凍干過程中的溫度測量

概要

產(chǎn)品溫度，一直是凍干過程中用戶非常關(guān)注的參數(shù)。但是測量得到的結(jié)果又總是差強人意。本文將詳細(xì)講解凍干一次干燥過程中，造成測量結(jié)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(chǎn)品的不同狀態(tài) （過冷、退火、對于曲線的響應(yīng)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(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)；

·       探頭的線會影響壓蓋的位置；

·       探頭需要定期進行校準(zhǔn)和維護；

·       測量結(jié)果只代表，放置了探頭的西林瓶的數(shù)據(jù)；

·       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(shè)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(shù)值；

·       探頭的線會縮短升華路徑；

·       探頭和探頭的線的重量會導(dǎo)致小瓶傾斜；

·       放入探頭會導(dǎo)致產(chǎn)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(shù)值；

·       不同批次傳感器應(yīng)該放在相似的位置，以獲得不同批次的相似數(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(dāng)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(jié)合而成的傳感器，它產(chǎn)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(shù)。

·       熱電偶溫度探頭在西林瓶中的位置

·       在凍干過程的產(chǎn)品溫度測量中，熱電偶溫度探頭和PT100溫度探頭檢測到的數(shù)據(jù)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(dǎo)線末端的溫度。給出的數(shù)據(jù)根據(jù)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(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，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(zhǔn)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(chǎn)品出現(xiàn)塌陷。我們也可以根據(jù)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(shè)置是否合理。

5.   探頭放置的位置

根據(jù)產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)品溫度不能超過其關(guān)鍵溫度（共晶點溫度、塌陷溫度）。如果超過，則產(chǎn)品會出現(xiàn)塌陷。

完整的表述應(yīng)該是：產(chǎn)品升華界面溫度不能夠超過其關(guān)鍵溫度（共晶點溫度、塌陷溫度）。如果產(chǎn)品升華界面溫度超過關(guān)鍵溫度，則產(chǎn)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(shù)是用間接的方式，關(guān)閉中隔閥，產(chǎn)生一個靜態(tài)壓力升，從而推算出產(chǎn)品的升華界面溫度。

Lyometrics是一種非侵入性監(jiān)測技術(shù)，被提出作為經(jīng)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(chǎn)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(shù)，可以應(yīng)用在：

·       實驗室的新產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用：

                   -配方優(yōu)化；

                   -工藝放大

·       工業(yè)應(yīng)用：

提供產(chǎn)品溫度信息；

-無探頭侵入的產(chǎn)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(shù)據(jù)，無法提供整批樣品的溫度數(shù)據(jù)；

-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(shù)據(jù)替代傳統(tǒng)方法只提供幾瓶樣品數(shù)據(jù)。

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