溫度監(jiān)測(cè)儀器

  在冷凍干燥機(jī)的不同位置監(jiān)控溫度，也可用于監(jiān)控樣品。有幾種不同類(lèi)型的傳感器可用于其中。一種類(lèi)型的傳感器是熱電偶，它由兩端連接的不同金屬制成的兩根導(dǎo)線組成（圖 1）。當(dāng)電線末端置于兩種不同溫度并且有電流流動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓差。這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。熱電偶有多種類(lèi)型，用于不同的用途（表 1）。T 型熱電偶最常用于冷凍干燥機(jī)中，用于監(jiān)測(cè)樣品溫度。熱電偶感測(cè)電線形成結(jié)點(diǎn)處的溫度。因此，它們被稱作點(diǎn)傳感器。優(yōu)點(diǎn)是使用方便，電線細(xì)而靈活。

 

 

  另一種類(lèi)型的溫度傳感器是電阻溫度檢測(cè)器 (RTD)（圖 2）。它們通常由纏繞在玻璃或陶瓷芯上的細(xì)線線圈（例如鉑、銅或鎳）組成。金屬的電阻隨溫度以精確的線性方式變化。RTD 感測(cè)電線整個(gè)區(qū)域的溫度。因此，它被稱作區(qū)域傳感器。它們比熱電偶體積更大，但比熱電偶更準(zhǔn)確、更精確、更線性。冷凍干燥機(jī)通常配備 RTD，用于所有固定溫度測(cè)量。

 

  第三種類(lèi)型的溫度傳感器是 Tempris (圖 3）。它是一種無(wú)線傳感器，由石英晶體組成，該石英晶體以與溫度相關(guān)的頻率振蕩。傳感器發(fā)射調(diào)制微波信號(hào)，響應(yīng)與載波信號(hào)疊加，從而產(chǎn)生頻移，由此得出樣品溫度。數(shù)據(jù)從單個(gè)傳感器傳輸?shù)竭B接到位于凍干機(jī)外部的數(shù)據(jù)記錄裝置的另一個(gè)天線?？梢圆捎脤?shù)據(jù)收集天線放置在凍干機(jī)內(nèi)部的方式以改善信號(hào)的收集。

 

  Tempris 傳感器和 RTD 均可用作無(wú)線傳感器，并且適合蒸汽滅菌。無(wú)線的傳輸方式意味著可以將傳感器沿著輸送線放置在小瓶中，這樣它們就可以位于隔板上的不同位置，而不會(huì)破壞無(wú)菌環(huán)境。

  溫度傳感器對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模監(jiān)測(cè)樣品溫度是不可或缺的。而通常傳感器放置在小瓶底部中心的位置，因?yàn)檫@是升華完成之前最后冰的位置。溫度傳感器在實(shí)驗(yàn)室中用于收集有關(guān)樣品溫度的信息，作為腔室壓力和隔板溫度的函數(shù)，并作為確定受監(jiān)控小瓶中升華何時(shí)完成的方法。

  壓力是另一種過(guò)程中測(cè)量，可用于評(píng)估凍干進(jìn)度。凍干機(jī)內(nèi)的壓力通常使用電容壓力計(jì)和皮拉尼壓力計(jì)。電容壓力計(jì)測(cè)量?jī)龈蓹C(jī)中的設(shè)定壓力。電容壓力計(jì)的輸出與氣相成分無(wú)關(guān)，該設(shè)備由一個(gè)隔膜組成，該隔膜會(huì)因壓力的微小變化而移動(dòng)，并導(dǎo)致記錄的電容發(fā)生變化。

  另一種用于監(jiān)測(cè)壓力的設(shè)備稱為熱導(dǎo)計(jì)或皮拉尼壓力計(jì)。該儀表使用一根加熱的燈絲來(lái)承載電流，該燈絲被被測(cè)量的氣體包圍。熱導(dǎo)率隨著壓力的變化而變化，在凍干的情況下，隨著產(chǎn)品室中水蒸氣水平的變化而變化。初級(jí)干燥期間壓力高于電容壓力計(jì)檢測(cè)到的壓力，表明凍干腔中存在大量水蒸氣。皮拉尼壓力計(jì)檢測(cè)到的壓力在初級(jí)干燥結(jié)束時(shí)下降，并變得與電容壓力計(jì)檢測(cè)到的壓力相似。這種現(xiàn)象使得比較兩個(gè)壓力計(jì)檢測(cè)到的壓力差異成為確定初級(jí)干燥結(jié)束的簡(jiǎn)單方法。

監(jiān)測(cè)冷凍干燥循環(huán)進(jìn)度的方法

  檢測(cè)初級(jí)和潛在二級(jí)干燥終點(diǎn)的最簡(jiǎn)單方法是比較電容壓力計(jì)和皮拉尼壓力計(jì)測(cè)量的壓力。皮拉尼壓力計(jì)檢測(cè)到的壓力在初級(jí)干燥結(jié)束時(shí)逐漸減小，并且與電容壓力計(jì)檢測(cè)到的壓力密切匹配（圖 4），它們的交匯點(diǎn)表明升華的結(jié)束。圖 4 還提供了使用熱電偶測(cè)量的樣品溫度數(shù)據(jù)。各個(gè)小瓶中的升華結(jié)束由樣品溫度的急劇升高表示，并且根據(jù)小瓶在隔板上的位置而變化。

 

  類(lèi)似地，壓力上升測(cè)試可用于檢測(cè)初級(jí)干燥的結(jié)束。該方法還比較了電容壓力計(jì)和皮拉尼壓力計(jì)檢測(cè)到的壓力。然而，比較是在關(guān)閉凍干腔和冷凝器之間的隔離閥并監(jiān)測(cè)壓力上升之后進(jìn)行的。該方法依賴于計(jì)算測(cè)試開(kāi)始的時(shí)間、閥門(mén)關(guān)閉和打開(kāi)的次數(shù)以及確定可承受的壓力上限。

過(guò)程監(jiān)控的替代方法

  可調(diào)諧二極管激光吸收光譜 (TDLAS) 以光學(xué)方式測(cè)量從凍干腔到冷凝器的水蒸氣質(zhì)量通量。TDLAS 是使用連接到凍干機(jī)線軸的傳感器進(jìn)行測(cè)量的方法（圖 5）。

 

水蒸氣濃度和氣體速度數(shù)據(jù)用于求解傳熱傳質(zhì)第一原理的方程。

  其中 dq/dt 是每平方厘米的熱量熱通量，Kv 是小瓶傳熱系數(shù)，Av 是小瓶外部面積，Ts 是隔板表面的溫度，Tb 是產(chǎn)品在與小瓶底部接觸，dm/dt 是質(zhì)量通量，單位為克/小時(shí)/平方厘米，ΔHs 是冰升華的熱量（每克 670 卡路里）。

干燥產(chǎn)物層的傳質(zhì)阻力也可以使用 TDLAS 和以下方程來(lái)計(jì)算：

  其中Ap是產(chǎn)品的橫截面積（小瓶?jī)?nèi)徑的面積），Pi是冰在升華前沿的蒸氣壓，Pc是腔室壓力。我們根據(jù)初級(jí)干燥結(jié)束時(shí)干燥層的電阻進(jìn)行設(shè)計(jì)空間計(jì)算，這代表了最大值。熱電偶放置在小瓶的底部，當(dāng)升華線接近底部時(shí)，測(cè)量的溫度接近升華線的溫度。蒸氣壓 Pi 使用以下關(guān)系根據(jù)樣品溫度計(jì)算得出：

  其中 Tb 是凍結(jié)層底部的溫度。

  上述方程與 Kv、Rp 值和最大允許樣品溫度結(jié)合使用（圖 6）。溫度等溫線有兩種類(lèi)型 - 貨架溫度和產(chǎn)品溫度。另一種收集數(shù)據(jù)來(lái)求解傳熱傳質(zhì)第一原理方程的方法是使用熱通量傳感器。熱通量傳感器位于凍干機(jī)的架子上，小瓶直接放置在傳感器上（圖 7）。傳感器直接測(cè)量從托架到小瓶的熱流，以獲得小瓶的 Kv，并使用傳感器收集的數(shù)據(jù)計(jì)算 Rp。

 

 

  最后，可以將質(zhì)譜儀（例如殘余氣體分析儀）連接到凍干機(jī)上，以監(jiān)測(cè)從腔室流向冷凝器的樣品。這可用于檢測(cè)水蒸氣以確定初級(jí)干燥的結(jié)束點(diǎn)，這對(duì)于監(jiān)測(cè)樣品中可能使用的有機(jī)溶劑的去除、監(jiān)測(cè)設(shè)備中有機(jī)硅的泄漏，以及監(jiān)測(cè)可能導(dǎo)致的有機(jī)溶劑泄漏的泄漏。