JP2016125682A - 凍結乾燥機に適用される被乾燥材料の乾燥状態監視装置及び乾燥状態監視方法 - Google Patents
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- Drying Of Solid Materials (AREA)
Abstract
Description
第1実施形態に係る乾燥状態監視方法及び乾燥状態監視装置は、乾燥庫とコールドトラップとをつなぐ主管内に、乾燥庫内の真空度を調節するための真空度調節手段として、ダンパ方式の開度調節器を備えた流路開度真空制御方式の凍結乾燥機に適用されるものである。
即ち、第1実施形態に係る凍結乾燥機M1は、図1及び図2に示すように、被乾燥材料を装入する乾燥庫DCと、乾燥庫DC内に装入された被乾燥材料から発生する水蒸気をトラップコイルctにて凝結捕集するコールドトラップCTと、乾燥庫DCとコールドトラップCTを連通する主管aと、コールドトラップCTに付設された引口弁Vと、引口弁Vに接続された真空ポンプPを有している。乾燥庫DC内には、1枚乃至複数枚の棚板Bが設置されており、当該棚板B上には被乾燥材料が分注された複数の容器Eが載置される。容器Eとしては、バイタルやトレイ等が被乾燥材料の種類に応じて用いられる。棚板Bには、棚板Bの温度(棚温)を検出する温度センサ(棚温検出手段)Sが備えられる。また、乾燥庫DC及びコールドトラップCTには、乾燥庫DC内の絶対圧力及びコールドトラップCT内の絶対圧力を検出する真空計(真空検出手段)bが備えられる。なお、乾燥庫DC及びコールドトラップCTのそれぞれに真空計bを個別に備える構成に代えて、乾燥庫DC内の絶対圧力とコールドトラップCT内の絶対圧力の差圧を検出する差圧真空計を備える構成とすることもできる。主管aには、これを全開状態又は全閉状態に切り替える主弁MVと、主管aの開度を調整するダンパ方式の開度調節器Cが備えられる。開度調節器Cには、その開度角度θを検出するためのロータリエンコーダ等の角度センサgが備えられる。なお、開度調節器Cの開度角度θとは、全開状態(0°)からの開度調節器Cの回転角度をいう。
バイアルの底部面積Avは、下記の式(1)で求められる。
Av=0.000001×π/4×d12×N1 …(1)
トレイ枠Bの表面積Atは、下記の式(2)で求められる。
At=0.000001×W×L×N2 …(2)
有効伝熱面積Aeは、下記の式(3)で求められる。
Ae=2/〔(1/Av)+(1/At)〕 …(3)
昇華面積Asは、下記の式(4)で求められる。
As=0.000001×π/4×(d1−2×t1)2×N1 …(4)
脱水量Wは、下記の式(5)で求められる。
W=0.001×N1×V1×e×0.01×(100−s) …(5)
初期凍結層厚L0は、下記の式(6)で求められる。
L0=0.001×N1×V1/(0.917×As) …(6)
なお、初期の平均底部品温Tb0は、下記の式(7)に示すように、一次乾燥開始時の初期凍結温度Tbiとする。
Tb0=Tbi …(7)
また、一次乾燥開始時の昇華量M0は0とする(M0=0)。
A=0.01×(π/4×D2−d×t×cosθ−π/4×d2×sinθ)〕 …(8)
R(θ)=[a+(b/A)2]0.5+b/A …(9)
R(θ)=[3408.65+(2223.7/A)2]0.5+2223.7/A …(10)
この式(10)から、a=3408.65、b=2223.7が求められる。
このように、事前の水負荷試験で得られた定数a、bをシーケンサPLCに記憶しておくことにより、手順S8で主管抵抗R(θ)を算出することができる。
平均乾燥庫真空度Pdcは、下記の式(11)で求められる。
Pdc=(Pdc1+Pdc2+Pdc3+Pdc4+Pdc5)/5 …(11)
被乾燥材料の昇華速度Qmは、下記の式(12)で求められる。
Qm=3.6×Pdc/R …(12)
また、被乾燥材料の昇華量Mは、下記の式(13)で求められる。
M=M0+Qm×N/60 …(13)
但し、M0は、乾燥開始からN分前までの昇華量である。
このように、式(11)で求められる平均乾燥庫真空度Pdcを用いて被乾燥材料の昇華速度Qmを算出すると、真空計bから取り込まれる乾燥庫真空度に揺らぎが生じている場合にも、その影響を緩和できるので、真空計bから取り込まれる瞬間的な乾燥庫真空度を用いる場合に比べて、被乾燥材料の昇華速度Qmをより正確に算出できる。
熱伝達係数K(Kcal/hm2℃)は、次の式(14)で計算される。
K=14.5/(δ+2.12×29×0.13332/Pdc) …(14)
但し、δは、容器底部の隙間で単位はmmであり、手順S1で定数データとしてシーケンサPLCに入力される。また、Pdcは、乾燥庫DC内の圧力であり、真空計bにて実測する。
C=0.001×N1×(0.22×Wv+0.33×Wc+0.33×V1×0.01×s×e)+0.5×(W-M)
…(15)
C×dTm/dt=Qh+Qr−Qm×ΔHs …(16)
但し、式(16)において、Cは容器を含む被乾燥材料の熱容量、Tmは被乾燥材料の底部から昇華面までの平均品温、Qhは気体伝達による棚板Bから容器Eの底部への入熱量、Qrは乾燥庫DCの庫壁から全容器への輻射入熱量、Qmは昇華速度、ΔHsは昇華潜熱である。
Qh=Ae×K×(Th−Tm) …(17)
但し、Aeは有効伝熱面積(m2)、Kは気体伝導による棚板Bから容器Eの底部への熱伝達係数、Thは棚温(℃)、Tmは平均品温(℃)である。
Qr=5.67×ε×Ae×[(Tw1/100)4−(Tm/100)4〕 …(18)
但し、式中のεは輻射係数、Tw1は一次乾燥時の乾燥庫壁温度、Tmは平均品温である。
Qr=Ae×Kr×(Tw1−Tm) …(19)
但し、Krは輻射入熱による相当熱伝達係数であり、試験機でKr=0.7W/m2℃、生産機でKr=0.2W/m2℃と近似できる。
C×dTm/dt=Ae×K×(Th-Tm)+Ae×Kr×(Tw1-Tm)-Qm×ΔHs …(20)
但し、昇華潜熱ΔHs=680kcal/Kg=2850KJ/Kgである。
Tb=(K×Th+Kr×Tw1+C×60×Tb0/(N×Ae)-Qm×680/Ae)/(K+Kr+C×60/(N×Ae))
…(21)
Ts=Tb-Qm×680/(As×λ)×0.001×L0×(1-M/W) …(22)
A=0.000001×[π/4×D2-d×t×cosθ-π/4×d2×sinθ] …(23)
Pdc=(Pdc1+Pdc2+Pdc3+Pdc4+Pdc5)/5 …(24)
Pct=(Pct1+Pct2+Pct3+Pct4+Pct5)/5 …(25)
Qm´=j×A×(Pdc2−Pct2)k …(26)
定数データj、kは、主管流路の水蒸気流動抵抗係数から昇華速度への算出式の定数値であり、水負荷の実験で実際の乾燥量を測定することにより求める。
また、式(26)で、Pdc<Pctの場合には、Qm´=0とする。
K=14.5/(δ+2.12×29×0.13332/Pdc)+1.1 …(27)
但し、δは容器底部の隙間(mm)であり、手順S1で定数データとしてシーケンサPLCに入力される。また、Pdcは式(24)を用いて算出された乾燥庫真空度の平均値である。
C=0.001×N1×(0.22×Wv+0.33×Wc+0.33×V1×0.01×s×e) …(28)
C×dTm/dt=Qh+Qr−Qm´×ΔHs´ …(29)
但し、式(29)において、Cは被乾燥材料の熱容量、Tmは被乾燥材料の底部から昇華面までの平均品温、Qhは気体伝導による棚板Bから容器Eの底部への入熱量、Qrは乾燥庫壁から全容器への幅射入熱量、Qm´は脱湿速度、ΔHs´は蒸発潜熱である。
Qh=Ae×K×(Th−Tm) …(30)
但し、Aeは有効伝熱面積(m2)、Kは気体伝導による棚板Bから容器Eの底部への熱伝達係数、Thは棚温(℃)、Tmは平均品温(℃)である。
Qr=5.67×ε×Ae×[(Tw2/100)4−(Tm/100)4〕 …(31)
但し、式中のεは輻射係数、Tw2は二次乾燥時の乾燥庫壁温度、Tmは平均品温である。
Qr=Ae×Kr×(Tw2−Tm) …(32)
但し、Krは輻射入熱による相当熱伝達係数であり、試験機でKr=0.7W/m2℃、生産機でKr=0.2W/m2℃と近似できる。
C×dTm/dt=Ae×K×(Th-Tm)+Ae×Kr×(Tw2-Tm)−Qm´×ΔHs´ …(33)
但し、ΔHsは蒸発潜熱であり、ΔHs=2850KJ/Kgである。
C×(Tm-Tm0)/Δt=Ae×K×(Th-Tm)+Ae×Kr×(Tw2-Tm)-Qm´×ΔHs´
Tm=(Tm0+a1×Th+a2×Tw2−a3)/(1+a1+a2)
但し、a1=K×Ae×N/(60×C)、
a2=Kr×Ae×N/(60×C)、
a3=Qm´×680×N/(60×C) …(34)
したがって、式(26)で求めた被乾燥材料の脱湿速度Qm´と、式(34)で求めたa1、a2、a3とから、二次乾燥工程における被乾燥材料の平均品温Tmを算出することができる。
第2実施形態に係る算出方法及び算出装置は、乾燥庫内の真空度を調節するための真空度調節手段として、リーク弁を乾燥庫に備えたリーク式真空制御方式の凍結乾燥機に適用されるものである。
即ち、第2実施形態に係る凍結乾燥機M2は、図10及び図11に示すように、被乾燥材料を装入する乾燥庫DCと、乾燥庫DC内に装入された被乾燥材料から発生する水蒸気をトラップコイルctにて凝結捕集するコールドトラップCTと、乾燥庫DCとコールドトラップCTを連通する主管aと、主管aを開閉する主弁MVと、乾燥庫DCに接続されたリーク制御弁LV付きの真空制御回路fと、コールドトラップCTに付設された引口弁Vと、引口弁Vに接続された真空ポンプPと、乾燥庫DC内の絶対圧力及びコールドトラップCT内の絶対圧力を検出する真空計bと、上述した装置各部の稼働を自動制御する制御装置CRとから主に構成されている。制御盤CRはシーケンサPLCと記録計(記録手段)eとから構成されており、シーケンサPLCには、乾燥庫DC、コールドトラップCT及び真空制御回路fの駆動を制御して、被乾燥材料の予備乾燥工程、一次乾燥工程及び二次乾燥工程を実行する制御プログラムが予め記憶されている。その他については、第1実施形態に係る凍結乾燥機M1と同じであるので、対応する部分に同一の符号を付して説明を省略する。
主管流路断面積Aは、下記の式(35)で求められる。
A=π/4×(0.001×D)2 …(35)
バイアルの底部面積Av、トレイ枠Bの総面積At、有効伝熱面積Ae及び昇華面積Asについては、上記の式(1)〜(4)でそれぞれ求められる。
Pdc=(Pdc1+Pdc2+Pdc3+Pdc4+Pdc5)/5 …(36)
Pct=(Pct1+Pct2+Pct3+Pct4+Pct5)/5 …(37)
Qm=3・6×(Pdc−Pct)/R=3・6×ΔP/R …(38)
但し、式(38)において、ΔPは乾燥庫真空度Pdcとコールドトラップ真空度Pctとの差圧、Rは主管抵抗である。
ΔP=Cr/2×ρ×u2=Cr/2×ρ×[Qm/(3600×A×ρ)]2 …(39)
但し、Crは主管流路の水蒸気流動抵抗係数、ρは理想気体の状態方程式ρ=P×M/(R×T)で表される値(Pは気体の圧力、Mは気体の分子量、Rは気体定数、Tは気体の温度)、Aは主管aの流路面積である。
Qm=A×[(Pdc2−Pct2)/(8314×288/(18×36002)×Cr)]0.5
=A×[(Pdc2−Pct2)/(0.0103×Cr)]0.5 …(40)
この方法によると、真空計以外の高価な計測器機を装備する必要がないので、昇華速度Qmの算出を容易かつ低コストに行うことができる。
Cr=4.065/Qm0.8 …(41)
この主管流路の水蒸気流動抵抗係数Crと昇華速度Qmの関係式(41)を上記の式(40)に代入すると、下記の昇華速度Qmの計算式(42)を導出される。
Qm=0.9×A×(Pdc2−Pct2)0.875 …(42)
この式(42)から、j=0、k=0.875が求められる。
このように、事前の水負荷試験で得られた定数j、kをシーケンサPLCに記憶しておくことにより、手順S23で算出した主管流路断面積Aと、手順S27で算出した乾燥庫真空度Pdcの平均値及びコールドトラップ真空度の平均値とから、昇華速度Qmを容易に算出できる。
T トレイ枠
C 開度調節器
CT コールドトラップ
CR 制御盤
DC 乾燥庫
E 容器
M1、M2 凍結乾燥機
MV 主弁
P 真空ポンプ
PLC シーケンサ
S 温度センサ
V 引口弁
a 主管
b 真空計
ct トラップコイル(プレート)
e 記録計
f 真空制御回路
g 角度センサ
Claims (6)
- 被乾燥材料を装入する乾燥庫(DC)と、該乾燥庫(DC)内に装入された被乾燥材料から発生する水蒸気を凝結捕集するコールドトラップ(CT)と、前記乾燥庫(DC)と前記コールドトラップ(CT)とを連通する主管(a)と、該主管(a)を開閉する主弁(MV)と、前記乾燥庫(DC)内の真空度を調節する真空度調節手段と、前記乾燥庫(DC)内の絶対圧力及び前記コールドトラップ(CT)内の絶対圧力を検出する真空検出手段と、前記乾燥庫(DC)内に設置され、前記被乾燥材料を分注した容器を載置する棚板(B)の温度を検出する棚温検出手段と、前記乾燥庫(DC)、前記コールドトラップ(CT)及び前記真空度調節手段の稼働を自動制御する制御装置(PLC)を備えた凍結乾燥機を用い、
前記制御装置(PLC)には、前記乾燥庫(DC)、前記コールドトラップ(CT)及び前記真空度調節手段の駆動を制御して、前記被乾燥材料の一次乾燥工程及び二次乾燥工程を実行する制御プログラムと、所要の計算プログラム及び計算式と、前記計算プログラムを実行する時間間隔と、前記容器を含む前記被乾燥材料の熱容量に関するデータ並びに一次乾燥工程における前記乾燥庫(DC)の壁温度及び二次乾燥工程における前記乾燥庫(DC)の壁温度を含む定数データを記憶しておき、
前記一次乾燥工程では、前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)を、前記真空度調節手段を操作することなく成り行きに任せて変化させ、前記制御装置(PLC)に記憶された前記時間間隔ごとに、前記真空検出手段及び前記棚温検出手段の測定データ並びに前記一次乾燥工程における乾燥庫(DC)の壁温度を含む前記制御装置(PLC)の定数データと前記制御装置(PLC)に記憶された前記計算式とから、前記被乾燥材料の昇華速度(Qm)と前記被乾燥材料の昇華潜熱及び前記容器を含む前記被乾燥材料の顕熱を考慮した平均底部品温(Tb)と平均昇華面温度(Ts)をこの順に求めて、これらの各計算データを記録手段(e)に記録し、
前記二次乾燥工程では、前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)を、前記真空度調節手段を操作することなく成り行きに任せて変化させ、前記制御装置(PLC)に記憶された前記時間間隔ごとに、前記真空検出手段及び前記棚温検出手段の測定データ並びに前記二次乾燥工程における乾燥庫(DC)の壁温度を含む前記制御装置(PLC)の定数データと前記制御装置(PLC)に記憶された前記計算式とから、前記被乾燥材料の脱湿速度(Qm´)と前記被乾燥材料の昇華潜熱及び前記容器を含む前記被乾燥材料の顕熱を考慮した平均底部品温(Tb)と平均昇華面温度(Ts)をこの順に求めて、これらの各計算データを記録手段(e)に記録することを特徴とする、凍結乾燥機に適用される被乾燥材料の乾燥状態監視方法。 - 前記真空度調節手段としてダンパ方式の開度調節器(C)を前記主管(a)内に備えた凍結乾燥機を用い、前記一次乾燥工程及び前記二次乾燥工程において、前記制御装置(PLC)は、前記開度調節器(C)の開度調節を行い、前記開度調節器(C)の開度角度を、前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)の変化に追従して変化させることを特徴とする、請求項1に記載の凍結乾燥機に適用される被乾燥材料の乾燥状態監視方法。
- 前記真空度調節手段としてリーク制御弁(LV)付きの真空制御回路(f)を前記乾燥庫(DC)、前記コールドトラップ(CT)及び前記主管(a)を含む真空系統のいずれかに備えた凍結乾燥機を用い、前記一次乾燥工程及び前記二次乾燥工程において、前記制御手段(PLC)は、前記リーク制御弁(LV)を駆動して前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)を設定値に制御するか、前記リーク制御弁(LV)を閉じ、それ以降、前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)を成り行きに任せることを特徴とする、請求項1に記載の凍結乾燥機に適用される被乾燥材料の乾燥状態監視方法。
- 被乾燥材料を装入する乾燥庫(DC)と、該乾燥庫(DC)内に装入された被乾燥材料から発生する水蒸気を凝結捕集するコールドトラップ(CT)と、前記乾燥庫(DC)と前記コールドトラップ(CT)とを連通する主管(a)と、該主管(a)を開閉する主弁(MV)と、前記乾燥庫(DC)内の真空度を調節する真空度調節手段と、前記乾燥庫(DC)内の絶対圧力及び前記コールドトラップ(CT)内の絶対圧力を検出する真空検出手段と、前記乾燥庫(DC)内に設置され、前記被乾燥材料を分注した容器を載置する棚板(B)の温度を検出する棚温検出手段と、前記乾燥庫(DC)、前記コールドトラップ(CT)及び前記真空度調節手段の稼働を自動制御する制御装置(PLC)を備え、
前記制御装置(PLC)には、前記乾燥庫(DC)、前記コールドトラップ(CT)及び前記真空度調節手段の駆動を制御して、前記被乾燥材料の一次乾燥工程及び二次乾燥工程を実行する制御プログラムと、所要の計算プログラム及び計算式と、前記計算プログラムを実行する時間間隔と、前記容器を含む前記被乾燥材料の熱容量に関するデータ並びに一次乾燥工程における前記乾燥庫(DC)の壁温度及び二次乾燥工程における前記乾燥庫(DC)の壁温度を含む定数データを記憶しておき、
前記一次乾燥工程では、前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)を、前記真空度調節手段を操作することなく成り行きに任せて変化させ、前記制御装置(PLC)に記憶された前記時間間隔ごとに、前記真空検出手段及び前記棚温検出手段の測定データ並びに前記一次乾燥工程における乾燥庫(DC)の壁温度を含む前記制御装置(PLC)の定数データと前記制御装置(PLC)に記憶された前記計算式とから、前記被乾燥材料の昇華速度(Qm)と前記被乾燥材料の昇華潜熱及び前記容器を含む前記被乾燥材料の顕熱を考慮した平均底部品温(Tb)と平均昇華面温度(Ts)をこの順に求めて、これらの各計算データを記録手段(e)に記録し、
前記二次乾燥工程では、前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)を、前記真空度調節手段を操作することなく成り行きに任せて変化させ、前記制御装置(PLC)に記憶された前記時間間隔ごとに、前記真空検出手段及び前記棚温検出手段の測定データ並びに前記二次乾燥工程における乾燥庫(DC)の壁温度を含む前記制御装置(PLC)の定数データと前記制御装置(PLC)に記憶された前記計算式とから、前記被乾燥材料の脱湿速度(Qm´)と前記被乾燥材料の昇華潜熱及び前記容器を含む前記被乾燥材料の顕熱を考慮した平均底部品温(Tb)と平均品温(Ts´)をこの順に求めて、これらの各計算データを記録手段(e)に記録することを特徴とする、凍結乾燥機に適用される被乾燥材料の乾燥状態監視装置。 - 前記真空度調節手段としてダンパ方式の開度調節器(C)を前記主管(a)内に備え、前記一次乾燥工程及び前記二次乾燥工程において、前記制御装置(PLC)は、前記開度調節器(C)の開度調節を行い、前記開度調節器(C)の開度角度を、前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)の変化に追従して変化させることを特徴とする、請求項4に記載の凍結乾燥機に適用される被乾燥材料の乾燥状態監視装置。
- 前記真空度調節手段として、リーク制御弁(LV)付きの真空制御回路(f)を、前記乾燥庫(DC)、前記コールドトラップ(CT)及び前記主管(a)を含む真空系統のいずれかに備え、前記一次乾燥工程及び前記二次乾燥工程において、前記制御手段(PLC)は、前記リーク制御弁(LV)を駆動して前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)を設定値に制御するか、前記リーク制御弁(LV)を開いた状態で、それ以降、前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)を設定値に制御することを特徴とする、請求項4に記載の凍結乾燥機に適用される被乾燥材料の乾燥状態監視装置。
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