徐希杰，邹美芬，徐 栋，钦晓峰

（国家卫生健康委员会核医学重点实验室 江苏省分子核医学重点实验室 江苏省原子医学研究所，江苏无锡 214063）

0 引言

真空冷冻干燥技术的应用范围极其广泛，凡含水、无毒、无腐蚀性的物品都能采用冷冻干燥技术制成干燥品。其中涉及到农、林、牧、副、渔等民生行业的产品，皆能运用此技术制成冻干食品、调味品、速溶食品等。该技术更是生物、制药、医疗、保健品、高新技术材料等当今科学研究中不可或缺的重要手段[1-4]。

真空冷冻干燥技术具有明显而独特的优点，如：物品不易氧化；最大程度保护物品的活性；能够最好地保持物品原有的性状；可除去物品中超过95%的水分，便于长期保存；最大程度上保存物品的理化和生物学的性质。

外置式真空冷冻干燥机是指设备在运行状态下，可以将低温冷冻样品的样品瓶连接于冷冻干燥箱的外部，通过冷冻干燥箱上的样品阀随时上样或卸样，方便科研工作中对含水产物进行干燥的即时需求。

1 设备基本情况

美国Labconco 公司生产的Freezone 6 L 外置式真空冷冻干燥机，使用液晶显示控制面版，断电时有声音与显示警报。LCD 数字显示真空度（mBar）、冷阱温度（℃）及报警信息（alarm）。可按键全自动控制致冷和抽真空；也可进行手动操作实现二者分别控制。外置式真空冷冻干燥机由冷冻干燥箱、真空系统、冷阱系统及自动控制系统等部分构成。冷冻干燥箱是一个真空密闭容器，它向内连接冷阱，向外连接12 个样品阀，通过12 个样品阀分别连接预冻好的样品。

冷阱主机采用1/2 HP 制冷电机，使冷阱温度达到-50 ℃，低温冻结样品升华的水分。真空情况下保持在-85 ℃左右。24 h可干燥4 L 样品溶液，采用了Teflon 涂层技术的冷阱，可最大程度避免样品中的有机溶剂腐蚀。排气量大于150 L/min 的真空泵使得干燥机的真空度≤12 Pa，运行情况下保持在5 Pa 左右。真空度是真空冷冻干燥机的核心指标，真空度不达标，会影响样品冷冻干燥的效果。真空泵与冷阱是由一根长3 英尺，直径3/4 英寸的真空管通过国际标准卡箍连接。一根9 英寸的可伸缩排水管与冷阱底部相连，用于排除蒸发后冻结成冰再液化为水的废液。

利用该设备冻干各种水溶性待干燥样品，基本取代了化学合成药物过程中水溶性中间产物所含水分的旋转蒸发过程，大大节约科研人员在旋转蒸发过程所耗的时间，提高了合成工作的效率。外置式真空冷冻干燥机在使用过程中会出现一些故障现象，需要进行具体分析并找到解决方法。

2 设备原理

真空冷冻干燥即利用升华的原理进行物品干燥，利用水的固、液、气三相物理态转换。随着环境压力降低，水的冰点变化不大，而沸点却越来越低，向冰点接近，在压力达到某真空度时，水的沸点和冰点重合，冰可以不经液态直接汽化为气体，达到干燥的目的。

将需要干燥的含水样品经过低温预冻结，预冻温度越低，冻结速率越高，干燥速率越高。再在适当的真空条件下，接入密闭器具中预冻的样品且维持环境的高真空度，使样品中的水分直接从固态升华为气态，在低温下实现冻结而达到脱水的目的[5-7]。物品中冻结的水分子直接升华成为水蒸气排出，进入冷阱后低温凝结成冰，经过化霜成液体排掉。

3 常见故障分析与处理

3.1 样品干燥效果

样品干燥后不成粉末状、粘附在样品管壁上、呈虚泡状等，引起样品干燥效果差主要有以下3 个因素。

3.1.1 样品的预冻和速冻

样品预冻的温度不够低或时间不够长，速冻时加入样品中的液氮量不够，样品没有完全冻结，残留吸附于管壁、造成液化喷射。样品预冻至－40 ℃以下，干燥的效果比较理想，因而样品最好在深低温冰箱（－80 ℃）中进行预冻，一般样品需要预冻4 h 以上，或者将样品放入液氮（－196 ℃）罐中预冻。一般情况下，从容器外面就能观察到样品是否完全冻结。另外，在实验急需的情况下，可以直接将液氮加入到样品中速冻，为防止液氮溅出冻伤操作人员，需缓慢加入。

3.1.2 干燥过程中样品融化

干燥过程中样品融化是因为样品含有酸碱物质、有机成分以及挥发性物质，会出现冒泡等现象。需及时卸下样品，去除样品中所含有的酸碱物质、有机成分以及挥发性物质，防止这些物质对仪器、特别是真空泵的腐蚀损伤，这样能更好地保证样品干燥的效果。

3.1.3 样品逃逸

样品在容器中的体积过大会越过容器口。样品不应超过容器体积的2/3，应尽可能扩大其表面积，对于体积大的样品，可采取多容器分装的办法。

3.2 真空系统

3.2.1 冷阱排水管口松弛或破裂引起的漏气故障

冷阱排水管为9 英寸的可伸缩排水管，由于长期反复插拔导致冷阱排水管口（图1）松弛或破裂而漏气。用美工刀去掉排水管口松弛或破裂的部分，管口切面力求平滑，并涂抹适量真空脂于塞子上。

3.2.2 真空泵连接管道松弛或脱落、真空泵损坏引起的漏气故障

冷阱系统与真空泵系统之间连接处使用国际标准卡箍（图1）。如果卡箍没有卡紧，就会造成漏气，导致抽取真空时仪表盘数显值大于12 Pa，真空度超出正常范围。为有效防止空气泄漏，这种卡箍内含一只密封橡胶圈，连接前可在橡胶圈上涂抹适量真空脂，再用卡箍卡紧，使连接处更紧密地贴合在一起。

真空泵（图1）达到使用寿命后性能会下降，同时样品多频次含有酸碱物质、有机成分以及挥发性物质也会导致真空泵不可逆损坏。开机后如果发现真空度达不到要求，真空泵换新机油后也不行，考虑更换性能类似的国产真空泵。

图1 真空系统

3.3 冷冻干燥箱和冷阱系统

3.3.1 样品阀损坏或非损性引起的漏气故障[8]

外置式真空冷冻干燥机的样品阀（图2）近于易损耗品状态，常会发生漏气故障。另外，当设备环境温度低于10 ℃时，样品阀也会出现非损性漏气。

用户采购设备时需要多备样品阀配件以替换漏气的样品阀，更换样品阀时，可以在样品阀与干燥箱壁接触面涂抹少许真空脂。另外，可以升高设备环境温度至23 ℃以上，以使非损性漏气的样品阀恢复正常。

3.3.2 冷冻干燥箱底部移位和冷阱盖密封性差引起的漏气故障

由于设备运行的振动等原因使冷冻干燥箱底部（图2）位置异常移动，导致气密下降；冷冻干燥箱底部与仪器接触面粘附纤维、微尘等；冷阱盖边缘（图2）密封橡胶圈老化导致气密性下降，还有冷阱盖与冷阱口接触面粘附纤维、微尘等都会导致气密性下降。

图2 冷冻干燥箱和冷阱系统

仔细清除接触面可能存在的纤维、微尘等，在冷冻干燥箱底部涂抹适量真空脂，摆正冷冻干燥箱位置；冷阱盖边缘密封橡胶圈涂抹适量真空脂，并轻旋冷阱盖使其完全吻合。

4 日常维护

4.1 开机检查

主机四周的空气要流通，后面应有10 cm 以上的空间。做好设备各部件的清洁，金属部件用乙醇清洗，有机玻璃用清水清洗。冷阱内壁用软布或纸巾擦拭，冷阱排水管内的水分要排尽，冷阱排水管塞子确保塞紧。样品中尽量避免含有酸碱物质、有机成分以及挥发性物质。

4.2 检查真空泵油的状况及油标高度

通过真空泵油窗观察，如果真空泵油轻微浑浊，说明真空泵内进入较少的水分，拧开真空泵气镇阀，排干真空泵油中的潮气；如果真空泵油严重浑浊，说明真空泵水分较多，需要更换真空泵油；真空泵油标低于下限要及时加油。

4.3 检查、更换老化的橡胶件

检查所有的橡胶阀和密封垫，如果出现老化、永久变形及损坏，应及时更换。

5 注意事项

（1）设备制冷系统严禁频繁启动，启动间隔至少5 min。

（2）严格按关机程序操作，避免真空泵油逆抽污染样品。

（3）冷阱化霜温度约为-65 ℃，必须戴保温手套操作防止冻伤。

（4）样品瓶为玻璃瓶，装样过程要小心细致。样品瓶使用一段时间后，特别是用于冻干蛋白一类的样品后，瓶壁上会出现一些白斑，可能是蛋白吸附，可以用洗洁剂进行清洗，用脱脂纱布擦拭。

6 结束语

外置式真空冷冻干燥机的样品阀极易出现损坏，在环境温度低于10 ℃时还会出现非损性漏气故障，需要快速检测出12 个样品阀的漏气位置。传统的维修、检测方法需要轮流用力拆、装12 个样品阀，维修过程实际上也是对样品阀的又一次外力损伤。目前，江苏省原子医学研究所已研究出快速检测样品阀漏气故障的方法，并已申报发明专利“一种外挂式真空冷冻干燥机样品阀漏气的快速检测装置及方法”，申请号：202011534700.0。

外置式真空冷冻干燥机在干燥不同性质的样品时，冻干的速率会有所差异，如糖类、焦糖类样品干燥时间比一般种类的样品长，因此针对不同样品，应该按照样品类型做好样品量与干燥时间之间的关系研究。同类样品体积与干燥时间呈现稳定的体积—时间关系曲线，从而可以精确地预估样品达到干燥程度所需要的时间，节约干燥时间[9-10]，防止超时造成能源浪费，提高冻干样品品质。