羅博講凍干010：安全邊界的確定——真空度對擱板溫度選擇范圍的影響

1 背景

升華干燥階段是真空冷凍干燥過程中耗時最長的階段，提高升華干燥階段效率是大家一直都關注的重點。改變擱板溫度和真空度是調控升華干燥階段的主要手段。然而這兩個參數對升華速率的影響并不是簡單的線性關系，而是表現出了較為復雜的關系。其中，在確定干燥階段擱板溫度和真空度時最為常用的圖如下圖所示：

圖1 真空度、擱板溫度（圖中實線）、升華界面溫度（圖中虛線）與升華速率的關系示意圖

圖1中蘊含著非常豐富的信息，為我們在干燥階段選擇擱板溫度和真空度提供了重要指導。受限于篇幅，我們在這篇文章選取其中的一點進行說明。從圖中可以看出，在擱板溫度固定時，當增加真空度，升華速率會增加，然而相應的升華界面溫度卻表現出上升的趨勢，這說明樣品溫度更接近塌陷溫度，這也意味著樣品發生塌陷的幾率有所增加。這從凍干基礎理論上能夠加以說明。當真空度增加時，樣品與擱板之間的傳熱，包括熱對流和熱傳導，都得到了改善，進入到樣品的熱量得到增加。這使得樣品內的升華界面溫度升高。同時，可用于升華的熱量也有所增加，提升了樣品的升華速率。

這從另一方面，也為我們在選擇干燥過程參數方面提供了參考：在相同擱板溫度條件下，提升真空度固然能夠提升升華速率，但是樣品溫度也得到了提升，這導致樣品溫度更接近于塌陷溫度，樣品凍干失敗的風險有所增加，換句話來說，當真空度增加時，使樣品保持在安全溫度（如-25℃）所需的擱板溫度降低。這一趨勢在圖1中的虛線（即升華界面溫度）表現得較為明顯。使其維持在固定升華界面溫度所需的擱板溫度隨著真空度增加逐漸降低。

然而這僅僅是從凍干原理方面進行的解釋，說服力沒有那么強，可能有些讀者朋友也會提出，當提升真空度時，升華速率增加，那么升華帶走的潛熱也會給樣品帶來一定的制冷效果，導致樣品溫度降低？那這與圖中的結論不是相抵觸？這樣的分析從凍干過程原理上分析也有一定的道理，為了進一步明確結論，開譜使用膠原蛋白作為原材料開展了實驗，來對圖1所示規律進行驗證。

2 實驗手段

2.1 實驗設備與材料

我們利用開譜RD2原位型凍干機對膠原蛋白溶液進行了凍干處理。不同樣品在凍干時的擱板降溫速率、凍結終點溫度、升溫速率等參數設置相同，每次只改變升華干燥階段擱板溫度，擱板溫度范圍為-15℃~-29℃，步長為2℃。為探究不同真空度對擱板溫度范圍的影響，真空度依次設置為0.1mbar，0.2 mbar，0.3 mbar和0.4 mbar。

2.2 主要參數獲取方法

（1）樣品溫度

在干燥階段，擱板溫度先經歷升溫，而后在設定溫度條件下維持一段時間，但樣品溫度發生著一定的變化，為更好定量比較不同真空度下的樣品溫度變化，我們選取干燥階段中點的樣品溫度作為干燥階段樣品溫度的代表。

（2） 臨界擱板溫度

在實驗過程中，保持真空度不變，改變擱板溫度，觀察實驗過程中電阻率變化，當升華干燥階段電阻率出現大幅度下降，如下圖所示，即認為該工況選用的擱板溫度為臨界擱板溫度，當擱板溫度等于或大于臨界擱板溫度時，樣品不能順利凍干。可以看出，臨界擱板溫度越低，能選用的擱板溫度范圍就越有限。

圖1 開譜凍干機實測凍干過程變化曲線

3 實驗結果分析

表1列出了不同干燥條件下的樣品溫度對比，從表中可以看出，在不同擱板溫度下，樣品溫度都表現出了隨著真空度增加而增加的趨勢，這驗證了圖1中所展現出的規律趨勢。也說明當增加真空度時，傳熱量增加產生的樣品升溫效應占據了主導地位。

表1 樣品溫度對比

不同真空度下得到的臨界擱板溫度如下表所示：

表2 不同真空度下的臨界擱板溫度

從表1可以看出，隨著真空度的增加，臨界擱板溫度的值越來越小，這說明隨著真空度的增加，維持樣品溫度低于塌陷溫度所需要的擱板溫度越來越低，允許的參數范圍也就越小。這與圖1中展現出的趨勢也是相符的。

4 結論

在本文中，我們簡單給大家介紹了真空度對擱板溫度可用范圍的影響，實驗結果表明真空度極大地影響了擱板溫度的可用范圍。這說明了真空度控制的重要性，在實際凍干過程中，如果真空度控制不恰當，擱板溫度安全范圍會發生變化，在設計真空度下安全的擱板溫度范圍在另一真空度下可能會導致樣品發生塌陷融化，導致干燥過程失敗。因此，在進行凍干的過程中，選擇真空度控制精準的凍干機相當重要。開譜凍干機配備進口電磁閥，自動泄壓，真空度可調控；皮拉尼真空計，測量范圍更廣，精度更高。