JP5859495B2 - Method for monitoring freeze-dried state of material to be dried applied to freeze dryer and freeze-dried state monitoring device thereof - Google Patents
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Description
本発明は、食品や医薬品等の原材料液を凍結乾燥により所定の含水率まで乾燥させて製品とする凍結乾燥機に適用され、被乾燥材料の凍結乾燥状態を監視する凍結乾燥状態監視方法及びその凍結乾燥状態監視装置に関する。 The present invention is a freeze-dried state monitoring method for monitoring a freeze-dried state of a material to be dried, which is applied to a freeze-dryer that is a product obtained by drying a raw material solution such as food or medicine to a predetermined moisture content by freeze-drying, and its The present invention relates to a freeze-dried state monitoring device.
医薬品等の凍結乾燥は、凍結乾燥機の乾燥庫内に被乾燥材料を充填した多数のトレイやバイアル等の容器を装入し、各容器内の被乾燥材料を所定の含水率になるまで乾燥させることにより行われる。 For freeze-drying of pharmaceuticals, etc., a large number of trays and vials filled with the material to be dried are placed in the freeze-dryer drying chamber, and the material to be dried in each container is dried to a predetermined moisture content. Is done.
この種の凍結乾燥機を用いた被乾燥材料の凍結乾燥工程は、一般に、被乾燥材料が乾燥固体になるまで被乾燥材料を凍結固化する予備凍結工程と、氷状の被乾燥材料中に含まれる水分を除去する一次乾燥工程と、一次乾燥工程を経て乾燥固体となった被乾燥材料中に含まれる微量の不凍水を除去して、被乾燥材料を所定の含水率になるまで乾燥する二次乾燥工程とからなる。 The freeze-drying process of the material to be dried using this type of freeze-dryer is generally included in a pre-freezing process in which the material to be dried is freeze-solidified until the material to be dried becomes a dry solid, and in the ice-like material to be dried. The primary drying process to remove the water content and the trace of non-freezing water contained in the material to be dried that has become a dry solid after the primary drying process is removed, and the material to be dried is dried to a predetermined moisture content. It consists of a secondary drying process.
ここで、凍結乾燥機で被乾燥材料を良好に凍結乾燥するためには、予備凍結工程、一次乾燥工程及び二次乾燥工程の何れの工程においても、被乾燥材料の凍結乾燥状況を的確に把握する必要がある。 Here, in order to satisfactorily freeze-dry the material to be dried with a freeze dryer, the freeze-drying status of the material to be dried is accurately grasped in any of the preliminary freezing step, the primary drying step, and the secondary drying step. There is a need to.
そこで、従来、乾燥庫内に装入された被乾燥材料の数点に温度センサを挿入し、被乾燥材料の昇華面温度等を検出し凍結乾燥状況を把握していた。 Therefore, conventionally, temperature sensors are inserted at several points of the material to be dried charged in the drying chamber, and the sublimation surface temperature of the material to be dried is detected to grasp the freeze-drying state.
しかしながら、被乾燥材料に温度センサを挿入する方法では、数点の被乾燥材料の凍結乾燥状況を把握するに過ぎず、被乾燥材料全体の凍結乾燥状況が把握できないし、また、温度センサを被乾燥材料に直接に挿入するため細菌が被乾燥材料に混入しやすく無菌製剤に適用できないし、更に、被乾燥材料に挿入される温度センサの配線の関係上、乾燥庫内に被乾燥材料を自動ローディングするタイプの凍結乾燥機には使用できない等の問題点を有していた。 However, the method of inserting a temperature sensor into the material to be dried merely grasps the freeze-drying status of several materials to be dried, and the freeze-drying status of the entire material to be dried cannot be ascertained. Because it is inserted directly into the dry material, bacteria are likely to be mixed into the dry material and cannot be applied to aseptic preparations. In addition, due to the wiring of the temperature sensor inserted into the dry material, the dry material is automatically placed in the drying cabinet. There was a problem that it could not be used for a lyophilizer of the loading type.
このような問題点に鑑み、出願人は乾燥庫内及びコールドトラップ内の絶対圧力を検出し、この検出圧力から被乾燥材料の凍結乾燥状況を算出する方法を提案している(特許文献1)。即ち、この発明は、一次乾燥工程時に、乾燥庫とコールドトラップを連結する主管内に配置された真空度調節手段を制御して乾燥庫内の圧力を一時的に高め、圧力変化の前後における乾燥庫内の真空度とコールドトラップ内の真空度から被乾燥材料の凍結乾燥状態を算出する方法である。 In view of such problems, the applicant has proposed a method for detecting the absolute pressure in the drying cabinet and in the cold trap and calculating the freeze-drying status of the material to be dried from this detected pressure (Patent Document 1). . That is, according to the present invention, during the primary drying process, the pressure in the drying chamber is temporarily increased by controlling the vacuum degree adjusting means disposed in the main pipe connecting the drying chamber and the cold trap, and drying before and after the pressure change is performed. This is a method for calculating the freeze-dried state of the material to be dried from the degree of vacuum in the chamber and the degree of vacuum in the cold trap.
また、出願人はこれとは別に特許出願した被乾燥材料の乾燥状態の算出方法においては、二次乾燥工程時に、乾燥庫内の真空度を成り行きにまかせて変化させ、乾燥庫内の真空度とコールドトラップ内の真空度と棚板の温度から被乾燥材料の凍結乾燥状態を算出する方法を提案している。 In addition, in the method for calculating the dry state of the material to be dried, the applicant applied for a patent separately, in the secondary drying process, the degree of vacuum in the drying chamber was changed by changing the degree of vacuum in the drying chamber. And a method for calculating the freeze-dried state of the material to be dried from the degree of vacuum in the cold trap and the temperature of the shelf board.
しかしながら、特許文献1に記載の発明は、一次乾燥工程中における被乾燥材料の乾燥状態を監視するものであり、後者の特許出願に係る発明は、二次乾燥工程中における被乾燥材料の乾燥状況を監視するものであり、両者ともに予備凍結工程については全く考慮されていない。即ち、被乾燥材料の凍結乾燥工程は、予備凍結工程、一次乾燥工程及び二次乾燥工程からなるので、各工程全体を通じて凍結乾燥状況を監視できる方法或いは装置とはなっていない。
However, the invention described in
本発明の目的は前記従来の課題に鑑み、温度センサを用いてはいるものの、被乾燥材料として無菌製剤にも好適であり、また、自動ローディングタイプの凍結乾燥機にも適用でき、更には、予備凍結工程、一次乾燥工程及び二次乾燥工程の全工程において凍結乾燥状況を的確に判断でき、被乾燥材料のコラプスを確実に回避できる、被乾燥材料の凍結乾燥状態監視方法及びその凍結乾燥状態監視装置を提供することにある。 Although the object of the present invention is using a temperature sensor in view of the above-mentioned conventional problems, it is also suitable for aseptic preparations as a material to be dried, and can also be applied to an automatic loading type freeze dryer, The freeze-drying state monitoring method for the material to be dried and its freeze-drying state, which can accurately determine the freeze-drying status in all the preliminary freezing step, primary drying step and secondary drying step, and can reliably avoid the collapse of the material to be dried. It is to provide a monitoring device.
本発明は、前記課題を解決するため、請求項1に係る凍結乾燥状態監視方法は、棚板に載せた被乾燥材料を装入する乾燥庫と、該乾燥庫に連通すると共に主弁を備え被乾燥材料から発生した水蒸気を通す主管と、該主管に連通し主管から流入した水蒸気を凝結捕集するコールドトラップと、前記乾燥庫内の圧力を検出する真空検出手段と、該真空検出手段の検知圧力に基づき前記乾燥庫内の真空度を調節する真空度調節手段と、前記棚板に熱媒体を循環する熱媒体循環管路と、前記熱媒体循環管路の熱媒体を冷却する冷却手段と、前記熱媒体循環管路の熱媒体を加熱する加熱手段と、前記熱媒体循環管路の熱媒体の循環を制御する熱媒体弁と、前記棚板の入口側の熱媒体温度を検出する第1温度センサ及び前記棚板の出口側の熱媒体温度を検出する第2温度センサと、前記各手段を制御する制御手段とを備え、前記乾燥庫内の被乾燥材料を凍結する予備凍結工程と、該予備凍結工程に続いて被乾燥材料から発生した水蒸気を凝結捕集する一次乾燥工程と、前記一次乾燥工程に続いて被乾燥材料中に含まれる微量の不凍水を除去する二次乾燥工程を順次行い被乾燥材料の凍結乾燥を行う凍結乾燥機に適用される凍結乾燥状態監視方法であって、前記制御手段は、前記各温度センサの検出データ並びに前記予備凍結工程における被乾燥材料の平均品温を算出する所要の計算プログラム及び所要の関係式を記憶し、また、前記一次乾燥工程における被乾燥材料の平均品温、平均昇華温度及び平均昇華速度を算出する所要の計算プログラム及び所要の関係式を記憶し、更に、前記二次乾燥工程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所要の計算プログラム及び所要の関係式を記憶し、前記予備凍結工程では、第1温度センサの検出温度と第2温度センサの検出温度との温度差を計算プログラムにより算出し、続いて、算出された温度差と関係式から予備凍結工程における被乾燥材料の平均品温を算出し、前記一次乾燥工程では、第1温度センサの検出温度と第2温度センサの検出温度との温度差を計算プログラムにより算出し、続いて、算出された温度差と関係式から一次乾燥工程における被乾燥材料の平均品温、平均昇華温度及び平均昇華速度を算出し、前記二次乾燥工程では、第1温度センサの検出温度と第2温度センサの検出温度との温度差を計算プログラムにより算出し、続いて、算出された温度差及び前記乾燥庫内の真空度並びに前記関係式から二次乾燥工程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。 In order to solve the above-mentioned problems, the freeze-dried state monitoring method according to the present invention includes a drying chamber for charging a material to be dried placed on a shelf board, and a main valve that communicates with the drying chamber. A main pipe through which water vapor generated from the material to be dried passes, a cold trap that condenses and collects water vapor that flows into the main pipe from the main pipe, a vacuum detection means that detects the pressure in the drying chamber, and a vacuum detection means Vacuum degree adjusting means for adjusting the degree of vacuum in the drying chamber based on the detected pressure, a heat medium circulation pipe for circulating the heat medium to the shelf, and a cooling means for cooling the heat medium in the heat medium circulation pipe A heating means for heating the heat medium in the heat medium circulation pipe, a heat medium valve for controlling circulation of the heat medium in the heat medium circulation pipe, and a heat medium temperature on the inlet side of the shelf The first temperature sensor and the temperature of the heat medium on the outlet side of the shelf are detected. A pre-freezing step for freezing the material to be dried in the drying chamber, and water vapor generated from the material to be dried following the pre-freezing step. A freeze-dryer that freeze-drys the material to be dried by sequentially performing a primary drying step for collecting and collecting, and a secondary drying step for removing a small amount of non-freezing water contained in the material to be dried following the primary drying step. The freeze-dried state monitoring method to be applied, wherein the control means includes a detection program of each temperature sensor, a required calculation program for calculating an average product temperature of the material to be dried in the preliminary freezing step, and a required relational expression. Storing a required calculation program for calculating an average product temperature, an average sublimation temperature and an average sublimation speed of the material to be dried in the primary drying step, and a required relational expression; A required calculation program for calculating an average product temperature and an average dehumidifying rate of the material to be dried and a required relational expression are stored, and in the preliminary freezing step, the detected temperature of the first temperature sensor and the detected temperature of the second temperature sensor Is calculated by a calculation program, and then the average product temperature of the material to be dried in the preliminary freezing process is calculated from the calculated temperature difference and the relational expression. In the primary drying process, the first temperature sensor is detected. The temperature difference between the temperature and the temperature detected by the second temperature sensor is calculated by a calculation program, and then the average product temperature, average sublimation temperature and average sublimation of the material to be dried in the primary drying step are calculated from the calculated temperature difference and the relational expression. The speed is calculated, and in the secondary drying step, the temperature difference between the detected temperature of the first temperature sensor and the detected temperature of the second temperature sensor is calculated by a calculation program, and then the calculated temperature difference and The average product temperature and average dehumidification rate of the material to be dried in the secondary drying step are calculated from the degree of vacuum in the drying chamber and the relational expression.
請求項1の発明によれば、予備凍結工程、一次乾燥工程及び二次乾燥工程の何れの工程においても、棚板の入口側の熱媒体温度と棚板の出口側の熱媒体温度との温度差に基づき、予備凍結工程における平均品温、一次乾燥工程における平均品温、平均昇華温度及び平均昇華速度、二次乾燥工程における平均昇華温度及び平均昇華速度をぞれぞれ算出できるし、また、被乾燥材料全体の凍結乾燥状況を的確に反映されたデータが取得され、適正な凍結乾燥状態を維持管理することができる。
According to the invention of
請求項2の発明に係る凍結乾燥状態監視方法は、請求項1の発明において、 前記制御手段は、前記関係式として、被乾燥材料のない無負荷の棚板を一旦冷却した後に加熱器により加熱し、その後前記主弁を全開すると共に加熱器を停止させ熱媒体弁を閉操作させた時の棚温上昇速度と棚板出入り熱媒体の温度差と棚温との関係式を記憶している。 The freeze-dried state monitoring method according to a second aspect of the present invention is the method according to the first aspect, wherein, as the relational expression, the control means heats the unloaded shelf board without the material to be dried once by a heater. Then, the relationship between the shelf temperature rise rate, the temperature difference between the entrance and exit of the shelf board and the shelf temperature when the main valve is fully opened and the heater is stopped and the heat medium valve is closed is stored. .
請求項3の発明に係る凍結乾燥状態監視方法は、請求項1,2の発明において、前記一次乾燥工程において、前記真空度調節手段により乾燥庫内の真空度を設定値に制御すると共に前記加熱器と熱媒体弁の開閉により棚温を設定値に制御した後、短時間に亘って前記熱媒体弁を閉操作すると共に加熱器を停止させ、しかる後、前記一次乾燥工程の算出処理を所定時間間隔毎に実施することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the freeze-dried state monitoring method according to the first and second aspects of the invention is characterized in that, in the primary drying step, the degree of vacuum in the drying chamber is controlled to a set value by the degree of vacuum adjustment means and the heating After the shelf temperature is controlled to a set value by opening and closing the heater and the heat medium valve, the heat medium valve is closed for a short time and the heater is stopped, and then the calculation process of the primary drying step is performed in advance. It is performed every time interval.
請求項3の発明によれば、乾燥庫内の真空度及び棚温を設定値に制御することにより被乾燥材料を一次乾燥する一方、この一次乾燥工程中に短時間に亘って加熱器を停止し、かつ、熱媒体弁を閉操作する。これにより、加熱された熱媒体の棚板への供給が停止するため、この時間帯においては、被乾燥材料内の氷を昇華させる昇華熱が棚板及び棚板内の熱媒体に伝達され、これに伴い、棚板温度が下がり、棚板の出口側の熱媒体の温度が低くなる。これにより、氷を昇華させる昇華熱を的確に取得できるため、平均品温はもとより、平均昇華温度及び平均昇華速度を正確に算出することができる。
According to the invention of
請求項4の発明に係る凍結乾燥状態監視方法は、請求項1,2,3発明において、前記真空度調節手段として、前記主管内の開度を調節する開度調節器を用いると共に、前記開度調節器を全開方向に操作を開始した後、前記二次乾燥工程の算出処理を所定時間間隔毎に実施することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the freeze-dried state monitoring method according to any of the first, second, and third aspects of the present invention uses, as the vacuum degree adjusting means, an opening degree controller that adjusts an opening degree in the main pipe, and After the operation of the degree adjuster in the fully open direction, the calculation process of the secondary drying step is performed at predetermined time intervals.
請求項4の発明によれば、開度調節器を全開操作することにより、二次乾燥工程における乾燥庫内の真空度が成り行きにまかせて変化し、この状態で被乾燥材料の乾燥状況を所定時間間隔で判断する。これにより、二次乾燥工程における乾燥状況を的確に判断することができる。
According to the invention of
請求項5の発明に係る凍結乾燥状態監視方法は、請求項1,2,3発明において、前記真空度調節手段として、前記主管内の開度を調節する開度調節器を用いると共に、前記制御手段は、前記開度調節器を駆動制御して前記乾燥庫内の真空度を設定値に制御した後に前記二次乾燥工程の算出処理を所定時間間隔毎に実施することを特徴とする。このように、乾燥庫内の真空度を設定値に制御した後に二次乾燥工程に移行してもよい。 According to a fifth aspect of the present invention, the freeze-dried state monitoring method according to any one of the first, second, and third aspects of the present invention uses an opening degree adjuster that adjusts the opening degree in the main pipe as the vacuum degree adjusting means. The means is characterized in that after the opening degree controller is driven and controlled, the degree of vacuum in the drying chamber is controlled to a set value, and then the calculation process of the secondary drying step is performed at predetermined time intervals. Thus, you may transfer to a secondary drying process, after controlling the vacuum degree in a drying chamber to a setting value.
請求項6,7の発明に係る凍結乾燥状態監視方法は、真空度調節手段としてリーク制御弁を具備する真空制御管路を用いたもので、請求項6の発明の如く、前記リーク制御弁を閉操作した後に、前記二次乾燥工程の算出処理を所定時間間隔毎に実施するようにしても良いし、また、請求項7の発明の如く、乾燥庫内の真空度を設定値に制御した後に二次乾燥工程の算出処理を所定時間間隔毎に実施するようにしても良い。
The freeze-dried state monitoring method according to the inventions of
なお、前記予備凍結工程、前記一次乾燥工程及び前記二次乾燥工程で算出されたデータを記録手段に記録しても良い(請求項8)。これにより、各工程の各種データを記録手段を介して作業者が確認することができる。 The data calculated in the preliminary freezing step, the primary drying step, and the secondary drying step may be recorded in a recording means (claim 8). Thereby, the operator can confirm the various data of each process via a recording means.
請求項9〜16の発明は請求項1〜8に係る凍結乾燥状態監視方法に対応する凍結乾燥状態監視装置である。なお、第1温度センサ及び第2温度センサを乾燥庫の外部に設置しても良い(請求項17)。
The inventions of
本発明によれば、乾燥庫内に装入された被乾燥材料全体の凍結乾燥状態、即ち、予備凍結工程における平均品温、一次乾燥期における平均品温と平均昇華面温度及び平均昇華速度、二次乾燥期における平均品温及び平均脱湿速度を計算により的確に求めることができるので、凍結乾燥工程の開始から終了に至るまでの被乾燥材料の凍結乾燥状態を一貫して監視することができる。よって、被乾燥材料のコラプスを確実に回避することができ、被乾燥材料に係る製品の生産性を高めることができる。 According to the present invention, the lyophilized state of the entire material to be dried charged in the drying cabinet, that is, the average product temperature in the preliminary freezing step, the average product temperature and the average sublimation surface temperature and the average sublimation rate in the primary drying period, Since the average product temperature and average dehumidification rate in the secondary drying period can be accurately calculated, it is possible to consistently monitor the freeze-dried state of the material to be dried from the start to the end of the freeze-drying process. it can. Therefore, the collapse of the material to be dried can be reliably avoided, and the productivity of the product related to the material to be dried can be increased.
以下、本発明に係る乾燥状態監視装置及び乾燥状態監視方法について各実施形態毎に図面を用いて説明する。 Hereinafter, a dry state monitoring device and a dry state monitoring method according to the present invention will be described for each embodiment with reference to the drawings.
[第1実施形態]
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乃至図17に示すものであり、乾燥庫とコールドトラップを連通させる主管内に、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。
[First Embodiment]
The dry state monitoring apparatus and the dry state monitoring method according to the first embodiment are shown in FIGS. 1 to 17, and are for adjusting the degree of vacuum in the drying chamber in the main pipe that connects the drying chamber and the cold trap. The present invention is applied to a freeze-dryer of a flow path opening vacuum control system provided with an opening controller (damper).
<凍結乾燥機の構成>
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Sを凍結乾燥する乾燥庫1と、乾燥庫1に連通し被乾燥材料Sから発生した水蒸気を通す主管2と、主管2に連通し主管2から流入した水蒸気を凝結捕集するコールドトラップ3とを有している。
<Configuration of freeze dryer>
As shown in FIG. 1, a freeze dryer W1 according to the first embodiment includes a drying
ここで、乾燥庫1に装入された複数の被乾燥材料Sは上下複数段に配置された棚板4上に載置されたもので、図6にも示すように、容器(バイアル瓶)5内に収納された状態となっている。また、乾燥庫1には真空計(真空検出手段)6が設置され、乾燥庫1内の絶対圧力を検出している。
Here, the plurality of materials to be dried S charged in the drying
主管2には気体の流れを開閉制御する主弁2aを有している。また、主弁2aの上流側にはダンパ方式の開度調節器2bを設置し、開度調節器2bを開度制御することにより、乾燥庫1内の真空度を制御するようになっている。具体的には、乾燥庫1内の真空度が設定の上限値にとなったときは開度調節器2bの開度が大きくなり、逆に乾燥庫1内の真空度が下限値となったときは開度調節器2bの開度が小さくなる。
The
コールドトラップ3は引口弁7を介して真空ポンプ8に接続しており、引口弁7を開き真空ポンプ8を駆動するとき、乾燥庫1内の気体を主管2及びコールドトラップ3を通じて吸引し、主管2及びコールドトラップ3を含め乾燥庫1内を真空にすることができる。また、コールドトラップ3内にはトラップコイル3aを配置し、トラップコイル3aで後述する熱媒体循環管路9及び冷却装置10と熱交換し、コールドトラップ3内に流入した水蒸気を凝結捕集する構造となっている。
The
以上のように構成された乾燥庫1及びコールドトラップ3には、図1に示すように、熱媒体循環管路9によって熱媒体が循環すると共に冷却装置(冷却手段)10によって熱媒体循環管路9の熱媒体を冷却するようになっている。
In the drying
具体的には、熱媒体循環管路9は、各棚板4の出口、第1熱媒体弁11a、トラップコイル3a、第1循環ポンプ12a、加熱器(加熱手段)13及び各棚板4の入口と順次連結する管路を有している。また、熱媒体循環管路9は第1バイパス管14aを有し、第1バイパス管14aの一端は各棚板4の出口と第1熱媒体弁11aとの間に接続し、また、他端はトラップコイル3aと第1循環ポンプ12aとの間に接続し、その管路中に第2熱媒体弁11bを設置している。更に、熱媒体循環管路9は第1バイパス管14aと平行して接続された第2バイパス管14bを有し、第2バイパス管14bの一端は第1熱媒体11aとトラップコイル3aとの間に接続し、また、他端はトラップコイル3aと第1循環ポンプ12aとの間に接続し、その管路中に第2循環ポンプ12bを設置している。更にまた、熱媒体循環管路9のうち各棚板4の入口側及び出口側には第1温度センサ15a及び第2温度センサ15aを設け、第1温度センサ15aにより各棚板4の入口側熱媒体温度を検出し、第2温度センサ15bにより各棚板4の出口側熱媒体温度を検出するようになっている。
Specifically, the heat medium
一方、冷却装置10は、圧縮機10a、コンデンサ10b、膨張弁10c及びトラップコイル3aに順次接続して冷媒を循環させると共に、水冷コンデンサ10b、水ポンプ10d及びクーリングタワー10eを順次接続して、水冷により冷媒を冷却する構造となっている。
On the other hand, the
このような熱媒体循環管路9及び冷却装置10によって、トラップコイル3aで熱媒体循環管路9の熱媒体と冷却装置10の冷媒との間で熱交換され、乾燥庫1内の各棚板4が冷却される一方、コールドトラップ3内では水蒸気が凝結捕集される。また、熱媒体循環管路9の熱媒体は加熱器13への通電により熱媒体が加熱され各棚板4を加熱することができる。
With such a heat
<凍結乾燥状態監視方法及び凍結乾燥状態監視装置の構成>
以上のように構成された凍結乾燥機W1において、これに適用される凍結乾燥状態監視方法及び凍結乾燥状態監視装置の構成は次のようになっている。
<Configuration of freeze-dried state monitoring method and freeze-dried state monitoring device>
In the lyophilizer W1 configured as described above, the lyophilized state monitoring method and the lyophilized state monitoring device applied to the lyophilizer W1 are configured as follows.
凍結乾燥状態監視方法及び凍結乾燥状態監視装置は、図2に示すように、制御手段として制御盤16を用いるもので、制御盤16にはシーケンサ16aと記録計16bが搭載されている。
As shown in FIG. 2, the freeze-dried state monitoring method and the freeze-dried state monitoring apparatus use a
シーケンサ16aは運転スイッチ17、真空計6、第1及び第2温度センサ15a,15bからの出力信号に基づき、開度調節器2b、加熱器13、第1及び第2循環ポンプ12a,12b、第1及び第2熱媒体弁11a,11b、引口弁7、真空ポンプ8及び冷却装置10を駆動制御するものである。
The
シーケンサ16aは、第1及び第2温度センサ15a,15bの検出データ並びに予備凍結工程における被乾燥材料Sの平均品温を算出する所要の計算プログラム及び所要の関係式を記憶している。
The
また、シーケンサ16aは、一次乾燥工程において、関係式として、被乾燥材料Sのない無負荷の棚板4を一旦冷却した後に加熱器13により加熱し、その後主弁2aを全開すると共に加熱器13を停止させ第1熱媒体弁11aを閉操作させた時の棚温上昇速度と棚板出入り熱媒体の温度差と棚温との関係式を記憶すると共に、被乾燥材料Sの平均品温、平均昇華温度及び平均昇華速度を算出する所要の計算プログラム及び所要の関係式を記憶している。
In the primary drying process, the
更に、シーケンサ16aは、二次乾燥工程における被乾燥材料Sの平均品温及び平均脱湿速度を算出する所要の計算プログラム及び所要の関係式を記憶している。
Further, the
<凍結乾燥運転の全体制御>
以下、シーケンサ16aによる駆動制御について、まず、図3を用いて凍結乾燥運転の全体制御を説明する。
<Overall control of freeze-drying operation>
Hereinafter, with regard to drive control by the
図3に示すように、凍結乾燥装置W1の運転スイッチ17がオンしたとき(S1)は予備凍結工程が開始され乾燥庫1内の被乾燥材料Sを凍結する(S2)。この予備凍結工程が終了したときは(S3)、一次乾燥工程に移行して被乾燥材料Sから発生した水蒸気を凝結捕集する(S4)。一次乾燥工程が終了したときは(S5)、二次乾燥工程に移行して被乾燥材料S中に含まれる微量の不凍水を除去する(S6)。この二次乾燥工程の終了したときは(S7)、凍結乾燥工程の全体が完了する。
As shown in FIG. 3, when the
以下、各工程における平均品温算出等の算出処理について、予備凍結工程、一次乾燥工程及び二次乾燥工程と順を追って説明する。 Hereinafter, calculation processing such as average product temperature calculation in each step will be described in order of the preliminary freezing step, the primary drying step, and the secondary drying step.
<予備凍結工程における平均品温Tmの算出方法>
予備凍結工程における平均品温Tmの算出工程について以下に詳述する。
<Calculation method of average product temperature Tm in preliminary freezing step>
The step of calculating the average product temperature Tm in the preliminary freezing step will be described in detail below.
まず、被乾燥材料の伝熱方程式は、次の式で表示される。 First, the heat transfer equation of the material to be dried is expressed by the following equation.
C×dTm/dt=Qh+QL
但し、この式において、Cは被乾燥材料Sの熱容量、Tmは平均品温、Qhは各棚板4から容器底部を経由して被乾燥材料Sへの伝熱量、QLは乾燥庫内対流による全容器5への伝熱量である。
C × dTm / dt = Qh + QL
However, in this equation, C is the heat capacity of the material to be dried S, Tm is the average product temperature, Qh is the amount of heat transferred from each
まず、各棚板4から容器底部を経由して被乾燥材料Sへの伝熱量Qhは、次の式で計算される。
First, the heat transfer amount Qh from each
Qh=Ae×K×(Th−Tm)
但し、Aeは有効伝熱面積(m2)、Kは各棚板4から容器底部を経由して被乾燥材料Sへの総括熱伝達係数、Thは棚温(℃)、Tmは平均品温(℃)である。
Qh = Ae × K × (Th−Tm)
Where Ae is the effective heat transfer area (m 2 ), K is the overall heat transfer coefficient from each
有効伝熱面積Aeは、Ae=2/(1/Av+1/At)で算出でき、
有効伝熱面積Aeの計算式において、Avは容器底部面積(m2)であり、Atはトレイ枠面積(m2)である。
The effective heat transfer area Ae can be calculated by Ae = 2 / (1 / Av + 1 / At),
In the formula for calculating the effective heat transfer area Ae, Av is the container bottom area (m 2 ), and At is the tray frame area (m 2 ).
容器底部面積Avは、Av=π/4×n1×d2(但し、n1はバイアル本数、dはバイアル直径)で算出でき、トレイ枠面積Atは、At=n2×W×L(但し、n2は枠枚数;Wは枠の幅寸法、Lは枠の長さ寸法)で算出できる。 The container bottom area Av can be calculated by Av = π / 4 × n1 × d 2 (where n1 is the number of vials and d is the vial diameter), and the tray frame area At is At = n2 × W × L (where n2 Is the number of frames; W is the width of the frame, and L is the length of the frame).
棚板4から容器底部を経由して被乾燥材料への総括熱伝達係数Kは、K=1/(1/K1+1/K2)で算出できる。
The overall heat transfer coefficient K from the
空気気体伝導による棚板4から容器底部への熱伝達係数K1(W/m2℃)は、
K1=λg/δ1である。
The heat transfer coefficient K1 (W / m 2 ° C) from the
K1 = λg / δ1.
λgは空気の熱伝導率であり、λg=0.205W/m2℃、δ1は容器底部の隙間であり、単位はmである。δ1=0.3mmで、K1=80W/m2 ℃となる。 λg is the thermal conductivity of air, λg = 0.205 W / m 2 ° C., δ1 is the gap at the bottom of the container, and the unit is m. When δ1 = 0.3 mm, K1 = 80 W / m 2 ° C.
容器底部から被乾燥材料Sへの熱伝達係数K2(W/m2℃)は、
被乾燥材料Sがまだ凍結していない液状で、K2=λ/(δ2/4)である。
The heat transfer coefficient K2 (W / m 2 ° C) from the bottom of the container to the material S to be dried is
The material to be dried S is a liquid that has not been frozen yet, and K2 = λ / (δ2 / 4).
λは液状の被乾燥材料の熱伝導率であり、λ=0.465W/m2℃、δ2は容器内に液状の被乾燥材料の厚みであり、単位はmである。δ2=10mmの場合、K2=186W/m2℃となる。 λ is the thermal conductivity of the liquid material to be dried, λ = 0.465 W / m 2 ° C., δ2 is the thickness of the liquid material to be dried in the container, and the unit is m. When δ2 = 10 mm, K2 = 186 W / m 2 ° C.
被乾燥材料Sが凍結した固体状で、K2=λi/(δ3/2)である。 The material to be dried S is in a frozen solid state, and K2 = λi / (δ3 / 2).
λiは凍結固体状の被乾燥材料の熱伝導率であり、λi=2.2W/m2℃、δ3は容器5内に凍結固体状の被乾燥材料の厚みであり、単位はmである。δ3=10.9mmの場合、K2=404W/m2℃となる。
λi is the thermal conductivity of the frozen solid material to be dried, λi = 2.2 W / m 2 ° C., δ3 is the thickness of the frozen solid material to be dried in the
一方、乾燥庫内対流による全容器5への伝熱量QLは、次式から求められる。
On the other hand, the heat transfer amount QL to all the
QL=Ae×Kc×(Tw−Tm)
但し、式中のTwは乾燥庫壁温度、Tmは平均品温、Kcは乾燥庫内の自然対流熱伝達係数である。
QL = Ae × Kc × (Tw−Tm)
However, Tw in a formula is a drying warehouse wall temperature, Tm is an average product temperature, Kc is a natural convection heat transfer coefficient in a drying warehouse.
伝熱量の計算式を伝熱方程式に入れると、下式が成り立つ。 When the formula for calculating the heat transfer amount is included in the heat transfer equation, the following equation is established.
C×dTm/dt=Ae×K×(Th−Tm)+Ae×Kc×(Tw−Tm)
予備凍結時に被乾燥材料Sの平均品温は以下の式で計算できる。
C × dTm / dt = Ae × K × (Th−Tm) + Ae × Kc × (Tw−Tm)
The average product temperature of the material to be dried S during preliminary freezing can be calculated by the following equation.
C×(Tm−Tm0)/Δt
=Ae×K×(Th−Tm)+Ae×Kc×(Tw−Tm)
Tm=(Tm0+a1×Th+a2×Tw)/(1+a1+a2)
a1=K×Ae×Δt/C
a2=Kc×Ae×Δt/C
Th=(Th1+Th2)
但し、Cは被乾燥材料Sの熱容量である。
C × (Tm−Tm0) / Δt
= Ae * K * (Th-Tm) + Ae * Kc * (Tw-Tm)
Tm = (Tm0 + a1 × Th + a2 × Tw) / (1 + a1 + a2)
a1 = K × Ae × Δt / C
a2 = Kc × Ae × Δt / C
Th = (Th1 + Th2)
However, C is the heat capacity of the material S to be dried.
したがって、以上の計算式から、予備凍結時に棚板4の入口温度(Th1)と出口温度(Th2)を測定すれば、被乾燥材料Sの全体の平均品温Tmを算出することができる。
<予備凍結工程における被乾燥材料の熱容量Cの算出方法>
予備凍結工程に入ると、棚温4を予備凍結の設定温度まで冷却する。これにより、被乾燥材料S中の水分が冷却して凍結固化し、品温も降下する。なお、被乾燥材料S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及び水分の熱容量Cwを含める。
Therefore, if the inlet temperature (Th1) and outlet temperature (Th2) of the
<Calculation method of heat capacity C of material to be dried in preliminary freezing step>
When entering the preliminary freezing step, the
(1)トレイの熱容量Ctは、Ct=csus×Wtで計算される。csusはステンレスの比熱である。Wtはトレイ重量であり、引き抜きトレイは枠の重量となり、底付きトレイは底を含む重量となる。 (1) The heat capacity Ct of the tray is calculated by Ct = csus × Wt. csus is the specific heat of stainless steel. Wt is the tray weight, the extraction tray is the weight of the frame, and the bottomed tray is the weight including the bottom.
(2)バイアルとゴム栓の熱容量Cvは、Cv=cv×Wv+cc×Wcで計算される。cvはバイアルの比熱、Wvはバイアル重量、ccはゴム栓の比熱、Wvはゴム栓の重量である。 (2) The heat capacity Cv of the vial and the rubber stopper is calculated by Cv = cv × Wv + cc × Wc. cv is the specific heat of the vial, Wv is the weight of the vial, cc is the specific heat of the rubber stopper, and Wv is the weight of the rubber stopper.
(3)薬分の熱容量Csは、Cs=cs×Wsで計算される。csは薬分の比熱、Wsは薬分重量である。 (3) The heat capacity Cs of the medicinal component is calculated by Cs = cs × Ws. cs is the specific heat of the chemical, and Ws is the chemical weight.
(4)水の熱容量Cwは、Cw=cw×Wwで計算される。cwは水の比熱、Wwは水の重量である。
但し、水の比熱cwの計算は、水の冷却、水の凍結固化と氷の降温の三つに分ける。
(4) The heat capacity Cw of water is calculated by Cw = cw × Ww. cw is the specific heat of water, and Ww is the weight of water.
However, the calculation of the specific heat cw of water is divided into three: cooling of water, freezing and solidification of water, and cooling of ice.
i)水冷却時(Tm>0℃)、Cw1=cw1×Ww
水の比熱cw1=4.186 kJ/kg℃
ii)水凍結固化時(Tf<Tm<=0℃)
Cw2=[(cw1+cw3)/2+Δh/Tf]×Ww
氷の比熱cw=2.09 kJ/kg℃、水の凝固熱Δh=334.9 kJ/kg、Tfは被乾燥材料Sの凍結点である。
i) During water cooling (Tm> 0 ° C.), Cw1 = cw1 × Ww
Specific heat of water cw1 = 4.186 kJ / kg ° C.
ii) When water frozen and solidified (Tf <Tm <= 0 ° C.)
Cw2 = [(cw1 + cw3) / 2 + Δh / Tf] × Ww
Specific heat of ice cw = 2.09 kJ / kg ° C., heat of solidification of water Δh = 334.9 kJ / kg, Tf is the freezing point of the material S to be dried.
iii)氷降温時(Tm<Tf)、 Cw3=cw3×Ww
(5)したがって、被乾燥材料Sの熱容量Cは、C=Ct+Cv+Cs+Cwとなる。
iii) When the ice temperature falls (Tm <Tf), Cw3 = cw3 × Ww
(5) Accordingly, the heat capacity C of the material to be dried S is C = Ct + Cv + Cs + Cw.
<予備凍結工程の制御フローチャート及び熱媒体・冷媒及び空気流れ>
第1実施形態における予備凍結工程の算出処理は以上のとおりであり、この予備凍結工程を図4の制御フローチャート、図5の熱媒体・冷媒及び空気流れを参照して以下に説明する。
<Control flow chart of pre-freezing step and heat medium / refrigerant / air flow>
The calculation process of the preliminary freezing step in the first embodiment is as described above, and this preliminary freezing step will be described below with reference to the control flowchart of FIG. 4 and the heat medium / refrigerant and air flow of FIG.
前記予備凍結工程のおける算出処理において、予備凍結工程が開始されたときは、第1熱媒体弁11aを開放する一方、第2熱媒体弁11bを閉じ、更に主弁2aを閉鎖する(S11)。また、第1循環ポンプ12aを駆動し、冷却装置10を駆動する(S12)。これにより、図5に示すように、冷却装置10の冷媒が一点鎖線矢印に示すように、圧縮機10a→コンデンサ10b→膨張弁10c→トラップコイル3a→圧縮機10aと循環する一方、冷凍装置10の熱媒体が実線矢印に示すように、水ポンプ10d→クーリングタワー10e→水冷コンデンサ10b→水ポンプ10dと順次循環する。一方、熱媒体循環管路9の熱媒体は実線矢印に示すように、各棚板4→第1熱媒体弁11a→トラップコイル3a→第1循環ポンプ12a→加熱器13(停止状態)→各棚板4と順次循環する。
In the calculation process in the preliminary freezing step, when the preliminary freezing step is started, the first
以上のような冷却装置10及び熱媒体循環管路9の冷媒・熱媒体流れにより、図5に示す乾燥庫1内に装入した被乾燥材料Sが冷却される。
The material to be dried S charged in the drying
この予備凍結工程において被乾燥材料Sの平均品温Tmを求めるときは、第1温度センサ15aにより棚板4の入口側熱媒体温度(入口温度)を測定し、第2温度センサ15bにおり棚板4の出口側熱媒体温度(出口温度)を測定する(S13)。続いて、入口温度と出口温度との温度差(Th1−Th2)を算出し、算出された温度差と関係式から被乾燥材料Sの平均品温を算出する(S14)。まさに、このステップS14の内容が前述した<予備凍結工程における平均品温Tmの算出方法>及び<予備凍結工程における被乾燥材料の熱容量Cの算出方法>の内容である。続いて、算出された平均品温を記録計16bに記録する(S15)。このステップ13〜15を予備工程終了まで継続する(S16)。
When the average product temperature Tm of the material to be dried S is obtained in this preliminary freezing step, the inlet side heat medium temperature (inlet temperature) of the
<予備凍結工程における平均品温Tmの算出結果とその評価>
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、実負荷を用いた乾燥テストを行うことにより求められた、予備凍結工程における被乾燥材料Sの全体の平均品温Tmの計算結果を示す。
<Calculation result of average product temperature Tm in preliminary freezing process and its evaluation>
Below, when the freeze-dryer W1 of the channel opening vacuum control method is used, the average average product temperature Tm of the material to be dried S in the preliminary freezing step, which is obtained by performing a drying test using an actual load. The calculation result of is shown.
<容器がバイアルの場合>
凍結乾燥機W1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)とスクロース(Sucrose、分子式:C12H22O11)との混合物の10%水溶液を3ml分注したバイアル220本/トレイ×8=1760本が装入され、制御盤CRにより制御されて、所定の予備凍結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とスクロースとの混合物の品温(品温1、品温2、品温3)を測定した。溶液を−45℃で2時間凍結させ、10s間の間隔で棚板の入口温度Th1と出口温度Th2をそれぞれ測定して記録し、シーケンサ16a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を算出した。図7にその算出結果を示す。
<When the container is a vial>
The lyophilizer W1 is a 10% aqueous solution of a mixture of mannitol (Mannitol, molecular formula: C 6 H 14 O 6 ) and sucrose (Sucrose, molecular formula: C 12 H 22 O 11 ), which is a material to be dried, in a drying cabinet DC. 220 vials / tray × 8 = 1760 bottles were dispensed, and controlled by the control panel CR to start a predetermined preliminary freezing step. In order to verify the suitability of the calculation method and the calculation apparatus according to the present invention, a product temperature sensor is inserted into the three vials inserted in the center of the shelf, and the dispensed material is dispensed into the vials. The product temperature (
図7は、上述の条件で算出した予備凍結工程における被乾燥材料Sの平均品温Tmのグラフである。この図から明らかなように、算出された被乾燥材料Sの平均品温Tmは、品温センサーにより検出された被乾燥材料Sの品種(品温1、品温2、品温3)とよく一致している。これにより、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ことができた。図7に示すデータは、制御盤16に備えられた記録計16bに記録される。凍結乾燥機W1のオペレータは、記録計16bに記録された平均品温Tmのデータを監視することにより、バイアル容器に充填した被乾燥材料の予備凍結状態を知ることができる。
FIG. 7 is a graph of the average product temperature Tm of the material to be dried S in the preliminary freezing step calculated under the above conditions. As is apparent from this figure, the calculated average product temperature Tm of the material to be dried S is well with the type of the material to be dried S (
<容器がトレイの場合>
凍結乾燥機W1は、乾燥庫1内に被乾燥材料Sであるマンニトール(Mannitol、分子式:C6H14O6)の10%水溶液を1350ml分注したトレイ×8=8枚が装入され、制御盤16により制御されて、所定の予備凍結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、3本トレイには品温センサを挿入して、トレイ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2時間凍結させ、10s間の間隔で棚板の入口温度(Th1)と出口温度(Th2)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Sの平均品温Tmを算出した。図8にその算出結果を示す。
<When the container is a tray>
The freeze dryer W1 is loaded with 8 × 8 trays in which 1350 ml of a 10% aqueous solution of mannitol (Mannitol, molecular formula: C 6 H 14 O 6 ), which is a material to be dried S, is dispensed into the drying
図8は、上述の条件で算出した予備凍結工程における被乾燥材料Sの平均品温Tmのグラフである。この図から明らかなように、トレイ容器でも、算出された被乾燥材料Sの平均品温Tmは、品温センサにより検出された被乾燥材料の品温(品温1,品温2,品温3)とよく一致している。これにより、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ことができた。図8に示すデータは、制御盤16に備えられた記録計16bに記録される。凍結乾燥機W1のオペレータは、記録計16bに記録された平均品温Tmのデータを監視することにより、トレイ容器に充填した被乾燥材料Sの予備凍結状態を知ることができる。
FIG. 8 is a graph of the average product temperature Tm of the material to be dried S in the preliminary freezing step calculated under the above conditions. As is apparent from this figure, even in the tray container, the calculated average product temperature Tm of the material to be dried S is the product temperature of the material to be dried (
<一次乾燥期における昇華速度Qmの算出方法>
次に、予備凍結工程に続いて実施される一次乾燥工程について、図9〜図12を参照して説明する。
<Calculation method of sublimation speed Qm in primary drying period>
Next, the primary drying process performed following the preliminary freezing process will be described with reference to FIGS.
背景技術で掲げた特許文献1に記載の発明では、一次乾燥期における昇華速度Qmは、凍結乾燥機W1の乾燥庫1とコールドトラップ3にそれぞれ付設した真空計で測定した乾燥庫1内の真空度とコールドトラップ3内の真空度とから算出した。
In the invention described in
これに対して、本発明は、乾燥庫1内に棚板4を介して被乾燥材料Sを充填した多数のトレイやバイアル等の容器を装入し、各容器内の被乾燥材料Sを所定の含有率になるまで凍結乾燥させる時、一次乾燥期に各容器内の被乾燥材料S内の氷を昇華させる昇華熱Qhは、棚板4内に循環する熱媒体から供給され、この昇華熱Qhが昇華速度Qm(kg/hr)と昇華潜熱Δhs(680Kcal/kg)の積であり、昇華速度Qmに比例し、また、昇華熱Qhが棚板4内に循環する熱媒体から伝わり、棚板4内に循環する熱媒体の出口温度Th2は棚板4の入口温度Th1より低くなる。棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2を正確に測定すれば、一次乾燥期における昇華速度Qmを算出できる。
On the other hand, in the present invention, a large number of containers such as trays and vials filled with the material to be dried S are placed in the drying
この方法によると、熱媒体温度を測定する温度計以外の高価な計測器を装備する必要がないので、昇華速度Qmの算出を容易にかつ低コストに行うことができる。 According to this method, since it is not necessary to equip an expensive measuring instrument other than the thermometer for measuring the heat medium temperature, the sublimation speed Qm can be calculated easily and at low cost.
以下、本発明の上述の一次乾燥工程の昇華速度Qmの算出方法について以下に詳述する。 Hereinafter, the calculation method of the sublimation speed Qm in the above-described primary drying step of the present invention will be described in detail below.
予備凍結工程の終了の後は、真空排気工程が始まり、所定の乾燥庫真空度まで排気して一次乾燥工程に入り、設定した棚温プログラムにより棚板4を加熱し、かつ乾燥庫1内の真空度を開度調節器2bにて制御値に設定して被乾燥材料Sの凍結乾燥を開始する。被乾燥材料から昇華した水蒸気は、乾燥庫1から主管2を通じてコールドトラップ3内に流れ、トラップコイル3aにて凝結捕集さる。
After completion of the preliminary freezing process, the vacuum exhausting process starts, exhausts to a predetermined drying chamber vacuum degree, enters the primary drying process, heats the
一次乾燥工程初期の棚昇温の段階で、棚板4内に循環する熱媒体から供給される熱量は、棚板4の昇温、被乾燥材料S内の凍結体の昇温及び氷の昇華に消費され、棚板の入口温度Th1と出口温度Th2の差から昇温速度Qmを算出することは複雑となる。単純な計算では、被乾燥材料S内の凍結体の表面温度が乾燥庫真空度の平衡蒸気温度をTiとし、凍結体の底部品温がTmで、昇華速度Qmは、次の式で計算できる。
The amount of heat supplied from the heat medium circulating in the
Qm=A×λi/δi×(Tm−Ti)/Δhs
但し、式中のAは凍結固体状の被乾燥材料Sの伝熱面積であり、λiは凍結固体状の被乾燥材料Sの熱伝導率である。δiは容器内に凍結固体状の被乾燥材料Sの厚みであり、単位はmである。Tmは平均品温、Tiは乾燥庫真空度Pdcの平衡蒸気温度である。
Qm = A × λi / δi × (Tm−Ti) / Δhs
Where A is the heat transfer area of the frozen solid material to be dried S, and λi is the thermal conductivity of the frozen solid material to be dried S. δi is the thickness of the frozen solid material S to be dried in the container, and the unit is m. Tm is the average product temperature, and Ti is the equilibrium vapor temperature of the drying chamber vacuum degree Pdc.
一次乾燥工程初期に平均品温Tmが平衡蒸気温度Tiより低くい場合は(Tm<Ti)、昇華速度Qm=0となる。 When the average product temperature Tm is lower than the equilibrium vapor temperature Ti at the beginning of the primary drying process (Tm <Ti), the sublimation rate Qm = 0.
一次乾燥工程期に棚温4を一定の温度に制御する期間において、棚板温度を制御する第1熱媒体弁11aの開閉(あるいはPID制御)と棚板温度を加熱する加熱器13のON/OFFにより棚温を設定値に制御する。その期間に被乾燥材料S内の凍結体の昇温に消費される熱が無視でき、棚板4内に循環する熱媒体から供給される熱量は、棚板4の温度の変化と氷の昇華に消費される。一定の時間間隔(例えば、30min間隔)で、短時間で第1熱媒体弁1を閉じ(あるいはPID制御)、加熱器13をOFFして、棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2を測定すれば、その間の棚板温度の変化速度dTh/dt、棚出入り温度差Th2−Th1から被乾燥材料S内の氷を昇華させる昇華熱Qhを算出し、昇華速度Qmも算出できる。
In a period in which the
第1熱媒体弁11aを閉じ(あるいはPID制御)、加熱器13をOFFしている間に、各容器内の被乾燥材料S内の氷を昇華させる昇華熱Qhが棚板4と棚板4内に循環する熱媒体に伝わり、棚板温度が下がり、棚板の出口温度Th2が低くなる。棚板4の降温速度がdTh/dt、棚出入り温度差をΔTh=Th2−Th1とし、昇華速度Qmは、次の式で計算される。
While the first
Qm=−[Csus×(dTh/dt−dTh’/dt)
+q×ρl×cp×(ΔTh−ΔTh’)]/Δhs
但し、式中のCsusは棚板4の熱容量であり、qは棚板4内に循環する熱媒体の流量、ρlは熱媒体の密度、cpは熱媒体の比熱である。
Qm = − [Csus × (dTh / dt−dTh ′ / dt)
+ Q × ρl × cp × (ΔTh−ΔTh ′)] / Δhs
Where Csus is the heat capacity of the
dTh/dtは、無負荷時に棚温を一定の温度に制御した時に、第1熱媒体弁11aを閉じ、加熱器13をOFFした時の棚板温度の上昇速度であり、ΔTh’はその間に棚出入り温度差Th2’−Th1’(第1及び第2温度センサ15a,15bの測定誤差を含む)である。
dTh / dt is the rate at which the shelf temperature rises when the first
第1熱媒体弁11aをPID制御する場合、dTh/dt−dTh’/dt=0となり、昇華速度Qmは次の式で計算される。
When the first
Qm=−q×ρl×cp×(ΔTh−ΔTh’)]/Δhs
棚板4内に循環する熱媒体の流量qは、無負荷で棚板4を一旦冷却した後に棚板4を加熱した時、棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2を測定して算出することにより求められる。そして、無負荷時に棚温を制御した時に、第1熱媒体弁11aを閉じ、加熱器13をOFFした時の棚板温度の上昇速度dTh’/dtと棚出入り温度差ΔTh’が求まれば、上述したように、一次乾燥期に一定の時間間隔で、短時間に第1熱媒体弁11aを閉じ、加熱器13をOFFして、棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2の測定データから昇温速度Qmを求めることができる。
<一次乾燥工程における平均底部品温Tmと平均昇華面温度Tsの算出方法>
一次乾燥工程における被乾燥材料Sの全体の平均品温Tmと平均昇華面温度は、次式から算出できる。
Qm = −q × ρl × cp × (ΔTh−ΔTh ′)] / Δhs
The flow rate q of the heat medium circulating in the
<Calculation method of average bottom part temperature Tm and average sublimation surface temperature Ts in the primary drying step>
The average product temperature Tm and average sublimation surface temperature of the entire material to be dried S in the primary drying step can be calculated from the following equations.
まず、一次乾燥初期の棚昇温の段階で、被乾燥材料Sの伝熱方程式は、次の式で表される。 First, the heat transfer equation of the material to be dried S is expressed by the following equation at the stage of shelf temperature increase in the initial stage of primary drying.
C×dTm/dt=Qh−Qm×ΔHs
但し、この式において、Cは被乾燥材料Sの熱容量、Tmは平均品温、Qhは気体伝導による棚板4からの容器底部への入熱量、Qmは昇華速度、ΔHsは昇華潜熱である。
C × dTm / dt = Qh−Qm × ΔHs
In this equation, C is the heat capacity of the material S to be dried, Tm is the average product temperature, Qh is the amount of heat input from the
気体伝導による棚段から容器底部への入熱量Qhは、次の式で計算される。 The amount of heat input Qh from the shelf to the container bottom due to gas conduction is calculated by the following equation.
Qh=Ae×K×(Th−Tm)
但し、Aeは有効伝熱面積(m2)、Kは気体伝導による棚板4から容器底部への熱伝達係数、Th=(Th1+Th2)/2は棚温(℃)、Tmは底部品温(℃)である。
Qh = Ae × K × (Th−Tm)
However, Ae is an effective heat transfer area (m 2 ), K is a heat transfer coefficient from the
有効伝熱面積Aeは、Ae=2/(1/Av+1/At)で算出でき、
気体伝導による棚板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。
The effective heat transfer area Ae can be calculated by Ae = 2 / (1 / Av + 1 / At),
The heat transfer coefficient K (W / m 2 ° C) from the shelf board to the container bottom by gas conduction is
K = 16.86 / (δ + 2.12 × 29 × 0.133 / Pdc).
有効伝熱面積Aeの計算式において、Avは容器底部面積(m2)であり、Atはトレイ枠面積(m2)である。 In the formula for calculating the effective heat transfer area Ae, Av is the container bottom area (m 2 ), and At is the tray frame area (m 2 ).
容器底部面積Avは、Av=π/4×n1×d2(但し、n1はバイアル本数、dはバイアル直径)で算出でき、トレイ枠面積Atは、At=n2×W×L(但し、n2は枠枚数;Wは枠の幅寸法、Lは枠の長さ寸法)で算出できる。 The container bottom area Av can be calculated by Av = π / 4 × n1 × d 2 (where n1 is the number of vials and d is the vial diameter), and the tray frame area At is At = n2 × W × L (where n2 Is the number of frames; W is the width of the frame, and L is the length of the frame).
また、気体伝導による棚板4から容器底部への熱伝達係数Kの計算式において、δは容器底部の隙間であり、単位はmmである。
Moreover, in the calculation formula of the heat transfer coefficient K from the
入熱量の計算式を伝熱方程式に入れると、下式が成り立つ。
C×dTm/dt
=Ae×K×(Th−Tm)−Qm×Δhs
但し、Δhsは昇華潜熱であり、Δhs=2850KJ/Kgである。
When the formula for calculating the heat input is included in the heat transfer equation, the following formula is established.
C x dTm / dt
= Ae × K × (Th−Tm) −Qm × Δhs
However, Δhs is sublimation latent heat, and Δhs = 2850 KJ / Kg.
Qm=A×λi/δi×(Tm−Ti)/Δhs
Tm<Tiの場合、Qm=0となる。
Qm = A × λi / δi × (Tm−Ti) / Δhs
When Tm <Ti, Qm = 0.
一次乾燥初期の棚昇温の期間に被乾燥材料Sの平均品温は以下の式で計算できる。 The average product temperature of the material to be dried S can be calculated by the following equation during the shelf temperature increase period in the initial stage of primary drying.
C×(Tm−Tm0)/Δt=Ae×K×(Th−Tm)
−A×λi/δi×(Tm−Ti)
Tm=(Tm0+a1×Th+a2×Ti)/(1+a1+a2)
a1=K×Ae×Δt/C
a2=A×λi/δi×Δt/C
平均底部品温Tmが平衡蒸気温度Tiより低い(Tm<Ti)の場合、Qm=0、
Tm=(Tm0+a1×Th)/(1+a1)
一次乾燥期の棚温制御において、被乾燥材料Sの伝熱方程式は、次の式で表される。
C × (Tm−Tm0) / Δt = Ae × K × (Th−Tm)
−A × λi / δi × (Tm-Ti)
Tm = (Tm0 + a1 × Th + a2 × Ti) / (1 + a1 + a2)
a1 = K × Ae × Δt / C
a2 = A × λi / δi × Δt / C
When the average bottom part temperature Tm is lower than the equilibrium vapor temperature Ti (Tm <Ti), Qm = 0,
Tm = (Tm0 + a1 × Th) / (1 + a1)
In the shelf temperature control in the primary drying period, the heat transfer equation of the material S to be dried is expressed by the following equation.
Qh+Qr=Qm×Δhs
乾燥庫1の壁1aから全容器への輻射入熱量Qrは、次式から求められる。
Qh + Qr = Qm × Δhs
The amount of radiation heat input Qr from the
Qr=5.67×ε×Ae×[(Tw/100)4−(Tm/100)4]
但し、式中のεは輻射係数、Twは乾燥庫壁温度(K)、Tmは平均底部品温(K)である。
Qr = 5.67 × ε × Ae × [(Tw / 100) 4 − (Tm / 100) 4 ]
In the equation, ε is a radiation coefficient, Tw is a drying cabinet wall temperature (K), and Tm is an average bottom part temperature (K).
また、この乾燥庫1の壁1aから全容器への輻射入熱量Qrは、次式で近似的に計算できる。
Moreover, the amount of radiation heat input Qr from the
Qr=Ae×Kr×(Tw−Tm)
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。
Qr = Ae × Kr × (Tw−Tm)
However, Kr are equivalent heat transfer coefficient due to radiation heat input, Kr = 0.7W / m 2 ℃ in tester can be approximated as Kr = 0.2W / m 2 ℃ production machine.
入熱量の計算式を伝熱方程式に入れると、下式が成り立つ。 When the formula for calculating the heat input is included in the heat transfer equation, the following formula is established.
Ae×K×(Th−Ts)+Ae×Kr×(Tw−Tm)−Qm×Δhs
被乾燥材料Sの平均底部品温は以下の式で計算できる、
Tm=(K×Th+K×Tw−Qm×Δhs/Ae)/(1+K+Kr)
被乾燥材料Sの凍結層δi内の熱伝導方程式から被乾燥材料Sの平均昇華面温度Tsは計算できる。
Ae × K × (Th−Ts) + Ae × Kr × (Tw−Tm) −Qm × Δhs
The average bottom part temperature of the material to be dried S can be calculated by the following formula:
Tm = (K × Th + K × Tw−Qm × Δhs / Ae) / (1 + K + Kr)
The average sublimation surface temperature Ts of the material to be dried S can be calculated from the heat conduction equation in the frozen layer δi of the material to be dried S.
熱伝導方程式は、次の式で表される。 The heat conduction equation is expressed by the following equation.
A×λi/δi×(Tm−Ts)=Qm×Δhs
平均昇華面温度は以下の式で算出される。
A × λi / δi × (Tm−Ts) = Qm × Δhs
The average sublimation surface temperature is calculated by the following formula.
Ts=Tm−Qm×Δhs×δi/(A×λi)
したがって、以上の計算式から、一次乾燥期に昇華速度Qmを測定すれば、被乾燥材料Sの全体の平均底部品温Tmと平均昇華面温度Tsを算出することができる。
Ts = Tm−Qm × Δhs × δi / (A × λi)
Therefore, if the sublimation speed Qm is measured in the primary drying period, the average bottom part temperature Tm and the average sublimation surface temperature Ts of the entire material to be dried S can be calculated from the above formula.
具体的には、乾燥庫1内に被乾燥材料Sを装入した状態で、凍結乾燥機W1を作動させ、棚温をThに設定し、かつ乾燥庫1内の真空度を開度調節器2bにて制御値に設定して被乾燥材料Sの凍結乾燥を開始する。凍結乾燥開始後、まず一次乾燥工程に入り、氷状の被乾燥材料S中に含まれる水分が昇華により除去される。
Specifically, with the material to be dried S charged in the drying
一次乾燥工程に入ると、被乾燥材料Sから昇華される水蒸気が乾燥庫1から主管2を通してコールドトラップ3にて凝結捕集し、開度調節器2bが回動して乾燥庫1内の真空度を設定値に制御する。このとき、シーケンサ16aは、一定の時間間隔(例えば、30min間隔)で、短時間(例えば120s)に第1熱媒体弁11aを閉じ(あるいはPID制御)、加熱器13をOFFして、棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2、乾燥庫1内の真空度を取り込み、記録計16bに記録する。また、シーケンサ16aは、シーケンサ16aに記憶された計算プログラムに従い、以下の手順で一次乾燥工程における被乾燥材料Sの全体の平均底部品温Tm、平均昇華面温度Ts及び昇華速度Qmを計算する。
(1)無負荷(棚板4に被乾燥材料Sが載置されていない状態)で棚板4を一旦冷却し、その後、棚板4を加熱した時の棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2を測定し、算出された流量を棚板4内に循環する熱媒体の流量qとして取り入れる。
(2)無負荷時に各棚温を制御し、第1熱媒体弁11aを閉じ、加熱器13をOFFした時に測定した棚板温度の上昇速度dTh’/dtと棚出入り温度差ΔTh’の結果から、dTh’/dtとΔTh’を計算する。
(3)短時間に第1熱媒体弁11aを閉じ(あるいはPID制御)、加熱器13をOFFして、棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2の記録データから、棚板の降温速度dTh/dtと棚出入り温度差ΔThを計算する。
(4)Qm=−[Csus×(dTh/dt−dTh’/dt)+q×ρ1×cp×(ΔTh−ΔTh’)]/Δhsの計算式で昇華速度Qmを計算する。
(5)Tm=(K×Th+Kr×Tw−Qm×Δhs/Ae)/(1+K+Kr)の計算式で被乾燥材料Sの平均底部品温Tmを計算する。
(6)Ts=Tm−Qm×Δhs×δi/(A×λi)の計算式で被乾燥材料Sの平均昇華面温度Tsを計算する。
When entering the primary drying step, water vapor sublimated from the material to be dried S condenses and collects in the
(1) The
(2) Results of shelf temperature rise rate dTh ′ / dt and shelf entry / exit temperature difference ΔTh ′ measured when each shelf temperature is controlled at no load, the first
(3) The first
(4) The sublimation speed Qm is calculated by the following formula: Qm = − [Csus × (dTh / dt−dTh ′ / dt) + q × ρ1 × cp × (ΔTh−ΔTh ′)] / Δhs.
(5) The average bottom part temperature Tm of the material to be dried S is calculated by the following formula: Tm = (K × Th + Kr × Tw−Qm × Δhs / Ae) / (1 + K + Kr).
(6) The average sublimation surface temperature Ts of the material to be dried S is calculated by the calculation formula of Ts = Tm−Qm × Δhs × δi / (A × λi).
<一次乾燥工程における棚板4内に循環する熱媒体の流量qの求め方>
一次乾燥工程における被乾燥材料Sの平均底部品温Tm、平均昇華面温度Ts及び昇華速度Qmの算出に際しては、事前に、棚板4内に循環する熱媒体の流量qを測定する必要がある。その測定方法は、無負荷で棚板を−50℃まで冷却し、真空引きをして30℃まで加熱し、棚昇温時の棚板の入口温度Th’1と出口温度Th’2の測定データから、棚板4の昇温速度dTh’/dtと棚出入り温度差ΔTh’を計算し、棚板4の熱容量と昇温速度dTh’/dtにより棚板4内に循環する熱媒体から棚板4への熱流量を計算し、熱流量と棚出入り温度差ΔTh’から熱媒体の流量qを計測する。
<How to obtain the flow rate q of the heat medium circulating in the
When calculating the average bottom part temperature Tm, average sublimation surface temperature Ts, and sublimation speed Qm of the material S to be dried in the primary drying step, it is necessary to measure the flow rate q of the heat medium circulating in the
無負荷で棚昇温時の棚板4の伝熱方程式は、次の式で表される。
The heat transfer equation of the
C1×dTh’/dt=q×ρ×Cp×(Th’2−Th’1)+QL
但し、この式において、C1は棚板4の熱容量、ρは熱媒体の密度、Cpは熱媒体の比熱、気体伝導による棚板4から容器底部への入熱量、QLは乾燥庫壁1aから棚板4への伝熱量である。
C1 × dTh ′ / dt = q × ρ × Cp × (Th′2-Th′1) + QL
In this equation, C1 is the heat capacity of the
QLは次の式で計算できる。 QL can be calculated by the following equation.
QL=a×2×A×(Tw−Th)
aは真空で乾燥庫壁1aから棚面への熱伝導係数、Aは棚面積、Twは乾燥庫壁1aの温度である。
QL = a × 2 × A × (Tw−Th)
a is the heat transfer coefficient from the drying
以上の式で、棚板4内に循環する熱媒体の流量qが求められる。
q=(C1×dTh’/dt−QL)/(ρ×Cp×(Th’2−Th’1))
<一次乾燥工程における熱媒体の流量qの具体的な求め方>
以下に、棚板4内に循環する熱媒体の流量qを求める際の具体的な求め方を示す。
With the above formula, the flow rate q of the heat medium circulating in the
q = (C1 × dTh ′ / dt−QL) / (ρ × Cp × (Th′2-Th′1))
<Specific method for determining the flow rate q of the heat medium in the primary drying step>
Hereinafter, a specific method for obtaining the flow rate q of the heat medium circulating in the
先ず、無負荷の試験で、棚板4内に循環する熱媒体の流量qを求める。無負荷の試験は、乾燥庫1内に被乾燥材料Sを装入せず、通常の被乾燥材料Sの凍結乾燥と同一の手順で凍結乾燥機W1を制御することにより行う。一例として、予備凍結工程時に棚板4を−50℃まで冷却し、真空を引いて、棚温Thを30℃まで昇温する。そのときの棚板4の入口温度Th’1と出口温度Th’2とをそれぞれ測定して、記録計16bに記録した。
First, in a no-load test, the flow rate q of the heat medium circulating in the
ここで、凍結乾燥機W1の棚有効面積が2.3m2、第1循環ポンプ12aが2.2Kw、30Hzで、棚板4の熱容量C1=180kJ/℃、熱媒体の密度ρ=960kg/m3、熱媒体の比熱Cp=1.67kJ/kg℃、とするとき、昇温の棚板4の入口温度Th’1と出口温度Th’2から棚板4内に循環する熱媒体の流量qを求めた結果を表1に示した。熱媒体の流量q約100L/minと測定した。
Here, the shelf effective area of the freeze dryer W1 is 2.3 m 2 , the
棚板の入口温度Th1と出口温度Th2の測定から一次乾燥における被乾燥材料Sの平均底部品温Tm、平均昇華面温度Ts及び昇華速度Qmの算出をするために、棚出入り温度を測定する。その際、第1熱媒体弁11aと閉じないと、コールドトラップ3側の低い温度の熱媒が棚系の高い温度の熱媒と混合し、棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2も変動するし、また、加熱器13をOFFしないと、棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2も変化し、平均底部品温Tmと昇華速度Qmを算出できない。そのため、一定の時間間隔で、一時的に第1熱媒体弁11aを約2min間閉じ、加熱器13もOFFする必要がある。
In order to calculate the average bottom part temperature Tm, the average sublimation surface temperature Ts, and the sublimation speed Qm of the material S to be dried in the primary drying from the measurement of the inlet temperature Th1 and the outlet temperature Th2 of the shelf board, the entry / exit temperature is measured. At that time, if the first
また、昇華速度Qmを算出するために、事前に無負荷時の一定棚温を制御した時に、第1熱媒体弁11aを閉じ、加熱器13をOFFした時の棚板温度の上昇速度dTh’/dtと棚出入り温度差ΔTh’を測定しておく必要がある。
Further, in order to calculate the sublimation rate Qm, when the constant shelf temperature at the time of no load is controlled in advance, the rate of increase of the shelf plate temperature dTh ′ when the first
以下に、無負荷時の一定棚温を制御した時に、第1熱媒体弁11aを閉じ、加熱器13をOFFした時の棚板温度の上昇速度dTh’/dtと棚出入り温度差ΔTh’を計測する際の具体例を以下に示す。
Below, when the constant shelf temperature at the time of no load is controlled, the rise rate dTh ′ / dt of the shelf plate temperature and the shelf entry / exit temperature difference ΔTh ′ when the first
無負荷の試験は、通常の被乾燥材料Sの凍結乾燥と同一の手順で凍結乾燥機W1を制御することによって行う。一例として、予備凍結時に棚板を−40℃まで冷却し、真空を引いて、段階に棚温Thを−30℃、−25℃、−20℃、−15℃、−10℃、−5℃、0℃、10℃、20℃、30℃に制御した時に、第1熱媒体弁11aを2min閉じ、加熱器13を2min間OFFし、そのときの棚板4の入口温度Th’1と出口温度Th’2をそれぞれ測定して、記録計16bに記録した。記録データから棚板温度の上昇速度dTh’/dtと棚出入温度差ΔT’を測定した。
The no-load test is performed by controlling the lyophilizer W1 in the same procedure as the lyophilization of the normal material to be dried S. As an example, the shelf is cooled to −40 ° C. during preliminary freezing, a vacuum is drawn, and the shelf temperature Th is changed to −30 ° C., −25 ° C., −20 ° C., −15 ° C., −10 ° C., −5 ° C. , 0 ° C., 10 ° C., 20 ° C., 30 ° C., the first
この実施例で、凍結乾燥機W1の棚有効面積が2.3m2、第1循環ポンプ12aが2.2Kw、30Hzで、熱媒体の循環流量qが約100L/minとなり、棚板4の各温度に制御した時に、第1熱媒体弁11aを閉じ、加熱器13をOFFし、その間に棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2を10sの記録速度で記録し、80sから120s間の記録データで棚温上昇速度dTh’/dtと棚出入温度差ΔT’の平均温度を計算し、その結果を表2に示した。
In this embodiment, the shelf effective area of the freeze dryer W1 is 2.3 m 2 , the
次いで、凍結乾燥プログラムにしたがって被乾燥材料Sの凍結乾燥を行うときに、一定の時間間隔で、短時間に第1熱媒体弁11aを閉じ(あるいはPID制御)、加熱器13をOFFして、棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2、乾燥庫1内の真空度を計測して記録すれば、上述した無負荷の測定で得られた棚温上昇速度dTh’/dt、棚出入り温度差ΔT’と棚制御温度との関係から、個別容器の品温を測定することなく、一次乾燥工程における全体の平均底部品温Tm及び平均昇華速度Qmを監視することができる。
Next, when the material to be dried S is freeze-dried according to the freeze-drying program, the first
<一次乾燥工程の制御フローチャート及び熱媒体・冷媒及び空気流れ>
第1実施形態における一次乾燥工程の算出処理は以上のとおりであり、この一次乾燥工程を図9及び図10の制御フローチャート、図11の熱媒体・冷媒及び空気流れを参照して以下に説明する。
<Control flow chart of primary drying process and heat medium / refrigerant / air flow>
The calculation process of the primary drying process in the first embodiment is as described above, and this primary drying process will be described below with reference to the control flowcharts of FIGS. 9 and 10 and the heat medium / refrigerant and air flow of FIG. .
図9に示すように、予備凍結工程の終了の後は、真空排気工程が始まる。この真空排気工程では主弁2a及び引口弁7を開く一方、真空ポンプ8を駆動して乾燥庫1を含む主管2及びコールドトラップ3内の空気を吸引する(S21)。これにより、真空計6により検出される乾燥庫の真空度が設定値となるまで継続する(S22)(図11の白抜き矢印を参照)。
As shown in FIG. 9, after completion of the preliminary freezing process, the evacuation process starts. In this evacuation process, the
この真空排気工程が終了した後に一次乾燥工程に移行する。この一次乾燥工程では、第1及び第2熱媒体弁11a,11bを開閉制御し、第1及び第2循環ポンプ12a,12b、加熱器13、開度調節器2b及び冷却装置10を駆動制御する(S23)。
After this evacuation process is completed, the process proceeds to the primary drying process. In the primary drying step, the first and second
これにより、乾燥工程では、冷却装置10は前述した予備凍結工程と同様に駆動する。熱媒体循環管路9は、図11の実線矢印に示すように、熱媒体を棚板4の出口→第2熱媒体弁11b→第1循環ポンプ12a→加熱器(運転駆動)→棚板4の入口と順次循環する乾燥庫1のサイクルと、第2循環ポンプ12b→トラップコイル3a→第2循環ポンプ12bと順次循環するコールドトラップ3のサイクルと、図11の破線矢印に示すように乾燥庫1とコールドトラップ3との間で熱媒体を循環するサイクルを有し、これら各サイクルの選択及び加熱器13のON/OFFをシーケンサ16aの棚温プログラムにより駆動制御し、棚板4を設定値に制御する一方(S24)、乾燥庫1内の真空度を開度調節器2bの開度を制御して乾燥庫1内の真空度を制御値に制御する(S25)。これにより、乾燥庫1内の棚板4が加熱され、被乾燥材料Sの凍結乾燥が開始され、被乾燥材料Sから昇華した水蒸気が、乾燥庫1から主管2を通じてコールドトラップ3内に流れ、トラップコイル3aにて凝結捕集さる。
Thereby, in the drying process, the
このような被乾燥材料Sの乾燥工程の途中で、図10に示すように、棚板4への熱媒体の供給を停止する工程(熱媒体供給停止工程)に移行する。この熱媒体供給停止工程で、算出処理操作が一次乾燥工程に移行してから初めて(第1回目)であるか否かを判定し(S31)、第1回目であるときは加熱器13を停止し且つ第1熱媒体弁11aを閉じる(S32)。他方、ステップS31で第1回目ではないと判定したときは、前回処理から30分間経過したか否かを判定し(S33)、30分経過しているときは、ステップS32により加熱器13を停止し且つ第1熱媒体弁11aを閉じる。続いて、この停止及び閉時間が短時間(2分間)経過したか否かを判定する(S34)、2分間経過したときは、昇華速度等の算出工程に移行する。
In the middle of the drying process of the material to be dried S, the process proceeds to a process of stopping the supply of the heat medium to the shelf board 4 (heat medium supply stop process) as shown in FIG. In this heat medium supply stop process, it is determined whether or not the calculation processing operation is the first (first time) after the transition to the primary drying process (S31), and when it is the first time, the
この算出工程では、棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2を測定し、前述した計算プログラム及び関係式から、昇華速度、平均底部品温及び平均昇華面温度を算出する(S35)。これら算出されたデータは記録計16bに記録される(S36)。このような算出処理が一次乾燥工程が終了するまで実施される(S37)。
In this calculation step, the inlet temperature Th1 and the outlet temperature Th2 of the
以上の一次乾燥工程の制御フローチャートから明らかなように、一次乾燥工程において、平均底部品温等の算出は所定時間間隔(30分)毎に行われるもので、また、算出する際は短時間に亘って加熱器13を停止かつ第1熱媒体弁11aを閉じ、その後に算出工程に移行する。これにより、平均底部品温等の算出の際に、コールドトラップ3側の低温熱媒体が棚板4側に流入することなく、また、加熱器13で棚板4側に流入する熱媒体を加熱することがなく、よって、平均底部品温等を正確に算出することができる。
As is apparent from the control flowchart of the primary drying process described above, in the primary drying process, the average bottom part temperature and the like are calculated every predetermined time interval (30 minutes), and when calculating, in a short time. Then, the
<一次乾燥工程における平均底部品温Tm及び昇華速度Qmの算出結果とその評価>
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、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、一次乾燥期における被乾燥材料Sの全体の平均底部品温Tm及び昇華速度Qmの計算結果を示す。
<Calculation result and evaluation of average bottom part temperature Tm and sublimation speed Qm in primary drying process>
Below, when the freeze-dryer W1 of the flow path opening vacuum control system is used, the average bottom part of the entire material to be dried S in the primary drying period, which is obtained by performing a freeze-drying test using an actual load The calculation result of temperature Tm and sublimation speed Qm is shown.
<第1熱媒体弁11aを開閉制御した場合>
凍結乾燥機W1は、乾燥庫1内に被乾燥材料Sであるマンニトール(Mannitol、分子式;C6H14O6)とスクロース(Sucrose、分子式;C12H22O11)との混合物の10%水溶液を3mL分注したバイアル200本/トレイ×8枚=1760本が装入され、制御盤16により制御され、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Sの品温(品温1、品温2、品温3)を測定した。溶液を−45℃で2時間凍結させ、一次乾燥時に1hrで棚温Thを0℃まで昇温し、0℃に設定すると共に、開度調節器2bの開度角度θを調整して乾燥庫1内の真空度を10.0Paに制御し、被乾燥材料Sを凍結乾燥した。一次乾燥期に30分間の間隔で第1熱媒体弁11aを120s間閉じ、加熱器13も120s間OFFして、棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2、乾燥庫1内の真空度をそれぞれ測定して記録し、シーケンサ16aに記憶された計算ソフトを用いて、被乾燥材料Sの平均底部品温Tmと平均昇華速度Qmを算出した。図12に、その算出結果を示す。
<When opening and closing the first
The lyophilizer W1 contains 10% of the mixture of mannitol (Mannitol, molecular formula; C 6 H 14 O 6 ) and sucrose (Sucrose, molecular formula; C 12 H 22 O 11 ) as the material to be dried S in the drying
図12は流路開度真空制御方式の凍結乾燥機W1と第1熱媒体弁11aの開閉制御によるもので、上述の条件で算出した被乾燥材料Sの平均底部品温Tm及び昇華速度Qmを示すグラフである。この図から明らかなように、算出された被乾燥材料Sの平均底部品温Tmは、品温センサにより検出された被乾燥材料Sの品温(品温1、品温2、品温3)とよく一致している。これにより、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ことができた。図12に示すデータは、制御盤16に備えられた記録計16bに記録される。凍結乾燥機W1のオペレータは、記録計16bに記録された平均底部品温Tmのデータ及び昇華速度Qmのデータを監視することにより、被乾燥材料Sの一次乾燥状態を知ることができる。
FIG. 12 is based on the opening / closing control of the freeze-dryer W1 and the first
<第1熱媒体弁11aをPID制御した場合>
凍結乾燥機W1は、乾燥庫1内に被乾燥材料Sであるマンニトール(Mannitol、分子式;C6H14O6)とスクロース(Sucrose、分子式;C12H22O11)との混合物の10%水溶液を3mL分注したバイアル1760本が装入され、制御盤16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Sの品温(品温1、品温2、品温3)を測定した。溶液を−45℃で2時間凍結させ、一次乾燥時に棚温Thを−10℃に設定すると共に、開度調節器2bの開度角度θを調整して乾燥庫1内の真空度を6.7Paに制御し、被乾燥材料Sを凍結乾燥した。第1熱媒体弁11aがPID制御(Proportional Integral Derivative Controller)で、一次乾燥期に30分間の間隔で加熱器13を120s間OFFして、棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2、乾燥庫1内の真空度をそれぞれ測定して記録し、シーケンサ16aに記憶された計算ソフトを用いて、被乾燥材料Sの平均底部品温Tmと平均昇華速度Qmを算出した。図13に、その算出結果を示す。
<When PID control is performed on the first
The lyophilizer W1 contains 10% of the mixture of mannitol (Mannitol, molecular formula; C 6 H 14 O 6 ) and sucrose (Sucrose, molecular formula; C 12 H 22 O 11 ) as the material to be dried S in the drying
図13は流路開度真空制御方式の凍結乾燥機W1と第1熱媒体弁11aのPID制御によるもので、上述の条件で算出した被乾燥材料Sの平均底部品温Tm及び昇華速度Qmのグラフである。この図から明らかなように、算出された被乾燥材料Sの平均底部品温Tmは、品温センサにより検出された被乾燥材料Sの品温(品温1、品温2、品温3)とよく一致している。これにより、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ことができた。図13に示すデータは、制御盤16に備えられた記録計16bに記録される。凍結乾燥機W1のオペレータは、記録計16bに記録された平均底部品温Tmのデータ及び昇華速度Qmのデータを監視することにより、被乾燥材料Sの一次乾燥状態を知ることができる。
FIG. 13 is based on the PID control of the flow path opening vacuum control type freeze dryer W1 and the first
なお、この凍結乾燥機W1の棚面積は2.3m2であり、棚4段でトレイが16枚あり、上述の2つの実験例では、バイアル220本/トレイ×8枚=1760本が装入され、仕込みが半分となり、また、棚系の熱媒循環ポンプの流量qが約100L/minで、通常の40L/minの2.5倍となり、そのため、負荷時の棚出入り温度差が小さくて0.2℃以下で、昇華温度Qmを算出する時に誤差が生じる。通常の棚系の熱媒循環ポンプ流量40L/minで、棚全段にバイアル220本/トレイ×16枚=3520本を装入すれば、負荷時の棚出入り温度差ΔTが増え、昇華速度Qmの算出値の誤差が小さくなり、平均底部品温Tmの算出値は品温センサにより検出された被乾燥材料Sの品温よりも更に近似したものとなる。 The shelf area of this freeze dryer W1 is 2.3 m 2 and there are 16 trays with 4 shelves. In the above two experimental examples, 220 vials / tray × 8 sheets = 1760 are loaded. In addition, the charge is halved, and the flow rate q of the shelf-type heat medium circulation pump is about 100 L / min, which is 2.5 times the normal 40 L / min. An error occurs when the sublimation temperature Qm is calculated below 0.2 ° C. If a normal shelf system heat medium circulation pump flow rate of 40 L / min and 220 vials / tray × 16 sheets = 3520 bottles are loaded in all shelves, the temperature difference ΔT between loading and unloading during loading increases, and the sublimation speed Qm Therefore, the calculated value of the average bottom part temperature Tm is more approximate to the product temperature of the material to be dried S detected by the product temperature sensor.
一次乾燥工程の終了後は、二次乾燥工程に入り、一次乾燥工程を経て乾燥固体となった被乾燥材料S中に含まれる微量の不凍水が除去されて、被乾燥材料Sが所定の含水率になるまで乾燥される。 After the completion of the primary drying step, a secondary drying step is entered, and a small amount of antifreeze water contained in the material to be dried S that has become a dry solid through the primary drying step is removed, so that the material to be dried S has a predetermined content. Dry until moisture content.
<二次乾燥工程における平均品温Tmの算出方法>
二次乾燥期における被乾燥材料Sの全体の平均品温Tmは、次式から算出できる。
<Calculation method of average product temperature Tm in secondary drying process>
The average product temperature Tm of the entire material to be dried S in the secondary drying period can be calculated from the following equation.
まず、乾燥品の伝熱方程式は、次の式で表される。 First, the heat transfer equation of the dried product is expressed by the following equation.
C×dTm/dt=Qh+Qr−Qm×ΔHs
但し、この式において、Cは被乾燥材料Sの熱容量、Tmは平均品温、Qhは気体伝導による棚板4から容器底部への入熱量、Qrは乾燥庫壁から全容器への輻射入熱量、Qmは脱湿速度、ΔHsは蒸発潜熱である。
C × dTm / dt = Qh + Qr−Qm × ΔHs
In this equation, C is the heat capacity of the material to be dried S, Tm is the average product temperature, Qh is the heat input from the
まず、気体伝導による棚段から容器底部への入熱量Qhは、次の式で計算される。 First, the amount of heat input Qh from the shelf due to gas conduction to the bottom of the container is calculated by the following equation.
Qh=Ae×K×(Th−Tm)
但し、Aeは有効伝熱面積(m2)、Kは気体伝導による棚板4から容器底部への熱伝達係数、Thは棚温(℃)、Tbは底部品温(℃)である。
Qh = Ae × K × (Th−Tm)
However, Ae is an effective heat transfer area (m 2 ), K is a heat transfer coefficient from the
有効伝熱面積Aeは、Ae=2/(1/Av+1/At)で算出でき、
気体伝導による棚板4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。
The effective heat transfer area Ae can be calculated by Ae = 2 / (1 / Av + 1 / At),
The heat transfer coefficient K (W / m 2 ° C) from the
K = 16.86 / (δ + 2.12 × 29 × 0.133 / Pdc).
有効伝熱面積Aeの計算式において、Avは容器底部面積(m2)であり、Atはトレイ枠面積(m2)である。 In the formula for calculating the effective heat transfer area Ae, Av is the container bottom area (m 2 ), and At is the tray frame area (m 2 ).
容器底部面積Avは、Av=π/4×n1×d2(但し、n1はバイアル本数、dはバイアル直径)で算出でき、トレイ枠面積Atは、At=n2×W×L(但し、n2は枠枚数;Wは枠の幅寸法、Lは枠の長さ寸法)で算出できる。 The container bottom area Av can be calculated by Av = π / 4 × n1 × d 2 (where n1 is the number of vials and d is the vial diameter), and the tray frame area At is At = n2 × W × L (where n2 Is the number of frames; W is the width of the frame, and L is the length of the frame).
また、気体伝導による棚板4から容器底部への熱伝達係数Kの計算式において、δは容器底部の隙間であり、単位はmmである。
Moreover, in the calculation formula of the heat transfer coefficient K from the
一方、乾燥庫壁1aから全容器5への輻射入熱量Qrは、次式から求められる。
On the other hand, the radiant heat input Qr from the drying
Qr=5.67×ε×Ae×[(Tw/100)4−(Tm/100)4 ]
但し、式中のεは輻射係数、Twは乾燥庫壁温度(K)、Tmは平均品温(K)である。
Qr = 5.67 × ε × Ae × [(Tw / 100) 4 − (Tm / 100) 4 ]
In the equation, ε is a radiation coefficient, Tw is a drying cabinet wall temperature (K), and Tm is an average product temperature (K).
また、この乾燥庫壁1aから全容器5への輻射入熱量Qrは、次式で近似的に計算できる。
Moreover, the amount of radiation heat input Qr from the drying
Qr=Ae×Kr×(Tw−Tm)
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。
Qr = Ae × Kr × (Tw−Tm)
However, Kr are equivalent heat transfer coefficient due to radiation heat input, Kr = 0.7W / m 2 ℃ in tester can be approximated as Kr = 0.2W / m 2 ℃ production machine.
入熱量の計算式を伝熱方程式に入れると、下式が成り立つ。 When the formula for calculating the heat input is included in the heat transfer equation, the following formula is established.
C×dTm/dt
=Ae×K×(Th−Tm)+Ae×Kr×(Tw−Tm)−Qm×ΔHs
但し、ΔHsは蒸発潜熱であり、ΔHs=2850KJ/Kgである。
C x dTm / dt
= Ae * K * (Th-Tm) + Ae * Kr * (Tw-Tm) -Qm * [Delta] Hs
However, ΔHs is latent heat of vaporization, and ΔHs = 2850 KJ / Kg.
二次乾燥期に被乾燥材料Sの平均品温は以下の式で計算できる。 The average product temperature of the material to be dried S in the secondary drying period can be calculated by the following equation.
C×(Tm−Tm0)/Δt
=Ae×K×(Th−Tm)+Ae×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Sの熱容量である。
C × (Tm−Tm0) / Δt
= Ae * K * (Th-Tm) + Ae * Kr * (Tw-Tm) -Qm * [Delta] Hs
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
However, C is the heat capacity of the material S to be dried.
したがって、以上の計算式から、二次乾燥期に脱湿速度Qmを測定すれば、被乾燥材料Sの全体の平均品温Tmを算出することができる。 Therefore, the average product temperature Tm of the entire material to be dried S can be calculated by measuring the dehumidification rate Qm in the secondary drying period from the above formula.
<二次乾燥工程における被乾燥材料Sの熱容量Cの算出方法>
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Sの不凍水が脱湿し、品温も上昇する。なお、被乾燥材料S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。
<Calculation method of heat capacity C of material to be dried S in secondary drying step>
When entering the secondary drying step, the shelf temperature is raised to the set temperature for secondary drying. Thereby, the antifreeze water of the material S to be dried is dehumidified, and the product temperature is also increased. The heat capacity C of the material to be dried S includes the heat capacity Ct of the tray, the heat capacity Cv of the vial and the rubber stopper, the heat capacity Cs of the medicine, and the heat capacity Cw of the antifreeze water.
(1)トレイの熱容量Ctは、Ct=csus×Wtで計算される。csusはステンレスの比熱である。Wtはトレイ重量であり、引き抜きトレイと底付きトレイの合計値となる。 (1) The heat capacity Ct of the tray is calculated by Ct = csus × Wt. csus is the specific heat of stainless steel. Wt is the tray weight, and is the total value of the extraction tray and the bottomed tray.
(2)バイアルとゴム栓の熱容量Cvは、Cv=cv×Wv+cc×Wcで計算される。cvはバイアルの比熱、Wvはバイアルの重量、ccはゴム栓の比熱、Wvはゴム栓の重量である。 (2) The heat capacity Cv of the vial and the rubber stopper is calculated by Cv = cv × Wv + cc × Wc. cv is the specific heat of the vial, Wv is the weight of the vial, cc is the specific heat of the rubber stopper, and Wv is the weight of the rubber stopper.
(3)薬分の熱容量Csは、Cs=cs×Wsで計算される。csは薬分の比熱、Wsは薬分の重量である。 (3) The heat capacity Cs of the medicinal component is calculated by Cs = cs × Ws. cs is the specific heat of the drug, and Ws is the weight of the drug.
(4)不凍水の熱容量Cwは、Cw=cw×Wwで計算される。cwは不凍水の比熱、Wwは不凍水の重量である。 (4) The heat capacity Cw of the antifreeze water is calculated by Cw = cw × Ww. cw is the specific heat of the antifreeze water, and Ww is the weight of the antifreeze water.
(5)したがって、被乾燥材料Sの熱容量は、C=Ct+Cv+Cs+Cwとなる。 (5) Therefore, the heat capacity of the material to be dried S is C = Ct + Cv + Cs + Cw.
<二次乾燥工程の制御フローチャート及び熱媒体・冷媒及び空気流れ>
第1実施形態における二次乾燥工程の算出処理は以上のとおりであり、この二次乾燥工程を図14の制御フローチャート、図15の熱媒体・冷媒及び空気流れを参照して以下に説明する。
<Secondary drying process control flowchart and heat medium / refrigerant / air flow>
The calculation process of the secondary drying process in the first embodiment is as described above, and this secondary drying process will be described below with reference to the control flowchart of FIG. 14 and the heat medium / refrigerant and air flow of FIG.
一次乾燥工程が終了し二次乾燥工程に移行したときは、乾燥庫1内の真空度を成り行きにまかせて変化させる。ここで、熱媒体及び冷媒の流れは、図15に示すように流れる。即ち、冷却装置10においては一次乾燥工程と同様に流れる一方、熱媒体循環管路9では実線矢印に示すように、熱媒体を棚板4の出口→第2熱媒体弁11b→第1循環ポンプ12a→加熱器(運転駆動)→棚板4の入口と順次循環する乾燥庫1のサイクルと、第2循環ポンプ12b→トラップコイル3a→第2循環ポンプ12bと順次循環するコールドトラップ3のサイクルで循環される。これにより、棚板4が加熱され、被乾燥材料Sから昇華した水蒸気が、乾燥庫1から主管2を通じてコールドトラップ3内に流れ、一次乾燥工程では被乾燥材料Sから除去できなかった微量の不凍水が除去される。
When the primary drying process ends and the process proceeds to the secondary drying process, the degree of vacuum in the drying
このような二次乾燥工程で平均底部品温及び脱湿速度の算出処理が実施されるが、この算出処理が二次乾燥工程に移行してから初めて(第1回目)であるか否かを判定し(S41)、第1回目であるときは真空計6により乾燥庫1内の真空度を測定すると共に、第1及び第2温度センサ15a,15bで棚板4の入口温度Th1と出口温度Th2を測定し(S42)、一方、算出処理が第2回目以降であるときは前回の算出処理から30分経過しているか否かを判定し(S43)、前回算出処理から30分を経過しているときは、同じくステップS42に移行し、真空度及び温度を測定する。しかる後、前述したように、真空度、測定温度の温度差及び関係式等により平均底部品温及び脱湿速度が算出される(S44)。算出されたデータは記録計16bに記録される(S45)。このような算出処理が二次乾燥工程が終了するまで継続される(S46)。
In such a secondary drying process, the calculation process of the average bottom part temperature and the dehumidification rate is carried out. Whether or not this calculation process is the first (first time) after shifting to the secondary drying process. If it is determined (S41) and it is the first time, the degree of vacuum in the drying
以上の二次乾燥工程の制御フローチャートにおいて、平均底部品温及び脱湿速度の算出は所定時間間隔(30分)毎に行われている。 In the control flowchart of the secondary drying process described above, the average bottom part temperature and the dehumidification rate are calculated every predetermined time interval (30 minutes).
図16は二次乾燥工程の算出処理の他の例を示す制御フローチャートである。なお、図15の前記制御処理と同一ステップについては同一符号を付し、その説明を省略する。 FIG. 16 is a control flowchart showing another example of the calculation process of the secondary drying process. The same steps as those in the control process of FIG. 15 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
本算出処理と前記図15の算出処理との異なるところは、本算出処理において、ステップS41に移行する条件として乾燥庫1の真空度が制御値に維持されていることが条件となっている(S51)。即ち、二次乾燥工程が安定的に実施されるときに、平均底部品温及び脱湿速度を算出するようにしている。
The difference between this calculation process and the calculation process of FIG. 15 is that the vacuum degree of the drying
図17は二次乾燥工程の算出処理の更に他の例を示す制御フローチャートである。なお、図15の前記制御処理と同一ステップについては同一符号を付し、その説明を省略する。 FIG. 17 is a control flowchart showing still another example of the calculation process of the secondary drying process. The same steps as those in the control process of FIG. 15 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
本算出処理と前記図15の算出処理との異なるところは、本算出処理において、ステップS41に移行する条件として開度調節器2bを全開にすることを条件としている(S61)。
The difference between the main calculation process and the calculation process of FIG. 15 is that the
[第2実施形態]
図18は第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を示すものである。
[Second Embodiment]
FIG. 18 shows a dry state monitoring apparatus and a dry state monitoring method according to the second embodiment.
第2実施形態において前記第1実施形態と異なるところ次の点のみである。即ち、乾燥庫1内の真空度を調節する真空度調節手段として第1実施形態ではダンパ方式の開度調節器2bを用いているが、第2実施形態においてはこれに代えて乾燥庫1に接続した真空制御管路20を用いている。なお、第2実施形態において第1実施形態と同一の部分は同一符号を用いてその説明を省略する。
The second embodiment differs from the first embodiment only in the following points. That is, in the first embodiment, the damper type
真空制御管路20は、リーク制御弁21と可変リーク弁22を乾燥庫1から外部に向かって直列に接続した管路である。乾燥庫1内の真空度が設定値の上限値となってたときはリーク制御弁21の開度が大きくなり、逆に乾燥庫1内の真空度が下限値となったときはリーク制御弁21の開度が小さくなる。
The
以上のように、真空制御管路20は前記開度調節器2bと機能的に異なるところがないので、第2実施形態においても前記第1実施形態と同様の結果を得ることができる。即ち、予備凍結工程における平均品温、一次乾燥期における平均品温と平均昇華面温度、二次乾燥期における平均品温及び平均脱湿速度を計算により的確に求めることができることは言うまでもない。
As described above, since the
なお、第2実施形態では真空制御管路20を乾燥庫1に接続しているが、真空系統に接続するものであれば、主管2に設けても良いし、或いは、コールドトラップ3に接続するようにしても良い。
In the second embodiment, the
W1…凍結乾燥機、1…乾燥庫、2…主管、2a…主弁、2b…開度調節器、3…コールドトラップ、4…棚板、5…容器、6…真空計、7…引口弁、8…真空ポンプ、9…熱媒体循環管路、10…冷却装置、11a,11b…第1及び第2熱媒体弁、13…加熱器、15a,15b…第1及び第2温度センサ、20…真空制御管路、S…被乾燥材料。 W1 ... freeze dryer, 1 ... drying cabinet, 2 ... main pipe, 2a ... main valve, 2b ... opening controller, 3 ... cold trap, 4 ... shelf board, 5 ... container, 6 ... vacuum gauge, 7 ... inlet Valves, 8 ... Vacuum pump, 9 ... Heat medium circulation line, 10 ... Cooling device, 11a, 11b ... First and second heat medium valves, 13 ... Heater, 15a, 15b ... First and second temperature sensors, 20 ... Vacuum control line, S ... Material to be dried.
Claims (17)
前記乾燥庫内の被乾燥材料を凍結する予備凍結工程と、該予備凍結工程に続いて被乾燥材料から発生した水蒸気を凝結捕集する一次乾燥工程と、前記一次乾燥工程に続いて被乾燥材料中に含まれる微量の不凍水を除去する二次乾燥工程を順次行い被乾燥材料の凍結乾燥を行う凍結乾燥機に適用される凍結乾燥状態監視方法であって、
前記制御手段は、前記各温度センサの検出データ並びに前記予備凍結工程における被乾燥材料の平均品温を算出する所要の計算プログラム及び所要の関係式を記憶し、また、前記一次乾燥工程における被乾燥材料の平均品温、平均昇華温度及び平均昇華速度を算出する所要の計算プログラム及び所要の関係式を記憶し、更に、前記二次乾燥工程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所要の計算プログラム及び所要の関係式を記憶し、
前記予備凍結工程では、第1温度センサの検出温度と第2温度センサの検出温度との温度差を計算プログラムにより算出し、続いて、算出された温度差と関係式から予備凍結工程における被乾燥材料の平均品温を算出し、
前記一次乾燥工程では、第1温度センサの検出温度と第2温度センサの検出温度との温度差を計算プログラムにより算出し、続いて、算出された温度差と関係式から一次乾燥工程における被乾燥材料の平均品温、平均昇華温度及び平均昇華速度を算出し、
前記二次乾燥工程では、第1温度センサの検出温度と第2温度センサの検出温度との温度差を計算プログラムにより算出し、続いて、算出された温度差及び前記乾燥庫内の真空度並びに前記関係式から二次乾燥工程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
ことを特徴とする凍結乾燥状態監視方法。 A drying chamber for charging the material to be dried placed on the shelf, a main pipe communicating with the drying chamber and having a main valve for passing water vapor generated from the material to be dried, and steam flowing into the main pipe from the main pipe. A cold trap for condensing and collecting; a vacuum pump for sucking and discharging the air in the drying cabinet; a vacuum detection means for detecting the pressure in the drying cabinet; and the drying cabinet based on the detected pressure of the vacuum detection means A degree-of-vacuum adjustment means for adjusting the degree of vacuum inside, a heat medium circulation pipe having a circulation pump for circulating a heat medium on the shelf, a cooling means for cooling the heat medium in the heat medium circulation pipe, first temperature detecting a heater for heating the heat medium of the heat medium circulation conduit, and a heat medium valve for controlling the circulation of the heat medium of the heat medium circulation line, the inlet side of the heat medium temperature of the shelves Detect the temperature of the heat medium on the outlet side of the sensor and the shelf And second temperature sensor, sensing the pressure of said vacuum sensing means, based on the detected temperature of the first temperature sensor and the second temperature sensor, a vacuum pump, circulation pump, the cooling means, and control means for controlling the heater and the heat medium valve Prepared,
A preliminary freezing step for freezing the material to be dried in the drying chamber, a primary drying step for condensing and collecting water vapor generated from the material to be dried following the preliminary freezing step, and a material to be dried following the primary drying step. A lyophilization state monitoring method applied to a lyophilizer for performing lyophilization of a material to be dried by sequentially performing a secondary drying process for removing a small amount of antifreeze contained therein,
The control means stores the detection data of each temperature sensor, a required calculation program for calculating an average product temperature of the material to be dried in the preliminary freezing step, and a necessary relational expression, and also the material to be dried in the primary drying step. A required calculation program for calculating the average product temperature, average sublimation temperature and average sublimation rate of the material and a required relational expression are stored, and further, the average product temperature and average dehumidification rate of the material to be dried in the secondary drying step are stored. Store the required calculation program to calculate and the required relational expression,
In the preliminary freezing step, a temperature difference between the detected temperature of the first temperature sensor and the detected temperature of the second temperature sensor is calculated by a calculation program, and subsequently, the drying target in the preliminary freezing step is calculated from the calculated temperature difference and the relational expression. Calculate the average product temperature of the material,
In the primary drying step, a temperature difference between the temperature detected by the first temperature sensor and the temperature detected by the second temperature sensor is calculated by a calculation program, and then the object to be dried in the primary drying step is calculated from the calculated temperature difference and the relational expression. Calculate the average product temperature, average sublimation temperature and average sublimation speed of the material,
In the secondary drying step, a temperature difference between the detected temperature of the first temperature sensor and the detected temperature of the second temperature sensor is calculated by a calculation program, and subsequently, the calculated temperature difference and the degree of vacuum in the drying chamber, The freeze-dried state monitoring method, wherein the average product temperature and average dehumidification rate of the material to be dried in the secondary drying step are calculated from the relational expression.
ことを特徴とする請求項1記載の凍結乾燥状態監視方法。 As the relational expression, the control means once cools an unloaded shelf board with no material to be dried and then heats it with a heater, then fully opens the main valve and stops the heater to close the heat medium valve. 2. The freeze-dried state monitoring method according to claim 1, wherein a relational expression of a shelf temperature rise rate when the temperature is set, a temperature difference between the heat medium entering and exiting the shelf board, and the shelf temperature is stored.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の凍結乾燥状態監視方法。 In the primary drying step, the vacuum degree in the drying chamber is controlled to a set value by the vacuum degree adjusting means, and the shelf temperature is controlled to the set value by opening and closing the heater and the heat medium valve, and then for a short time. The freeze-dried state according to claim 1 or 2, wherein the heating medium valve is closed and the heater is stopped, and then the calculation process of the primary drying step is performed at predetermined time intervals. Monitoring method.
前記開度調節器を全開方向に操作を開始した後、前記二次乾燥工程の算出処理を所定時間間隔毎に実施する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項記載の凍結乾燥状態監視方法。 As the vacuum degree adjusting means, using an opening controller for adjusting the opening in the main pipe,
4. The calculation process of the secondary drying step is performed at predetermined time intervals after the opening controller is started to operate in the fully open direction. 5. Lyophilized state monitoring method.
前記制御手段は、前記開度調節器を駆動制御して前記乾燥庫内の真空度を設定値に制御した後に前記二次乾燥工程の算出処理を所定時間間隔毎に実施する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項記載の凍結乾燥状態監視方法。 As the vacuum degree adjusting means, using an opening controller for adjusting the opening in the main pipe,
The control means drives the opening controller to control the degree of vacuum in the drying chamber to a set value, and then performs the calculation process of the secondary drying step at predetermined time intervals. The freeze-dried state monitoring method according to any one of claims 1 to 3.
前記制御手段は、前記リーク制御弁を閉操作した後に、前記二次乾燥工程の算出処理を所定時間間隔毎に実施する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項記載の凍結乾燥状態監視方法。 As the vacuum degree adjusting means, a vacuum control line provided with any one of the vacuum system including the drying cabinet, the cold trap or the main pipe, and having a leak control valve,
The said control means implements the calculation process of the said secondary drying process for every predetermined time interval, after closing the said leak control valve. The Claim 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned. Lyophilized state monitoring method.
前記制御手段は、前記リーク制御弁を駆動制御して前記乾燥庫内の真空度を設定値に制御した後に前記二次乾燥工程の算出処理を所定時間間隔毎に実施する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項記載の凍結乾燥状態監視方法。 As the vacuum degree adjusting means, a vacuum control line provided with any one of the vacuum system including the drying cabinet, the cold trap or the main pipe, and having a leak control valve,
The control means performs the calculation process of the secondary drying step at predetermined time intervals after driving the leak control valve to control the degree of vacuum in the drying chamber to a set value. The freeze-dried state monitoring method according to any one of claims 1 to 3.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れか一項記載の凍結乾燥状態監視方法。 The freeze-dried state monitoring method according to any one of claims 1 to 7, wherein data calculated in the preliminary freezing step, the primary drying step, and the secondary drying step is recorded in a recording unit. .
前記乾燥庫内の被乾燥材料を凍結する予備凍結工程と、該予備凍結工程に続いて被乾燥材料から発生した水蒸気を凝結捕集する一次乾燥工程と、前記一次乾燥工程に続いて被乾燥材料中に含まれる微量の不凍水を除去する二次乾燥工程を順次行い被乾燥材料の凍結乾燥を行う凍結乾燥機に適用される凍結乾燥状態監視装置であって、
前記制御手段は、前記各温度センサの検出データ並びに前記予備凍結工程における被乾燥材料の平均品温を算出する所要の計算プログラム及び所要の関係式を記憶し、また、前記一次乾燥工程における被乾燥材料の平均品温、平均昇華温度及び平均昇華速度を算出する所要の計算プログラム及び所要の関係式を記憶し、更に、前記二次乾燥工程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所要の計算プログラム及び所要の関係式を記憶すると共に、
前記制御手段は、
前記予備凍結工程では、第1温度センサの検出温度と第2温度センサの検出温度との温度差を計算プログラムにより算出し、続いて、算出された温度差と関係式から予備凍結工程における被乾燥材料の平均品温を算出する算出手段と、
前記一次乾燥工程では、第1温度センサの検出温度と第2温度センサの検出温度との温度差を計算プログラムにより算出し、続いて、算出された温度差と関係式から一次乾燥工程における被乾燥材料の平均品温、平均昇華温度及び平均昇華速度を算出する算出手段と、
前記二次乾燥工程では、第1温度センサの検出温度と第2温度センサの検出温度との温度差を計算プログラムにより算出し、続いて、算出された温度差及び前記乾燥庫内の真空度並びに前記関係式から二次乾燥工程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算出手段とを有する
ことを特徴とする凍結乾燥状態監視装置。 A drying chamber for charging the material to be dried placed on the shelf, a main pipe communicating with the drying chamber and having a main valve for passing water vapor generated from the material to be dried, and steam flowing into the main pipe from the main pipe. A cold trap for condensing and collecting; a vacuum pump for sucking and discharging the air in the drying cabinet; a vacuum detection means for detecting the pressure in the drying cabinet; and the drying cabinet based on the detected pressure of the vacuum detection means A degree-of-vacuum adjustment means for adjusting the degree of vacuum inside, a heat medium circulation pipe having a circulation pump for circulating a heat medium on the shelf, a cooling means for cooling the heat medium in the heat medium circulation pipe, first temperature detecting a heater for heating the heat medium of the heat medium circulation conduit, and a heat medium valve for controlling the circulation of the heat medium of the heat medium circulation line, the inlet side of the heat medium temperature of the shelves Detect the temperature of the heat medium on the outlet side of the sensor and the shelf And second temperature sensor, sensing the pressure of said vacuum sensing means, based on the detected temperature of the first temperature sensor and the second temperature sensor, a vacuum pump, circulation pump, the cooling means, and control means for controlling the heater and the heat medium valve Prepared,
A preliminary freezing step for freezing the material to be dried in the drying chamber, a primary drying step for condensing and collecting water vapor generated from the material to be dried following the preliminary freezing step, and a material to be dried following the primary drying step. A lyophilization state monitoring device applied to a lyophilizer for performing lyophilization of a material to be dried by sequentially performing a secondary drying process for removing a trace amount of antifreeze contained therein,
The control means stores the detection data of each temperature sensor, a required calculation program for calculating an average product temperature of the material to be dried in the preliminary freezing step, and a necessary relational expression, and also the material to be dried in the primary drying step. A required calculation program for calculating the average product temperature, average sublimation temperature and average sublimation rate of the material and a required relational expression are stored, and further, the average product temperature and average dehumidification rate of the material to be dried in the secondary drying step are stored. Stores the required calculation program to calculate and the required relational expression,
The control means includes
In the preliminary freezing step, a temperature difference between the detected temperature of the first temperature sensor and the detected temperature of the second temperature sensor is calculated by a calculation program, and subsequently, the drying target in the preliminary freezing step is calculated from the calculated temperature difference and the relational expression. A calculation means for calculating an average product temperature of the material;
In the primary drying step, a temperature difference between the temperature detected by the first temperature sensor and the temperature detected by the second temperature sensor is calculated by a calculation program, and then the object to be dried in the primary drying step is calculated from the calculated temperature difference and the relational expression. A calculation means for calculating the average product temperature, average sublimation temperature and average sublimation speed of the material;
In the secondary drying step, a temperature difference between the detected temperature of the first temperature sensor and the detected temperature of the second temperature sensor is calculated by a calculation program, and subsequently, the calculated temperature difference and the degree of vacuum in the drying chamber, A freeze-drying state monitoring apparatus, comprising: a calculating unit that calculates an average product temperature and an average dehumidification rate of the material to be dried in the secondary drying step from the relational expression.
ことを特徴とする請求項9記載の凍結乾燥状態監視装置。 As the relational expression, the control means once cools an unloaded shelf board with no material to be dried and then heats it with a heater, then fully opens the main valve and stops the heater to close the heat medium valve. The freeze-dried state monitoring apparatus according to claim 9, wherein a relational expression of a shelf temperature rise speed when the temperature is changed, a temperature difference between the heat medium entering and exiting the shelf board, and the shelf temperature is stored.
ことを特徴とする請求項9又は請求項10記載の凍結乾燥状態監視装置。 The control means, in the primary drying step, after controlling the degree of vacuum in the drying chamber to a set value by the degree of vacuum adjustment means and controlling the shelf temperature to a set value by opening and closing the heater and the heat medium valve, The heat-processing valve is closed for a short time, the heater is stopped, and thereafter, calculation processing means for performing the calculation processing of the primary drying step at predetermined time intervals is provided. The freeze-dried state monitoring apparatus according to claim 9 or claim 10.
前記主弁を全開方向に移動を開始した後、前記二次乾燥工程の算出処理を所定時間間隔毎に実施する算出処理手段を有する
ことを特徴とする請求項9乃至請求項11の何れか一項記載の凍結乾燥状態監視装置。 As the vacuum degree adjusting means, using an opening controller for adjusting the opening in the main pipe,
The calculation processing means for performing the calculation process of the secondary drying step at predetermined time intervals after starting the movement of the main valve in the fully open direction. The freeze-dried state monitoring device according to item.
前記制御手段は、前記開度調節器を駆動制御して前記乾燥庫内の真空度を設定値に制御した後に前記二次乾燥工程の算出処理を所定時間間隔毎に実施する算出処理手段を有する
ことを特徴とする請求項9乃至請求項11の何れか一項記載の凍結乾燥状態監視装置。 As the vacuum degree adjusting means, using an opening controller for adjusting the opening in the main pipe,
The control means includes calculation processing means for performing the calculation process of the secondary drying step at predetermined time intervals after controlling the degree of vacuum in the drying chamber to a set value by drivingly controlling the opening degree controller. The freeze-dried state monitoring device according to any one of claims 9 to 11, wherein
前記制御手段は、前記リーク制御弁を閉操作した後に、前記二次乾燥工程の算出処理を所定時間間隔毎に実施する算出処理手段を有する
ことを特徴とする請求項9乃至請求項11の何れか一項記載の凍結乾燥状態監視装置。 As the vacuum degree adjusting means, a vacuum control line provided with any one of the vacuum system including the drying cabinet, the cold trap or the main pipe, and having a leak control valve,
The control means includes calculation processing means for performing calculation processing of the secondary drying step at predetermined time intervals after closing the leak control valve. The freeze-dried state monitoring device according to claim 1.
前記制御手段は、前記リーク制御弁を駆動制御して前記乾燥庫内の真空度を設定値に制御した後に前記二次乾燥工程の算出処理を所定時間間隔毎に実施する算出処理手段を有する
ことを特徴とする請求項9乃至請求項11の何れか一項記載の凍結乾燥状態監視装置。 As the vacuum degree adjusting means, a vacuum control line provided with any one of the vacuum system including the drying cabinet, the cold trap or the main pipe, and having a leak control valve,
The control means includes calculation processing means for performing the calculation process of the secondary drying process at predetermined time intervals after controlling the degree of vacuum in the drying chamber to a set value by drivingly controlling the leak control valve. The freeze-dried state monitoring device according to any one of claims 9 to 11, characterized in that:
ことを特徴とする請求項9乃至請求項15の何れか一項記載の凍結乾燥状態監視装置。 The freeze-dried state monitoring according to any one of claims 9 to 15, further comprising recording means for recording data calculated in the preliminary freezing step, the primary drying step, and the secondary drying step. apparatus.
ことを特徴とする請求項9乃至請求項16の何れか一項記載の凍結乾燥状態監視装置。 The freeze-dried state monitoring device according to any one of claims 9 to 16, wherein the first temperature sensor and the second temperature sensor are installed outside a drying cabinet.
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