[發明專利]用于在冷凍干燥期間控制脫水的設備和方法

無效

• 申請號: 200580044001.5
• 申請日: 2005-12-19
• 公開（公告）號: CN101084406A
• 公開（公告）日: 2007-12-05
• 發明（設計）人: C·諾米內
• 申請（專利權）人: 阿爾卡特朗訊公司
• 主分類號: F26B5/06
• 分類號: F26B5/06
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所
• 代理人: 楊曉光;李崢

技術領域

本發明涉及在真空干燥處理期間監視和控制產品的脫水，并且尤其涉及檢測經歷冷凍干燥的產品中所含水份升華的結束。

背景技術

冷凍干燥是一種通過升華而消除產品中所含大部分水份的一種低溫處理。與該處理最相關的行業是食品業、制藥業(疫苗、血清、藥物)以及生物工業(酵母)，該處理保征了要以接近腔室溫的溫度被存儲的產品中的活性成分(生物和/或藥物的活性)的長期保存。

在冷凍干燥期間監視脫水動力學對于控制制造成本以及額外地對于獲得較高質量的冷凍干燥產品而言是十分重要的。在這些條件下存儲的產品的穩定性對其包含的剩余水份量的微小變化特別敏感。盡管可以降低成本，然而太短的周期會導致太潮濕的產品。然后可以觀察到產品質量的快速惡化。相反，過長的操作周期會使產品由于過熱而惡化，同時帶來無益的額外成本。在處理中太早增加溫度會導致產品的熔化或部分熔化，這導致有缺陷的外觀。這個制造事故通常伴隨有最終產品中所需要的一些使用屬性(純度、再水化的適宜性)的嚴重或甚至不可接受的降級。因此這種產品的可靠的脫水監視是十分重要的。

冷凍干燥處理包括兩個連續的操作：冷凍和脫水。脫水操作包括對應于兩個不同物理現象的兩個步驟：冷凍期間形成的冰晶的升華，通常稱左“主干燥”，以及未結冰的水份的最后吸附，通常稱作“次干燥”。升華通常是通過輸入熱量和降低總壓力(真空冷凍干燥)來實現的。問題是盡可能準確地確定從一個步驟到另一個步驟的過渡以及操作的結束。

冷凍操作通常在大氣壓下操作。脫水操作必須把水蒸汽壓力降低到三相點以下，之后從水到蒸汽的狀態的過渡是通過降低壓力來促進的。貫穿升華步驟，并且只要產品中包含冰，產品的溫度將保持在其結冰的溫度。當產品中不再包含冰時，即主干燥結束時，產品的溫度升高。

廣泛應用在工業環境中的監視冷凍干燥的方法測量產品溫度在處理期間是如何演變的。尤其地，這使得主干燥的結束能夠被確定。在冷凍前將溫度探測器放置在產品的中心，并且然后在冷凍干燥期間記錄溫度信號的演變。只要探測器保持在產品的冷凍中心，所測量的溫度演變就會非常慢。另一方面，一旦探測器不再與冰接觸，所測量的溫度變化就非常快，這反映了干燥層中熱量的積聚。當在處理機殼中不同位置的所有溫度探測器指示相同的值時，冷凍干燥停止(或者設定點被改變為開始次干燥步驟)。置于同一外殼中的產品可以呈現不同的干燥速率，并且可以在多種不同探測器之間觀察到到達參考溫度的幾個小時的時間差。在停止所述周期前對于所有溫度值達到相同值而等待幾個小時的安全測量會增加額外的有時較高的處理成本，并降低效率。而且，所用探測器的數量通常較少(對于150000個要冷凍干燥的產品需要4或5個探測器)，這會導致一批產品的廢品率達到10％。

已經設想了其他測量系統，用于例如通過在處理期間測量產品的電阻抗或介電常數來監視真空冷凍干燥動力學。放置在產品中的電極上的前部通道改變了這些值。此外，液態水的介電常數比冰大很多，可以檢測融化現象。

上述間接方法的主要缺點是它們的局部特征以及缺乏靈敏度。例如，溫度曲線不夠準確并且不能準確確定主干燥的結束。

因此，設想了一種考慮整個系統的控制方法。尤其地，建議使用一種基于加熱板和冷凍干燥器的冰阱的熱平衡來監視處理動力學的方法。監視冷阱中液態氮的消耗量能夠逼近熱平衡。在理論上該方法給出了所有時刻的熱傳遞的強度，以及因此產生的水蒸氣的量。然而，熱平衡的質量相反地受到溫度探測器的準確性和難以量化的熱損耗的影響。

測量大量容納產品的盤或者冷凝器是處理期間監視失水量動力學的一種方法。盤支撐系統或固定到框架上的冷阱裝配有應變儀，應變儀的變形與從產品中提取的和以冰的形式獲得的水份量有關。不幸的是，該明顯可靠的方法不能容易地適用于已經建好的多數冷凍干燥設備，并且其成本較高。從機殼發出的水蒸氣的物料平衡還可以通過利用水蒸氣壓力傳感器進行直接測量而獲得。所有這些方法都存在處理結束時測量的準確性問題。

如果冷凝器位于冷凍干燥機殼外部，則可以在關閉連接機殼到阱的閥后監視冷凍干燥機殼內總壓力的演變(這稱為氣壓方法)。忽略空氣泄漏，壓力的任何快速升高指示了升華的較高速率并反映了剩余冰的存在。該方法的分辨率(發生在冷凍干燥動力學上的壓力的影響)和其在周期結束時的準確性(當發出少量水蒸氣時)限定了其限制。