凍干過程中的溫度測量

概要

產品溫度，一直是凍干過程中用戶非常關注的參數。但是測量得到的結果又總是差強人意。本文將詳細講解凍干一次干燥過程中，造成測量結果發(fā)生偏差的各種影響因素。

1.  為什么使用溫度探頭

·       是中式研發(fā)過程中（配方優(yōu)化）的基本要素；

·       有助于從中式到工業(yè)的工藝放大；

·       是凍干過程監(jiān)控的窗口；

·       可以體現(xiàn)一次干燥凍干終點；

·       可以體現(xiàn)不同批次產品的不同狀態(tài) （過冷、退火、對于曲線的響應等）

但是

探頭只在冷凍、一次干燥開始的階段以及二次干燥中，體現(xiàn)真實數據。

2.  使用溫度探頭的缺點

·       放置了探頭的西林瓶必須被拒絕；

·       如果放置錯誤，會給出錯誤的數據；

·       探頭的線會影響壓蓋的位置；

·       探頭需要定期進行校準和維護；

·       測量結果只代表，放置了探頭的西林瓶的數據；

·       放置了探頭的西林瓶，樣品干燥的更快；

·       不適用于帶自動進出料設備的凍干機。

在一次干燥過程中：

·       放置于層板中心的西林瓶和放置于層板邊緣的西林瓶，探頭會顯示不同數值；

·       探頭的線會縮短升華路徑；

·       探頭和探頭的線的重量會導致小瓶傾斜；

·       放入探頭會導致產品高度升高；

·       探頭是一個加熱源；

·       PT100溫度探頭測量到的是他整個長度的平均溫度數值；

·       不同批次傳感器應該放在相似的位置，以獲得不同批次的相似數值。

一次干燥中，西林瓶樣品中不同位置的溫度：

因為升華是一個吸熱的過程。升華速度越快，帶走的能量就越多。所以升華界面處，是西林瓶中溫度末位的區(qū)域。

3.   不同類型的產品溫度探頭

·       有線探頭：

                   PT100溫度探頭；

                   熱電偶溫度探頭。

·       無線探頭；

·       溫度采集器；

·       通過壓力測試的方法獲得產品的升華界面溫度。

PT 100溫度探頭

·       PT100溫度傳感器，在0℃時具有100歐姆，當溫度變化時，其電阻也會變化。

·       PT-100 溫度探頭在西林瓶中的位置

熱電偶溫度探頭

·       熱電偶是由兩種不同的金屬結合而成的傳感器，它產生一個電壓。此電壓是一個被稱為“熱點"、熱聯(lián)或測量點的一端與另一個“冷點"、冷聯(lián)或參考點之間的溫差的函數。

·       熱電偶溫度探頭在西林瓶中的位置

·       在凍干過程的產品溫度測量中，熱電偶溫度探頭和PT100溫度探頭檢測到的數據差異：

綜上所述：

·       PT100溫度探頭給出的是整個金屬區(qū)域的平均溫度：干燥相、冷凍相、空氣；

·       熱電偶溫度探頭給出的是導線末端的溫度。給出的數據根據末端的位置決定；

·       PT 100溫度探頭更加不容易損壞，推薦在工業(yè)凍干機上使用（耐受蒸汽滅菌）；

·       熱電偶溫度探頭更加容易放置，給出的數據更精準，推薦在中式工藝摸索型凍干機上使用；

·       熱電偶溫度探頭如果可以準確的放置在蛋糕靠近底部又不接觸瓶底的位置，則可以顯示一次干燥的凍干終點。

4.   層板上不同位置西林瓶的溫度差異

·       靠近板層邊緣位置的西林瓶，會接受到來自腔體壁和托盤壁的輻射熱量。這個輻射熱量在兩三層西林瓶之后，會減少；

·       位于板層中間位置的西林瓶溫度會低于板層邊緣位置的西林瓶，干燥速度也會更慢。這個位置的西林瓶比位于邊緣位置的西林瓶，更少的接收到來自腔體壁的熱輻射。

曲線：

過程照片：

可以看到，靠近邊緣的西林瓶，干燥速度更快；

同一排西林瓶不同位置的干燥速度：

同一瓶中，靠近邊緣位置干燥更快。

由此，如果一批樣品中，只有部分產品出現(xiàn)塌陷。我們也可以根據出現(xiàn)塌陷西林瓶的位置，來分析一次干燥過程的溫度、真空及時間設置是否合理。

5.   探頭放置的位置

根據產品溫度，尋找一次干燥終點的原理以及偏差原因，下圖可解釋：

為什么通常溫度探頭指示的一次干燥終點都偏早？

這個內容，留給大家思考。下次也可以單獨寫一篇了。

6.   升華界面溫度

一次干燥過程中，通常的說法是：產品溫度不能超過其關鍵溫度（共晶點溫度、塌陷溫度）。如果超過，則產品會出現(xiàn)塌陷。

完整的表述應該是：產品升華界面溫度不能夠超過其關鍵溫度（共晶點溫度、塌陷溫度）。如果產品升華界面溫度超過關鍵溫度，則產品會出現(xiàn)塌陷。

因為升華界面一直在移動，所以無法用物理探頭測量到這個溫度。目前比較前沿的技術是用間接的方式，關閉中隔閥，產生一個靜態(tài)壓力升，從而推算出產品的升華界面溫度。

Lyometrics是一種非侵入性監(jiān)測技術，被提出作為經典溫度傳感器的替代品，從而能夠在一次干燥期間測量界面溫度。

它如何工作？

Lyometrics 在工業(yè)凍干機上計算產品升華界面溫度（紫色曲線）不需要額外安裝物理探頭

此種非介入式獲取升華界面溫度的技術，可以應用在：

·       實驗室的新產品開發(fā)應用：

                   -配方優(yōu)化；

                   -工藝放大

·       工業(yè)應用：

提供產品溫度信息；

-無探頭侵入的產品溫度測量（特別對于自動上下料系統(tǒng)）：傳統(tǒng)的溫度探頭只提供單瓶樣品的溫度數據，無法提供整批樣品的溫度數據；

-消除了插入硬件的溫度探頭無法進行整批驗證的缺點；

-提供了整批樣品的溫度數據替代傳統(tǒng)方法只提供幾瓶樣品數據。

文章來源——凍干工藝之家公眾號  •  星德科 TELSTAR 凍干工藝實驗室