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LYOTK15–真空冷冻干燥机冻干机的作用与原理冻干机结构冻干系统的组成冻干的工艺流程•冻干测试服务部2017年04月冻干机的原理简介冻干机的作用与原理（常用名词定义）冻干机的作用与原理（常用名词定义）1.什么是冻干？冷冻干燥就是把含有大量水分的物质，预先进行降温冻结成固体。然后在真空的条件下使水蒸汽直接从固体中升华出来，而物质本身留在冻结的冰架子中，从而使得干燥制品不失原有的固体骨架结构，保持物料原有的形态,且制品复水性极好。2.升华和凝华某些固体不经过液态而直接变成气态的汽化现象叫做升华。当蒸汽遇到比该蒸汽的凝固温度低的物体时，则蒸汽会直接凝固成固体而附在低温物体的表面，这一过程叫做凝华。凝华过程是放热过程，它是升华的逆过程。冻干机的作用与原理（常用名词定义）3.什么是共晶点？冻干产品大多数是水溶液，有些是多种成份的水溶液，有些是溶液和悬浮液的混合液。一些成份复杂的液体在冷冻时会形成两种状态，一种是晶体状态，一种是无定形态，也称玻璃态。如果是形成晶体状态，那么完全冻结或固化的温度叫共晶点；如果形成玻璃态，完全冻结或固化和温度叫玻璃态转化温度。冻干机的作用与原理（常用名词定义）4.产品的崩解现象当产品干燥到一定时候，将形成干燥产品和冻结产品两个部分，干燥产品是溶质的结晶，冻结产品是溶质和水的结晶。某些产品当温度升高到一定温度时，溶质的结晶会失去刚性，变得发粘，发生崩塌，这叫做崩解现象，发生崩解时的温度叫做崩解温度。冻干机的作用与原理：药品冻干冻干机的作用与原理5.药品的冷冻干燥目的冻干的主要目的是保持其活性，而药品采用冻干技术的好处更多。①药品不变质，适合于长期存放；②容易实现定量准确；③容易实现无菌化操作；④药品损失浪费少；⑤复水性能好，尤其是针剂，冻干的针剂医护人员和患者再也不用手摇晃融化，而是见水即溶。冻干制剂产品线组成及示意图冻干机的结构冻干机系统图冻干系统的组成冻干箱是方形或圆筒形容器，内装有板层组件。箱体内部采用不锈钢进行制造，对焊缝采用全焊透焊接,并进行研磨和抛光，以保证箱体能得到彻底清洁。冻干箱上装有一个或多个带灯视镜作为冻干产品观察窗。冻干箱门内侧材质为不锈钢。方形箱门采用旋转式门锁，密封条安装在箱门上，以方便清洁、防止箱内锐物对密封条的伤害，采用摇臂式铰链，靠近铰链一侧设置了硅胶补偿垫片，更换密封条时请勿遗失或改变方位。冻干箱有真空探头接口、产品温度探头连接口和验证孔等。当箱体超压时，自动安全阀将对冻干箱提供保护。当冻干箱压力上升到一个预设定值时，安全阀将自动开启，将气体排泄到安全的区域。板层安装在冻干箱内。每块板层都是由上下两块板加上中间的隔条组成。板层温差控制在1.0℃，制冷极限温度为-55°C，加热极限温度达+80°C。在–40~40°C的温度范围内，板层表面温度的偏差将控制在2.0°C的范围之内。冻干箱冷阱的功能是吸附冻干箱内升华的水蒸气，为圆筒型容器置于冻干箱后部，分立式冷阱和卧式冷阱两种，内有捕冰盘管。冷阱上有制冷系统接口、抽空阀接口、温度探头接口和化霜管道等接口。有一个带灯视镜来观察冻干过程和化霜过程。冷阱与冻干箱之间装有液压驱动蘑菇阀。主阀的阀位状态在流程图画面中进行显示。它可以实现以下功能：（1)减少每批料之间的交叉污染。（2)干燥过程中进行压力升高试验，有助于发现故障和方便操作者检查产品的干燥程度。（3)冷阱化霜时避免化霜蒸汽或热水进入冻干箱。冷阱冻干机的结构-制冷系统制冷系统是冻干机的最重要的组成部分，被称为“冻干机的心脏”。理论上制冷系统由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和热力膨胀阀所构成，主要是为干燥箱内制品前期预冻供给冷量；以及为后期冷阱盘管捕集升华水汽供给冷量。设计时，考虑到冻干机对制冷的要求特殊性，其制冷系统主要由以下部件组成：压缩机,制冷剂,油分离器，水冷凝器，干燥过滤器，中间冷却器，视液镜，电磁阀，膨胀阀，蒸发器（板式交换器，后箱冷凝盘管），汽液分离器，回气过滤器，压力表，安全阀，制冷管道等。冻干机的结构-制冷系统一种物质能从一种物质（或物体）吸收热量，然后传递给另一种物质（物体），在传递热量的过程中只发生物理变化，这种物质称为制冷剂。不同类型的制冷机使用不同种类的制冷剂。我们使用的是非共沸混合制冷剂R504A，最低蒸发温度为-70℃，最高蒸发温度为-30℃。制冷系统中的工作介质为制冷剂，它是一种特殊液体，其沸点低，在低温下极易蒸发，当它在蒸发时吸收了周围的热量，使周围物体的温度降低；然后这种液体的蒸汽经压缩成为高温、高压汽体，在冷凝器中冷却变成液体，再将该液体降压节流到水冷凝器中吸热，如此循环不断，便能使蒸发部位的温度不断降低。压缩机是制冷系统的核心，压缩机主要是对气态R504A制冷剂进行压缩，从吸气口吸入低温低压的气态R504A制冷剂，经过活塞或螺杆压缩后，变成高温高压的气态R504A制冷剂。压缩机按照压缩的形式，可以分为活塞式压缩机和螺杆式压缩机。我们使用的是螺杆式压缩机。2020/6/22压缩机冻干机的结构-制冷系统压缩机：制冷系统的“心脏”螺杆式压缩机螺杆式压缩机采用半旋转螺杆压塞气体体积.内置的油分离器和油罐可避免油因制冷循环而减少.冻干机的结构-制冷系统油分离器的目的就是使冷冻机油能不断的回到压缩机曲轴箱，以确保压缩机油箱里有足够的冷冻油，保证润滑效果。在制冷系统中，水冷凝器的作用是将“高温高压”的气态制冷剂的热量传给环境介质（冷却水或空气）并使之冷凝成液体。如果冷凝器的冷却效果不好，压缩机的高压较高，影响制冷效果。选用的水冷凝器，还可以当作制冷剂的储液罐，收液时就是将R504A收到水冷凝器里，然后将水冷凝器进出液阀关住。安全阀安装在水冷凝器上，当水冷凝器内压力超过一定压力后,安全阀自动释放压力，起到安全保护作用。冻干机的结构-制冷系统在压缩制冷系统中，中间冷却器用来冷却低压级排气，避免因高压级吸气温度过高而使排气温度超过允许值，同时提高制冷效率。在R504A双级制冷机中，因排气温度较低，采用中间不完全冷却循环。低压缸的排气与中间冷却器中产生的饱和蒸汽在管路中混合后进入高压缸。因此高压缸吸入的是中间压力下的过热蒸汽。我们现在选用一个小型板式换热器作中间冷却器。冻干机的结构-制冷系统膨胀阀：制冷系统的节流装置2020/6/22膨胀阀冻干机的结构-制冷系统热力膨胀阀主要由感温包、毛细管、阀座、阀针、弹簧、调节杆、阀体等组成，感温包里有制冷剂或其他介质的液体，其压力由感温包的温度决定。在制冷系统中蒸发器的作用是让制冷剂液体在较低温度下吸收被冷却环境介质的热量而蒸发成蒸汽，以降低被冷却物体或空间的温度或维持其低温。按照被冷却介质的种类的不同，蒸发器可分为冷却液体介质的蒸发器和冷却空气的蒸发器。在冻干机中，板式换热器和冷阱盘管就是作为蒸发器来使用。冻干机的结构-制冷系统冷阱冻干机的结构-制冷系统冷阱的作用主要是用来捕捉冻干机箱体内升华出的水蒸汽，对升华出的水蒸汽形成从冻干箱到冷凝器的差压推动力使其在冷凝表面结成冰。冻干机的结构-真空系统制品中的水分只有在一定的真空状态下才能进行升华，达到干燥的目的。系统采用真空泵组，组成强大的抽吸能力，在干燥腔室和冷凝器形成真空，一方面促使干燥腔室内的水份在真空状态下蒸发（升华），另一方面该真空系统在冷凝器和干燥腔室之间形成一个真空度梯度（压力差）。使前箱水分升华后被冷凝器捕获。真空系统是冻干机的重要组成部分，其主要由干燥箱、冷凝器、真空泵、罗茨泵、小蝶阀、箱阱隔离阀（大蝶阀、蘑菇阀）、放气装置、辅助装置、真空管道等组成。冻干机的结构-真空系统真空是指低于大气压的气体所存在的空间状态。真空度是表示一个空间已达到的真空程度。真空度的单位为Pa。用来获得真空的器械称为真空泵。罗茨真空泵，可以获得较大的抽速和达到较好的极限真空。冻干机的结构-真空系统真空系统的隔离阀：小蝶阀、箱阱隔离阀（蘑菇阀、大蝶阀）。1、小蝶阀小蝶阀是用来接通或截止真空泵和后箱之间气流通道的隔离阀门，接在真空泵泵头管道上。小蝶阀通过气动系统来控制开和关，达到接通和截止的目的。由于小蝶阀需要频繁开启，故开关需要稳定可靠，开启时能开足，关闭时能够关住。不能有泄漏真空和漏气的现象。2、箱阱隔离阀箱阱隔离阀是接通或截止干燥箱（前箱）和冷阱（后箱）的气流通道的阀门，安装在前后箱之间。箱阱隔离阀的主要形式有两种：采用大蝶阀型和采用蘑菇阀型。冻干机的结构-真空系统放气装置是真空系统中必不可少的装置，其主要有放气电磁阀、掺气微调阀、呼吸器、放气管道等组成。掺气微调阀是一个针阀，作为微量空气进入干燥箱以实现压力控制的阀门。一般与电磁阀组合使用，用微调阀调节进气量的大小，用电磁阀控制进气时间。主要是用在产品冻干，在二次干燥用于掺气。呼吸器主要起过滤无菌空气的作用，进入到箱内的气体必须先通过呼吸器，经过一个0.22um的滤芯过滤后，气体进入到箱内，确保冻干产品的洁净。冻干机的结构-循环系统循环系统是冻干机的重要组成部分，主要由循环泵、电加热、板式换热器、板层、平衡桶以及辅助装置组成。循环系统是冻干箱板层的制冷和加热系统。冻干机为了获得均匀的板层温度，都采用间接制冷和间接加热的方式，硅油循环系统满足了这种要求。冻干机的结构-循环系统循环泵是一个非自吸式水泵，两台泵并连连接，循环系统里硅油的流动就是通过循环泵来驱动。冻干机的结构-循环系统电加热是提供热量的装置，在制品升华时启动电加热，给硅油加热升温。板式换热器是在前箱制冷时，通过R505A和硅油的换热，使导热硅油的温度降低，达到前箱制冷的目的。冻干机的结构-循环系统板式换热器：制冷系统的蒸发器，蒸发器是制冷系统获得冷却的地方，是制冷剂吸收热量的地方，一般均需要保温。冻干机的结构-循环系统硅油存在不同程度的热胀冷缩，为了始终保持硅油管里都是充满了油，平衡桶起到平衡的作用。板层的作用是冻干时放置产品，对于冻干西林瓶来讲，可以在冻干箱内进行压塞。冻干机的结构-液压系统液压系统主要用于板层升降、制品压塞、蘑菇阀开启和关闭的时候，液压系统主要由液压泵站、大油缸、小油缸、油管等组成。液压站大油缸小油缸冻干机的结构-电控制系统电气控制系统由硬件和软件组成。冷冻干燥机的电气控制系统由电脑显示记录仪、控制台、控制仪表、调节仪表等自动装置和电路组成。它的功能是对冷冻干燥机进行手动或自动控制，控制设备正常运转。控制台是温度、真空度巡检仪的记录控制仪表及各机组开关的集中集团，控制台的仪表板装有温度，真空度巡检仪，干燥箱和真空泵的真空计，温度指示调节仪，液温控制调节仪，计时钟等。按钮板上装有各机组的开关等。冻干机还设有连锁保护装置，如①前箱制冷时加热管不能工作。②真空表不到设定值，罗茨泵不能启动。③冷却水未提供，制冷机组不启动。④真空泵、电磁阀带放气截止阀与真空泵电源表连在一起，同时工作。⑤搁板加热恒温，由温度指示调节仪控制。冻干的工艺流程在线清洗→在线灭菌→进料→预冻→抽空→干燥→压升→预放气→压塞→放气→存储→出料→冷阱除霜大门锁定：将大门关闭，旋转把手旋紧，手动操作，箱体手动抽空抽至0.25bar，点击“大门锁定”大门锁定后，点击箱体放气绿色指示灯亮，放气至常压后自动熄灭。大门解锁：箱体手动抽空抽至0.25bar，点击“大门解锁”，大门解锁后，点击箱体放气，绿色指示灯亮，放气至0.98Mpa打开大门后自动熄灭。冻干的工艺流程冻干的工艺流程第一步：进料进料在配方中是选项，只允许有一步。如果选用，必须是第一步。在进料步骤中，冻干机需要与自动进出料系统配合去进料。进料系统包括以下步骤：进料开始—小门打开位置—翻板下降—小门进料位置—板层定位—桥板前推—进料—桥板收回—小门打开位置—翻板上升—板层提升—完成。第二步：预冻冻干配方中至少应该有一步预冻，用户在配方中可以配置多步预冻。在预冻步骤中，箱体中装载在板层中的产品冻结至设定的极限温度(一般是-40℃)。当步骤设定时间已到，而且系统通过温度控制使板层进口温度控制±1℃偏差范围之内时，周期进入下一个步骤。第三步：抽空抽空是对冷阱及箱体进行抽空。冻干配方必须有且只能有一步抽