前言

冷凍干燥工藝中，產(chǎn)品溫度Tp是決定最終產(chǎn)品質(zhì)量和工藝時(shí)間的最重要因素之一。

一次干燥階段，產(chǎn)品溫度（升華界面溫度）需低于其塌陷溫度Tc（無定形處方）或共晶點(diǎn)溫度(晶體處方)。如產(chǎn)品溫度（升華界面溫度）高于關(guān)鍵溫度，則會(huì)引起塌陷或者熔融。

然而，如產(chǎn)品溫度（升華界面溫度）過低，則一次干燥時(shí)間會(huì)相應(yīng)大幅延長(zhǎng)。一次干燥階段，產(chǎn)品溫度（升華界面溫度）每升高1℃，則一次干燥時(shí)間可縮短13%。

一次干燥階段產(chǎn)品溫度既影響到產(chǎn)品最終質(zhì)量指標(biāo)（水分、復(fù)溶時(shí)間、活性）又影響到凍干工藝的時(shí)長(zhǎng)，是最重要的凍干工藝參數(shù)之一。

一次干燥階段產(chǎn)品溫度由：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三個(gè)輸入變量控制。

•  傳導(dǎo)由板層溫度決定 —— 對(duì)應(yīng)設(shè)備的板層控溫精度和板層溫度均一性。

•  輻射由設(shè)備保溫、腔體大小、運(yùn)行工藝的板層溫度等一系列不可精準(zhǔn)控制因素決定----通常我們能做的是盡量降低此因素在產(chǎn)品溫度影響中的占比。

•  對(duì)流傳熱 —— 對(duì)應(yīng)設(shè)備在一次干燥階段的腔體壓力控制。

下圖列出了，0.1到0.5mbar區(qū)間，壓力對(duì)于產(chǎn)品溫度影響都占最大比例；只是不同壓力數(shù)值的工藝，具體占比會(huì)有一定的區(qū)別。

* 當(dāng)腔體壓力低于0.050mbar的時(shí)候，對(duì)流帶來的熱輻射顯著減小。這時(shí)主要的熱量傳遞方式是傳導(dǎo)和輻射。

但目前市場(chǎng)上用戶對(duì)于凍干機(jī)的關(guān)注點(diǎn)，主要放在“板層溫度均一性"上；對(duì)于實(shí)際對(duì)產(chǎn)品影響更大，更劇烈的壓力控制的了解卻少得多。

此篇內(nèi)容將會(huì)分析凍干機(jī)壓力（真空度）控制的四種方式：

•  上游真空控制

•  下游真空控制（開關(guān)閥控制、手動(dòng)比例閥控制、PID比例閥控制）

讀完以下內(nèi)容，希望能夠幫助大家理解：為什么不同的凍干機(jī)設(shè)備，壓力波動(dòng)可以分別是±5pa、±3pa、±2pa、1pa或者＜±0.5pa、±0.3pa甚至沒有波動(dòng)0pa。

如果我們希望壓力波動(dòng)可以在1pa以內(nèi)（＜±0.5pa甚至達(dá)到±0.1pa），設(shè)備應(yīng)該如何設(shè)計(jì)和配置。

一、下游真空控制

通過泵阱閥（下圖SV11）的開關(guān)，來控制前箱壓力（真空度）。

•  如用戶設(shè)定的一次干燥階段壓力數(shù)值為0.1mbar（10pa）：工藝運(yùn)行過程中前箱壓力高于10pa則泵阱閥打開?壓力下降?前箱壓力低于10pa?泵阱閥關(guān)閉。如此往復(fù)，獲得類似下圖的壓力控制曲線。

•  此種壓力控制方式的原理決定了壓力控制波動(dòng)較大。

•  目前90%以上藥廠用戶已不再使用采用這種壓力控制方式的設(shè)備，僅有非常少數(shù)的用戶的設(shè)備還在使用此種壓力控制方式。

二、上游真空控制（自動(dòng)滲氣）

(1)  開關(guān)閥控制類型

腔體配備開關(guān)閥（下圖SV15001），通過開關(guān)閥的一開一閉來控制進(jìn)入腔體的摻氣量。

•  如用戶設(shè)定的一次干燥階段壓力數(shù)值為0.1mbar（10pa）：工藝運(yùn)行過程中前箱壓力低于10pa則開關(guān)閥（SV15001）打開?壓力上升?前箱壓力高于10pa?開關(guān)閥（SV15001）關(guān)閉?壓力下降。如此往復(fù)（因?yàn)門ELSTAR不生產(chǎn)此配置的設(shè)備，所以此處無曲線提供）。

•  對(duì)于此種配置的設(shè)備，凍干機(jī)配備的滲氣閥門大小和數(shù)量的選擇非常關(guān)鍵。

•  閥門選擇過小，則實(shí)際運(yùn)行壓力大部分時(shí)間都低于設(shè)置工藝壓力數(shù)值。

•  閥門選擇過大，則壓力向上波動(dòng)數(shù)值較大。

•  開關(guān)閥的摻氣方式，實(shí)現(xiàn)了上游真空控制但卻很難保證控制精度。

•  壓力波動(dòng)仍然較大(約是±3pa~±5pa左右的級(jí)別)。

(2)  手動(dòng)比例閥控制類型

腔體配開關(guān)閥+手動(dòng)比例閥，但比例閥開合角度由人工手動(dòng)調(diào)節(jié)。

•  在開關(guān)閥前加了一個(gè)可以手動(dòng)調(diào)節(jié)角度的比例閥。

•  可以理解此配置是人為調(diào)整了：開關(guān)閥每次打開的進(jìn)氣量。

•  但一次干燥過程中，升華量是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的參數(shù)，因此不可能在全過程進(jìn)行人為調(diào)節(jié)，且也無法預(yù)測(cè)升華量的變化。

•  此配置可使壓力波動(dòng)達(dá)到＜±3pa的級(jí)別。

•  有些用戶如果目前使用的設(shè)備，運(yùn)行壓力總是高于實(shí)際設(shè)置壓力，則可以考慮增加一個(gè)前置手動(dòng)比例閥?？梢欢ǔ潭染徑膺\(yùn)行壓力過高的問題且無需改動(dòng)設(shè)備的PID控制系統(tǒng)。

(3)  PID比例閥控制類型

腔體配開關(guān)閥+自動(dòng)比例閥（針孔閥），比例閥開合角度（頻率）由PID系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

•  此配置下，一次干燥過程中上游真空控制系統(tǒng)的開關(guān)閥（SV15001）幾乎不再關(guān)閉。

•  PID系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)升華量，自動(dòng)調(diào)整自動(dòng)比例閥（PSV15）的開合角度。

•  壓力控制精度可以達(dá)到1pa以內(nèi)（＜±0.5pa、±0.1pa，甚至無波動(dòng)）。

三、他配置的影響

•  電容真空計(jì)比皮拉尼真空計(jì)對(duì)壓力變化更敏感且反饋更迅速。

•  使用電容真空計(jì)進(jìn)行真空控制的設(shè)備，會(huì)比用皮拉尼真空計(jì)進(jìn)行真空控制的設(shè)備壓力控制精度更高一個(gè)級(jí)別（波動(dòng)更小）。

四、最后的話

•  壓力控制是一個(gè)動(dòng)態(tài)、協(xié)作的過程因此對(duì)設(shè)備整體要求非常高。

•  不同類型和精度的閥門，就好像人的胳膊、手掌、手指。越精巧的配置就可能達(dá)到更精準(zhǔn)的控制。

•  真空計(jì)則仿佛是人的神經(jīng)系統(tǒng)，精準(zhǔn)的控制，需更加靈敏的感應(yīng)和更加迅速的反饋。

•  PID系統(tǒng)，仿佛是人類的大腦。

•  硬件配置足夠了，但如果PID程序模塊應(yīng)用不夠科學(xué)。則最終控制精度仍然不會(huì)很高。

•  如果你的設(shè)備，硬件配置足夠，壓力控制精度還是不高。則可能是PID系統(tǒng)的問題，PID系統(tǒng)是每個(gè)凍干設(shè)備生產(chǎn)廠家的核心技術(shù)所在。

•  以上內(nèi)容及數(shù)據(jù)，為基于過去10年我在凍干行業(yè)內(nèi)了解的幾百臺(tái)凍干機(jī)的硬件情況的一個(gè)總結(jié)。

•  也許可能還有沒有覆蓋到的內(nèi)容及數(shù)據(jù)，歡迎溝通及指正。

•  同時(shí)希望我們一起了解設(shè)備的運(yùn)作邏輯，使用更好的設(shè)備，做出更好的產(chǎn)品。

* 參考文獻(xiàn)：Pikal M J. Use of laboratory data in freeze drying process design: Heat and mass transfer coefficients and the computer simulation of freeze drying

* 本文由“凍干工藝之家"原創(chuàng)，作者康瑜，發(fā)布于微信公眾號(hào)。如需轉(zhuǎn)載或引用，請(qǐng)注明出處并聯(lián)系授權(quán)。© 2026 TELSTAR·中國(guó)凍干工藝實(shí)驗(yàn)室 | 凍干工藝之家