罗博讲冻干010：安全边界的确定——真空度对搁板温度选择范围的影响

1 背景

升华干燥阶段是真空冷冻干燥过程中耗时最长的阶段，提高升华干燥阶段效率是大家一直都关注的重点。改变搁板温度和真空度是调控升华干燥阶段的主要手段。然而这两个参数对升华速率的影响并不是简单的线性关系，而是表现出了较为复杂的关系。其中，在确定干燥阶段搁板温度和真空度时最为常用的图如下图所示：

图1 真空度、搁板温度（图中实线）、升华界面温度（图中虚线）与升华速率的关系示意图

图1中蕴含着非常丰富的信息，为我们在干燥阶段选择搁板温度和真空度提供了重要指导。受限于篇幅，我们在这篇文章选取其中的一点进行说明。从图中可以看出，在搁板温度固定时，当增加真空度，升华速率会增加，然而相应的升华界面温度却表现出上升的趋势，这说明样品温度更接近塌陷温度，这也意味着样品发生塌陷的几率有所增加。这从冻干基础理论上能够加以说明。当真空度增加时，样品与搁板之间的传热，包括热对流和热传导，都得到了改善，进入到样品的热量得到增加。这使得样品内的升华界面温度升高。同时，可用于升华的热量也有所增加，提升了样品的升华速率。

这从另一方面，也为我们在选择干燥过程参数方面提供了参考：在相同搁板温度条件下，提升真空度固然能够提升升华速率，但是样品温度也得到了提升，这导致样品温度更接近于塌陷温度，样品冻干失败的风险有所增加，换句话来说，当真空度增加时，使样品保持在安全温度（如-25℃）所需的搁板温度降低。这一趋势在图1中的虚线（即升华界面温度）表现得较为明显。使其维持在固定升华界面温度所需的搁板温度随着真空度增加逐渐降低。

然而这仅仅是从冻干原理方面进行的解释，说服力没有那么强，可能有些读者朋友也会提出，当提升真空度时，升华速率增加，那么升华带走的潜热也会给样品带来一定的制冷效果，导致样品温度降低？那这与图中的结论不是相抵触？这样的分析从冻干过程原理上分析也有一定的道理，为了进一步明确结论，开谱使用胶原蛋白作为原材料开展了实验，来对图1所示规律进行验证。

2 实验手段

2.1 实验设备与材料

我们利用开谱RD2原位型冻干机对胶原蛋白溶液进行了冻干处理。不同样品在冻干时的搁板降温速率、冻结终点温度、升温速率等参数设置相同，每次只改变升华干燥阶段搁板温度，搁板温度范围为-15℃~-29℃，步长为2℃。为探究不同真空度对搁板温度范围的影响，真空度依次设置为0.1mbar，0.2 mbar，0.3 mbar和0.4 mbar。

2.2 主要参数获取方法

（1）样品温度

在干燥阶段，搁板温度先经历升温，而后在设定温度条件下维持一段时间，但样品温度发生着一定的变化，为更好定量比较不同真空度下的样品温度变化，我们选取干燥阶段中点的样品温度作为干燥阶段样品温度的代表。

（2） 临界搁板温度

在实验过程中，保持真空度不变，改变搁板温度，观察实验过程中电阻率变化，当升华干燥阶段电阻率出现大幅度下降，如下图所示，即认为该工况选用的搁板温度为临界搁板温度，当搁板温度等于或大于临界搁板温度时，样品不能顺利冻干。可以看出，临界搁板温度越低，能选用的搁板温度范围就越有限。

图1 开谱冻干机实测冻干过程变化曲线

3 实验结果分析

表1列出了不同干燥条件下的样品温度对比，从表中可以看出，在不同搁板温度下，样品温度都表现出了随着真空度增加而增加的趋势，这验证了图1中所展现出的规律趋势。也说明当增加真空度时，传热量增加产生的样品升温效应占据了主导地位。

表1 样品温度对比

不同真空度下得到的临界搁板温度如下表所示：

表2 不同真空度下的临界搁板温度

从表1可以看出，随着真空度的增加，临界搁板温度的值越来越小，这说明随着真空度的增加，维持样品温度低于塌陷温度所需要的搁板温度越来越低，允许的参数范围也就越小。这与图1中展现出的趋势也是相符的。

4 结论

在本文中，我们简单给大家介绍了真空度对搁板温度可用范围的影响，实验结果表明真空度极大地影响了搁板温度的可用范围。这说明了真空度控制的重要性，在实际冻干过程中，如果真空度控制不恰当，搁板温度安全范围会发生变化，在设计真空度下安全的搁板温度范围在另一真空度下可能会导致样品发生塌陷融化，导致干燥过程失败。因此，在进行冻干的过程中，选择真空度控制精准的冻干机相当重要。开谱冻干机配备进口电磁阀，自动泄压，真空度可调控；皮拉尼真空计，测量范围更广，精度更高。