如何正確安裝凍干機(jī)溫度探頭？

產(chǎn)品溫度是凍干過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)，在之前的文章中羅博講凍干011：PT-100還是熱電偶？——兩種溫度探頭在凍干過(guò)程測(cè)量結(jié)果的比較，我們比較了不同溫度探頭（熱電偶和PT-100）對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響。然而，在實(shí)際凍干過(guò)程中，不僅僅溫度探頭的類型對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響，溫度探頭放置的位置也將對(duì)凍干過(guò)程和凍干工藝的確定產(chǎn)生影響，在這篇文章中，我們將通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的手段為大家說(shuō)明不同探頭位置的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 上下方向?qū)μ筋^測(cè)量結(jié)果的影響

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了比較探頭在豎直方向的不同對(duì)探頭測(cè)量結(jié)果的影響，我們?cè)陂_譜原位凍干機(jī)RD機(jī)型上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分別將探頭放置在距離西林瓶底部不同高度的位置上，如圖1所示。其中，紅色線為溫度探頭。可以看出，右側(cè)探頭放置位置相對(duì)于左側(cè)探頭更加靠近西林瓶底部。

圖1 探頭放置位置示意圖

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用控制變量法，除了探頭位置不同，其它因素，如溶液體積，凍干過(guò)程參數(shù)等全都保持一致。而后記錄溫度探頭得到的數(shù)據(jù)曲線。

2.1.2 結(jié)果分析

圖2和圖3分別為圖1左側(cè)和右側(cè)所示放置方式得到的數(shù)據(jù)曲線。

圖2 凍干過(guò)程曲線

圖3 凍干過(guò)程曲線

從圖2和圖3中可以看出，兩種測(cè)試情況下，真空度、擱板溫度，期望溫度和電阻率等參數(shù)基本保持一致。而樣品溫度（黃色曲線）趨勢(shì)也一致，區(qū)別在于兩種測(cè)試情況下的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間不同。這是比較容易理解的，在樣品的升華干燥過(guò)程中，升華界面自上而下移動(dòng)，探頭位置越接近底部，升華界面達(dá)到的位置也就越晚。仿真結(jié)果也能說(shuō)明這一現(xiàn)象。圖4是通過(guò)CFD模擬計(jì)算得到的不同位置樣品溫度變化曲線，圖中z/z0=0的位置為樣品底部，z/z0=1的位置為頂部。

圖4 不同位置溫度變化曲線

比較圖2，圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，仿真和實(shí)驗(yàn)得到的溫度變化趨勢(shì)基本比較接近，溫度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)是因?yàn)樵诔跏茧A段，溫度曲線對(duì)應(yīng)的位置屬于凍結(jié)區(qū)域，升華界面尚未到達(dá)該位置。而干燥區(qū)和升華界面在該該位置的上方。盡管外界環(huán)境和擱板向產(chǎn)品內(nèi)供熱，但是熱量大部分用于升華界面升華，凍結(jié)區(qū)溫度上升較慢。而當(dāng)升華界面經(jīng)過(guò)該點(diǎn)后，該點(diǎn)從凍結(jié)區(qū)變?yōu)楦稍飬^(qū)，外界的熱量主要用于提升其顯熱，而且物性參數(shù)（表觀導(dǎo)熱系數(shù)、密度等）也發(fā)生了改變，因此樣品溫度上升速率明顯變大。

通過(guò)上面的分析可以看出，溫度曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以用于判斷升華界面到達(dá)時(shí)間。當(dāng)我們?cè)俅伪容^圖2和圖3時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)，圖3中溫度曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折的時(shí)間點(diǎn)要滯后于圖2曲線。這說(shuō)明升華界面更快到達(dá)圖2所示的位置。根據(jù)上述分析，探頭應(yīng)該放置在樣品底部，這樣才能避免過(guò)早判斷干燥過(guò)程結(jié)束，從而避免產(chǎn)生誤判。

2.2 左右方向?qū)μ筋^測(cè)量數(shù)據(jù)的影響

在實(shí)際凍干過(guò)程中，不僅探頭上下放置位置對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響，左右位置對(duì)探頭測(cè)量結(jié)果也有影響，這體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是西林瓶?jī)?nèi)部傳熱熱阻問(wèn)題，而在另一方面則是環(huán)境的影響，也就是文獻(xiàn)中講的“Edge Effect"

2.2.1 西林瓶?jī)?nèi)熱阻的影響

對(duì)于裝在西林瓶中的樣品而言，由于導(dǎo)熱熱阻的存在，其內(nèi)部溫度不可能全部保持一致，靠近瓶壁的部分由于與外界環(huán)境更加接近，其溫度往往高于內(nèi)部溫度。圖5所示為仿真計(jì)算得到的西林瓶?jī)?nèi)甘露醇凍干過(guò)程中升華界面位置和溫度分布圖。

圖5 甘露醇凍干仿真結(jié)果：左側(cè)：升華界面位置；右側(cè)：溫度和熱流分布

從上圖可以看出，樣品的升華界面并不是平坦的，而是呈現(xiàn)出兩邊低中間高的形態(tài)，這是因?yàn)閮蓚?cè)接受到的熱量更高，升華速率更快，而由于內(nèi)部熱阻影響，內(nèi)部得到的熱量少（外界來(lái)的熱量有部分被用于提升樣品顯熱），因此升華慢，因此，在升華干燥過(guò)程中，往往是西林瓶底部中間部分最后干燥完成。這也是為什么有時(shí)候樣品外表看起來(lái)已經(jīng)干了，但是一拿出來(lái)還是化了的原因。

針對(duì)上述情況，如果將探頭放置在西林瓶左右兩側(cè)，那么得到的結(jié)果可能失真，這時(shí)，從探頭數(shù)據(jù)上顯示凍干過(guò)程已經(jīng)完成，然而實(shí)際上底部中心區(qū)域還有未凍結(jié)區(qū)域，最終導(dǎo)致凍干過(guò)程失敗。

2.2.2 環(huán)境的影響

在中試和生產(chǎn)型凍干中，往往是數(shù)百個(gè)瓶子放在托盤里一起進(jìn)行凍干，這時(shí)候，不同位置的西林瓶的溫度并不一致，靠近艙門的瓶子由于能接受到外界輻射，往往溫度更高，而在內(nèi)部的瓶子由于外界瓶子的遮擋以及瓶子之間的冷輻射，溫度更低。數(shù)值仿真結(jié)果也證明了這一觀點(diǎn)，圖6展示了靠近凍干機(jī)艙門西林瓶?jī)?nèi)溫度分布，圖中的箭頭代表熱流，箭頭大小代表了熱流的強(qiáng)弱。從圖中可以看出，靠近艙門的西林瓶（Vial C和Vial E）明顯受到了左側(cè)艙門的影響，外界的熱量進(jìn)入到了西林瓶?jī)?nèi)，而原理艙門的西林瓶（Vial M）則受艙門的影響較小。

圖6 不同位置西林瓶的溫度分布

對(duì)于上述情況，如果將探頭放置在西林瓶外側(cè)，此時(shí)測(cè)量得到的溫度并不是樣品的真實(shí)值，因?yàn)椋藭r(shí)探頭得到的溫度值可能會(huì)受到外界輻射的影響，影響凍干工藝判斷，最終可能導(dǎo)致凍干工藝失敗。

3 結(jié)論

在這篇文章中，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真分析相結(jié)合的手段，分析上下位置以及左右位置對(duì)溫度探頭讀取數(shù)據(jù)的影響，最終得出結(jié)論：溫度探頭應(yīng)該放在西林瓶底部中心的位置。這樣得出來(lái)的數(shù)據(jù)既能輔助凍干工藝判斷，也能避免外界其他因素的影響。都林理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也提出了此觀點(diǎn)，他們?cè)谖恼轮幸卜治隽巳藶椴僮髡`差對(duì)凍干的影響，有興趣的朋友可以閱讀本文中的參考文獻(xiàn)3。

4 參考文獻(xiàn)

2 關(guān)于“Edge effect"的討論可參照論文：Scutellà B, Plana-Fattori A, Passot S, et al. 3D mathematical modelling to understand atypical heat transfer observed in vial freeze-drying[J]. Applied thermal engineering, 2017, 126: 226-236.

3 人為操作誤差的影響可參考論文：Demichela M, Barresi A A, Baldissone G. The effect of human error on the temperature monitoring and control of freeze drying processes by means of thermocouples[J]. Frontiers in Chemistry, 2018, 6: 419.