开谱冻干机关于适用于较低三相点物质的冻干设备研究

陈昌杰¹，罗春^2*

1 长沙开谱仪器有限公司，长沙，410006

2 土木工程学院，湖南科技大学，湘潭，411100

摘要：真空冷冻干燥技术是一种广泛应用于医药、食品、材料等领域的技术，然而目前市面上的冻干机能够实现的温度范围有限，限制了冻干技术的应用与发展，本文提出了一种能实现更低温度、更高真空度的真空冷冻干燥设备。以甲苯为样品，对其进行了冻干。实验结果表明，本文提出的设备能够较好地实现甲苯的冻干，加上金属套筒能够显著降低抽真空之前之后的样品温差，避免样品在抽真空过程中升温融化，保证冻干过程顺利进行。本文可为低三相点物质的冻干提供参考，有利于推广冻干技术的应用。

关键词：真空冷冻干燥技术；甲苯；真空冷冻干燥机；传热传质

Investigation on developing the freeze-dryer for processing products with low triple point temperature

Abstract：Vacuum freeze drying has been widely used in the production of pharmacy, foods and materials. However, the temperature range of the current freeze-dryer is limited, posing a threat for the development and application of freeze drying technology. A novel freeze-dryer which could realize lower temperature and lower vacuum is proposed in this study. And the solution which contains the toluene as the solvent is freeze dried using the proposed equipment. The results show that the solution containing the toluene could be freeze dried by this equipment. In addition, adding the sleeves could reduce the temperature differences between the shelf and the solutions, avoiding the melting of the cake to ensure the successful freeze drying process. This research could provide the guidance for the freeze drying of products with low triple-point temperature, and is beneficial for the promotion of the freeze drying process.

Keywords：Vacuum freeze drying; Toluene; Freeze-dryer；Heat and mass transfer

1 引言

近年来，真空冷冻干燥技术得到了人们越来越多的关注。真空冷冻干燥技术是一种利用升华的原理去除产品水分的技术^[1,2]。其主要由三个阶段组成，分别是预冻阶段、升华干燥阶段以及解吸干燥阶段^[3]。样品在预冻阶段冻结固化，固化后的溶剂在真空条件下直接升华，产生溶剂气体，溶剂气体被转腔体内，而样品内部以吸附形式存在的溶剂在解吸干燥阶段被除去^[4]。

真空冷冻干燥技术对产品成分破坏小，冻干的样品结构保持较为完成^[5,6]，而且由于去除了水分，更有利于产品长期保存^[7,8]。因此，真空冷冻干燥技术在药物^[9,10]、食品^[11-13]和材料^[14,15]等领域获得了广泛的使用。

真空冷冻干燥机是开展冷冻干燥过程的主要设备，目前市面上的真空冷冻干燥机主要由真空部分和制冷部分组成。常见的冻干机工作原理如图1所示，样品预冻后被放置在干燥腔腔体内，腔体内抽取真空，固化的溶剂在真空条件下发生升华。而冷阱内部温度较低，使得冷阱表面的饱和蒸汽压p_i低与样品内部压力p_s。溶剂气体在样品升华表面和冷阱表面的压力差作用下，从样品内部被转移到冷阱表面，并在冷阱表面凝华，最终实现去除溶剂的目的^[16]。

图1 常见冻干装置工作原理

目前市面上的冻干机种类多样，包括了从实验型到中试型再到生产型，较好的满足了研究和生产的需求。然而目前的冻干机仍然存在一些缺陷，这主要表现在当前冻干机能实现的温度范围有限，对于部分三相点较低的物质，市面上的冻干机不能使其冻结。以甲苯为例，其三相点温度为-97℃，目前市面上大部分冻干机的冷阱温度高于甲苯三相点温度，不能实现水蒸气运输所需要的温度差，因此，无法实现对含甲苯材料的冻干。

然而在新材料的开发过程中，常常需要采用特殊的新材料，部分新材料的三相点温度和压力都较低，若采用常规的冻干机，则无法实现这些新材料的冻干，这无疑限制了冻干技术的应用与发展。因此，有必要开发出能冻干较低三相点物质的冻干机，扩展冻干技术的应用范围与影响力。本文基于冷冻干燥技术基本原理，设计并制造了一种用于较低三相点物质的冻干设备，为冻干机的研发提供一定的参考。
2 冻干方案

本文采用的冻干方案与冻干设备实物图如图2所示，冻干机主要由制冷系统、数据采集系统、真空系统、控制系统组成。

图2 冻干方案示意图：（a）设备示意图；（b）设备实物图

（1）制冷系统

为实现较低的冷却温度，采用液氮作为冷媒，利用泵将液氮从液氮罐抽取至搁板与冷阱盘管中。液氮流经搁板与冷阱盘管，在其中蒸发制冷，气化后的液氮排放到大气环境中。

（2）真空系统

干燥腔和冷阱腔相连，中间放置有电磁阀用于控制两个腔体的通断，避免在升华干燥阶段发生气体倒灌现象。冷阱腔与分子泵连接，分子泵可产生绝对压强为10^-6 Pa的真空。

（3）控制系统

液氮的流速通过控制泵的转速来实现，采用4-20mA通信方式控制泵的转速。而液氮控制程序与主控制程序采用RS485通信方式控制。用户通过彩色触摸屏对程序进行控制。

（4）数据采集系统

在搁板底部、样品内部、冷阱表面放置有温度探头，同时配置电阻率探头，用于监测样品是否全部冻结。在干燥腔和冷阱腔外部都配有真空计，用于监测干燥阶段的真空度变化情况。在本文中，搁板的温度探头放置于液氮进口反方向的孔中，而样品温度探头放置于液氮进口处的样品内。

表1为设备的主要性能参数。

表1 设备主要性能参数

3 结果与讨论

3.1 冻干测试

为检验装置冻干低三相点物质的可行性，采用是自制的溶液作为样品进行冻干，自制的溶液采用甲苯作为溶剂，甲苯的三相点温度为-97℃，三相点压力为0.0393 Pa。采用的冻干参数如表2所示。

表2 冻干运行参数

采用的冻干策略为：首先以最大降温速率对搁板进行降温，搁板终点温度设置为-160℃，之后维持在该温度一段时间。在冻结阶段结束时，冷阱液氮泵开启，冷阱降温，该阶段持续半小时。而后开启冷阱腔和干燥腔之间的阀门，开启分子泵，开始抽真空，干燥阶段持续8 h。最后撤去真空。将样品取出。

冻干后的样品如图3所示。可以看出，冻干后的样品呈现褐黑色粉末状，粉末之间分散性较好，没有出现明显的团聚状态，这表明含甲苯溶液的冻干过程顺利完成。

图3 冻干后的样品

3.2 热辐射对样品温度的影响

图4所示为样品瓶子不做任何处理时的温度以及真空度变化曲线，可以看出，在冻结阶段，搁板温度与样品温度差距较大，随着过程进行，搁板温度和样品温度差距逐渐减小，当搁板温度到达设定温度时，样品温度与搁板温度之间的温度差进一步减小，并最终趋向于稳定。

图4 真空冷冻干燥过程中的温度变化曲线

从图中可以看出，当分子泵开始工作抽真空时，真空度快速下降，而此时搁板温度和样品温度都出现了急剧上升的现象。这说明抽真空后，搁板和样品都出现了热量损失。这主要是由两方面的原因导致的，当腔体内部抽取真空后，腔体内部的气体被抽走。一方面，气体对热辐射的削弱作用消失，腔体内壁面与样品的辐射换热加强，等效于腔体内壁面为样品提供内热源，使得样品温度上升，最终导致样品发生融化。而在另一方面，腔体内部的冷空气也起到了为样品制冷的作用，当抽真空后，冷空气被抽走，等效于提供给样品的冷量减少。在上述两个因素的共同作用下，导致样品温度上升，该过程一直持续至搁板以及样品与腔体壁面达到新的热平衡，从上图可以看出，在100 min之后，搁板的温度与样品的温度都保持稳定，样品温度稳定在-77 ℃左右。而当样品温度的上升超过溶液的熔点之后，样品融化，冻干过程失败。相比于样品达到的低温度-143 ℃，样品在抽真空后温度上升了约66 ℃。

为避免发生抽真空后样品温度上升导致样品融化的现象，本文提出的设备采用了增加套筒削弱辐射的措施，为加强辐射削弱效果，套筒采用发射率较低的不锈钢材质，同时，采用双层套筒。采用了双层套筒后的样品如下图所示：

图5 套筒与样品相对位置示意图

在加入双层套筒之后的温度曲线如图6所示。可以看出，在增加套筒之后，搁板温度与样品温度的温差大为减小。这是因为，在增加套筒之后，搁板与样品之间的换热量没有明显变化，而搁板与腔体壁面之间的换热量大大减少，因此，搁板对样品的制冷效果大大改善。而在抽真空后，搁板温度与样品温度仍然出现较大的上升。搁板温度上升了大约30℃，而样品温度上升了约25℃，而后搁板温度与样品温度趋向稳定，不再有明显变化。相比于未加套筒之前的处理，样品温度上升幅度下降了约41℃，改善效果明显。这说明，增加套筒以降低样品与搁板辐射换热量的措施是切实可行的。

图6 加了套筒之后的过程温度曲线

4 结论

本文针对较低三相点较低的物质难以冻干的问题，提出了利用液氮进行制冷的方案，生产制造了冻干设备，并采用甲苯作为样品进行冻干，研究结果表明：

（1）设备能够实现甲苯的原位冻干，验证了利用本文提出设备冻干较低三相点物质的可行性。

（2）在升华干燥阶段，真空条件下，瓶壁与腔体壁面的辐射换热效应不能忽略。

（3）在瓶壁外侧增加金属套筒，能够显著降低抽真空之前之后样品温度差，当增加两层金属套筒后，温差降低了41℃。

甲苯冻干装置主要用于制备量子材料，量子材料的前驱体溶液将甲苯作为溶剂，而甲苯的三相点温度（-97 ℃）和三相点压力（0.0394 Pa）都极低，常规的冻干机难以达到如此低的温度和压力。为此，开谱仪器的技术团队专门定制了冻干方案，舍弃了常规的制冷剂制冷的方案，转用液氮作为冷媒。并根据设计方案生产制造了甲苯冻干装置。

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