冻干过程中的温度测量

概要

产品温度，一直是冻干过程中用户非常关注的参数。但是测量得到的结果又总是差强人意。本文将详细讲解冻干一次干燥过程中，造成测量结果发生偏差的各种影响因素。

一、为什么使用温度探头

 •  是中式研发过程中（配方优化）的基本要素

 •  有助于从中式到工业的工艺放大

 •  是冻干过程监控的窗口

 •  可以体现一次干燥冻干终点

 •  可以体现不同批次产品的不同状态 （过冷、退火、对于曲线的响应等）

但是，探头只在冷冻、一次干燥开始的阶段以及二次干燥中，体现真实数据。

二、使用温度探头的缺点

 •  放置了探头的西林瓶必须被拒绝

 •  如果放置错误，会给出错误的数据

 •  探头的线会影响压盖的位置

 •  探头需要定期进行校准和维护

 •  测量结果只代表，放置了探头的西林瓶的数据

 •  放置了探头的西林瓶，样品干燥的更快

 •  不适用于带自动进出料设备的冻干机

在一次干燥过程中：

 •  放置于层板中心的西林瓶和放置于层板边缘的西林瓶，探头会显示不同数值

 •  探头的线会缩短升华路径

 •  探头和探头的线的重量会导致小瓶倾斜

 •  放入探头会导致产品高度升高

 •  探头是一个加热源

 •  PT100温度探头测量到的是他整个长度的平均温度数值

 •  不同批次传感器应该放在相似的位置，以获得不同批次的相似数值。

一次干燥中，西林瓶样品中不同位置的温度：

因为升华是一个吸热的过程。升华速度越快，带走的能量就越多。所以升华界面处，是西林瓶中低温区域。

三、不同类型的产品温度探头

 (1)  有线探头：

 •  PT100温度探头

 •  热电偶温度探头

 (2)  无线探头

 (3)  温度采集器

 (4)  通过压力测试的方法获得产品的升华界面温度

PT 100温度探头

 •  PT100温度传感器，在0℃时具有100欧姆，当温度变化时，其电阻也会变化。

 •  PT-100 温度探头在西林瓶中的位置：

热电偶温度探头

 •  热电偶是由两种不同的金属结合而成的传感器，它产生一个电压。此电压是一个被称为“热点"、热联或测量点的一端与另一个“冷点"、冷联或参考点之间的温差的函数。

 •  热电偶温度探头在西林瓶中的位置：

 •  在冻干过程的产品温度测量中，热电偶温度探头和PT100温度探头检测到的数据差异：

综上所述：

 •  PT100温度探头给出的是整个金属区域的平均温度：干燥相、冷冻相、空气。

 •  热电偶温度探头给出的是导线末端的温度。给出的数据根据末端的位置决定。

 •  PT 100温度探头更加不容易损坏，推荐在工业冻干机上使用（耐受蒸汽灭菌）。

 •  热电偶温度探头更加容易放置，给出的数据更精准，推荐在中式工艺摸索型冻干机上使用。

 •  热电偶温度探头如果可以准确的放置在蛋糕靠近底部又不接触瓶底的位置，则可以显示一次干燥的冻干终点。

四、层板上不同位置西林瓶的温度差异

 •  靠近板层边缘位置的西林瓶，会接受到来自腔体壁和托盘壁的辐射热量。这个辐射热量在两三层西林瓶之后，会减少。

 •  位于板层中间位置的西林瓶温度会低于板层边缘位置的西林瓶，干燥速度也会更慢。这个位置的西林瓶比位于边缘位置的西林瓶，更少的接收到来自腔体壁的热辐射。

曲线：

过程照片：

可以看到，靠近边缘的西林瓶，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，靠近边缘位置干燥更快。

由此，如果一批样品中，只有部分产品出现塌陷。我们也可以根据出现塌陷西林瓶的位置，来分析一次干燥过程的温度、真空及时间设置是否合理。

五、探头放置的位置

根据产品温度，寻找一次干燥终点的原理以及偏差原因，下图可解释：

为什么通常温度探头指示的一次干燥终点都偏早？这个内容，留给大家思考。下次也可以单独写一篇了。

六、升华界面温度

一次干燥过程中，通常的说法是：产品温度不能超过其关键温度（共晶点温度、塌陷温度）。如果超过，则产品会出现塌陷。

完整的表述应该是：产品升华界面温度不能够超过其关键温度（共晶点温度、塌陷温度）。如果产品升华界面温度超过关键温度，则产品会出现塌陷。

因为升华界面一直在移动，所以无法用物理探头测量到这个温度。目前比较前沿的技术是用间接的方式，关闭中隔阀，产生一个静态压力升，从而推算出产品的升华界面温度。

Lyometrics是一种非侵入性监测技术，被提出作为经典温度传感器的替代品，从而能够在一次干燥期间测量界面温度。

它如何工作？ 

Lyometrics 在工业冻干机上计算产品升华界面温度（紫色曲线）不需要额外安装物理探头。

此种非介入式获取升华界面温度的技术，可以应用在：

实验室的新产品开发应用：

 •  配方优化

 •  工艺放大

工业应用：

 •  提供产品温度信息

 •  无探头侵入的产品温度测量（特别对于自动上下料系统）：传统的温度探头只提供单瓶样品的温度数据，无法提供整批样品的温度数据

 •  消除了插入硬件的温度探头无法进行整批验证的缺点

 •  提供了整批样品的温度数据替代传统方法只提供几瓶样品数据

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