CN117178156A - 冻干机和用于操作冻干机的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冻干机(1)，其包括：产品室(2)，所述产品室(2)被配置为容纳待冷冻干燥的产品；冷凝器(4)，所述冷凝器(4)与所述产品室(2)连接并被配置为在冷冻干燥过程中截留水；产品室冷却回路(10)，所述产品室冷却回路(10)被配置为冷却所述产品室(2)，所述产品室冷却回路(10)包括第一导热流体；冷凝器冷却回路(20)，所述冷凝器冷却回路(20)被配置为冷却所述冷凝器(4)，所述冷凝器冷却回路(20)包括第二导热流体并且独立于所述产品室冷却回路(10)，其特征在于，包含二氧化碳或氨或液氮作为制冷剂的第一附加冷却回路(30)，以及被配置为在所述冷凝器冷却回路(20)和所述第一附加冷却回路(30)之间传递热量的第一热交换器(51)。本发明的另一方面涉及一种用于操作此冻干机(1)的方法(100)。
Description
本发明涉及冷冻干燥(freeze drying)领域，也称为冻干(lyophilisation)。它应用于生命科学工业中，尤其是制药工业中。冷冻干燥是一种脱水过程，通常用于保存易腐材料或使材料更便于运输或储存。冷冻干燥的工作原理是将材料冷冻，然后降低周围的压力，使材料中的冷冻水(frozen water)直接从固相升华为气相。
通常将待冷冻干燥的产品放置在产品室内，例如放置在布置于产品室内的架子上。冷凝器通过气体通道与产品室连接，当冷冻产品室中的产品时，例如降低到-20℃至-55℃范围内的温度时，该气体通道关闭。同时，冷凝器被冷却至低于产品温度的温度，例如降低到-75℃。然后，产品室被抽真空到低压状态，以达到产品的三相点(triple point)。打开气体通道，将升华的蒸汽从产品室抽到冷凝器中。冷凝器通常包括截留(trap)水的盘管(coil)或板。
目前可用于生命科学应用的冻干机通常包括氟化气体作为制冷剂。然而，随着这些制冷剂变得越来越不常见，并且越来越严格的法律禁止使用具有高全球增温潜能值(global warming potential，GWP)的化学品，希望在冷冻干燥应用中使用低GWP的制冷剂。
一种众所周知的使用低GWP制冷剂的冷却技术是空气循环冷却(air cyclecooling)。基本的过程(underlying process)被称为逆布雷顿循环或贝尔科尔曼循环，且基于恒定空气体积的压缩和膨胀。因此，不同于传统的冷却系统，它不是基于蒸发或相交换的。重复压缩和膨胀循环使得能够达到并保持低至-160℃的超低温。然而，与使用传统压缩机的制冷能力效率相比，空气循环冷却在较高温度下，例如高于-50℃的温度下，表现出降低的性能系数(coefficient of performance，COP)。性能系数是所提供的有用冷却与所需功(work required)的比率。
鉴于这些考虑，提供一种具有提高的性能系数的使用低GWP制冷剂的冻干机以及操作该冻干机的相应方法将是有利的。
为了更好地解决这一问题，在本发明的第一方面，提出了一种冻干机，其包括
产品室，所述产品室被配置为容纳待冷冻干燥的产品，
冷凝器，所述冷凝器与所述产品室连接并被配置为在冷冻干燥过程中截留水，
产品室冷却回路，所述产品室冷却回路被配置为冷却所述产品室，所述产品室冷却回路包括第一导热流体(heat transfer fluid)，
冷凝器冷却回路，所述冷凝器冷却回路被配置为冷却所述冷凝器，所述冷凝器冷却回路包括第二导热流体并且独立于所述产品室冷却回路，
其特征在于，
包含二氧化碳或氨或液氮作为制冷剂的第一附加冷却回路，以及
被配置为在所述冷凝器冷却回路和所述第一附加冷却回路之间传递热量的第一热交换器。
根据本发明的冻干机特别地是用于制药工业的间歇式冻干机(batch freezedryer)。产品室冷却回路被配置为冷却产品室并使用第一导热流体。冷凝器由单独的冷凝器冷却回路冷却，该回路还包括第二导热流体。由于第一热交换器和包括二氧化碳(CO2)或氨(NH3)或液氮(LN2或液态N2)作为制冷剂的第一附加冷却回路，可以向冷凝器冷却回路提供附加冷却能力，特别是在温度高于-50℃时。因此，本发明的冻干机允许采用一种用于冷却冷凝器的技术，该技术在温度高于-50℃时效率较低，但是在温度低于-50℃时效率较高。利用本发明的冻干机，可以在温度高于-50℃时通过第一热交换器和第一附加冷却回路从冷凝器冷却回路中吸取热量，并且在温度低于-50℃时通过其他方式吸取热量。因为二氧化碳(GWP＝1)和氨(GWP＝0)以及液氮(GWP＝0)具有低GWP，所以可以获得使用低GWP制冷剂的冻干机，该冻干机具有增加的性能系数。
第一导热流体和第二导热流体可以是相同类型或不同类型。优选地，第一导热流体和/或第二导热流体是硅油(silicone oil)。或者，第一导热流体和/或第二导热流体可以选自矿物油，特别是低温矿物油、乙二醇或盐水(brine)。
当在消毒(sterilization)后冷却冷凝器时，尤其可以利用冻干机在较高温度下的提高的效率。在消毒期间，特别是在就地消毒(SIP)期间，冷凝器和冷凝器冷却回路通常被加热到给定的消毒温度，例如121.1℃以上。通过使用第一热交换器和附加冷却回路，冷凝器的冷却可以以提高的速度和效率进行。
根据本发明，产品室可以包括被配置成容纳产品的搁板(shelf)。如果产品室包括搁板，则产品室冷却回路优选地被配置为经由布置在搁板处或集成到冷却室的搁板中的一个或多个管道(duct)来冷却产品室。
根据本发明的优选实施方案，第一附加冷却回路包括阀，特别是比例阀，用于调节通过第一热交换器的制冷剂流量(refrigerant flow)。优选地，该阀可以选择性地设置到完全关闭的位置和打开的位置，在完全关闭的位置，制冷剂停止流过该阀和第一热交换器，在打开的位置，制冷剂可以流过该阀和第一热交换器。该阀可以被设置到完全关闭的位置，以便将第一附加冷却回路与冷凝器冷却回路热解耦(thermally decouple)。如果阀处于打开的位置，第一附加回路与冷凝器冷却回路热耦合(thermally coupled)。
根据本发明的优选实施方案，冻干机包括空气循环冷却系统，其被配置为冷却冷凝器冷却回路的第二导热流体。空气循环冷却系统使用空气作为对环境无害的制冷剂。空气的GWP为0。空气循环冷却系统可靠耐用，因此降低了维护成本，并确保了较长的生命周期而不损失性能。空气循环冷却系统通常在低温下具有高的性能系数，例如在冻干机的冷凝器中需要达到的低于-50℃的温度。空气循环冷却系统可以仅冷却冷凝器冷却回路的第二导热流体和冷凝器，而第一附加冷却回路不主动从冷凝器冷却回路吸热。替代地，空气循环冷却系统可以冷却冷凝器冷却回路的第二导热流体和冷凝器以及第一附加冷却回路。优选地，冻干机被配置为如果冷凝器和/或冷凝器冷却回路的第二导热流体的温度低于第一预定阈值温度，则仅冷却冷凝器冷却回路的第二导热流体和冷凝器，而第一附加冷却回路不主动从冷凝器冷却回路吸取热量，第一预定阈值温度在-40℃至-50℃的范围内，例如-45℃。如果冷凝器和/或冷凝器冷却回路的第二导热流体的温度高于第一预定阈值温度，则空气循环冷却系统可以冷却冷凝器冷却回路的第二导热流体和冷凝器以及第一附加冷却回路。优选地，冻干机另外被配置为如果冷凝器和/或冷凝器冷却回路的第二导热流体的温度高于第二预定阈值温度，则停用空气循环冷却系统，第二预定阈值温度等于或高于第一预定阈值温度，例如第二预定阈值温度在从-20℃到-40℃的范围内，例如-20℃。
根据本发明的优选实施方案，冻干机包括第二热交换器，该第二热交换器被配置为将空气循环冷却系统和冷凝器冷却回路耦合(couple)。第二热交换器优选是空气-油热交换器。
根据本发明的优选实施方案，冻干机包括第三热交换器，该第三热交换器被配置为在产品室冷却回路和冷凝器冷却回路之间传递热量。第三热交换器提供了可以将热量从产品室冷却回路吸取到冷凝器回路的优点。因此，设置在冷凝器冷却回路中的冷却系统，特别是空气循环冷却系统，也可以用于冷却产品室。
根据本发明的优选实施方案，冻干机包括阀，特别是三通阀(three-way valve)，其被配置为选择性地将第三热交换器与冷凝器冷却回路耦合(couple)或者使第三热交换器与冷凝器冷却回路解耦(decouple)。该阀可以包括三个阀口，其中第一阀口与第三热交换器的入口相连，第二阀口与第三热交换器的出口相连，第三阀口不与第三热交换器的任何入口或出口相连，而仅与冷凝器冷却回路相连。换句话说，三通阀将冷凝器冷却回路连接到热交换器路径和旁路路径，其中流过热交换器路径的第二导热流体经过第三热交换器，其中流过旁路路径的制冷剂不经过第三热交换器。优选地，将三通阀设置为三通比例阀(proportional three-way valve)，使得通过第三热交换器的流量和旁路流量可以被设置为使得第一量的第二导热流体流过第三热交换器，并且第二量的第二导热流体绕过第三热交换器。因此，可以调节产品室冷却回路和冷凝器冷却回路之间的热传递。
根据本发明的优选实施方案，冻干机包括第四热交换器，该第四热交换器被配置为在产品室冷却回路和包括二氧化碳或氨或液氮作为制冷剂的第一附加冷却回路或第二附加冷却回路之间传递热量。经由第四热交换器，可以将热量从产品室冷却回路吸取到包含二氧化碳或氨或液氮作为制冷剂的第一附加冷却回路或第二附加冷却回路。优选地，第一附加冷却回路或第二附加冷却回路包括阀，特别是比例阀，用于调节通过第四热交换器的制冷剂流量。优选地，可以选择性地将该阀设置为完全关闭的位置和打开的位置，在完全关闭的位置，制冷剂停止流过该阀和第四热交换器，在打开的位置，制冷剂可以流过该阀和第四热交换器。该阀可以被设置为完全关闭的位置，以便将第一附加冷却回路或第二附加冷却回路与产品室冷却回路热解耦(thermally decouple)。如果阀处于打开的位置，则第一附加回路与产品室冷却回路热耦合(thermally coupled)。
根据本发明的优选实施方案，冻干机包括一个或多个加热器，该加热器被配置为选择性地加热产品室冷却回路的第一导热流体。一个或多个加热器优选连接到产品室冷却回路。一个或多个加热器可以用于在冷冻干燥过程中加热冷却室中的产品，以便开始从产品中升华水。
根据本发明的另一方面，提出了一种操作冻干机的方法，所述冻干机包括
产品室，所述产品室被配置为容纳待冷冻干燥的产品，
冷凝器，所述冷凝器与所述产品室连接并被配置为在冷冻干燥过程中截留水，
产品室冷却回路，所述产品室冷却回路被配置为冷却所述产品室，所述产品室冷却回路包括第一导热流体，
冷凝器冷却回路，所述冷凝器冷却回路被配置为冷却所述冷凝器，所述冷凝器冷却回路包括第二导热流体并且独立于所述产品室冷却回路，
该方法包括以下方法步骤：
在冷凝器冷却步骤中，热量经由第一热交换器从所述冷凝器冷却回路传递到包含二氧化碳或氨或液氮作为制冷剂的第一附加冷却回路。
利用根据本发明的方法，可以获得与已经结合根据本发明的冻干机描述的相同的益处。特别地，附加冷却回路为冷凝器提供了额外的冷却能力，特别是在温度高于-50℃时。因此，操作冻干机的方法允许采用一种用于冷却冷凝器的技术，该技术在温度高于-50℃时效果较差，但是在温度低于-50℃时效果较好。在冷凝器冷却步骤的第一部分，可以通过第一热交换器和包含二氧化碳的附加冷却回路，从温度高于-50℃的冷凝器冷却回路中吸取热量。因此，在温度低于-50℃时，可以通过其他方式吸热。因为二氧化碳(GWP＝1)和氨(GWP＝0)以及液氮(GWP＝0)具有低GWP，所以可以获得一种使用低GWP制冷剂的操作冻干机的方法，该方法具有提高的性能系数。
根据本发明的优选实施方案，在冷凝器冷却步骤中，冷凝器冷却回路另外由空气循环冷却系统冷却。如前所述，空气循环冷却系统使用空气作为制冷剂，其对环境无害。空气的GWP为0。空气循环冷却系统可靠耐用，因此降低了维护成本，并确保了较长的生命周期而不损失性能。空气循环冷却系统通常对于低温(例如在冻干机的冷凝器中需要达到的低于-50℃的温度)表现出高的冷却能力效率。如果冷凝器和/或冷凝器冷却回路的第二导热流体的温度高于第一预定阈值温度，则空气循环冷却系统可以冷却冷凝器冷却回路的第二导热流体和冷凝器以及第一附加冷却回路，第一预定阈值温度在-40℃至-50℃的范围内，例如-45℃。
根据本发明的优选实施方案，该方法还包括以下方法步骤：
在与冷凝器冷却步骤同时或之后执行的产品冷却步骤中，热量经由第三热交换器从产品室冷却回路传递到冷凝器冷却回路。
第三热交换器提供了可以将热量从产品室冷却回路吸取到冷凝器回路的优点。因此，与冷凝器冷却回路耦合(coupled)到第一附加冷却回路也可以用于冷却产品室。由于液氮的低温，如果附加冷却回路包括液氮作为制冷剂，这种选择特别有吸引力。如果冷凝器冷却回路由空气循环冷却系统额外冷却，则空气循环冷却系统也有助于冷却产品室。
根据本发明的优选实施方案，通过调节冷凝器冷却回路的比例阀，特别是三通比例阀来设定产品室的温度。该阀可以包括三个阀口，其中第一阀口与第三热交换器的入口相连，第二阀口与第三热交换器的出口相连，第三阀口不与第三热交换器的任何入口或出口相连，而仅与冷凝器冷却回路相连。换句话说，三通阀将冷凝器冷却回路连接到热交换器路径和旁路路径，其中流过热交换器路径的第二导热流体经过第三热交换器，其中流过旁路路径的第二导热流体不经过第三热交换器。因此，通过第三热交换器的流量和旁路流量可以以这样的方式设定，即第一量的第二导热流体流过第三热交换器，而第二量的第二导热流体绕过(bypass)第三热交换器。
根据本发明的优选实施方案，在产品冷却步骤中，热量经由第四热交换器从产品室冷却回路传递到第一附加冷却回路，或者经由第四热交换器传递到包含二氧化碳或氨或液氮作为制冷剂的第二附加冷却回路。优选地，通过第四热交换器的制冷剂流分别由第一附加冷却回路或第二附加冷却回路的阀，特别是比例阀来调节。优选地，在产品冷却步骤中，如果产品室的温度或产品室冷却回路的第一导热流体的温度在预定范围内，特别是在从-40℃到-51℃的范围内，则阀被设定到打开的位置，在该位置制冷剂可以流过阀和第四热交换器。
根据本发明的优选实施方案，该方法还包括以下方法步骤：
在冷凝器冷却和产品冷却步骤之后执行的冷冻干燥步骤中，第三热交换器与冷凝器冷却回路中的第二导热流体流解耦(decoupled)，使得从产品室冷却回路到冷凝器冷却回路的热量传递减少，其中产品室冷却回路的第一导热流体由一个或多个加热器加热。因此，可以在产品室中提供水升华的适当温度，而冷凝器可以被冷却到低温，以便获得冷凝器的良好冷凝性能。
根据本发明的优选实施方案，在冷冻干燥步骤中，第一热交换器与第一附加冷却回路中的制冷剂流解耦(decoupled)，使得从冷凝器冷却回路到第一附加冷却回路的热量传递减少。为了将第一热交换器与第一附加冷却回路中的制冷剂流解耦(decoupling)，可以关闭第一附加冷却回路中的阀，从而限制制冷剂流过阀和第一热交换器。通过减少从冷凝器冷却回路到第一附加冷却回路的热传递，冷凝器冷却回路的制冷剂的冷却基本上受到冷凝器冷却回路的空气循环冷却系统的影响。因为与第一附加冷却回路相比，空气循环冷却系统在低温下更有效，所以可以提高冻干机在低温操作下的效率，特别是在低于-50℃的冷凝器温度下。
关于冻干机和相应的操作方法，产品室可以包括搁板，其中搁板由产品室冷却回路冷却。例如，产品室冷却回路的管道(conduit)可以穿过搁板的一部分和/或搁板的元件。另外地或替代地，产品室冷却回路的管道可以布置在产品室内部和/或产品室的壁内部。
参照下文描述的实施方案，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得到说明。
图1是根据本发明实施方案的冻干机的示意图。
图2是根据本发明实施方案的操作冻干机的方法的实施方案的示意图。
图1示出了根据本发明实施方案的冻干机1的示意图。冻干机1被配置为用于药物应用的间歇式冻干机(batch freeze dryer)，并且包括被配置为容纳待冷冻干燥的产品的产品室2。这些产品可以提供于小瓶(vials)中，所述小瓶可布置于布置在产品室2中的搁板3上。冻干机1还包括与产品室2连接的冷凝器4。冷凝器4包括布置在冷凝器室内的多个冷凝器盘管(condenser coil)5或冷凝器板。冷凝器4，特别是冷凝器4的冷凝室，通过气体通道6与产品室2连接。气体通道可以通过气体通道封闭件(gas passage closure)选择性地封闭或保持打开。在冻干机1运转期间，封闭件被配置为在其关闭位置和其打开位置之间移动。例如，当产品和冷凝器4在干燥步骤之前冷却时，气体通道封闭件将保持在其关闭位置。在冷冻干燥步骤期间，气体通道封闭件保持在其打开位置，以便允许蒸汽从产品室2进入冷凝器4。通过在冷凝器，特别是冷凝器盘管5或冷凝器板处冷凝蒸汽，水将在冷冻干燥过程中被截留(trap)。
冻干机1还包括产品室冷却回路10，其被配置为冷却产品室2，特别是产品室的搁板3。产品室冷却回路10可包括管道，该管道布置在搁板3和/或产品室3的内部和/或产品室2的壁处，或穿过搁板3和/或产品室3的内部和/或产品室2的壁。产品室冷却回路10还包括作为第一导热流体(first heat transfer fluid)的硅油。第一导热流体通过泵11在产品室冷却回路10中循环。因此，在产品冷却步骤期间从产品室2中的产品吸取(withdrawn)的热量可以通过第一导热流体传递到一个或多个热交换器53、54，这将在后面进行解释。
在通常在产品冷却步骤之后的冷冻干燥步骤期间，通常需要提高产品室2内产品的温度。为此，产品室冷却回路10包括两个加热器12，加热器12可以在冷冻干燥步骤期间被启动(activated)，以用于加热产品室冷却回路的第一导热流体，从而也加热容纳于产品室内的产品。
冻干机1的另一个元件是冷凝器冷却回路20，其被配置为冷却冷凝器4。冷凝器冷却回路20还包括作为第二导热流体的硅油，特别是与在产品室冷却回路10中用作第一导热流体的硅油类型相同的硅油。如图1所示，冷凝器冷却回路20独立于产品室冷却回路。这意味着在冷凝器冷却回路20和产品室冷却回路10之间没有流体连接。冷凝器冷却回路20包括冷凝器盘管5或冷凝器板，冷凝器冷却回路的第二导热流体穿过冷凝器盘管5或冷凝器板。第二导热流体由冷凝器冷却回路20的泵21输送。
根据本实施方案的冷凝器冷却回路20还包括空气循环冷却系统25，用于冷却冷凝器冷却回路20的第二导热流体。空气循环冷却系统包括第二热交换器52，用于在空气循环冷却系统25中的空气和冷凝器冷却回路20的第二导热流体(此处为硅油)之间传递热量。
冷凝器冷却回路20还通过第一热交换器51与第一附加冷却回路30耦合(coupled)。第一附加冷却回路30包括二氧化碳或氨或液氮作为制冷剂，并包括相应的冷却系统31。在第一附加冷却回路中设置有主阀33，用于调节第一热交换器51中的制冷剂流量，从而调节冷凝器冷却回路和第一附加冷却回路30之间的热传递。
第一附加冷却回路30可选地包括副阀(secondary valve)34，该副阀34可以实施为止回阀(check valve)或截止阀。除了主阀(primary valve)33之外，还可以实施副阀34，以便能够在第一热交换器51中与第一附加冷却回路30相连的部分变干的(dried out)状态下操作第一热交换器51。首先，可以将主阀33设置到完全关闭的位置，并且可以从第一热交换器51中吸出制冷剂。如果将副阀34实施为止回阀，则可以避免制冷剂不期望地回流到第一热交换器51中。如果将副阀34实施为截止阀，则在制冷剂已经从第一热交换器51中移除之后，可以将副阀34设置到完全关闭的位置。
冷凝器冷却回路20通过第三热交换器53与产品室冷却回路10耦合。提供三通比例阀24用于调节通过第三热交换器的第二导热流体流和绕过第三热交换器53的第二导热流体流。阀24与包括第三热交换器的热交换器路径22和旁路路径23连接，旁路路径23与第三热交换器53并联连接。
第二附加冷却回路30’与同一冷却系统31耦合。第二附加冷却回路30’使用与第一附加冷却系统相同的制冷剂，即二氧化碳或氨或液氮。第二附加冷却回路30’通过第四热交换器54与产品室冷却回路10耦合。阀32设置在第二附加冷却回路30’中，用于调节第四热交换器54中的制冷剂流量，从而调节冷凝器冷却回路和第二附加冷却回路30’之间的热传递。
根据图1中所示的实施方案的变体，可以以冗余设置的方式提供一种或多种组件，以便通过使用冗余组件来补偿缺陷组件。例如，可以提供并联或串联连接的两个或更多个泵11，用于在产品室冷却回路10中输送第一导热流体。替代地或另外地，可以提供并联或串联连接的两个或更多个泵21，用于在冷凝器冷却回路20中输送第二导热流体。替代地或另外地，可以提供并联或串联连接的两个或更多个空气循环冷却系统25和/或两个或更多个第二热交换器52，用于冷却冷凝器冷却回路20中的第二导热流体。替代地或另外地，可以提供并联或串联连接的两个或更多个冷却系统31，用于冷却第一附加冷却回路30中的制冷剂，特别是二氧化碳或氨或液氮，和/或用于冷却第二附加冷却回路30’中的制冷剂，特别是二氧化碳或氨或液氮。
根据图1中所示的实施方案的另一个变体，一种或多种组件可以设置多个，以提高冻干机的冷却能力。例如，可以提供并联或串联连接的两个或更多个空气循环冷却系统25和/或两个或更多个第二热交换器52，用于冷却冷凝器冷却回路20中的第二导热流体。替代地或另外地，可以提供并联或串联连接的两个或更多个冷却系统31，用于冷却第一附加冷却回路30中的制冷剂，特别是二氧化碳或氨或液氮，和/或用于冷却第二附加冷却回路30’中的制冷剂，特别是二氧化碳或氨或液氮。
在下文中，将参照图1和图2描述用于操作根据本发明的冻干机1的方法100的实施方案。该方法100包括与产品冷却步骤102部分同时进行的冷凝器冷却步骤101。在完成冷凝器冷却步骤101和产品冷却步骤102之后，冻干机1执行冷冻干燥步骤103。这些步骤将在下文中进行详细阐述。
在冷凝器冷却步骤101中，热量经由第一热交换器51从冷凝器冷却回路20传递到包含二氧化碳或氨或液氮作为制冷剂的第一附加冷却回路30。冷凝器4的温度将从室温开始降低。如果冷凝器4或冷凝器冷却回路20的第二导热流体的温度高于预定阈值温度，则空气循环冷却系统25将保持不工作。在这个阶段，冷凝器冷却回路20仅由第一附加冷却回路30冷却。预定阈值温度在从-20℃到-40℃的范围内，例如-20℃。如果冷凝器4或冷凝器冷却回路20的第二导热流体的温度下降到预定阈值温度以下，则空气循环冷却系统25启动，使得空气循环冷却系统25提供额外的冷却能力。
同时，在产品冷却步骤102中开始冷却产品室2。在产品冷却步骤102期间，产品可以被放入产品室2中，特别是放入产品室2的搁板3中。调节冷凝器冷却回路20的阀24，使得第三热交换器53将热量从产品冷却回路10传递到冷凝器冷却回路20。可以通过调节冷凝器冷却回路20的阀24来调节搁板3和容纳在其中的产品的温度。
可选地，在产品冷却步骤102中，热量经由第四热交换器54从产品室冷却回路10传递到第二附加冷却回路30’。优选地，如果搁板3的温度或产品室冷却回路10的第一导热流体的温度在预定范围内，例如在-40℃和-51℃之间，则可以通过打开第二附加冷却回路30’的阀32来启动第四热交换器54的运转。
第二附加冷却回路30’可选地包括可以实施为止回阀或截止阀的副阀35。除了主阀32之外，还可以实施副阀35，以便能够在第一热交换器51与第二附加冷却回路30’相连的部分变干的状态下操作第四热交换器54。首先，可以将主阀32设置到完全关闭的位置，并且可以将制冷剂吸出第四热交换器54。如果将副阀35实施为止回阀，则可以避免制冷剂不期望地回流到第四热交换器54中。如果将副阀35实施为截止阀，则在制冷剂已经从第四热交换器54中移除之后，可以将副阀35设置到完全关闭的位置。
在冷冻干燥步骤103开始时，冷凝器4的温度比产品室2中的温度低至少5℃。打开气体通道封闭件，使气体通道6打开。通过真空泵使产品室2内的压力降低。然后，为了使产品中所含的水开始升华，将第三热交换器53与冷凝器冷却回路20中的第二导热流体流解耦(decoupled)，使得从产品室冷却回路10到冷凝器冷却回路20的热量传递减少，并且产品室冷却回路10的第一导热流体被产品室冷却回路10的加热器12加热。空气循环冷却系统25根据蒸汽负载将冷凝器冷却回路冷却到最低可能温度。蒸汽从产品室2中排出，并在冷凝器4的冷凝器盘管5或冷凝器板上冷凝。在冷冻干燥步骤103中，第一热交换器51与第一附加冷却回路30中的制冷剂流解耦(decoupled)，使得从冷凝器冷却回路20到第一附加冷却回路30的热量传递减少。
在冷冻干燥步骤103完成后，产品室2和冷凝器4中的温度升高。将产品从产品室卸载(unloaded)。可选地，可以进行自清洁程序或自消毒程序。在消毒期间，冷凝器4和冷凝器冷却回路20被加热到给定的消毒温度，例如高于121.1℃。在完成消毒之后，可以再次启动第一热交换器，以便使用附加冷却回路30来冷却冷凝器冷却回路20，从而使冻干机1为下一批待冷冻干燥的产品做好准备。
附图标记说明
1冻干机
2产品室
3搁板
4冷凝器
5冷凝器盘管
6气体通道阀
10产品室回路
11泵
12加热器
20冷凝器冷却回路
21泵
22热交换器路径
23旁路路径
24三通阀
25空气循环冷却系统
30，30’附加冷却回路
31冷却系统
32阀
33阀
34阀
35阀
51热交换器
52热交换器
53热交换器
54热交换器
100操作冻干机的方法
101冷凝器冷却步骤
102产品冷却步骤
103冷冻干燥步骤
Claims (15)
1.一种冻干机(1)，其包括
产品室(2)，所述产品室(2)被配置为容纳待冷冻干燥的产品，
冷凝器(4)，所述冷凝器(4)与所述产品室(2)连接并被配置为在冷冻干燥过程中截留水，
产品室冷却回路(10)，所述产品室冷却回路(10)被配置为冷却所述产品室(2)，所述产品室冷却回路(10)包括第一导热流体，
冷凝器冷却回路(20)，所述冷凝器冷却回路(20)被配置为冷却所述冷凝器(4)，所述冷凝器冷却回路(20)包括第二导热流体并且独立于所述产品室冷却回路(10)，
所述冻干机的特征在于，
包含二氧化碳或氨或液氮作为制冷剂的第一附加冷却回路(30)，以及
被配置为在所述冷凝器冷却回路(20)和所述第一附加冷却回路(30)之间传递热量的第一热交换器(51)。
2.根据权利要求1所述的冻干机(1)，其特征在于，所述第一附加冷却回路(30)包括阀(33)，特别是比例阀，用于调节通过所述第一热交换器(51)的制冷剂流量。
3.根据前述权利要求中任一项所述的冻干机(1)，其特征在于，被配置为冷却所述冷凝器冷却回路(20)的第二导热流体的空气循环冷却系统(25)。
4.根据权利要求3所述的冻干机(1)，其特征在于，被配置为将所述空气循环冷却系统(25)和所述冷凝器冷却回路(20)耦合的第二热交换器(52)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的冻干机(1)，其特征在于，被配置为在所述产品室冷却回路(10)和所述冷凝器冷却回路(20)之间传递热量的第三热交换器(53)。
6.根据权利要求5所述的冻干机(1)，其特征在于阀(24)，特别是三通阀，被配置为选择性地将所述第三热交换器(53)与所述冷凝器冷却回路(20)耦合或者将所述第三热交换器(53)与所述冷凝器冷却回路(20)解耦。
7.根据前述权利要求中任一项所述的冻干机(1)，其特征在于，被配置为在所述产品室冷却回路(10)和所述第一附加冷却回路(30)之间传递热量或在所述产品室冷却回路(10)和包括二氧化碳或氨或液氮作为制冷剂的第二附加冷却回路(30’)之间传递热量的第四热交换器(54)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的冻干机(1)，其特征在于，被配置为选择性地加热所述产品室冷却回路(10)的第一导热流体的一个或多个加热器(12)。
9.一种操作冻干机(1)的方法(100)，所述冻干机(1)包括
产品室(2)，所述产品室(2)被配置为容纳待冷冻干燥的产品，
冷凝器(4)，所述冷凝器(4)与所述产品室(2)连接并被配置为在冷冻干燥过程中截留水，
产品室冷却回路(10)，所述产品室冷却回路(10)被配置为冷却所述产品室(2)，所述产品室冷却回路(10)包括第一导热流体，
冷凝器冷却回路(20)，所述冷凝器冷却回路(20)被配置为冷却所述冷凝器(4)，所述冷凝器冷却回路(20)包括第二导热流体并且独立于所述产品室冷却回路(10)，
所述方法包括以下方法步骤：
在冷凝器冷却步骤(101)中，热量经由第一热交换器(51)从所述冷凝器冷却回路(20)传递到包含二氧化碳或氨或液氮作为制冷剂的第一附加冷却回路(30)。
10.根据权利要求9所述的方法(100)，其特征还在于，在所述冷凝器冷却步骤(101)中，所述冷凝器冷却回路(20)另外由空气循环冷却系统(25)冷却。
11.根据权利要求9或10中任一项所述的方法(100)，其特征还在于以下方法步骤：
在与所述冷凝器冷却步骤(101)同时或之后执行的产品冷却步骤(102)中，热量经由第三热交换器(53)从所述产品室冷却回路(10)传递到所述冷凝器冷却回路(20)。
12.根据权利要求11所述的方法(100)，其特征在于，所述产品室(10)的温度通过调节所述冷凝器冷却回路的比例阀(24)，特别是三通比例阀来设定。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法(100)，其特征在于，在所述产品冷却步骤(102)中，热量经由第四热交换器从所述产品室冷却回路(10)传递到所述第一附加冷却回路(30)，或者经由第四热交换器(54)从所述产品室冷却回路(10)传递到包含二氧化碳或氨或液氮作为制冷剂的第二附加冷却回路(30’)。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法(100)，其特征还在于以下方法步骤：
在所述冷凝器冷却步骤(101)和所述产品冷却步骤(102)之后执行的冷冻干燥步骤(103)中，所述第三热交换器(53)与所述冷凝器冷却回路(20)中的第二导热流体流解耦，使得从所述产品室冷却回路(10)到所述冷凝器冷却回路(20)的热传递减少，其中所述产品室冷却回路(10)的第一导热流体由一个或多个加热器(12)加热。
15.根据权利要求14所述的方法(100)，其特征还在于，在所述冷冻干燥步骤(103)中，所述第一热交换器(51)与所述第一附加冷却回路(30)中的制冷剂流解耦，使得从所述冷凝器冷却回路(20)到所述第一附加冷却回路(30)的热传递减少。
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