外置式真空冷凍干燥樣品閥漏氣解決方法的研究

鄒美芬，徐希杰，徐 棟，欽曉峰

（國家衛(wèi)生健康委員會核醫(yī)學重點實驗室 江蘇省分子核醫(yī)學重點實驗室 江蘇省原子醫(yī)學研究所，江蘇無錫 214063）

0 引言

真空冷凍干燥技術起源于19 世紀20 年代，由于真空和制冷技術問題等限制，到20 世紀才用于生物樣品的凍干[1]。近些年來，真空冷凍干燥技術飛速發(fā)展，為藥品生產(chǎn)、食品科學、保健品、生物制品等科學研究提供了強大的保障[2-7]。真空冷凍干燥技術是將含有水分的樣品預先凍結，然后在一定的真空條件下，經(jīng)過升華過程使樣品中水分去除的一種方法[8]。美國Labconco FreeZone?6L 外置式真空冷凍干燥機是指在真空狀態(tài)下，將冷凍樣品中的水分等溶劑通過升華的方式，從凍固態(tài)直接轉(zhuǎn)換成氣態(tài)，不經(jīng)過液態(tài)，經(jīng)冷阱收集器冷凝液體排出，最后留在樣品瓶的是完整的濃縮干燥樣品，使樣品干燥的一種方式。經(jīng)冷凍干燥的樣品，它的生物、化學結構和活性、物理特性基本不變，樣品成分穩(wěn)定，有利于樣品長期保存[9-10]，被廣泛用于生物制品樣品、酶、醫(yī)藥、食品和微生物等方面的研究，特別是對于熱不穩(wěn)定樣品的干燥不可或缺。

1 設備基本情況

江蘇省原子醫(yī)學研究所于2013 年購置了由美國Labconco公司生產(chǎn)的FreeZone 6L?外置式真空冷凍干燥機。本單位主要利用該儀器凍干干燥樣品，使用頻率非常高，樣品多數(shù)來自于化學合成藥物過程中的水溶性中間產(chǎn)物，少部分是生物提取液，相比其他方法，真空冷凍干燥更能保持原有樣品成分的完整性和穩(wěn)定性[11-16]。在使用過程中存在著亟待解決的樣品閥漏氣故障現(xiàn)象，特別是在氣溫≤0 ℃的冬季，樣品閥會在非損壞的狀態(tài)下出現(xiàn)漏氣故障現(xiàn)象。

2 設備構造原理

Labconco FreeZone?6L 外置式真空冷凍干燥機主要由冷凍干燥箱、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)等幾部分組成[17]。冷凍干燥箱是一個真空密閉容器（圖1）,是真空冷凍干燥機的重要組成部件之一,是干燥樣品過程中傳熱、傳質(zhì)的場所,它的氣密性性能直接影響到冷凍干燥設備的性能。它的主要結構部件就是樣品閥，箱體上可以連接12 個樣品閥。樣品閥包含箱壁接頭、墊圈、墊片、箱壁螺母、閥體（氯丁橡膠）、旋轉(zhuǎn)桿配件（圖2），樣品閥安裝（圖3），其中樣品閥發(fā)生漏氣的關鍵部位就是由氯丁橡膠材料合成的閥體，它一端直接連接樣品瓶如圖1。真空系統(tǒng)其中關鍵的一項性能指標就是必須保證一定的真空度，樣品閥漏氣會導致真空度不達標，影響真空系統(tǒng)。

圖1 真空冷凍干燥箱

圖2 樣品閥配件

圖3 樣品閥安裝

3 故障實例

3.1 故障現(xiàn)象

我單位的Labconco FreeZone?6L 外置式真空冷凍干燥機，每逢冬季假期儀器會關機一段時間，一般室外氣溫≤0 ℃（室內(nèi)最高氣溫≤10 ℃），當再次重新開機使用儀器時即有部分樣品閥出現(xiàn)漏氣故障現(xiàn)象，真空度異常顯示high（圖4），真空度不達標，導致儀器無法正常運行，儀器正常運行狀態(tài)下，真空度≤12.0 Pa（圖5）。

圖4 真空度異常（high）

圖5 真空度正常（11 Pa）

3.2 故障分析

（1）儀器初次出現(xiàn)樣品閥漏氣故障，由公司維修工程師維修。使用市售6#橡膠塞替代樣品閥閥體，輪流檢測12 個樣品閥的漏氣情況，將疑似漏氣樣品閥拆下后，置于電熱恒溫干燥箱中40 ℃加熱0.5～1 h取出，再次連接上儀器，檢查樣品閥漏氣故障現(xiàn)象是否排除。如此重復數(shù)次，耗時近6 h 恢復了其中的11 個，1 個樣品閥被判斷為損壞。

（2）儀器第二次出現(xiàn)樣品閥漏氣故障，由本單位的維修工程師在公司維修工程師電話指導下進行，經(jīng)過近8 h 僅僅修復了5 個樣品閥，其余6個樣品閥被判斷為損壞。

（3）以上維修過程中，維修人員需要頻繁拆、裝樣品閥，檢測樣品閥是否存在漏氣故障，整個過程相當耗時和繁瑣。儀器資料顯示樣品閥的材料是氯丁橡膠，理論上在－40～+120 ℃的安全使用范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)不可逆的損毀，因而推論樣品閥不會因為環(huán)境溫度的影響而產(chǎn)生實質(zhì)性損傷?？紤]到本單位2 次故障都是由于冬季室內(nèi)環(huán)境最高溫度≤10 ℃，平均溫度在6 ℃左右發(fā)生的，樣品閥的漏氣故障現(xiàn)象可能是氯丁橡膠材料在較低氣溫環(huán)境中膨脹性能降低而引起。同時聯(lián)想到公司維修工程師利用電熱恒溫干燥箱對樣品閥橡膠加熱，存在短時間內(nèi)快速加熱樣品閥，會使樣品閥橡膠材料受熱不均，樣品閥不能均勻膨脹而無法修復，導致他們在維修過程中對樣品閥狀況產(chǎn)生誤判。

（4）本次維修考慮利用空調(diào)加熱室內(nèi)環(huán)境溫度達到20 ℃，使樣品閥橡膠部分在這種環(huán)境溫度下受熱均勻膨脹，樣品閥的密封性能恢復到完好程度，樣品閥無需拆、裝，使樣品閥恢復正常使用狀態(tài)。

3.3 故障排除

（1）Labconco FreeZone?6L 外置式真空冷凍干燥機處于關機狀態(tài)，做好儀器必要的化冰、排水等清潔處理，蓋好冷阱蓋，塞緊排水口，首先加裝1 個由維修工程師判斷為存在漏氣故障現(xiàn)象的樣品閥，在可能松動部件涂抹少許起密封和潤滑作用的摩可7501 高真空硅脂，余下的11 個樣品閥接口用市售6#橡膠塞替代閥體（氯丁橡膠）部分，塞緊使其完全密閉（圖6），關緊所有的閥門，所有儀器部件處于正常待機狀態(tài)，干濕溫度計監(jiān)測室內(nèi)溫度的變化，測量房間的室內(nèi)溫度為9 ℃；開啟空調(diào)制熱，將空調(diào)控制設置28 ℃快速制熱模式；每隔1～2 h 進行溫度觀察并記錄，經(jīng)過24 h 后測量室內(nèi)溫度為20 ℃。

圖6 橡膠塞替代閥體

（2）在室內(nèi)溫度保持20 ℃的狀態(tài)下，開啟真空冷凍干燥機電源，啟動“自動”模式。在20 min 后，儀器面板“COLLECTOR”溫度指示綠燈亮，顯示冷阱溫度為－46 ℃；真空泵自動啟動，經(jīng)過5 min后，“VACUUM”真空指示綠燈亮，顯示系統(tǒng)真空度為12.0 Pa，真空冷凍干燥機的真空度指標完全達到正常，其余各項性能指標也顯示正常，儀器恢復正常工作，說明這個樣品閥漏氣故障現(xiàn)象解決，已恢復到正常使用狀態(tài)。在此運行過程中，室內(nèi)溫度持續(xù)保持在22～25 ℃。

（3）按照上面步驟（1）（2），逐個對由維修工程師判斷存在漏氣故障的樣品閥進行試驗，直到過去更換過的樣品閥全部試驗完畢。檢測結果是僅僅一個過去更換下來的樣品閥沒有恢復使用，其余樣品閥都恢復正常使用。

4 討論

（1）雖然眾多資料中說明橡膠材料可以耐受寬范圍內(nèi)的極限溫度（－100～+150 ℃），但橡膠材料應該有一段特別適宜的溫度，在這樣的溫度下，它的性能達到最佳。因為低溫橡膠材料的性能也許會處于一種“休眠”狀態(tài)，而不是損壞或死亡，需要有一個喚醒過程，本研究相當于找到一個好的喚醒方法，延長樣品閥使用壽命，同時也避免橡膠垃圾帶來的環(huán)境污染。

（2）本單位冬季平均室外氣溫≤0 ℃，室內(nèi)氣溫接近于或低于10 ℃，會出現(xiàn)外置式真空冷凍干燥樣品閥漏氣故障。而當環(huán)境溫度過高對于真空冷凍干燥機的性能也有明顯影響，尤其在夏季時，當室溫≥28 ℃時，冷阱（Cold trap）溫度和真空度都難以達到最佳狀態(tài)，嚴重影響樣品的干燥效率。

（3）建議制造商：①特別提醒用戶儀器最佳的使用環(huán)境溫度為12～25 ℃；②重新研制材料性能更佳的樣品閥；③研究出能快速檢測每個樣品閥漏氣故障的方法。

（4）本方法是一種無損的、物理的解決外置式真空冷凍干燥樣品閥冬季漏氣故障的有效手段。