基于露点法判断冻干过程的一次升华结束点(2)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海理工大学动力工程学院 作者:张今

  实验四:取20 个小瓶,每个小瓶填充0.1 ml2% 的甘露醇溶液。20 个瓶分两排,每排10 个排列在上层搁板中间,将热电偶插在第一排中间的小瓶中部。冻干过程参数设置如下:先将搁板温度降至- 30℃,维持2 h 后将冷阱温度降至- 45℃, 接着抽真空至40 Pa; 搁板温度升至- 25℃维持30 min;搁板温度升至- 10℃,维持60 min;搁板温度升至- 6℃, 维持420 min;解析干燥将搁板温度升至30℃,维持120 min,真空度控制40 Pa;搁板温度不变,抽极限真空,维持120 min;最后将真空度升至40 Pa,搁板温度不变,维持30 min。

  实验五:取80 个小瓶,每个小瓶填充2ml2%的甘露醇溶液。80 个小瓶分8 排,每排10 个均匀地排列在上层搁板。调整冻干时间参数,完成整个冻干过程。冻干过程参数设置如下:先将搁板温度降至- 30℃,维持2 h 后将冷阱温度降至- 45℃,接着抽真空至40Pa;搁板温度升至- 25℃维持30min;搁板温度升至- 10℃,维持60 min;搁板温度升至- 6℃,维持420 min;解析干燥将搁板温度升至30℃,维持240 min,真空度控制40 Pa;搁板温度不变,抽极限真空,维持240 min。

  实验六~十一:根据实验五的甘露醇冻干步骤,分别在不同的过程时间,停止冻干过程,将所有小瓶取出,称量它们的总质量。冻干过程参数设置与实验五相同。取80 个小瓶,分8 次,每次10 个,在电子天平上称量其质量,总和为80 个小瓶的空瓶质量m 瓶,加入溶液后,再分8 次,每次10个,称量溶液与瓶的质量,得出其总和m 瓶+ 溶液。二者的差值为加入的溶液质量m 溶液。取出小瓶后,依照上述方法称量物料与瓶的质量m 瓶+ 物料,将其与m 瓶+ 溶液的差值为该过程的失水量。为保证实验的可比性, 每次加入的溶液质量均为158.859g。

3、实验结果与分析

  图1 是80 个小瓶,其中两个小瓶填充3 ml2%甘露醇溶液的甘露醇冻干实验曲线。如图1 所示,预冻阶段搁板温度降低,干燥室内水蒸气凝结,水蒸气量减少,露点曲线下降。升华干燥是一种水蒸气从干燥层逸出,扩散到干燥室后,由于干燥室和冷阱之间的水蒸气分压差,水蒸气扩散到冷阱并在冷阱盘管上凝结的过程。在升华干燥开始之前先将干燥室内真空抽至40Pa,干燥室内水蒸气分压随着总压一起迅速下降到最低值,露点值随着下降到最低值。升华干燥刚开始时是一个非稳态阶段,搁板温度升高,水蒸气分压(露点)升高到与干燥室总压相当的值。升华干燥初期维持平台期,是因为从干燥层逸出的水蒸气量等于冷阱的凝结水量即干燥室内的增加的水蒸气量等于失去的水蒸气量,根据质量守恒原理干燥室内水蒸气量维持恒定值,露点曲线维持平台期。随着干燥进行,从干燥层逸出的水蒸气量逐渐小于冷阱的凝结水量,干燥室内水蒸气量缓慢减小,露点值缓慢下降。当从干燥层逸出的水蒸气量大大小于冷阱凝结水量时,干燥室内增加的水蒸气量大大小于失去的水蒸气量,干燥室内水蒸气量迅速减小,露点曲线迅速下降。当干燥层逸出的水蒸气量为0 时,干燥室内增加的水蒸气量为0,此时干燥室内水蒸气量最少,露点值达到最低值。

  从图1 中发现露点曲线能够与产品温度响应法的温度趋势对应,同时表现了露点法优于产品温度响应法的一点是不用将探头插入样品。图中可看出第一排的2 ml 样品升华干燥最早结束,而第三排中间的3 ml 样品最慢,与实际情相符,这是由于周围的小瓶的热量增量除了导热还有箱壁的辐射热,获得的热量比中间的小瓶多,干燥过程总是四周的小瓶干燥速率快,而中间的小瓶干燥速率慢[8]。干燥室内露点温度在升华干燥阶段有较平的平台期,当第一排的2 ml、3 ml样品的温度曲线开始往上升时,露点曲线斜率略微下降,而当第三排中间的3ml 样品温度上升时露点曲线线开始迅速下降,最后到达最低点。

甘露醇溶液冻干曲线甘露醇溶液冻干过程露点、水蒸气分压曲线

图1 实验一2%甘露醇溶液冻干曲线(80 瓶,78 瓶2ml,2 瓶3ml)  图2 实验一2%甘露醇溶液冻干过程露点、水蒸气分压曲线

  因此只有当干燥较慢的小瓶升华结束时,露点曲线才会快速下降,说明露点测试法并不受个别升华速率特别快的小瓶影响,它反映的是整批样品的干燥情况,它不受样品升华速率不均一的影响,真实地反映整批样品的干燥情况,也是说只有当最后一个小瓶干燥结束,露点值才会降到最低值,否则露点值都将大于最低值,处于下降状态。至于它有多大的灵敏性,将继续通过实验来检验,这次实验的过充小瓶率(即小瓶填充量与整体不一致的百分比) 是2.5%。在真空技术网中某文中用水蒸气分压来观察干燥过程的水汽变化,如图2 所示水蒸气分压曲线在升华干燥阶段变化明显,但是当升华干燥结束,水蒸气分压值迅速降低到0.002~0.02 mbar 值很小,因此从图上看变化不明显,当二次干燥开始时几乎看不出有什么变化。因此作为图形分析用露点更直观,采用露点法来监控冻干过程水分迁移情况和判断一次升华干燥结束点更有效。

  图3 是空载运行冻干曲线,过程设置与实验一相同。空载实验中露点平均值- 70.5 度,范围是- 73.6 ℃~- 67 ℃,在图1 中露点在升华干燥阶段最低值为- 73.2℃~- 72.9℃, 说明当露点在升华干燥阶段到最低值时, 干燥室内水蒸气量最少,干燥室内增加的水蒸气量为0,相当于空载,无水蒸气从干燥层逸出。

空载冻干曲线甘露醇溶液冻干曲线

图3 实验二空载冻干曲线  图4 实验三2%甘露醇溶液冻干曲线(160 瓶,159 瓶2ml,1 瓶3ml)

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