陳昌杰¹，羅春^2*

1 長沙開譜儀器有限公司，長沙，410006

2 土木工程學(xué)院，湖南科技大學(xué)，湘潭，411100

摘要：真空冷凍干燥技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、材料等領(lǐng)域的技術(shù)，然而目前市面上的凍干機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的溫度范圍有限，限制了凍干技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，本文提出了一種能實(shí)現(xiàn)更低溫度、更高真空度的真空冷凍干燥設(shè)備。以甲苯為樣品，對其進(jìn)行了凍干。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的設(shè)備能夠較好地實(shí)現(xiàn)甲苯的凍干，加上金屬套筒能夠顯著降低抽真空之前之后的樣品溫差，避免樣品在抽真空過程中升溫融化，保證凍干過程順利進(jìn)行。本文可為低三相點(diǎn)物質(zhì)的凍干提供參考，有利于推廣凍干技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：真空冷凍干燥技術(shù)；甲苯；真空冷凍干燥機(jī)；傳熱傳質(zhì)

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

近年來，真空冷凍干燥技術(shù)得到了人們越來越多的關(guān)注。真空冷凍干燥技術(shù)是一種利用升華的原理去除產(chǎn)品水分的技術(shù)^[1,2]。其主要由三個(gè)階段組成，分別是預(yù)凍階段、升華干燥階段以及解吸干燥階段^[3]。樣品在預(yù)凍階段凍結(jié)固化，固化后的溶劑在真空條件下直接升華，產(chǎn)生溶劑氣體，溶劑氣體被轉(zhuǎn)腔體內(nèi)，而樣品內(nèi)部以吸附形式存在的溶劑在解吸干燥階段被除去^[4]。

真空冷凍干燥技術(shù)對產(chǎn)品成分破壞小，凍干的樣品結(jié)構(gòu)保持較為完成^[5,6]，而且由于去除了水分，更有利于產(chǎn)品長期保存^[7,8]。因此，真空冷凍干燥技術(shù)在藥物^[9,10]、食品^[11-13]和材料^[14,15]等領(lǐng)域獲得了廣泛的使用。

真空冷凍干燥機(jī)是開展冷凍干燥過程的主要設(shè)備，目前市面上的真空冷凍干燥機(jī)主要由真空部分和制冷部分組成。常見的凍干機(jī)工作原理如圖1所示，樣品預(yù)凍后被放置在干燥腔腔體內(nèi)，腔體內(nèi)抽取真空，固化的溶劑在真空條件下發(fā)生升華。而冷阱內(nèi)部溫度較低，使得冷阱表面的飽和蒸汽壓p_i低與樣品內(nèi)部壓力p_s。溶劑氣體在樣品升華表面和冷阱表面的壓力差作用下，從樣品內(nèi)部被轉(zhuǎn)移到冷阱表面，并在冷阱表面凝華，最終實(shí)現(xiàn)去除溶劑的目的^[16]。

圖1 常見凍干裝置工作原理

目前市面上的凍干機(jī)種類多樣，包括了從實(shí)驗(yàn)型到中試型再到生產(chǎn)型，較好的滿足了研究和生產(chǎn)的需求。然而目前的凍干機(jī)仍然存在一些缺陷，這主要表現(xiàn)在當(dāng)前凍干機(jī)能實(shí)現(xiàn)的溫度范圍有限，對于部分三相點(diǎn)較低的物質(zhì)，市面上的凍干機(jī)不能使其凍結(jié)。以甲苯為例，其三相點(diǎn)溫度為-97℃，目前市面上大部分凍干機(jī)的冷阱溫度高于甲苯三相點(diǎn)溫度，不能實(shí)現(xiàn)水蒸氣運(yùn)輸所需要的溫度差，因此，無法實(shí)現(xiàn)對含甲苯材料的凍干。

然而在新材料的開發(fā)過程中，常常需要采用特殊的新材料，部分新材料的三相點(diǎn)溫度和壓力都較低，若采用常規(guī)的凍干機(jī)，則無法實(shí)現(xiàn)這些新材料的凍干，這無疑限制了凍干技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。因此，有必要開發(fā)出能凍干較低三相點(diǎn)物質(zhì)的凍干機(jī)，擴(kuò)展凍干技術(shù)的應(yīng)用范圍與影響力。本文基于冷凍干燥技術(shù)基本原理，設(shè)計(jì)并制造了一種用于較低三相點(diǎn)物質(zhì)的凍干設(shè)備，為凍干機(jī)的研發(fā)提供一定的參考。
2 凍干方案

本文采用的凍干方案與凍干設(shè)備實(shí)物圖如圖2所示，凍干機(jī)主要由制冷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。

圖2 凍干方案示意圖：（a）設(shè)備示意圖；（b）設(shè)備實(shí)物圖

（1）制冷系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)較低的冷卻溫度，采用液氮作為冷媒，利用泵將液氮從液氮罐抽取至擱板與冷阱盤管中。液氮流經(jīng)擱板與冷阱盤管，在其中蒸發(fā)制冷，氣化后的液氮排放到大氣環(huán)境中。

（2）真空系統(tǒng)

干燥腔和冷阱腔相連，中間放置有電磁閥用于控制兩個(gè)腔體的通斷，避免在升華干燥階段發(fā)生氣體倒灌現(xiàn)象。冷阱腔與分子泵連接，分子泵可產(chǎn)生絕對壓強(qiáng)為10^-6 Pa的真空。

（3）控制系統(tǒng)

液氮的流速通過控制泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，采用4-20mA通信方式控制泵的轉(zhuǎn)速。而液氮控制程序與主控制程序采用RS485通信方式控制。用戶通過彩色觸摸屏對程序進(jìn)行控制。

（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在擱板底部、樣品內(nèi)部、冷阱表面放置有溫度探頭，同時(shí)配置電阻率探頭，用于監(jiān)測樣品是否全部凍結(jié)。在干燥腔和冷阱腔外部都配有真空計(jì)，用于監(jiān)測干燥階段的真空度變化情況。在本文中，擱板的溫度探頭放置于液氮進(jìn)口反方向的孔中，而樣品溫度探頭放置于液氮進(jìn)口處的樣品內(nèi)。

表1為設(shè)備的主要性能參數(shù)。

表1 設(shè)備主要性能參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 凍干測試

為檢驗(yàn)裝置凍干低三相點(diǎn)物質(zhì)的可行性，采用是自制的溶液作為樣品進(jìn)行凍干，自制的溶液采用甲苯作為溶劑，甲苯的三相點(diǎn)溫度為-97℃，三相點(diǎn)壓力為0.0393 Pa。采用的凍干參數(shù)如表2所示。

表2 凍干運(yùn)行參數(shù)

采用的凍干策略為：首先以最大降溫速率對擱板進(jìn)行降溫，擱板終點(diǎn)溫度設(shè)置為-160℃，之后維持在該溫度一段時(shí)間。在凍結(jié)階段結(jié)束時(shí)，冷阱液氮泵開啟，冷阱降溫，該階段持續(xù)半小時(shí)。而后開啟冷阱腔和干燥腔之間的閥門，開啟分子泵，開始抽真空，干燥階段持續(xù)8 h。最后撤去真空。將樣品取出。

凍干后的樣品如圖3所示?？梢钥闯?，凍干后的樣品呈現(xiàn)褐黑色粉末狀，粉末之間分散性較好，沒有出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚狀態(tài)，這表明含甲苯溶液的凍干過程順利完成。

圖3 凍干后的樣品

3.2 熱輻射對樣品溫度的影響

圖4所示為樣品瓶子不做任何處理時(shí)的溫度以及真空度變化曲線，可以看出，在凍結(jié)階段，擱板溫度與樣品溫度差距較大，隨著過程進(jìn)行，擱板溫度和樣品溫度差距逐漸減小，當(dāng)擱板溫度到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，樣品溫度與擱板溫度之間的溫度差進(jìn)一步減小，并最終趨向于穩(wěn)定。

圖4 真空冷凍干燥過程中的溫度變化曲線

從圖中可以看出，當(dāng)分子泵開始工作抽真空時(shí)，真空度快速下降，而此時(shí)擱板溫度和樣品溫度都出現(xiàn)了急劇上升的現(xiàn)象。這說明抽真空后，擱板和樣品都出現(xiàn)了熱量損失。這主要是由兩方面的原因?qū)е碌?，?dāng)腔體內(nèi)部抽取真空后，腔體內(nèi)部的氣體被抽走。一方面，氣體對熱輻射的削弱作用消失，腔體內(nèi)壁面與樣品的輻射換熱加強(qiáng)，等效于腔體內(nèi)壁面為樣品提供內(nèi)熱源，使得樣品溫度上升，最終導(dǎo)致樣品發(fā)生融化。而在另一方面，腔體內(nèi)部的冷空氣也起到了為樣品制冷的作用，當(dāng)抽真空后，冷空氣被抽走，等效于提供給樣品的冷量減少。在上述兩個(gè)因素的共同作用下，導(dǎo)致樣品溫度上升，該過程一直持續(xù)至擱板以及樣品與腔體壁面達(dá)到新的熱平衡，從上圖可以看出，在100 min之后，擱板的溫度與樣品的溫度都保持穩(wěn)定，樣品溫度穩(wěn)定在-77 ℃左右。而當(dāng)樣品溫度的上升超過溶液的熔點(diǎn)之后，樣品融化，凍干過程失敗。相比于樣品達(dá)到的低溫度-143 ℃，樣品在抽真空后溫度上升了約66 ℃。

為避免發(fā)生抽真空后樣品溫度上升導(dǎo)致樣品融化的現(xiàn)象，本文提出的設(shè)備采用了增加套筒削弱輻射的措施，為加強(qiáng)輻射削弱效果，套筒采用發(fā)射率較低的不銹鋼材質(zhì)，同時(shí)，采用雙層套筒。采用了雙層套筒后的樣品如下圖所示：

圖5 套筒與樣品相對位置示意圖

在加入雙層套筒之后的溫度曲線如圖6所示?？梢钥闯觯谠黾犹淄仓?，擱板溫度與樣品溫度的溫差大為減小。這是因?yàn)椋谠黾犹淄仓?，擱板與樣品之間的換熱量沒有明顯變化，而擱板與腔體壁面之間的換熱量大大減少，因此，擱板對樣品的制冷效果大大改善。而在抽真空后，擱板溫度與樣品溫度仍然出現(xiàn)較大的上升。擱板溫度上升了大約30℃，而樣品溫度上升了約25℃，而后擱板溫度與樣品溫度趨向穩(wěn)定，不再有明顯變化。相比于未加套筒之前的處理，樣品溫度上升幅度下降了約41℃，改善效果明顯。這說明，增加套筒以降低樣品與擱板輻射換熱量的措施是切實(shí)可行的。

圖6 加了套筒之后的過程溫度曲線

4 結(jié)論

本文針對較低三相點(diǎn)較低的物質(zhì)難以凍干的問題，提出了利用液氮進(jìn)行制冷的方案，生產(chǎn)制造了凍干設(shè)備，并采用甲苯作為樣品進(jìn)行凍干，研究結(jié)果表明：

（1）設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)甲苯的原位凍干，驗(yàn)證了利用本文提出設(shè)備凍干較低三相點(diǎn)物質(zhì)的可行性。

（2）在升華干燥階段，真空條件下，瓶壁與腔體壁面的輻射換熱效應(yīng)不能忽略。

（3）在瓶壁外側(cè)增加金屬套筒，能夠顯著降低抽真空之前之后樣品溫度差，當(dāng)增加兩層金屬套筒后，溫差降低了41℃。

甲苯凍干裝置主要用于制備量子材料，量子材料的前驅(qū)體溶液將甲苯作為溶劑，而甲苯的三相點(diǎn)溫度（-97 ℃）和三相點(diǎn)壓力（0.0394 Pa）都極低，常規(guī)的凍干機(jī)難以達(dá)到如此低的溫度和壓力。為此，開譜儀器的技術(shù)團(tuán)隊(duì)專門定制了凍干方案，舍棄了常規(guī)的制冷劑制冷的方案，轉(zhuǎn)用液氮作為冷媒。并根據(jù)設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)制造了甲苯凍干裝置。

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