥2

引言：

笔者曾经遇到这样一个有意思的事情：有一个中试车间新购进一台10平方米的CIP/SIP冻干机，这台冻干机不得了，每层搁板的硅油进口都安装有电磁阀，用于更好的控制搁板的温度。最关键的是，这台冻干机是带有硅油夹套的。我们想“一个不作为商业化生产的中试车间为什么要用硅油夹套冻干机”时候，有人专门给解释：“硅油夹套能够有效的降低冻干过程中热辐射对制品的影响”。我们也纳闷：硅油夹套难道不是SIP之后降温用的吗？

正文：

热传导、热辐射和分子碰撞是冻干过程中传热的三大途径，1g冰升华需要约660cal热量，我们利用各种方法加快制品的干燥。干燥过程中仅靠搁板与瓶底接触传热的速率还是不够高，玻璃的热传导还是相对较差的。提高热辐射的效力也是一个好办法，但是传统搁板冻干机靠搁板的热辐射效力也是一般般；但如果前箱分子浓度增加，使分子间的碰撞机会增加，通过分子间碰撞传导的热量就会增加，则可以大大加快冻干速率。于是在一次干燥过程中给前箱留下一些不凝性气体，让它们快乐的碰撞把更多的能量带给承载制品的容器，当它们被真空泵抽出去之后，前箱再引进一部分气体，这样就能持续让分子提供更多的能量传导了，所以冻干机前箱有掺气阀，冷阱有真空泵。

对于前箱压力设定有几种经验说法：

第一种，低塌陷温度接近上限30%，高塌陷温度接近下限10%。解释说明一下，首先是低塌陷温度，基本上制品塌陷温度不高于-30℃的是低塌陷温度，在当时温度条件下水的蒸汽压的30%；高塌陷温度是不低于-15℃，在当时温度条件下水的蒸汽压的10%；

第二种，被广泛宣传的但不算是应用最广泛的，升华干燥温度对于的水蒸气饱和蒸汽压的一半加三分之一的和再乘以二分之一。

第三种：设置一个定值，比如20Pa、30Pa、50Pa或更高。

对比前两种情况，如果升华干燥为-20℃，水的饱和蒸汽压约为103Pa，按照第一种方法，压力设置约33Pa，按第二种方法计算的压力约为43Pa；当温度升高到0℃时，水的饱和蒸汽压为611Pa，第一种计算方式获得的结果是60Pa，第二种计算方法是250Pa。实际上通过压力对升华速率的影响试验，当压力高于120Pa时，任何制品的升华速率都开始降低，所以第二种方式在一些限定条件下并不可取。

在升华干燥过程中，前箱、小瓶内、升华界面的压力不同，如下图，可以直观的看到压力差异，升华速率来自于压差与升华阻力的比值，压差越大，升华速率越大。前箱若采用极限真空时，有最大压差，但缺少分子碰撞的热传导几率，升华速率并不够快速。前箱压力若设计较高，较小的压差又不利于升华。

实际上我们设定的温度是搁板温度，由于这个温度是硅油进口的温度，温度传感器布置在硅油分液器处，实际上搁板表面的温度并不一定是硅油的温度，硅油温度与搁板表面实际温度因冻干机大小而异。如下图所示的一次干燥中的温度，冻结层冰升华需要吸收热量，该部分制品温度保持低于塌陷温度即可，此时该部分与干燥层、小瓶、搁板存在温差，此时升华速率是温差与升华阻力的比值，温差越大升华速率越快。

回到上一期升华速率曲线，黄色断点线（制品的塌陷温度曲线）显示了200mTorr（约26Pa）条件下和500mTorr（约65Pa）条件下引起制品塌陷的搁板温度分别是40℃和-15℃，两者升均处于塌陷的临界状态，但升华速率相差接近一倍，由此我们可以认为压力是影响升华速率的关键因素之一，并不是越高的压力使升华速率越快。参考搁板温度-15℃时不同压力条件下的升华速率曲线，200mTorr压力时升华速率较500mTorr压力条件下慢；当前箱压力为200mTorr时，随着搁板温度的升高，升华速率快速提高，得到“一定条件下搁板温度越高升华速率越快”的结论。但是，随着升华干燥进行，制品中水分越来越少，整个制品体系的塌陷温度一直在升高，相当于黄色的断点线是在不断的向坐标轴右侧移动的，搁板温度不变时，保持最大升华速率的压力实际上是在缓慢增大的，实际冻干过程中，不可能随时调整前箱压力，同时前箱压力因冻干机性能波动，也不太容易精确控制。

综上，笔者认为一次干燥的压力更多的基于经验，选择相对较快升华速率区间（从20Pa到60Pa范围）进行冻干。每次冻干采用不同的压力，对比产品的干燥速率，最终确认一个相对最快的压力就搞定了。也可以设定固定的压力不对其进行考察：压力每变化10Pa，仅相当于搁板温度变化1-3℃对制品升华速率的影响，设定20Pa-30Pa范围基本适用全部的冻干制品。

最后，预告下一期：解析干燥，如何利用退火增加产品的化学稳定性。