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真空冷冻干燥过程中使用压力监控仪表的最佳操作过程推荐

真空冷冻干燥过程中压力和真空度控制的最佳操作实践

摘要:本文主要针对压力参数,介绍了真空冷冻干燥过程中使用压力监控仪表推荐的最佳操作过程研究,尤其是用于监视冷冻干燥过程中压力变化以及可能用于设备功能测试的最佳过程研究结果。

1. 问题的提出

在真空冷冻干燥过程中,温度和压力都是影响传热、传质、过程效率和产品质量的关键变量,因此,要特别注意冷冻干燥过程中的产品温度和压力测量和控制。对于压力的控制,整个行业内(特别是国内)还普遍存在非常浅显的认知,有关压力测量和控制的研究也鲜有报道和介绍。另外,在真空冷冻干燥领域中对于真空计的有效使用并没有普及,这主要是对压力和真空度控制及控制器技术缺乏准确的认识,在控制器选择上存在较大的误区,现有大多数国内外的控制器无法真正满足真空冷冻干燥工艺过程中的控制精度要求,鲜有真空冷冻干燥机厂家能提供压力和真空度控制的技术指标。

本文主要针对压力参数,介绍了真空冷冻干燥过程中使用压力监控仪表推荐的最佳操作过程研究,尤其是用于监视冷冻干燥过程中压力变化以及可能用于设备功能测试的最佳过程研究。

2. 冷冻干燥中的压力(真空度)测量

压力传感器的类型很多,本文不进行介绍,本文只介绍两种类型压力传感器:导热型压力计和电容压力计。尽管这两种类型的传感器常被用在真空冷冻干燥过程中,但并没有得到最有效的应用。

2.1. 导热型压力计

导热型压力计有两种基本类型:热电偶计和皮拉尼计。

热电偶计由点焊到加热丝的热电偶组成。由恒定电流馈入的金属丝达到温度,该温度由金属丝通过热辐射和通过工艺气体的传导和对流结合而损失的能量的速率决定。通过使用低热辐射率的细丝(例如铂),可以将热辐射造成的能量损失保持在很小的水平。系统中的压力越高,灯丝的能量损失速度越快。热电偶计的输出信号存在严重的非线性,因此可用的压力测量范围很小,仅约2个数量级。通常在较便宜的实验室规模的冷冻干燥机上可以找到这种热电偶型压力表。

在皮拉尼计(Pirani)中,两个细丝被用作惠斯通电桥的两个“臂”。其中一根丝是参考丝,保持恒定压力和气相组成。另一根丝是测量丝。在皮拉尼计(Pirani)中,将测量丝温度控制在一个恒定值,并监控所需的电流。皮拉尼计的有效测量范围是热电偶计的100倍,因此是用于冷冻干燥的首选导热型压力和真空测量仪器

任何热导型仪表的一个重要特征是对所监控气相组成(气体成分)的函数响应,这在冷冻干燥中很重要,因为腔室中的气相组成会发生巨大变化,从初次干燥阶段中的基本100%的水蒸气变为在二次干燥后期的基本100%的氮气(或将任何气体导入腔室以控制压力)。水蒸气的自由分子热导率要比氮的自由分子热导率高约60%,此特性可作为一种优势用作过程监控工具,如下所述。

重要的是要记住,导热型压力计使用的是热丝。当冷冻干燥包含有机溶剂(例如叔丁醇)的制剂时,这会引起严重的安全隐患。产生爆炸必须满足两个条件:(1)必须有足够高浓度的有机溶剂来点燃,以及(2)必须有足够的氧气来支持燃烧。初次干燥期间均未满足任何条件,看来最大的安全风险阶段是在初始真空下降期间,其中可能存在相对较高浓度的有机溶剂和足够的氧气来支持燃烧。由于存在这种风险,因此在冷冻干燥包含有机溶剂的产品时,最好关闭热导型压力计。或者,可以在开始冷冻之前用氮气冲洗产品腔室。

重要的是要意识到,不同的皮拉尼压力计(真空计)在反复进行蒸汽灭菌时的耐用性各不相同,而且目前我们尚不知道造成这些故障的机理。可能的故障模式可能是过压(大多数Pirani压力计的压力上限约为1000Torr)或暴露于过高的温度下。但是,承受反复蒸汽灭菌的能力可能与细丝的成分有关。使用了几种细丝成分,包括钨/铼、铂/铱、铂/铑、铂和镀金钨,其中曾有机构测试了一种针对腐蚀性环境设计的量规,该压力计使用铂/铱丝,经证实可承受80~100次蒸汽灭菌循环。尽管该压力计的蒸汽消毒频率较低,但仍未发生故障。相比之下,还测试了另一个使用镀金钨丝的量规,经过两个或三个灭菌周期后,该压力计出现故障。假设皮拉尼量规在某个时候会失效并需要更换可能是明智的选择,但是在选择量规时要特别小心。

2.2. 电容压力计

所有基于电容的真空仪表都以二选一的方式工作:通过保持系统的几何形状恒定但允许介电常数变化,或者通过具有恒定介电常数的可变几何形状。后者原理是电容压力计压力计的基础。传感器有两个侧面,一个是在大约1E-04 mTorr的非常低压力下抽真空并密封的参考面,另一个是暴露在工艺过程中的测量面。侧面由金属膜片(通常为Inconel)和优质不锈钢隔离,随着过程压力的变化,隔膜膜片会变形,从而改变仪器的几何形状,从而改变仪器的电容。电容式压力计由于其宽泛的使用范围(大约跨越四个数量级)、准确性、稳定性和线性度而成为真空冷冻干燥的首选仪器。另一个引人注目的功能是,电容压力计可测量绝对压力(单位面积的力),且与所测的气体成分无关。最佳规程是使用加热型电容压力计,以避免仪表内部可能发生水蒸气凝结(可能由于蒸汽灭菌)的可能性,并避免由于环境温度变化而导致零漂移的可能性。

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