1 引 言
冷冻干燥是将含水物质在低温下冻结，而后使其中的水分在真空状态下直接升华而获得干燥物品的一种技术。由于冻干后的制品具有稳定性高、保存时间长、复水性能好等优点，冷冻干燥法已广泛应用于医药工业、食品工业、生物制品工业。
由于冷冻干燥的过程对冻干制品的质量影响很大，因此应研究冻干过程的参数——降温速率、最低冻结温度、退火温度、退火持续时间、冷阱温度、加热量、真空度等与制品冻干特性间的关系，从而对冷冻干燥过程进行合理设计，提高冻干制品的质量。但目前国内外实验室用小型冻干装置在某些方面不能满足研究的需要，主要表现在以下几个方面。
(1)单级制冷系统的最低冻结温度为—55℃，最低冷阱温度为—75℃[1]。这样的温度不能满足某些制品最低冻结温度的要求，并且当冻干制品中含有低沸点有机溶剂(如酒精)或酸溶液时，冷阱不能有效地将它们的蒸汽冻结并捕获，导致真空泵损坏。为了达到更低的温度，制冷机组多采用双级压缩机组或复叠式机组，不仅结构复杂、体积庞大，而且昂贵。
(2)不具备冻结功能，冻结过程和干燥过程在两个系统中单独完成。先将需要冻干的制品在冰箱中冻结，然后将冻好的制品移人冻干机中，这种冻结和干燥过程分离的操作增加了中间过程对制品品质的损失，而且冰箱只能实现很简单的冻结，不能满足优化冻结方案的研究需要。
(3)制品升华所需要的热量由外界环境提供，无法根据冷冻干燥过程的需要为制品提供热量，干燥效率低，时间长。
(4)没有温度、真空度、质量的测量和控制系统,不能确切了解冷冻干燥动态过程。
为了能更好地满足实验室用冷冻干燥装置的性能要求，优化冷冻干燥过程，生产出高质量的冻干制品，笔者首次采用新型的自动复叠循环作制冷系统，自行研制了一套低温冷冻干燥装置。
2 低沮冷冻干燥装置的组成
笔者研制的冷冻干燥装置主要由制冷系统、真空系统、加热系统、称重系统、数据测量控制系统和电气控制系统组成，如图1所示。该装置的工作流程为：启动真空泵，抽空冷阱腔。然后开启压缩机进行搁板制冷，冻结置于搁板上的样品。此时可以根据设定的冻结过程，利用搁板下部的加热丝调节制冷量，实现所要求的降温速率、最低冻结温度和退火温度。在冻结阶段后期，启动冷阱制冷，使冷阱温度降到—80℃以下，并维持这一低温，然后开启冷阱腔和冻干室之间的真空隔膜阀，抽空冻干室，水蒸气从物料中升华出来向冷阱迁移并被冷阱吸附，干燥开始。当真空度达到30Pa时，停止搁板制冷，启动搁板加热丝加热或加热盘加热以提供物料升华所需的热量。干燥过程中，可以启动真空调节系统，进行循环压力的实验；启动电子天平称重系统，对样品质量的变化进行动态的记录。当天平的读数在半小时内基本不发生变化时，认为冻干过程结束，停运真空泵和压缩机，释放真空，取出样品，启动冷阱加热丝融化冷阱表面吸附的霜层，并打开放水阀放水。
2．1 制冷系统
本装置的制冷系统采用一种新型的自动复叠制冷循环，由中高回压压缩机、风冷冷凝器、精馏装置、热交换器、低温节流阀、冷阱蒸发器和搁板蒸发器等部件组成。系统的工作过程为：一定配比的非共沸混合工质R50、R1150、R23和R600a进入压缩机，压缩后产生的高温高压蒸汽进入风冷式冷凝器；在冷凝器中，一部分R600a被冷凝下来，冷凝后的汽液两相混合物进入精馏装置的釜底，低沸点气相工质在精馏柱内由下向上流动，与由上向下流动的高沸点液相工质在精馏柱内进行充分的热质交换，从精馏装置釜顶流出，进入热交换器EX2和EX1进行充分预冷；同时绝大部分R600a、少量的R23和润滑油的液态混合物进入釜底，低沸点混和工质在出热交换器EX1后分成两路进入两个低温节流阀节流制冷，节流后的冷流体分别给搁板和冷阱提供冷量。从蒸发器流出的流体，其温度仍然很低，继续预冷热交换器EXl和EX2中的高压热流体，然后在精馏装置釜顶热交换器EX3中将装置内上升的气体冷凝成液体，最后回到压缩机。精馏装置顶部的冷凝液一部分作为精馏柱的回流液，把绝大部分R600a和润滑油冷凝为液体；另一部分冷凝液被引出，经过针型节流阀J2减压膨胀后，与从热交换器EX1中出来的低温汽液两相混合工质混合，进入热交换器EX2冷却精馏柱出口的气体混合物；从釜底引出的液态混合物，经针型节流阀J1减压膨胀后，与从热交换器EX2出来的制冷工质混合后进人釜顶热交换器EX3[2]~[4]。
本制冷循环选用对大气臭氧层没有危害的环保型氟利昂R23、烷烃类1150、R600a和不饱和烃R1150作非共沸混合工质，用精馏装置实现高低沸点组分，包括润滑油的有效分离，利用制冷机内部的热交换减少节流过程的不可逆损失，只使用一台中高回压压缩机，成功地使制冷温度降到—80℃以下。图2为冷阱降温曲线。
本装置的真空系统有三个作用：一是为制冷系 统提供真空绝热保温；二是为冷冻干燥提供真空环 境：三是为循环压力实验提供真空度调节和控制。 真空系统包括冻干室、真空泵、真空计和真空隔膜 阀等部件。冻干室上部为一个直径400mm、高 500mm的真空有机玻璃罩，下部是一块厚10mm的 塑料底板，玻璃罩与底板之间由弹性密封垫片和真 空油脂密封，底板与周围外界相连处用真空油脂密 封，以保证系统的真空度。真空泵采用上海真空泵 厂生产的2XZ—4型旋片式真空泵，抽气速率4L／s， 极限真空度≤6×10-2Pa。真空计采用ZDF--1B型 数显式电阻真空计，由ZJ—52电阻规管和真空计 组成，测量范围为105~0．1Pa。该真空计自带四个 继电器，可以预先设定真空度的上、下限，当真空 系统的真空度达到设定值时，其内部继电器动作， 达到控制目的。
系统真空度的控制是由真空泵、电阻真空计、 电磁阀及充气氮气瓶等配合来实现的。以循环压力 实验为例，预先设定真空度上、下限值和循环时 间，开启真空泵抽气，冻干室内的真空度上升，当 电阻规管感受的冻于室内的压力小于真空计设定的 真空上限时，真空计内的继电器动作，电磁阀通电 打开，氮气进入冻干室中，冻干室的压力上升，通 过调节电磁阀的开度，控制进入冻干室内氮气的流 量，使真空度维持在设定的上限值。当到达循环时 间后，开大电磁阀，使真空室压力上升到设定的下 限值，并维持相应的循环时间，然后关小电磁阀开 度，使真空度维持在设定的上限值。如此周而复始 实现循环压力实验。
2．3 加热系统
本装置的加热系统有两个作用：一是调节搁板 和冷阱的温度，二是给干燥过程提供足够的热量。 加热系统由加热丝、加热盘、固态继电器、变压 器、A／D卡、铜一康铜热电偶等元件组成。加热 丝、加热盘的最大功率都为200W。为了实现冻结 过程中不同的冻结方案，得到不同的降温速率、冻 结终温及退火温度，必须对搁板的温度加以控制。 本系统所采用的方法是在不改变制冷系统制冷量的 情况下，改变贴在搁板下部的加热丝的加热量来实 现的。在本装置中，升华过程中自由水的升华潜热 和结合水所需的解吸能可以有两种方式来提供—— 搁板加热和加热盘辐射加热，两者提供热量的多少 直接影响制品冻干时间的长短以及制品质量的 优劣。
加热量的控制以加热盘的热量调节为例进行说 明。在实验前先设定制品的安全温度(一般比其塌 陷温度低10℃)，A／D卡采集到热电偶反馈过来的 制品温度，与设定值进行比较得到一个偏差值，将 此偏差值按照一定的算法运算并进行内部电路转 换，得到一个0~5V的输出信号给固态继电器， 固态继电器按信号的大小输出0~220V的交流电到 加热盘，这样就形成了温差大则加热量大、温差小 则加热量小的控制模式，符合干燥过程对加热量的 要求。图3为搁板控温曲线。
2．4 称重系统
为了计算干燥升华速率以及判断冻干过程是否 结束，在冻干室内放置德国Sartorius公司的电子天 平(型号为BS4000S，最大量程为4010g，精度为 0．01g)。该天平可以通过串行口与计算机相连，也 可以直接从电子天平显示屏读取天平读数。由于本 装置的搁板放在冻干室下部，因此将电子天平放在 冻干室上部。为了实现称量，特地制作了下挂式电 磁称重架，其中冻干瓶用软绳与电磁铁铁芯相连。 电磁铁不通电，软绳处于松弛状态，电子天平显示 称量架子的质量，此时如将天平清零，则电磁铁通 电后提起冻干瓶称重时天平的读数即为样品的质 量。可以程序设定每隔10min称重一次，每次的称 重时间为10s。此外，由于天平放在冻干室内，冻 干过程中不便进行直接操作，因而在程序中编制了 天平的控制面板，这样就能通过计算机方便地实现 对电子天平的各类操作。
利用上述称重系统，就能方便计算干燥速率。 在实验中，样品质量(包括瓶子)减少量除以相应 时间即为干燥速率。在冻干过程后期，当天平的读 数在半小时内基本保持不变时，可以认为冻干过程 结束。
2．5 数据测量控制系统
本装置测量控制的主要数据有质量、温度和压 力。测量控制系统由PC机、输入输出接口电路 (如A／D卡和接线端子板)、检测装置(如热电偶、 真空压力计、电子天平)和冻干系统四部分组成， 程序用labVIEW语言编写。本装置中的A／D卡最 多可提供16路通道的模拟量输入，其中15路通道 接热电偶，一路接真空计。该A／D卡还提供两路 模拟量输出，一路通过控制加热板的加热量来控制 物料的温度，另一路通过控制电磁阀的通断来控制 冻干室真空度。系统测量与控制原理如图4所示。
采用这一测量控制系统可以在界面上显示一系 列冻干特性曲线图，如冻干质量曲线、压力曲线、 冻干瓶内温度曲线、冷阱温度曲线、搁板温度曲线等。
2. 6 电气控制系统
为了集中控制以及直观显示，本装置所有电气控制元件都集中安置在控制箱内。箱体的面板上安装了仪表、按钮、开关以及指示灯，通过这些组件和合理的电气线路能方便地实现对压缩机启停、真空泵启停、加热盘温度、搁板和冷阱加热丝温度的控制。
3 研制的冻干装置的特点
(1)本装置结构简单、性能优越，最低制冷温 度低于—80℃，不仅能满足物料低温冻结的要求， 还能有效捕获低沸点的有机溶剂蒸气和酸蒸气，减 小对真空泵的损坏。
(2)真空有机玻璃罩既是冷冻室又是干燥室， 冷冻干燥过程可以连续进行，减少了中间操作过程 制品的品质损失。
(3)搁板温度可控，可以实现不同的冻结方 案，如不同的降温速率、冻结终温以及退火温度。
(4)极限真空度小于lOPa(空载)，而且真空 度可调，既能做恒压实验又能做循环压力实验。
(5)加热方式多样，既能自然加热，又能搁板 加热或者加热盘辐射加热，不仅可以满足不同干燥 阶段加热量的需求，还可以比较不同加热方式对制 品品质的影响。
(6)方便快捷的称重系统，既能计算干燥速率 又能判断冻干过程是否结束。
(7)测量控制程序界面友好，直观性强，功能 强大，能实时监控冷冻干燥过程中的温度、压力、 质量变化。
4 结 语
笔者所研制的低温冷冻干燥装置，首次采用一 种新型的自动复叠循环，最低制冷温度达到—80℃ 以下，测量和控制功能齐全，可以用于不同制品冷 冻干燥过程的设计和优化。
参考文献：
[1]刘占杰．脂质体药物低温冷冻干燥的实验研究与机理 分析(博士论文)[D]．上海：上海理工大学制冷与低 温工程，2001．
[2]陈光明，张绍志，王勤．深度制冷方法及其装置[P]． 中国专利：02110664．9．
[3]王勤．混合工质节流制冷机的理论和实验研究(博土 论文) [D]．杭州：浙江大学制冷与低温研究所， 2002．
[4]曹丹．一种新型的自动复叠制冷循环研究(硕士论文)[D]．杭州：浙扛大学制冷与低温研究所，2003，
作者简介：翁宇(1977- )，男，浙江大学制冷及低温工程硕士研究生
