本文根據(jù)凍干過(guò)程干燥室內(nèi)的露點(diǎn)值和物料的水分含量有關(guān)提出一種新的方法———露點(diǎn)法來(lái)監(jiān)控凍干過(guò)程物料的水分遷移情況。以濃度為2%（W/V）的甘露醇（凍干保護(hù)劑）為研究對(duì)象，分別取80 個(gè)，160 個(gè)，20 個(gè)小瓶，通過(guò)不同的過(guò)充小瓶數(shù)（1個(gè)，2個(gè)），不同的溶液高度(溶液高度6.5mm，0.32mm)來(lái)檢驗(yàn)露點(diǎn)法在監(jiān)測(cè)整批樣品凍干過(guò)程的靈敏性。與稱(chēng)重法對(duì)照，稱(chēng)重法即在凍干過(guò)程不同的時(shí)刻取出樣品測(cè)量整批樣品質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明露點(diǎn)法即使當(dāng)過(guò)充小瓶率為0.625%，或者溶液高度為0.32mm 時(shí)仍有足夠的靈敏度，露點(diǎn)法得到的一次升華結(jié)束點(diǎn)與稱(chēng)重法結(jié)果一致。這說(shuō)明非接觸法露點(diǎn)法是一種可靠，便利的監(jiān)測(cè)一次升華結(jié)束點(diǎn)的方法，將其應(yīng)用于控制成批凍干樣品大有可為。

　　冷凍干燥是近年來(lái)新興的一項(xiàng)用于食品、藥品、生物制品長(zhǎng)期保存的方法。冷凍干燥后的制品具有色澤、形狀、香味不改變，可長(zhǎng)期保存，復(fù)水后可恢復(fù)原狀的特點(diǎn)。但是冷凍干燥一直也存在著凍干時(shí)間長(zhǎng)，能耗高，整批樣品升華速率不均勻、設(shè)備無(wú)法判斷一次升華干燥結(jié)束和二次解析干燥結(jié)束等“硬傷”。一次升華干燥結(jié)束點(diǎn)是指結(jié)束一次升華干燥轉(zhuǎn)入解析干燥階段的那個(gè)時(shí)刻。這是凍干控制的關(guān)鍵點(diǎn)，因?yàn)樽詈蟮臍堄啾�核升華以后，傳遞給物料的熱量全部用于使物料的內(nèi)能增加，溫度上升，這樣持續(xù)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致物料塌陷，褐變，失去香味或者失去活性;反之如果一次升華干燥時(shí)間太短的話，冰晶來(lái)不及升華，進(jìn)入解析干燥階段溫度上升，物料的溫度超過(guò)其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或者共晶溫度，產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生供熱過(guò)剩而融化報(bào)廢。因此冷凍干燥迫切需要一種方法來(lái)判斷一次升華干燥結(jié)束點(diǎn)。

　　目前，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中判斷一次升華干燥結(jié)束點(diǎn)最廣泛的方法是產(chǎn)品溫度響應(yīng)法。它是一種間接測(cè)量方法。將熱電偶或熱電阻插入樣品中，在升華過(guò)程溫度恒定，當(dāng)熱電偶（或熱電阻）所接觸的冰晶升華后，溫度就會(huì)迅速上升，但這反映的是局部的溫度變化，在這之后要再延長(zhǎng)六小時(shí)，使整個(gè)物料中的冰晶都升華成水蒸氣逸出。但這個(gè)方法存在下述幾點(diǎn)問(wèn)題：首先由于傳感器插入樣品，當(dāng)電流流過(guò)傳感器在加熱自身的同時(shí)也在加熱周?chē)�的環(huán)境，影響了探頭周?chē)�產(chǎn)品的結(jié)晶；其次探頭插入樣品使探頭周?chē)�的溶液異相成核，結(jié)晶在有無(wú)傳感器時(shí)不同；第三傳感器周?chē)�過(guò)冷度變小，帶有傳感器的小瓶總是首先冷凍，但冷凍過(guò)程進(jìn)行的較慢，慢凍造成產(chǎn)品形成冰晶尺寸較大，水蒸汽通過(guò)干燥層阻力較小，在升華過(guò)程，升華速率較快，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較粗糙，外觀不均勻；第四通常溫度響應(yīng)法無(wú)法檢測(cè)出一次升華過(guò)程的小瓶的干燥不均的問(wèn)題；第五由于此法當(dāng)制品溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)需要再維持4～6h增加了凍干時(shí)間；第六在藥品的生產(chǎn)過(guò)程要求干燥室內(nèi)無(wú)菌，而溫度探頭等破壞了干燥室內(nèi)的環(huán)
境，很難達(dá)到無(wú)菌的要求。

　　所以采用溫度響應(yīng)法判斷一次升華干燥結(jié)束并不合適。早在1969年Bouldoires 提出測(cè)量?jī)龈蓹C(jī)中的水蒸氣分壓可能是控制凍干過(guò)程最合適的方法；1989 年Roy 和Piakal 在半工業(yè)化情況下用濕度傳感器檢測(cè)了在凍干機(jī)內(nèi)各向異性情況下判斷一次升華干燥結(jié)束點(diǎn)的靈敏水平。1993 年Bardat 等人比較了多種測(cè)試方法（包括濕度傳感器），得出產(chǎn)品的最終殘余水份與干燥室中的相對(duì)濕度有關(guān)。他們建議控制凍干循環(huán)使用這種方法。1996 年N. Genin, F. Rene 等人，提出了用傳質(zhì)定律來(lái)解釋水蒸汽的擴(kuò)散，可分為等摩爾逆向擴(kuò)散和單向擴(kuò)散，并分別用這兩個(gè)模型建立了凍干過(guò)程的失水量和水蒸汽分壓的函數(shù)方程，并與稱(chēng)重結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)二者數(shù)據(jù)接近，并將這兩個(gè)模型聯(lián)立得出一次升華結(jié)束點(diǎn)的判斷方法，認(rèn)為該方法在過(guò)程控制中不需要再測(cè)量其他參數(shù)，而只是用到過(guò)程中的水蒸氣壓。所以受此啟發(fā)本文采用和水蒸汽分壓等價(jià)的露點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)凍干過(guò)程和判斷一次升華干燥結(jié)束點(diǎn)。

1、露點(diǎn)法的原理

　　露點(diǎn)指的是當(dāng)濕空氣內(nèi)水蒸氣的含量保持不變，即水蒸氣分壓力Pv 不變而環(huán)境溫度逐漸降低，狀態(tài)點(diǎn)沿定壓冷卻線達(dá)到飽和狀態(tài)，繼續(xù)冷卻就會(huì)結(jié)露，對(duì)應(yīng)于Pv 的飽和溫度為露點(diǎn)。即td=f(Pv)。水蒸氣分壓與露點(diǎn)呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。冷凍干燥過(guò)程中干燥室內(nèi)露點(diǎn)的變化就是水蒸氣分壓（水蒸氣含量）的變化。而干燥室內(nèi)的水蒸氣含量的增量除了空氣的泄漏外主要是由于樣品中的水蒸氣不斷從干燥層逸出進(jìn)入干燥室。露點(diǎn)曲線反映了凍干過(guò)程中干燥室內(nèi)水蒸氣含量的變化趨勢(shì)。

2、甘露醇凍干試驗(yàn)

2.1、實(shí)驗(yàn)裝置

　　本試驗(yàn)所用的凍干機(jī)是上海東富龍科技有限公司生產(chǎn)的Lyo- 0.2 型凍干機(jī)。雙級(jí)壓縮制冷，箱體為雙層擱板,擱板有效面積0.2 m²，真空泵最低可抽到2 Pa，立式冷阱，冷阱溫度可達(dá)-60℃，有自動(dòng)壓蓋裝置，冷阱最大捕水量4 kg，板式換熱器換熱，導(dǎo)熱油采用三元混合液。本試驗(yàn)在原有裝置上添加了露點(diǎn)測(cè)試功能。露點(diǎn)測(cè)試儀探頭通過(guò)快速連接件固定，插入凍干室內(nèi)部。露點(diǎn)儀DMT348 是芬蘭維薩拉公司DrycapDmt340 系列露點(diǎn)和溫度變送器中專(zhuān)門(mén)用于壓力環(huán)境下測(cè)量低露點(diǎn)的產(chǎn)品，露點(diǎn)的測(cè)量范圍是- 80℃～+80℃，精度±2℃；鉑電阻的溫度測(cè)量范圍是0～80℃，室溫下的精度±0.2℃，露點(diǎn)探頭可在溫度范圍為- 40℃~+80℃環(huán)境下工作。T 型熱電偶（直流電弧焊接）線芯直徑2×0.3 mm，測(cè)量誤差為±0.5℃。

　　凍干機(jī)內(nèi)部的控制系統(tǒng)采用歐姆龍CJ1W 系列，其具有靈活通用，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，接線簡(jiǎn)單，功耗低的特點(diǎn)。本試驗(yàn)稱(chēng)重采用的電子天平是瑞士梅特勒托利多公司的PL203 型號(hào)產(chǎn)品，最大稱(chēng)量值是210 g,實(shí)際分度0.001 g。

2.2、實(shí)驗(yàn)材料與方法

　　甘露醇：C6H14O6，分析醇，分子量為182.18，熔點(diǎn)范圍166～169℃，白色針狀晶體，由上海光鏵科技有限公司生產(chǎn)（100 g/ 瓶）。管制西林瓶容積7 mL,高度39.7 mm。將甘露醇配成2%（W/V）溶液.。

　　實(shí)驗(yàn)一： 取78 個(gè)小瓶每個(gè)小瓶填充2 ml2%的甘露醇溶液，2 個(gè)小瓶填充3 ml2%的甘露醇溶液。共80 個(gè)小瓶。80 個(gè)小瓶分8 排每排10個(gè)均勻地排列在上層擱板，窺視鏡這側(cè)取為外部，從外至內(nèi)依次為第一排、第二排等等。將熱電偶1 號(hào)插入第一排最左邊3 mL 溶液小瓶中部，Pt100 插入其旁邊的2 mL 溶液小瓶，熱電偶5 號(hào)插入第三排中間的3 mL 溶液小瓶。小瓶四周用聚四氟乙烯板包圍，防止箱壁和窺視鏡的輻射熱。主要的傳熱方式是導(dǎo)熱。凍干過(guò)程設(shè)置如下：先將擱板溫度降至- 30℃，維持3 h 后將冷阱溫度降至- 45℃，接著抽真空至40 Pa；擱板溫度升至- 25℃ 維持30 min； 擱板溫度升至- 10℃，維持60 min；擱板溫度升至- 6℃, 維持800 min；解析干燥將擱板溫度升至30℃，維持120 min，真空度控制40 Pa；擱板溫度不變，抽極限真空，維持120 min；最后將真空度升至40 Pa，擱板溫度不變，維持120 min。

　　實(shí)驗(yàn)二：設(shè)置同樣的凍干過(guò)程，空載運(yùn)行。

　　實(shí)驗(yàn)三：取160 個(gè)瓶，159 個(gè)填充2 mL2%的甘露醇溶液，1 個(gè)填充3 mL2%的甘露醇溶液。160 個(gè)小瓶分兩層，每層80 個(gè)排列在擱板上。Pt100 插入下層擱板第一排中間的3 mL 小瓶，1號(hào)熱電偶插入上層擱板第三排中間的2 mL 小瓶，2 號(hào)熱電偶插入上層擱板第一排中間的2 mL小瓶。凍干過(guò)程參數(shù)設(shè)置同實(shí)驗(yàn)一。