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

（國家衛生健康委員會核醫學重點實驗室 江蘇省分子核醫學重點實驗室 江蘇省原子醫學研究所，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展，為藥品生產、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下，將冷凍樣品中的水分等溶劑通過升華的方式，從凍固態直接轉換成氣態，不經過液態，經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、醫藥、食品和微生物等方面的研究，特別是對于熱不穩定樣品的干燥不可或缺。

1 設備基本情況

江蘇省原子醫學研究所于2013 年購置了由美國Labconco公司生產的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，樣品多數來自于化學合成藥物過程中的水溶性中間產物，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象，特別是在氣溫≤0 ℃的冬季，樣品閥會在非損壞的狀態下出現漏氣故障現象。

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、制冷系統及自動控制系統等幾部分組成[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）、旋轉桿配件（圖2），樣品閥安裝（圖3），其中樣品閥發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。

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漏氣故障現象，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象是否排除。如此重復數次，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，不會出現不可逆的損毀，因而推論樣品閥不會因為環境溫度的影響而產生實質性損傷。考慮到本單位2 次故障都是由于冬季室內環境最高溫度≤10 ℃，平均溫度在6 ℃左右發生的，樣品閥的漏氣故障現象可能是氯丁橡膠材料在較低氣溫環境中膨脹性能降低而引起。同時聯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生誤判。

（4）本次維修考慮利用空調加熱室內環境溫度達到20 ℃，使樣品閥橡膠部分在這種環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。

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，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，干濕溫度計監測室內溫度的變化，測量房間的室內溫度為9 ℃；開啟空調制熱，將空調控制設置28 ℃快速制熱模式；每隔1～2 h 進行溫度觀察并記錄，經過24 h 后測量室內溫度為20 ℃。

圖6 橡膠塞替代閥體

（2）在室內溫度保持20 ℃的狀態下，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，經過5 min后，“VACUUM”真空指示綠燈亮，顯示系統真空度為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象解決，已恢復到正常使用狀態。在此運行過程中，室內溫度持續保持在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，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境污染。

（2）本單位冬季平均室外氣溫≤0 ℃，室內氣溫接近于或低于10 ℃，會出現外置式真空冷凍干燥樣品閥漏氣故障。而當環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，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。