3．2． 壓力和真空度的控制模式
壓力控制是真空冷凍乾燥過程中的一個重要工藝過程，其控制精度嚴重影響產品的質量，壓力控制是否精準平穩，是考察冷凍乾燥硬體設備能力的重要指標之一。同時，因為一次乾燥時的壓力或真空度，直接影響產品升華界面溫度。因此精準平穩的控制壓力和真空度，對於一次乾燥過程至關重要。而這方面的探索和相關報導則非常少見，目前很多這方面的認知還都基於和參照溫度控制方式。
真空冷凍乾燥過程中的壓力控制，一般可以通過兩個途徑來實現，上遊控制模式和下遊控制模式，本文將會詳細講解兩種控制模式的原理以及優缺點，同時還介紹了融合這兩種模式優點的雙向控制模式。
3．2．1． 上遊控制模式
在上遊控制模式中，通過電動控制閥來控制流入腔室的氣體。上遊控制模式是維持真空系統本身上遊的壓力，在真空泵抽速一定的情況下，增加進氣流量以降低壓力，減少進氣流量以增加壓力。其主要特點如下：
（1）可提高真空系統中工藝的穩定性和速度。
（2）使用快速作用控制閥，將控制儀器放置在真空系統的上遊可提供更快的響應時間和更好的穩定性。上遊模式還消除了對附加閥的需求，減少了系統中潛在洩漏點的數量，減少了下遊設備的需求並降低了安裝成本。
（3）可方便的進行可以壓力變化斜率的控制，進氣可持續將升華氣體帶入到冷阱，對於散裝樣品的工藝有很大幫助。
（4）上遊控制模式的缺點是比較費氣，特別是進氣為一些較昂貴的高純度惰性氣體時尤為如此。
3．2．2． 下遊控制模式
下遊控制模式是一種對抽氣進行控制的模式，即通過真空泵和冷井之間的控制閥，控制調節這個閥門的開度來實現對真空泵的抽速進行控制從而實現壓力的控制。其主要特點如下：
（1）下遊模式作為目前常用的控制模式，通常在各種條件下都能很好地工作，最大特點是不會進入額外氣體，並且比較節省進氣量；
（2）但在下遊模式控制過程中，其有效性有時可能會受到「外部」因素的挑戰，如入口氣體流速的突然變化或腔體內部氣壓的突然改變。此外，某些流量和壓力的組合會迫使閥門在等於或超過其預期控制範圍的極限的位置上運行。在這種情況下，精確或可重複的壓力控制都是不可行的。或者，壓力控制可能是可行的，但不是以快速有效的方式，結果造成產品的產量和良率受到影響。
（3）在下遊模式中，會在更換氣體或等待腔室內氣體沉降時引起延遲。
（4）如果閥門是簡單的開關式閥門，則這種模式下的壓力不如上遊模式下的壓力那樣準確和穩定，而且很難實現壓力變化斜率控制。
3．2．3． 雙向控制模式
通過上述兩種控制模式的特點可以看出，兩種模式各有優缺點。目前在真空冷凍乾燥過程的壓力控制中常用的方法是以上遊控制模式為主控方法，即恆定真空泵抽速而控制進氣量。也有採用下遊控制模式的形式，即同時在真空系統的上遊設置幾個控制檔位來控制進氣流量，由此來最大限度發揮兩種模式的優點，但這種控制方式還無法實現全自動化。
隨著自動化控制技術的發展，目前已經開發出雙向自動控制技術。這種雙向控制模式可以最大限度發揮控制優勢，節省時間和成本，並提高了真空工藝的效率和質量。
3．3． 壓力和真空度的準確控制
在真空冷凍乾燥過程中，在指定的壓力和真空度區間內進行精確測量和控制至關重要。例如，如果過程設定值介於5．0～6．0mTorr之間，並且所需的壓力讀數精度為0．5mTorr，則所需的測量精度為讀數的10％，或者，對於100mTorr的電容壓力計，為滿量程的0．5％。如果選定的壓力計或真空計不能達到這一精度水平，則無法將真空過程控制在所需的過程區間內。
用作閉環壓力和真空度控制的壓力計或真空計輸入信號必須具有足夠的解析度，以辨別過程中非常小的壓力變化。同時，迴路中的壓力和真空度控制器和控制閥也必須具有必要的解析度，以便有效地利用這些數據來控制壓力的微小變化。很多用戶往往只重視了壓力或真空計的選擇和相應的技術指標，而忽視了控制器以及控制閥的解析度指標，這基本是造成控制精度達不到要求或波動度較大的主要原因。
對於目前常用的壓力計和真空計，其信號輸出一般為模擬量，大多為連續的直流電壓信號。為了將這些模擬信號直接以數位訊號輸出，或在控制過程中用控制器和數據記錄儀採集這些模擬信號，都需要根據要求對這些模擬信號有足夠高的採集精度，也就是說目標壓力信號的模擬／數字（A／D）轉換必須具有足夠的解析度，以將信號與壓力計的正常背景噪聲區分開來。例如，壓力計信號的12位模數轉換將區分壓力計滿量程模擬輸出0．02％的最小信號。對於1Torr全刻度壓力計，這意味著不能檢測到小於0．2mTorr的壓力或壓力變化。
另外，在真空冷凍乾燥過程中，壓力控制器的PID參數選擇非常有講究，這主要體現在腔室內空載和滿載產品時PID參數的嚴重不同。因此，大多數情況下要根據加載產品情況來選擇不同的PID參數，而且要選擇具有PID參數自整定功能的壓力控制，從而可以方便的根據不同加載情況探索出合理的PID控制參數。
3．4． 升壓測試
升壓測試（PRT）是一種已經使用了數十年的工藝流程，涉及在乾燥過程中通過關閉乾燥室和冷凝器之間的閥門，將乾燥室與冷凝器快速隔離。在初次乾燥過程中執行PRT時，會導致特徵性的壓力上升模式。最初，當閥門關閉時，壓力迅速升高，然後緩慢而幾乎呈線性地升高。在二次乾燥過程中，關閉隔離閥後，腔室壓力大致呈線性增加。有研究結果表明，初次乾燥過程中壓力上升曲線中的這個拐點可被視為升華表面上飽和壓力的指標，並建議使用該壓力拐點從蒸氣壓與純冰的溫度估算批料平均產品溫度。用這種方法還假設可以測量殘留水含量，並且改進後的PRT法可以以測量升華率。許多現代的商用凍幹機都配備了PRT選件。雖然PRT為過程監控提供了重要的機會，但它主要用於初級和次級乾燥步驟的終點確定。
升壓測試的改進，即壓力和溫度測量（MTM），可以通過將壓力升高數據擬合到一組方程式來計算初級乾燥過程中的產品溫度，這些方程式考慮了導致壓力升高的四種機理：
（1）在恆定溫度下將冰直接升華通過乾燥的產品層；
（2）由於平衡了整個冷凍層的溫度梯度，升華界面的溫度升高；
（3）冰溫升高由於在測量過程中對冷凍基質的持續加熱；
（4）腔室中的洩漏，在實踐中通常可以忽略不計。
通過分析可得出產品溫度、濾餅的傳質阻力和產品傳熱係數的合理估計。測壓溫度測量的局限性在於，它需要在腔室和冷凝器之間安裝一個閥門，該閥門與壓力上升測量的時間過程相比，循環時間非常快，通常不超過30s。大多數生產規模的冷凍乾燥機的隔離閥循環太慢，無法進行有意義的MTM測量。但是，對MTM的研究表明，在PRT／MTM過程中，腔室壓力的增加是負載、腔室尺寸、產品溫度和主要乾燥步驟進行的函數。例如，隨著批次大小的增加，腔室尺寸的減小以及初級乾燥過程中產品溫度的升高，壓力的增加將更大且更快。因此，建議考慮所有這些因素，以便在初級和次級乾燥步驟中建立有意義的PRT參數。
3．5． 壓力計的校準
為了校準電容壓力計，必須使用相應的量值傳遞標準，這是另一種電容壓力計。絕不能使用熱或機械壓力計來校準電容壓力計，因為電容壓力計要更精確。冷凍乾燥中使用的電容壓力計通常具有約0．25％的讀數準確度指標，而在相同量程範圍內，皮拉尼計或熱電偶表的準確度指標僅為5～25％。用作傳遞標準的電容壓力計通常具有讀數的0．05％的精度。共有三種基本的校準方法：原位（in situ）、現場（onsite）和異地（off－site）。在原位校準時，不能從冷凍乾燥機中取出被測單元，取而代之的是，將所使用的傳遞標準儘可能靠近被測單元（UUT）的埠連接到真空室，或者使用T形連接，其中傳遞標準可以靠近UUT進行連接。但是，校準的最佳方法是將真空系統抽取至電容壓力計的解析度以下，以將電容壓力計設置為零。不幸的是，冷凍乾燥機無法抽空到低於儀器解析度的壓力水平。通過現場校準，將UUT從冷凍乾燥機中取出，並連接到由高真空泵送系統，傳遞標準和壓力控制系統組成的校準系統。在進行異地校準時，可將傳感器從冷凍乾燥機中取出並發送到校準設備。以下準則適用於電容測力計校準：
（1）通電後，被測單元和傳遞標準必須至少運行4h，並且必須處於正常工作溫度下。
（2）必須通過將系統泵至UUT的解析度以下來將儀器歸零。建議的調零壓力比滿量程低四個量級。
（3）六個數據點通常被認為足以確保儀器在校準範圍內。推薦的校準點為滿量程讀數的10％、20％、40％、60％、80％和100％。
關於校準的頻率，最佳的作法是收集歷史數據。使用條件對於建立適當的校準間隔很重要。與在低壓下隔離相反，冷凍乾燥機上的大多數電容壓力計通常會暴露於大氣壓下，這將要求更頻繁的校準。同樣，重複的蒸汽滅菌將傾向於要求更頻繁的校準。根據有些機構的經驗，蒸汽滅菌設備的電容壓力計應每3個月進行一次校準。與大氣壓隔離的電容壓力計在兩次校準之間的間隔時間可能更長。
皮拉尼真空計通常使用氮氣進行校準，這解釋了為什麼初級乾燥期間的表觀壓力遠高於電容壓力計指示的壓力。校準方法通常與上面討論的相同，其中傳遞標準通常是電容壓力計。假設電容壓力計用於壓力控制，則皮拉尼壓力表的校準就不用電容壓力計校準沒有那麼嚴格。原因是，通過皮拉尼壓力計，我們關注表觀壓力的變化比對精確的絕對壓力測量和控制更感興趣。
4． 總結
（1）電容式壓力計是真空冷凍乾燥機中壓力測量和控制的首選儀器，但強烈建議使用溫度控制型的壓力計。
（2）強烈建議要選擇合適的壓力控制模式和壓力控制器，以確保在合理的採集和控制精度前提下適合方便的摸索出各種工況下的PID控制參數。
（3）最佳實踐是在腔室和冷凝器上同時安裝一個電容壓力計和一個皮拉尼壓力計。
（4）強烈建議使用比較壓力測量作為過程監控工具，以確定一次和二次乾燥的終點。
（5）特別提醒，反覆暴露於大氣壓和反覆進行蒸汽滅菌均會縮短電容壓力計校準之間的間隔。歷史記錄對於建立兩次校準之間更合適的時間間隔非常有用。原位校準不被視為最佳實踐。