冻干机的压力控制详解---波动篇

前言

冷冻干燥工艺中，产品温度Tp是决定最终产品质量和工艺时间的最重要因素之一。

一次干燥阶段，产品温度（升华界面温度）需低于其塌陷温度Tc（无定形处方）或共晶点温度(晶体处方)。

如产品温度（升华界面温度）高于关键温度，则会引起塌陷或者熔融。

然而，如产品温度（升华界面温度）过低，则一次干燥时间会相应大幅延长。

*一次干燥阶段，产品温度（升华界面温度）每升高1℃，则一次干燥时间可缩短13%。

一次干燥阶段产品温度既影响到产品最终质量指标（水分、复溶时间、活性）又影响到冻干工艺的时长，是最重要的冻干工艺参数之一。

一次干燥阶段产品温度由：传导、对流、辐射三个输入变量控制

Ø  传导由板层温度决定------对应设备的板层控温精度和板层温度均一性；

Ø  辐射由设备保温、腔体大小、运行工艺的板层温度等一系列不可精准控制因素决定----通常我们能做的是尽量降低此因素在产品温度影响中的占比；

Ø  对流传热-------对应设备在一次干燥阶段的腔体压力控制；

下图列出了，0.1到0.5mbar区间，压力对于产品温度影响都占最大比例；

只是不同压力数值的工艺，具体占比会有一定的区别。

*当腔体压力低于0.050mbar的时候，对流带来的热辐射显著减小。

这时主要的热量传递方式是传导和辐射。

但目前市场上用户对于冻干机的关注点，主要放在“板层温度均一性"上；

对于实际对产品影响更大，更剧烈的压力控制的了解却少得多。

此篇内容将会分析冻干机压力（真空度）控制的四种方式：

Ø  上游真空控制

Ø  下游真空控制（开关阀控制、手动比例阀控制、PID比例阀控制）

读完以下内容，希望能够帮助大家理解：为什么不同的冻干机设备，压力波动可以分别是±5pa、±3pa、±2pa、1pa或者＜±0.5pa、±0.3pa甚至没有波动0pa。

如果我们希望压力波动可以在1pa以内（＜±0.5pa甚至达到±0.1pa），设备应该如何设计和配置。

下游真空控制

通过泵阱阀（下图SV11）的开关，来控制前箱压力（真空度）

Ø  如用户设定的一次干燥阶段压力数值为0.1mbar（10pa）：工艺运行过程中前箱压力高于10pa则泵阱阀打开➜压力下降➜前箱压力低于10pa➜泵阱阀关闭。如此往复，获得类似下图的压力控制曲线。

Ø  此种压力控制方式的原理决定了压力控制波动较大（大概是＞±5pa 的级别）。

Ø  目前90%以上药厂用户已不再使用采用这种压力控制方式的设备，仅有非常少

Ø  数的用户的设备还在使用此种压力控制方式。

上游真空控制（自动渗气）

I.开关阀控制类型

腔体配备开关阀（下图SV15001），通过开关阀的一开一闭来控制进入腔体的掺气量

Ø  如用户设定的一次干燥阶段压力数值为0.1mbar（10pa）：工艺运行过程中前箱压力低于10pa则开关阀（SV15001）打开➜压力上升➜前箱压力高于10pa➜开关阀（SV15001）关闭➜压力下降。如此往复（因为TELSTAR不生产此配置的设备，所以此处无曲线提供）

Ø  对于此种配置的设备，冻干机配备的渗气阀门大小和数量的选择非常关键；

Ø  阀门选择过小，则实际运行压力大部分时间都低于设置工艺压力数值；

Ø  阀门选择过大，则压力向上波动数值较大；

Ø  开关阀的掺气方式，实现了上游真空控制但却很难保证控制精度；

Ø  压力波动仍然较大(约是±3pa~±5pa左右的级别)

II.手动比例阀控制类型

腔体配开关阀+手动比例阀，但比例阀开合角度由人工手动调节

Ø  在开关阀前加了一个可以手动调节角度的比例阀；

Ø  可以理解此配置是人为调整了：开关阀每次打开的进气量；

Ø  但一次干燥过程中，升华量是一个动态变化的参数，因此不可能在全过程进行人为调节，且也无法预测升华量的变化；

Ø  此配置可使压力波动达到＜±3pa的级别；

Ø  有些用户如果目前使用的设备，运行压力总是高于实际设置压力，则可以考虑增加一个前置手动比例阀。可一定程度缓解运行压力过高的问题且无需改动设备的PID控制系统。

III、PID比例阀控制类型

腔体配开关阀+自动比例阀（针孔阀），比例阀开合角度（频率）由PID系统自动调节

Ø  此配置下，一次干燥过程中上游真空控制系统的开关阀（SV15001）几乎不再关闭；

Ø  PID系统根据系统升华量，自动调整自动比例阀（PSV15）的开合角度；

Ø  压力控制精度可以达到1pa以内（＜±0.5pa、±0.1pa，甚至无波动）；

Ø  此配置为目前市场上很好的硬件配置；

其他配置的影响

Ø  电容真空计比皮拉尼真空计对压力变化更敏感且反馈更迅速；

Ø  使用电容真空计进行真空控制的设备，会比用皮拉尼真空计进行真空控制的设备压力控制精度更高一个级别（波动更小）；

最后的话

Ø  压力控制是一个动态、协作的过程因此对设备整体要求非常高；

Ø  不同类型和精度的阀门，就好像人的胳膊、手掌、手指。越精巧的配置就可能达到更精准的控制；

Ø  真空计则仿佛是人的神经系统，精准的控制，需更加灵敏的感应和更加迅速的反馈；

Ø  PID系统，仿佛是人类的大脑；

Ø  硬件配置足够了，但如果PID程序模块应用不够科学。则最终控制精度仍然不会很高；

Ø  如果你的设备，硬件配置足够，压力控制精度还是不高。则可能是PID系统的问题，PID系统是每个冻干设备生产厂家的核心技术所在。

Ø  以上内容及数据，为基于过去10年我在冻干行业内了解的几百台冻干机的硬件情况的一个总结；

Ø  也许可能还有没有覆盖到的内容及数据，欢迎沟通及指正；

Ø  同时希望我们一起了解设备的运作逻辑，使用更好的设备，做出更好的产品。

参考文献

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

文章来源——冻干工艺之家公众号  •  星德科 TELSTAR 冻干工艺实验室