JP6099463B2 - 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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Description
第1実施形態に係る乾燥状態監視装置及び乾燥状態監視方法は、図1及び図2に示すように、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開度調節器(ダンパ)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W1は、図1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、主管a内に備えられたダンパ方式の開度調節器C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(真空検出手段)bと、乾燥庫(DC)内に設置された被乾燥材料載置用の棚板Bの温度(棚温)を検出する温度センサ(棚温検出手段)Sと、上述した装置各部の稼働を自動制御する制御盤CRとから主に構成されている。本例においては、制御盤CRにシーケンサPLCと記録計(記録手段)eが組み込まれており、シーケンサPLCには、主弁MVを全開した状態における水負荷による脱湿速度Qmと開度調節器Cの開度角度θと主管抵抗R(θ)との関係式と、所要の計算プログラムとが予め記憶されている。なお、制御盤CRを用いる構成に代えて、上述の関係式及び計算プログラムが記録されたパーソナルコンピュータを用いることもできる。また、乾燥庫DCとコールドトラップCTのそれぞれに絶対圧力を検出する真空計bを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こともできる。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。
脱湿速度Qmは、凍結乾燥機W1の乾燥庫DCとコールドトラップCTにそれぞれ付設した真空計bで測定した乾燥庫DC内の真空度PdcとコールドトラップCT内の真空度Pctとから算出する。この方法によると、真空計e以外の高価な計測器を装備する必要がないので、脱湿速度Qmの算出を容易かつ低コストに行うことができる。
開度調節器Cが更に全開方向へ回動し、Pct/Pdc>0.53になると、主管a内における水蒸気の流れが粘性流状態となる。この場合、被乾燥材料からの脱湿速度Qmは、主管抵抗をRとしたとき、次の式で計算できる。
主管抵抗Rは、水負荷を掛けたときの被乾燥材料からの昇華量を測定するか、算出することにより求められる。そして、主管抵抗Rが求まれば、上述したように、乾燥庫DC内の真空度PdcとコールドトラップCT内の真空度Pctの測定データから脱湿速度Qmを求めることができる。
Qm=3.6×Pdc/Rの計算式で平均脱湿速度を計算する。
Qm=ρ×A´×u´で表される。
Qm=P1×A´×〔K×M/(R×T)〕1/2=P1/R2(θ)
と書き換えられる。
R(θ)=R1(θ)+R2(θ)
=[〔C0+(R2(θ)/2)2]1/2+R2(θ)/2
で表される。
R2(θ)=2223.7/Aであり、
開度調節器Cの断面積A(cm2)は、Dを主管aの内径、d1を開度調節器Cの直径、tを開度調節器Cの厚みとしたとき、
A=0.01×(π×D2/4−d1×t×cosθ−π×d12/4×sinθ)
で計算される。
二次乾燥における被乾燥材料の平均品温Tm及び平均脱湿速度Qmの算出に際しては、事前に、水負荷で乾燥負荷Qm(Kg/hr)と乾燥庫DC内の真空度PdcとコールドトラップCT内の真空度Pctを測定し、開度調節器Cの開度角度θと主管抵抗R(θ)との関係式を求める。その方法は、トレイ底部に品温センサを取り付け、トレイに水を入れ、−40℃まで凍結し、一次乾燥時に棚温を設定して、乾燥庫内の真空度を26.7Paから6.7Paまで順次に制御し、棚温Thと底部品温Tbを測定し、庫内圧力PdcとCT圧力Pctを絶対圧真空計bにて計測する。各真空制御値における開度調節器Cの開度角度θも計測する。
A=0.01×(π×D2/4−d1×t×cosθ−π×d12/4×sinθ)
但し、Dは主管aの内径、d1は開度調節器Cの直径、tは開度調節器Cの厚みである。
第2実施形態に係る乾燥状態監視装置及び乾燥状態監視方法は、図3及び図4に示すように、乾燥庫内の真空度を調節するための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。
第2実施形態に係る凍結乾燥機W2は、図3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(真空検出手段)bと、乾燥庫(DC)内に設置された被乾燥材料載置用の棚板Bの温度(棚温)を検出する温度センサ(棚温検出手段)Sと、上述した装置各部の稼働を自動制御する制御盤CRとから主に構成されている。本例においては、制御盤CRにシーケンサPLC及び記録計(記録手段)eが組み込まれており、シーケンサPLCには、主弁MVを全開とした状態において求めた水負荷による脱湿速度Qmと主管a内の水蒸気流動抵抗係数Crとの関係式と、所要の計算プログラムと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W1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。
上述したように、二次乾燥期に被乾燥材料から脱湿した水蒸気は、乾燥庫DCから主管aを通してコールドトラップCT内に流れ、トラップコイルCtにて凝結捕集される。リーク真空制御方式による場合、主管a内における水蒸気の流れは粘性流となるので、被乾燥材料からの脱湿速度Qmは、次の式で計算できる。
上式において、Pdcは乾燥庫DC内の真空度(乾燥庫真空度)
PctはコールドトラップCT内の真空度(コールドトラップ真空度)
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。
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)〕1/2 となる。
〈脱湿速度Qmと主管流路の水蒸気流動抵抗係数Crとの関係式の導出〉
主管流路の水蒸気流動抵抗係数Crは、水負荷で実際の乾燥量を測定する方法と計算による方法の二つ方法で求めることができる。
Qm=A×〔(Pdc2−Pct2)/(8314×288/(18×36002)×Cr)〕1/2
の式より、主管流路の水蒸気流動抵抗係数Crが求めれば、乾燥庫DC内の真空度PdcとコールドトラップCT内の真空度Pctを測定することによって、脱湿速度Qmを算出できる。なお、乾燥庫DC内の真空度Pdcの測定及びコールドトラップCT内の真空度Pctの測定には、高精度の真空計bを設置することが要求される。
ΔP=Cr/2×ρ×u2=Cr/2×ρ×〔Qm/(3600×A×ρ)〕2
から、二次乾燥時の脱湿速度Qmを、下式により算出する。
(3)平均品温Tmを計算する。
先ず、水負荷の試験で、主管流路の水蒸気流動抵抗係数Crと脱湿速度Qmとの関係式を求める。水負荷の試験は、乾燥庫DC内に水を充填したトレイを装入した状態で、制御盤CRにより凍結乾燥機W2の稼動を制御し、所定の乾燥工程を実行することにより行われる。本例においては、トレイ内の水を−45℃まで凍結した後の一次乾燥時に、棚温Thを−20℃に設定すると共に乾燥庫DC内の真空度Pdcを6.7Paに設定して3時間保持した。また、棚温Thを−10℃に設定すると共に乾燥庫DC内の真空度Pdcを6.7Pa、13.3Pa、20Paに制御してそれぞれ3時間保持した。また、棚温Thを5℃に設定すると共に乾燥庫DC内の真空度Pdcを6.7Pa、13.3Paに制御して、3時間保持した。また、棚温Thを20℃に設定すると共に乾燥庫DC内の真空度Pdcを6.7Pa、13.3Paに制御して、それぞれ3時間保持した。上記9条件の水負荷試験を実施しながら、棚温Th、トレイ底部品温Tb、乾燥庫DC内の真空度Pdc及びコールドトラップCT内の真空度Pctを測定して記録した。更に、これらの測定結果から、脱湿速度Qm(Kg/h)と主管流路の水蒸気流動抵抗係数Crを求めた。表3に、水負荷の試験で求められた棚温Th、乾燥庫DC内の真空度Pdc、コールドトラップCT内の真空度Pct、脱湿速度Qm及び主管流路の水蒸気流動抵抗係数Crを示す。
Cr=5.4+0.85/Qm1.25
の関係式が得られた。
二次乾燥期における被乾燥材料の全体の平均品温Tmは、次式から算出できる。
但し、この式において、Cは被乾燥材料の熱容量、Tmは平均品温、Qhは気体伝導による棚段から容器底部への入熱量、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。
但し、Aeは有効伝熱面積(m2)、Kは気体伝導による棚段から容器底部への熱伝達係数、Thは棚温(℃)、Tmは二次乾燥期における被乾燥材料の全体の平均品温(℃)である。
気体伝導による棚段から容器底部への熱伝達係数K(W/m2℃)は、
K=16.86/(δ+2.12×29×0.133/Pdc)である。
但し、式中のεは輻射係数、Arは輻射熱を受ける面積(m 2 )、Twは乾燥庫壁温度、Tmは平均品温である。輻射熱を受ける面積Arは有効伝熱面積Aeで近似できる。
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。
=Ae×K×(Th−Tm)+Ar×Kr×(Tw−Tm)−Qm×ΔHs
但し、ΔHsは蒸発潜熱であり、ΔHs=2850KJ/Kgである。
Ae×K×(Th−Tm)+Ar×Kr×(Tw−Tm)−Qm×ΔHs
Tm=(Tm0+a1×Th+a2×Tw−a3)/(1+a1+a2)
a1=K×Ae×Δt/C、
a2=Kr×Ar×Δt/C、
a3=Qm×ΔHs×Δt/C
但し、Cは被乾燥材料の熱容量である。
二次乾燥工程に入ると、棚温を二次乾燥の設定温度まで昇温する。これにより、被乾燥材料中の不凍水が脱湿し、品温も上昇する。なお、被乾燥材料の熱容量Cには、トレイの熱容量Ct、バイアルとゴム栓の熱容量Cv、薬分の熱容量Cs及び不凍水の熱容量Cwを含める。
以下に、流路開度真空制御方式の凍結乾燥機W1を用いた場合、及び、リーク真空制御方式の凍結乾燥機W2を用いた場合のそれぞれについて、実負荷を用いた凍結乾燥テストを行うことにより求められた、二次乾燥期における被乾燥材料の全体の平均品温Tm及び脱湿速度Qmの計算結果を示す。
凍結乾燥機W1は、乾燥庫DC内に被乾燥材料であるスクロース(Sucrose、分子式:C12H22O11)の10%水溶液を分注したバイアル660本が装入され、制御盤CRにより制御されて、所定の乾燥工程を開始している。なお、本発明に係る算出方法及び算出装置の適切性を検証するために、棚中央部に装入された3本のバイアルには品温センサを挿入して、バイアル内に分注された被乾燥材料スクロースの品温(品温1、品温2、品温3)を測定した。溶液を−45℃で3時間凍結させ、一次乾燥時に棚温Thを−20℃に設定すると共に、開度調節器Cの開度角度θを調整して乾燥庫DC内の真空度Pdcを10.0Paに制御し、被乾燥材料を凍結乾燥した。二次乾燥では、棚温を1時間で−20℃から30℃まで昇温し、真空度調節手段を駆動して乾燥庫DC内の真空度Pdcを成り行きに変化させ、開度調節器Cを全開方向へ回動させた。二次乾燥期に1分間の間隔で開度調節器Cの開度角度θ、乾燥庫DC内の真空度PdcとコールドトラップCT内の真空度Pct及び棚温Thをそれぞれ測定して記録し、シーケンサPLCに記憶された計算ソフトを用いて、被乾燥材料の平均品温Tmと平均脱湿速度Qmを算出した。図5に、その算出結果を示す。
凍結乾燥機W2は、乾燥庫DC内に被乾燥材料であるマンニトール(Mannitol、分子式:C6H14O6)の10%水溶液を分注したバイアル660本が装入され、制御盤CRにより制御されて、所定の乾燥工程を開始している。なお、本発明に係る算出方法及び算出装置の適切性を検証するために、棚中央部に装入された3本のバイアルには品温センサを挿入して、バイアル内に分注された被乾燥材料マンニトールの品温(品温1、品温2、品温3)を測定した。溶液を−45℃で3時間凍結させ、一次乾燥時に棚温Thを0℃に設定すると共に、真空制御回路fに備えられた可変リーク弁及びリーク制御弁LVを経由して外部空気を凍結乾燥機W2内に導入することにより、乾燥庫DC内の真空度Pdcを10Paに制御し、被乾燥材料を凍結乾燥した。二次乾燥では、棚温を1時間で0℃から20℃まで昇温し、乾燥庫DC内の真空度Pdcを1時間で10Paから1Paに制御し、その後に真空を成り行きにした。二次乾燥期に1分間隔で乾燥庫DCの真空度PdcとコールドトラップCTの真空度Pct及び棚温Thをそれぞれ測定して記録し、シーケンサPLCに記憶された計算ソフトを用いて、被乾燥材料の平均品温Tmと脱湿速度Qmを算出した。表4及び図6に、その算出結果を示す。
CT コールドトラップ
CR 制御盤
DC 乾燥庫
MV 主弁
P 真空ポンプ
PLC シーケンサ
V 引口弁
W 凍結乾燥機
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
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)内に設置された棚板の温度(Th)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的に制御する制御手段(PLC)を備えた凍結乾燥機に適用される乾燥状態監視方法において、
前記制御手段(PLC)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制御プログラムと、所要の計算プログラムと、所要の関係式を記憶しており、前記被乾燥材料が二次乾燥期に入ったとき、前記制御手段(PLC)による前記真空度調節手段の開閉制御を停止した状態で前記乾燥庫DC内の真空度(Pdc)を変化させ、当該変化中に前記制御手段(PLC)に取り込まれた前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)、前記コールドトラップ(CT)内の真空度(Pct)、前記棚温検出手段により検出された前記棚板の温度(Th)を含む測定データ及び前記関係式から、前記二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出し、算出された被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を記録手段(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乾燥状態監視方法。 - 前記真空度調節手段として開度調節器(C)を前記主管(a)内に備えると共に、前記制御手段(PLC)には、前記関係式として、前記主弁(MV)を全開した状態における水負荷による脱湿速度(Qm)と前記開度調節器(C)の開度角度(θ)と主管抵抗R(θ)との関係式を記憶し、
前記乾燥庫(DC)内に装入された被乾燥材料が二次乾燥期に入り、前記開度調節器(C)が全開方向への回動を開始した後、前記制御手段(PLC)は、所定時間間隔毎に、前記開度調節器(C)の開度角度(θ)と、乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)と、前記コールドトラップ(CT)内の真空度(Pct)と、前記棚板の温度(Th)の測定データから、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出す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ると共に、前記制御手段(PLC)には、前記関係式として、前記主弁(MV)を全開した状態における水負荷による脱湿速度(Qm)と前記主管(a)の水蒸気流動抵抗係数(Cr)との関係式を記憶し、
前記乾燥庫(DC)内に装入された被乾燥材料が二次乾燥期に入った後、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、しかる後、所定の時間間隔毎に、前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)と、前記コールドトラップ(CT)内の真空度(Pct)と、前記棚温(Th)の測定データから、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出す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)内に設置された棚板の温度(Th)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的に制御する制御手段(PLC)を備え、
前記制御手段(PLC)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制御プログラムと、所要の計算プログラムと、所要の関係式を記憶しており、前記被乾燥材料が二次乾燥期に入ったとき、前記制御手段(PLC)による前記真空度調節手段の開閉制御を停止した状態で前記乾燥庫DC内の真空度(Pdc)を変化させ、当該変化中に前記制御手段(PLC)に取り込まれた前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)、前記コールドトラップ(CT)内の真空度(Pct)、前記棚温検出手段により検出された前記棚板の温度(Th)を含む測定データ及び前記関係式から、前記二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出し、算出された被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を記録手段(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乾燥状態監視装置。 - 前記真空度調節手段として開度調節器(C)を前記主管(a)内に備えると共に、前記制御手段(PLC)には、前記関係式として、前記主弁(MV)を全開した状態における水負荷による脱湿速度(Qm)と前記開度調節器(C)の開度角度(θ)と主管抵抗R(θ)との関係式を記憶し、
前記乾燥庫(DC)内に装入された被乾燥材料が二次乾燥期に入り、前記開度調節器(C)が全開方向への回動を開始した後、前記制御手段(PLC)は、所定時間間隔毎に、前記開度調節器(C)の開度角度(θ)と、乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)と、前記コールドトラップ(CT)内の真空度(Pct)と、前記棚板の温度(Th)の測定データから、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出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ると共に、前記制御手段(PLC)には、前記関係式として、前記主弁(MV)を全開した状態における水負荷による脱湿速度(Qm)と前記主管(a)の水蒸気流動抵抗係数(Cr)との関係式を記憶し、
前記乾燥庫(DC)内に装入された被乾燥材料が二次乾燥期に入った後、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、しかる後、所定の時間間隔毎に、前記乾燥庫(DC)内の真空度(Pdc)と、前記コールドトラップ(CT)内の真空度(Pct)と、前記棚温(Th)の測定データから、二次乾燥期における被乾燥材料の平均品温及び平均脱湿速度を算出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乾燥状態監視装置。
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