凍干機常見故障分析與維護

曹軍華

[摘? ? 要]凍干機的主要功能，是通過升華原理，實現(xiàn)對物質的冷凍干燥。目前，其已經(jīng)被廣泛地應用到了諸多領域，尤其是在醫(yī)藥領域，發(fā)揮著重要的作用。一方面可以用于藥品的生產(chǎn)制造;另一方面還可以用于延長藥品的保存期，直接關系著藥品的質量、療效及安全性。為了保證凍干機的正常、有效運行，應切實做好對凍干機的故障維修與管理工作，消除故障隱患，降低故障發(fā)生率，從而更加有力地保障好藥品品質。文章闡述凍干機的技術原理與組成，分析凍干機的常見故障，介紹重點維修案例，最后對如何做好凍干機的日常管理提出建議，希望能為相關工作的實踐提供參考。

[關鍵詞]凍干機;故障;維修;管理

[中圖分類號]TH17 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）04–00–03

Analysis， Maintenance and Management of Common Failures of Freeze Dryers

Cao Jun-hua

[Abstract]The main function of the freeze-drying machine is to realize the freeze-drying of substances through the principle of sublimation. At present， it has been widely used in many fields， especially in the field of medicine， where it plays an extremely important role. It is directly related to the quality， efficacy and safety of drugs. Therefore， in the field of medicine， the use of freeze-drying machines must be paid great attention. If the freeze-drying machine fails， it may cause problems in the production and storage of medicines， affect the quality of medicines， cause waste of resources， and even possibly cause more serious drug safety accidents. In order to ensure the normal and effective operation of the freeze dryer， it is necessary to do a good job in the maintenance and management of the freeze dryer， eliminate hidden troubles， reduce the failure rate， and more effectively guarantee the quality of medicines. Firstly， it expounds the technical principle and composition of the freeze dryer， analyzes several common faults of the freeze dryer， and discusses the key maintenance cases in detail. Some suggestions， hoping to provide reference for the practice of related work.

[Keywords]freeze dryer; failure; maintenance; management

目前，凍干機是生物制藥、食品等領域廣泛使用的工藝設備。就醫(yī)藥領域而言，凍干機既可以用于藥品的生產(chǎn)制造，也可以用于藥品保存，直接關系著藥品的質量、療效及安全性。為此，應將對凍干機的故障維修與管理作為一項關鍵課題，積極做好相關的研究、探討與實踐工作，有效地消除、預防故障，使凍干機能夠正常運行。

1 凍干機介紹

1.1 凍干機的技術原理

凍干機全稱為真空冷凍干燥機，是利用升華的原理使物料脫水的一種低溫干燥設備。物料中的水，在壓力降低到一定真空度時，水的沸點和冰點重合，固態(tài)水直接汽化為氣體，這一過程就是升華。凍干機利用升華的原理，是將被干燥的物質在低溫下快速凍結，然后在適當?shù)恼婵窄h(huán)境下，使凍結的水分子直接升華成為水蒸氣逸出的過程。冷凍干燥得到的產(chǎn)物稱作凍干物，該過程稱作凍干[1]。物質在干燥前始終處于低溫凍結狀態(tài)，同時冰晶均勻分布于物質中，升華過程不會因脫水而發(fā)生濃縮現(xiàn)象，避免了由水蒸氣產(chǎn)生泡沫、氧化等副作用。干燥物質呈干海綿多孔狀，體積基本不變，極易溶于水而恢復原狀。在最大程度上防止干燥物質的理化和生物學方面的變性。冷凍真空干燥是生物活性物質和某些醫(yī)藥產(chǎn)品及營養(yǎng)保健品等最理想的干燥方法。

1.2 組成

凍干機按系統(tǒng)劃分主要由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、滅菌系統(tǒng)等組成。其中SIP滅菌系統(tǒng)、CIP清洗系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)多用于制藥型凍干機。

在凍干機中，制冷系統(tǒng)是最核心的組成部分，顧名思義其主要的作用是制冷，與常見的制冷系統(tǒng)一樣，包括壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器。壓縮機吸入從蒸發(fā)器出來的低溫低壓的制冷劑蒸汽，壓縮、冷凝后，經(jīng)膨脹閥節(jié)流后，在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸收被冷卻物質的熱量達到制冷的目的，因此能為前期預凍結創(chuàng)造所需的低溫條件，同時也可以為冷阱盤管捕集升華水汽的凝華提供冷量[2]。

冷凍干燥需要在真空的環(huán)境中進行，由此可知凍干機真空系統(tǒng)的重要性。凍干機的真空系統(tǒng)包括真空泵、羅茨泵、真空管道、真空計、箱體組成。真空系統(tǒng)運行時，真空泵組通過抽空閥抽冷阱，再通過主閥抽凍干箱;在真空泵頭和凍干箱上均裝有真空測量頭，以便測量系統(tǒng)的真空;在前箱裝有摻氣閥和針型閥用來控制箱體真空度，并有專門的驗證管道測試前箱的波紋管密封性。如此，凍干箱中物料含的水分就可以快速地升華、蒸發(fā)，同時凍干箱與冷阱之間還會產(chǎn)生壓力差形成真空梯度，這樣前箱水分在升華之后，在摻氣閥摻氣增加流動性的情況下，被抽吸到冷阱并捕獲。

2 凍干機的常見故障

2.1 凍干機制冷系統(tǒng)故障

（1）制冷劑泄漏。低壓端泄漏，空氣進入系統(tǒng)，造成高壓壓力升高。此時如果在凍干過程中且泄漏非常小，可以在儲液罐排放一部分氣體，再添加制冷劑，待凍干結束以后確認漏點，抽真空更換制冷劑。如果高壓泄漏，則高壓壓力低，冷阱制冷時溫度低于其他批次同期溫度，同樣泄漏量較小，可以少量添加制冷劑堅持到凍干結束后排掉制冷劑進行焊接維修，再抽真空添加制冷劑;如果出現(xiàn)管道破裂、喇叭口破損、墊圈損壞等大量泄漏制冷劑的情況，則需立即關閉前后段閥門，修復泄漏點，努力保障凍干產(chǎn)品不受影響。

（2）壓縮機故障。常見的壓縮機故障除油壓故障外，比較多的是壓縮機液擊，即回氣含液態(tài)制冷劑或充注過多的冷凍油，造成氣缸墊損壞或閥片斷裂，嚴重時還造成連桿或活塞損壞，運行時有明顯異響，此時檢查各個氣缸的墊片和閥片，及時更換。

（3）高壓故障。常見的高壓故障除低壓泄漏空氣進入系統(tǒng)無法被冷凝造成高壓動作外，還包括水冷凝水溫過高或臟堵，導致?lián)Q熱效率低下，一般為一年清洗一次，也可用水處理清洗劑進行循環(huán)清洗;或者制冷劑添加過也會造成排氣壓力過高報警;其次可能在維修后，制冷管道中存在著閥門沒有開足或管道被堵而造成排氣不暢，管路上的閥門都應該開到最大。

2.2 凍干機壓縮機油壓差低故障

在凍干機啟動壓縮機90s之后，凍干機的油壓差繼電器也會投入運行，這時如果沒有液壓差，壓縮機就會發(fā)出油壓差報警，同時停止運行。活塞壓縮機出現(xiàn)這種故障，可以采取以下方法進行處理：觀察壓縮機油鏡，確認是否有油。如果有，則復位油壓差繼電器再啟動設備，觀察視鏡，確認壓縮機是否回油。如果回油不好，則需要檢查有無冷凍油泄漏，觀察系油質是否變差，造成壓縮機油過濾器臟堵回油不暢，則需要拆卸清洗過濾器并更換冷凍油。另外檢查油分離器，觀察視鏡液面是否回油不暢，可以用木棒對油分離器輕輕敲擊，觀察回油是否改善。在維修過程中出現(xiàn)油泵內(nèi)表面和曲軸磨損，造成壓縮機不能建立油壓，可以使用壓力表測量油泵高低壓的壓差是否在0.2 MPa左右。如果小于油壓差設定值（通常0.09 MPa左右），會使油壓差繼電器動作導致壓縮機停機。

2.3 凍干機熱力膨脹閥開度調節(jié)

在制冷運行過程中，需要觀察壓縮機運行狀態(tài)判斷系統(tǒng)性能。壓縮機低壓缸的結霜情況是判斷熱力膨脹閥開度的一項關鍵指標。當熱力膨脹閥開度較小，則回氣段溫度高，結霜少或者不結霜;當熱力膨脹閥開度過大，則回氣端結霜嚴重，甚至機頭都結霜。如果回氣量過大，應關小流量，對膨脹閥順時針調節(jié)。如果回氣量過小，應開大流量，對膨脹閥逆時針調節(jié)，使回氣端閥門保持結霜但不消融不擴增為佳。

3 凍干機重點維修案例分析

3.1 預凍階段部分產(chǎn)品溫度到達設定溫度慢

現(xiàn)象描述：產(chǎn)品凍干的第一步是把含有大量水分的產(chǎn)品凍結成固體，這一過程叫預凍階段。在預凍時，有部分溫度探頭在接近設定溫度時，降溫比其他溫度探頭慢1～2 h，偶爾還出現(xiàn)晚10 h左右才達到設定溫度，影響了整個凍干的時長，在小產(chǎn)品和二次降溫的產(chǎn)品更易出現(xiàn)該現(xiàn)象。

現(xiàn)象分析：凍干結束后，將該溫度探頭與對應的產(chǎn)品瓶一起取出后觀察，發(fā)現(xiàn)溫度探頭沒有完全浸沒在產(chǎn)品中或者直接懸在產(chǎn)品上方?jīng)]有浸沒在液體產(chǎn)品內(nèi)。造成這種現(xiàn)象的原因有以下幾種情況：①入柜時因工作人員疏忽未將探頭浸沒在產(chǎn)品中，板層溫度傳導溫度探頭就會有時間差;②工作人員在擺放產(chǎn)品探頭后擺放下一板層，對板層進行上升操作時，溫度探頭的線纜受力彎曲使探頭抬升造成未浸沒在液體產(chǎn)品中;③溫度探頭選用不合適，有的凍干機選用的溫度探頭前端的金屬套過長，但是灌裝小規(guī)格產(chǎn)品時每瓶可能僅灌裝1 mL或者更低的裝量，產(chǎn)品僅能覆蓋瓶子的底部，這樣探頭部分將不能與產(chǎn)品接觸。

解決措施：在產(chǎn)品灌裝入柜過程中，需要操作人員將溫度探頭盡量浸沒在液體中，有條件的可以簡單固定。其次在溫度探頭選型上，現(xiàn)在探頭部分細且短的類型，線纜選用柔韌性較好探頭，同時在安裝溫度探頭時，剪去多余的探頭線，減少可能因板層運動或溫度變化產(chǎn)生的彎曲形變造成與板層接觸不好。

采用產(chǎn)品溫度探頭凍干方式，每層板層只是放一個溫度探頭到產(chǎn)品中，對于高價值的產(chǎn)品，一柜的凍干產(chǎn)品，就會有10瓶以上的產(chǎn)品因放置了溫度探頭，凍干以后將不會作為產(chǎn)品進入后續(xù)的工序環(huán)節(jié)，每批次將造成幾千甚至幾萬元的產(chǎn)品浪費。隨著凍干技術的不斷更新，目前許多凍干機已經(jīng)采用自動進出料系統(tǒng)，從設計上就去除了產(chǎn)品溫度探頭，采用板層溫度控制。因此，需要在設備驗證階段，通過溫度驗證，板層溫度與產(chǎn)品溫度是否存在差值和板層溫度均勻性，在程序設定中適當調整溫度控制時間，從而對溫度進行修正以保證產(chǎn)品凍干質量。

3.2 真空度超限故障

現(xiàn)象描述：在凍干升溫開始過程中，遇到真空達不到設定值，例如要求的真空值是12～18 Pa，但是真空值一直在20～30 Pa，且抽真空超過30 min，真空值還在控制值上方，凍干不能開始升溫程序。還有一種情況是開始升溫時真空值正常，但是在板層升到零度以前，真空值出現(xiàn)幾次超警戒線，甚至在幾分鐘內(nèi)超上限引發(fā)系統(tǒng)強制性保護。真空超上限以后，為了保護凍干產(chǎn)品，程序設定為強制進行關閉抽空閥，壓縮機轉為對前箱制冷，防止產(chǎn)品溫度超過共晶點溫度而融化。

現(xiàn)象分析：在出現(xiàn)故障以后，先排除真空泵故障、缺油或者油變質等易于觀察，能快速判斷問題，其次檢查管道、箱體等接口和閥門是否有泄漏，真空計是否有損壞。這些都排除的情況下，在維修過程中遇到?jīng)]有維修，過一段時間真空就達到要求，或者產(chǎn)品在零度以下出現(xiàn)一兩次的警戒上限報警，甚至出現(xiàn)一次超上限保護。通過凍干歷史曲線分析，箱體或管道內(nèi)有SIP殘余水分，干燥不徹底，在升溫時，大量水汽升華，超過了捕捉速率，同時后箱溫度也呈現(xiàn)上升趨勢。有時在真空計附近存在積水或在真空計檢測口有水滴，冷凍后結冰，在升溫過程中爆開，造成真空度上升超過上限，使程序進入了強制性保護。

解決措施：在灌裝入柜前，檢查箱體內(nèi)是否有積水，如發(fā)現(xiàn)板層或者箱體四周角落有積水，說明SIP干燥效果不佳，建議首先清除積水，并在預凍時適當增加恒溫時間，確保余水都沒凍結，手動操作增加升溫間隔時間，注意觀察真空范圍，出現(xiàn)真空值篇上警戒線時關小針型閥減小摻氣量。等到產(chǎn)品水分大部分被干燥掉以后，真空值偏下警戒線或者長時間摻氣，再增大針型閥開度，增加摻氣量。

3.3 加注的冷凍油型號錯誤

現(xiàn)象描述：筆者公司為了更低的板層制冷，一臺凍干機采用復疊式制冷系統(tǒng)。復疊制冷系統(tǒng)的復疊機在運行過程中，壓縮機低壓端結霜嚴重，且壓縮機線圈端嚴重結霜，嚴重情況下出現(xiàn)壓縮機內(nèi)潤滑油逐步凝固，造成潤滑不良，通過調小膨脹閥開度仍無法處理，檢查系統(tǒng)后未發(fā)現(xiàn)明顯異常;在后續(xù)的使用過程中開始出現(xiàn)電磁閥堵塞，最嚴重的情況是導致蒸發(fā)器油堵。

故障最終導致蒸發(fā)器堵塞，根據(jù)從蒸發(fā)器端口取出的堵塞物資判斷，該物資為凝固的潤滑油，故判斷是由于蒸發(fā)器內(nèi)的潤滑油且在低溫狀態(tài)下小于-45 ℃凝固引起堵塞。

現(xiàn)象分析：該復疊壓縮機使用的潤滑油為BSE32，與該壓縮機推薦使用的潤滑油SEZ32不同，分析兩種潤滑油的傾點發(fā)現(xiàn)，BSE32的傾點為-48 ℃，SEZ32的傾點為-57 ℃，且SEZ32的產(chǎn)品說明上明確指出可用于制冷劑為R23的強制冷系統(tǒng)。故判斷是由于壓縮機潤滑油選型錯誤導致蒸發(fā)器的潤滑油時在低溫狀態(tài)下凝固，從而引起油堵。

解決措施：打開管路上的閥門，清潔管路，并用氮氣吹掃，清理壓縮機內(nèi)部的殘余冷凍油。重新抽真空后加注SEZ32冷凍油和制冷劑，運行一段時間后再次更換冷凍油系統(tǒng)恢復正常。

3.4 凍干機的設備管理

在凍干過程中，除了關注系統(tǒng)畫面的各項參數(shù)，還應該關注設備狀態(tài)。在制冷系統(tǒng)中，需要關注制冷劑視鏡的制冷劑液位，壓縮機的油位和低壓端的結霜情況，電機端的溫度，是否有異響，以及高壓、中壓、低壓和油壓壓力情況，已歷史情況進行比較有無明顯變化。真空泵和羅茨泵的油位和有無乳化情況。在升華較快的階段觀察真空度是否有上升趨勢，冷阱溫度有無上升趨勢等。每4 h巡視一次設備運行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)問題，將故障消除在萌芽階段，對產(chǎn)品的影響降到最小，防止產(chǎn)品報廢。

4 結束語

應重視并切實做好凍干機的故障維修與管理工作，使凍干機設備能夠保持良好的運行狀態(tài)，延長凍干機的使用壽命，有力地保障藥品品質。

參考文獻

[1] 全軍.真空冷凍干燥機制冷系統(tǒng)故障分析及維護[J].設備管理與維修，2021，29（19）：59-60.

[2] 王艷艷，張渺.凍干機箱體極限真空升高原因分析[J].價值工程，2020，39（14）：203-204.