凍干機的壓力控制詳解---波動篇

前言

冷凍干燥工藝中，產品溫度Tp是決定最終產品質量和工藝時間的最重要因素之一。

一次干燥階段，產品溫度（升華界面溫度）需低于其塌陷溫度Tc（無定形處方）或共晶點溫度(晶體處方)。

如產品溫度（升華界面溫度）高于關鍵溫度，則會引起塌陷或者熔融。

然而，如產品溫度（升華界面溫度）過低，則一次干燥時間會相應大幅延長。

*一次干燥階段，產品溫度（升華界面溫度）每升高1℃，則一次干燥時間可縮短13%。

一次干燥階段產品溫度既影響到產品最終質量指標（水分、復溶時間、活性）又影響到凍干工藝的時長，是最重要的凍干工藝參數之一。

一次干燥階段產品溫度由：傳導、對流、輻射三個輸入變量控制

?  傳導由板層溫度決定------對應設備的板層控溫精度和板層溫度均一性；

?  輻射由設備保溫、腔體大小、運行工藝的板層溫度等一系列不可精準控制因素決定----通常我們能做的是盡量降低此因素在產品溫度影響中的占比；

?  對流傳熱-------對應設備在一次干燥階段的腔體壓力控制；

下圖列出了，0.1到0.5mbar區間，壓力對于產品溫度影響都占最大比例；

只是不同壓力數值的工藝，具體占比會有一定的區別。

*當腔體壓力低于0.050mbar的時候，對流帶來的熱輻射顯著減小。

這時主要的熱量傳遞方式是傳導和輻射。

但目前市場上用戶對于凍干機的關注點，主要放在“板層溫度均一性"上；

對于實際對產品影響更大，更劇烈的壓力控制的了解卻少得多。

此篇內容將會分析凍干機壓力（真空度）控制的四種方式：

?  上游真空控制

?  下游真空控制（開關閥控制、手動比例閥控制、PID比例閥控制）

讀完以下內容，希望能夠幫助大家理解：為什么不同的凍干機設備，壓力波動可以分別是±5pa、±3pa、±2pa、1pa或者＜±0.5pa、±0.3pa甚至沒有波動0pa。

如果我們希望壓力波動可以在1pa以內（＜±0.5pa甚至達到±0.1pa），設備應該如何設計和配置。

下游真空控制

通過泵阱閥（下圖SV11）的開關，來控制前箱壓力（真空度）

?  如用戶設定的一次干燥階段壓力數值為0.1mbar（10pa）：工藝運行過程中前箱壓力高于10pa則泵阱閥打開?壓力下降?前箱壓力低于10pa?泵阱閥關閉。如此往復，獲得類似下圖的壓力控制曲線。

?  此種壓力控制方式的原理決定了壓力控制波動較大（大概是＞±5pa 的級別）。

?  目前90%以上藥廠用戶已不再使用采用這種壓力控制方式的設備，僅有非常少

?  數的用戶的設備還在使用此種壓力控制方式。

上游真空控制（自動滲氣）

I.開關閥控制類型

腔體配備開關閥（下圖SV15001），通過開關閥的一開一閉來控制進入腔體的摻氣量

?  如用戶設定的一次干燥階段壓力數值為0.1mbar（10pa）：工藝運行過程中前箱壓力低于10pa則開關閥（SV15001）打開?壓力上升?前箱壓力高于10pa?開關閥（SV15001）關閉?壓力下降。如此往復（因為TELSTAR不生產此配置的設備，所以此處無曲線提供）

?  對于此種配置的設備，凍干機配備的滲氣閥門大小和數量的選擇非常關鍵；

?  閥門選擇過小，則實際運行壓力大部分時間都低于設置工藝壓力數值；

?  閥門選擇過大，則壓力向上波動數值較大；

?  開關閥的摻氣方式，實現了上游真空控制但卻很難保證控制精度；

?  壓力波動仍然較大(約是±3pa~±5pa左右的級別)

II.手動比例閥控制類型

腔體配開關閥+手動比例閥，但比例閥開合角度由人工手動調節

?  在開關閥前加了一個可以手動調節角度的比例閥；

?  可以理解此配置是人為調整了：開關閥每次打開的進氣量；

?  但一次干燥過程中，升華量是一個動態變化的參數，因此不可能在全過程進行人為調節，且也無法預測升華量的變化；

?  此配置可使壓力波動達到＜±3pa的級別；

?  有些用戶如果目前使用的設備，運行壓力總是高于實際設置壓力，則可以考慮增加一個前置手動比例閥。可一定程度緩解運行壓力過高的問題且無需改動設備的PID控制系統。

III、PID比例閥控制類型

腔體配開關閥+自動比例閥（針孔閥），比例閥開合角度（頻率）由PID系統自動調節

?  此配置下，一次干燥過程中上游真空控制系統的開關閥（SV15001）幾乎不再關閉；

?  PID系統根據系統升華量，自動調整自動比例閥（PSV15）的開合角度；

?  壓力控制精度可以達到1pa以內（＜±0.5pa、±0.1pa，甚至無波動）；

?  此配置為目前市場上很好的硬件配置；

其他配置的影響

?  電容真空計比皮拉尼真空計對壓力變化更敏感且反饋更迅速；

?  使用電容真空計進行真空控制的設備，會比用皮拉尼真空計進行真空控制的設備壓力控制精度更高一個級別（波動更小）；

最后的話

?  壓力控制是一個動態、協作的過程因此對設備整體要求非常高；

?  不同類型和精度的閥門，就好像人的胳膊、手掌、手指。越精巧的配置就可能達到更精準的控制；

?  真空計則仿佛是人的神經系統，精準的控制，需更加靈敏的感應和更加迅速的反饋；

?  PID系統，仿佛是人類的大腦；

?  硬件配置足夠了，但如果PID程序模塊應用不夠科學。則最終控制精度仍然不會很高；

?  如果你的設備，硬件配置足夠，壓力控制精度還是不高。則可能是PID系統的問題，PID系統是每個凍干設備生產廠家的核心技術所在。

?  以上內容及數據，為基于過去10年我在凍干行業內了解的幾百臺凍干機的硬件情況的一個總結；

?  也許可能還有沒有覆蓋到的內容及數據，歡迎溝通及指正；

?  同時希望我們一起了解設備的運作邏輯，使用更好的設備，做出更好的產品。

參考文獻

*Pikal M J. Use of laboratory data in freeze drying process design: Heat and mass transfer coefficients and the computer simulation of freeze drying

文章來源——凍干工藝之家公眾號  •  星德科 TELSTAR 凍干工藝實驗室