外置式真空冷冻干燥样品阀漏气解决方法的研究

邹美芬，徐希杰，徐 栋，钦晓峰

（国家卫生健康委员会核医学重点实验室 江苏省分子核医学重点实验室 江苏省原子医学研究所，江苏无锡 214063）

0 引言

真空冷冻干燥技术起源于19 世纪20 年代，由于真空和制冷技术问题等限制，到20 世纪才用于生物样品的冻干[1]。近些年来，真空冷冻干燥技术飞速发展，为药品生产、食品科学、保健品、生物制品等科学研究提供了强大的保障[2-7]。真空冷冻干燥技术是将含有水分的样品预先冻结，然后在一定的真空条件下，经过升华过程使样品中水分去除的一种方法[8]。美国Labconco FreeZoneⓇ6L 外置式真空冷冻干燥机是指在真空状态下，将冷冻样品中的水分等溶剂通过升华的方式，从冻固态直接转换成气态，不经过液态，经冷阱收集器冷凝液体排出，最后留在样品瓶的是完整的浓缩干燥样品，使样品干燥的一种方式。经冷冻干燥的样品，它的生物、化学结构和活性、物理特性基本不变，样品成分稳定，有利于样品长期保存[9-10]，被广泛用于生物制品样品、酶、医药、食品和微生物等方面的研究，特别是对于热不稳定样品的干燥不可或缺。

1 设备基本情况

江苏省原子医学研究所于2013 年购置了由美国Labconco公司生产的FreeZone 6LⓇ外置式真空冷冻干燥机。本单位主要利用该仪器冻干干燥样品，使用频率非常高，样品多数来自于化学合成药物过程中的水溶性中间产物，少部分是生物提取液，相比其他方法，真空冷冻干燥更能保持原有样品成分的完整性和稳定性[11-16]。在使用过程中存在着亟待解决的样品阀漏气故障现象，特别是在气温≤0 ℃的冬季，样品阀会在非损坏的状态下出现漏气故障现象。

2 设备构造原理

Labconco FreeZoneⓇ6L 外置式真空冷冻干燥机主要由冷冻干燥箱、真空系统、制冷系统及自动控制系统等几部分组成[17]。冷冻干燥箱是一个真空密闭容器（图1）,是真空冷冻干燥机的重要组成部件之一,是干燥样品过程中传热、传质的场所,它的气密性性能直接影响到冷冻干燥设备的性能。它的主要结构部件就是样品阀，箱体上可以连接12 个样品阀。样品阀包含箱壁接头、垫圈、垫片、箱壁螺母、阀体（氯丁橡胶）、旋转杆配件（图2），样品阀安装（图3），其中样品阀发生漏气的关键部位就是由氯丁橡胶材料合成的阀体，它一端直接连接样品瓶如图1。真空系统其中关键的一项性能指标就是必须保证一定的真空度，样品阀漏气会导致真空度不达标，影响真空系统。

图1 真空冷冻干燥箱

图2 样品阀配件

图3 样品阀安装

3 故障实例

3.1 故障现象

我单位的Labconco FreeZoneⓇ6L 外置式真空冷冻干燥机，每逢冬季假期仪器会关机一段时间，一般室外气温≤0 ℃（室内最高气温≤10 ℃），当再次重新开机使用仪器时即有部分样品阀出现漏气故障现象，真空度异常显示high（图4），真空度不达标，导致仪器无法正常运行，仪器正常运行状态下，真空度≤12.0 Pa（图5）。

图4 真空度异常（high）

图5 真空度正常（11 Pa）

3.2 故障分析

（1）仪器初次出现样品阀漏气故障，由公司维修工程师维修。使用市售6#橡胶塞替代样品阀阀体，轮流检测12 个样品阀的漏气情况，将疑似漏气样品阀拆下后，置于电热恒温干燥箱中40 ℃加热0.5～1 h取出，再次连接上仪器，检查样品阀漏气故障现象是否排除。如此重复数次，耗时近6 h 恢复了其中的11 个，1 个样品阀被判断为损坏。

（2）仪器第二次出现样品阀漏气故障，由本单位的维修工程师在公司维修工程师电话指导下进行，经过近8 h 仅仅修复了5 个样品阀，其余6个样品阀被判断为损坏。

（3）以上维修过程中，维修人员需要频繁拆、装样品阀，检测样品阀是否存在漏气故障，整个过程相当耗时和繁琐。仪器资料显示样品阀的材料是氯丁橡胶，理论上在－40～+120 ℃的安全使用范围内，不会出现不可逆的损毁，因而推论样品阀不会因为环境温度的影响而产生实质性损伤。考虑到本单位2 次故障都是由于冬季室内环境最高温度≤10 ℃，平均温度在6 ℃左右发生的，样品阀的漏气故障现象可能是氯丁橡胶材料在较低气温环境中膨胀性能降低而引起。同时联想到公司维修工程师利用电热恒温干燥箱对样品阀橡胶加热，存在短时间内快速加热样品阀，会使样品阀橡胶材料受热不均，样品阀不能均匀膨胀而无法修复，导致他们在维修过程中对样品阀状况产生误判。

（4）本次维修考虑利用空调加热室内环境温度达到20 ℃，使样品阀橡胶部分在这种环境温度下受热均匀膨胀，样品阀的密封性能恢复到完好程度，样品阀无需拆、装，使样品阀恢复正常使用状态。

3.3 故障排除

（1）Labconco FreeZoneⓇ6L 外置式真空冷冻干燥机处于关机状态，做好仪器必要的化冰、排水等清洁处理，盖好冷阱盖，塞紧排水口，首先加装1 个由维修工程师判断为存在漏气故障现象的样品阀，在可能松动部件涂抹少许起密封和润滑作用的摩可7501 高真空硅脂，余下的11 个样品阀接口用市售6#橡胶塞替代阀体（氯丁橡胶）部分，塞紧使其完全密闭（图6），关紧所有的阀门，所有仪器部件处于正常待机状态，干湿温度计监测室内温度的变化，测量房间的室内温度为9 ℃；开启空调制热，将空调控制设置28 ℃快速制热模式；每隔1～2 h 进行温度观察并记录，经过24 h 后测量室内温度为20 ℃。

图6 橡胶塞替代阀体

（2）在室内温度保持20 ℃的状态下，开启真空冷冻干燥机电源，启动“自动”模式。在20 min 后，仪器面板“COLLECTOR”温度指示绿灯亮，显示冷阱温度为－46 ℃；真空泵自动启动，经过5 min后，“VACUUM”真空指示绿灯亮，显示系统真空度为12.0 Pa，真空冷冻干燥机的真空度指标完全达到正常，其余各项性能指标也显示正常，仪器恢复正常工作，说明这个样品阀漏气故障现象解决，已恢复到正常使用状态。在此运行过程中，室内温度持续保持在22～25 ℃。

（3）按照上面步骤（1）（2），逐个对由维修工程师判断存在漏气故障的样品阀进行试验，直到过去更换过的样品阀全部试验完毕。检测结果是仅仅一个过去更换下来的样品阀没有恢复使用，其余样品阀都恢复正常使用。

4 讨论

（1）虽然众多资料中说明橡胶材料可以耐受宽范围内的极限温度（－100～+150 ℃），但橡胶材料应该有一段特别适宜的温度，在这样的温度下，它的性能达到最佳。因为低温橡胶材料的性能也许会处于一种“休眠”状态，而不是损坏或死亡，需要有一个唤醒过程，本研究相当于找到一个好的唤醒方法，延长样品阀使用寿命，同时也避免橡胶垃圾带来的环境污染。

（2）本单位冬季平均室外气温≤0 ℃，室内气温接近于或低于10 ℃，会出现外置式真空冷冻干燥样品阀漏气故障。而当环境温度过高对于真空冷冻干燥机的性能也有明显影响，尤其在夏季时，当室温≥28 ℃时，冷阱（Cold trap）温度和真空度都难以达到最佳状态，严重影响样品的干燥效率。

（3）建议制造商：①特别提醒用户仪器最佳的使用环境温度为12～25 ℃；②重新研制材料性能更佳的样品阀；③研究出能快速检测每个样品阀漏气故障的方法。

（4）本方法是一种无损的、物理的解决外置式真空冷冻干燥样品阀冬季漏气故障的有效手段。