冷冻干燥(又称冻干)工艺主要包括三个步骤:预冻、主干燥和二次干燥。其中,主干燥阶段通常是整个流程中耗时最长、最复杂的环节。因此,通过自动化方法判断主干燥终点,可有效优化工艺时间。在实际操作中,操作人员也可根据需求结合多种检测方法。
一、产品温度设定值法(适用于主干燥终点判断)
当升华过程发生时,冷冻产品的温度会低于控温搁板的温度。当产品温度接近搁板温度或显著高于 0℃时,可认为产品中已无冰晶残留,即主干燥终点已到达。
- 软件应用:用户在主干燥程序中设定 “主干燥终点产品温度”,当产品平均温度达到预设值时,程序将自动进入预设的结束流程,随后转入二次干燥。结束流程可确保所有西林瓶完成主干燥后再进入二次干燥;若未设置结束流程,程序将直接跳转至二次干燥。此功能尤其适用于小批量产品。
二、电容式真空计与皮拉尼真空计收敛测试法(需配备两种真空计)
皮拉尼真空计的读数会受气体成分影响,在有水蒸气存在时读数偏高;而电容式真空计可测量绝对真空,不受水蒸气干扰。通过对比两种真空计的压差(ΔP),可判断主干燥终点。
- 系统校准:在干燥、空载且预冷的冻干机中,启动设备并稳定运行后,记录两种真空计的读数。正常情况下,两者压差较小(毫托级)。
- 检测原理:主干燥阶段,腔体内水蒸气含量高,皮拉尼读数高于电容式真空计。随着升华进行,水蒸气减少,两者压差逐渐接近校准状态下的 ΔP。当压差达到预设值时,即为主干燥终点。
- 软件应用:用户输入预设压差,程序检测到压差达标后,自动进入结束流程及二次干燥。
三、露点传感器法(需配备湿度传感器)
湿度传感器通过测量露点(℃)反映产品残留水分。主干燥终点时,露点急剧下降,表明腔体内水分从固态冰转变为气态水蒸气。
- 操作步骤:用户预设目标露点值,当检测到露点达到该值时,程序跳转至结束流程及二次干燥。湿度传感器可实时监测冻干机内湿度,精准指示主干燥终点。
四、大气压力上升法(需配备隔离阀)
通过隔离阀关闭冻干腔与冷凝器、真空泵的连接,测量系统压力随时间的上升速率。
- 基线校准:在干燥、空载且预冷的系统中,关闭隔离阀,记录单位时间内的压力上升速率(通常为每分钟毫托数)。
- 实时检测:产品运行时,关闭隔离阀,若压力上升速率快于校准基线,表明仍有冰晶升华;当速率低于预设值(如 30 秒内压力上升<6 毫托,且 1 小时内 3 次以上有效读数),则判定为主干燥终点。
- 软件应用:用户设定测试时间、允许的压力上升速率及测试频率,达标后程序自动进入后续流程。
五、可调谐半导体激光吸收光谱法(TDLAS)
该技术通过在冻干机搁板腔与冷凝器之间的端口安装专用系统,监测水蒸气质量流量。当流量显著下降时,表明主干燥接近终点。
六、AccuFlux 热流监测法
通过测量搁板向产品容器的热流变化判断升华状态:升华过程中,蒸汽分子带走热量,热流值较低;当升华减缓,热流值逐渐趋近于零。具体原理可参考技术笔记《AccuFlux—— 用于监测冻干过程的热流传感器》。
