藥品真空冷凍干燥過程測溫軟件的開發(fā)設計論文
引言
真空冷凍干燥簡稱凍干，是將濕物料或溶液在較低的溫度(-10℃～-50℃)下凍結成固態(tài)，然后在真空(1.3～13帕)下使其中的水分不經液態(tài)直接升華成氣態(tài)，最終使物料脫水的干燥技術。我國是原料藥生產大國，因此該技術應用前景十分廣闊。
真空冷凍干燥是一種使物料在低溫低壓下脫水的干燥工藝�，F代生物藥品大多具有熱敏性，在對熱敏性生物藥品進行干燥時，為防止由于溫度過高而使藥品變性，影響其質量，目前廣泛采用真空冷凍干燥技術[1]。生物藥品凍干過程中必須考慮：①如何保證凍干過程順利進行;②如何減少凍干過程對生物藥品品質的影響;③如何降低生物藥品凍干過程中的能耗。在保證生物藥品凍干品質條件下，真空冷凍干燥過程中應盡量提高樣品溫度，因為樣品溫度每升高1℃，升華干燥時間將縮短13%以上[2]。但是樣品溫度過高會對凍干產品質量造成破壞，出現熔融、塌陷和皺縮等問題。因此，需要對凍干過程中的藥品溫度進行準確測量與控制。升華界面是指在凍干藥品溶液一次干燥過程中，位于干燥層和凍結層之間的移動界面，隨一次干燥進行，升華界面由凍干藥品頂部逐漸移動至底部，直接反映一次干燥進程，可由此來判斷一次干燥終點。
與其它干燥方法一樣，要維持升華干燥的不斷進行，必須滿足兩個基本條件，即熱量的不斷供給和生成蒸汽的不斷排除。在開始階段，如果物料溫度相對較高，升華所需要的潛熱可取自物料本身的顯熱。但隨著升華的進行，物料溫度很快就降到與干燥室蒸汽分壓相平衡的溫度，此時，若沒有外界供熱，升華干燥便停止進行。在外界供熱的情況下，升華所生成的蒸汽如果不及時排除，蒸汽分壓就會升高，物料溫度也隨之升高，當達到物料的凍結點時，物料中的冰晶就會融化，冷凍干燥也就無法進行了。
目前，國內外凍干機大多采用傳統(tǒng)的接觸式測溫方法，將熱電偶或熱敏電阻插入凍干樣品中對凍干過程進行監(jiān)測。傳統(tǒng)測溫方法有一定局限性[1]，即無法測得移動的升華界面溫度，熱電偶或熱敏電阻本身會對凍干樣品傳熱產生影響，導致被監(jiān)測的樣品比未監(jiān)測樣品干燥更快，無法準確判斷整個批次樣品凍干狀況，且對凍干過程無菌化造成不利影響。因此，開發(fā)非接觸式測溫軟件對于藥品凍干品質保證和節(jié)能有著重要意義。
動壓測溫技術是一種非接觸測溫技術，在冷凍干燥過程中通過關閉中隔閥進行壓力升測試，獲得干燥室內壓力升數據，并采用動態(tài)參數估值法(DynamicParametersEstimation，DPE)計算得到升華界面溫度。本文對DPE數本文由論文聯(lián)盟http://wWw.LWlM.com收集整理學模型和求解方法進行分析，并采用MATLAB編程開發(fā)DPE動壓測溫軟件。
1.凍干過程動壓測溫技術
1.1動壓測溫技術
動壓測溫是根據平衡狀態(tài)下的冰晶溫度與其飽和蒸汽壓為單值函數，在升華干燥過程中，突然中斷從凍干室流向冷阱的水蒸汽流，通過測量凍干室內壓力回升情況，運用數據回歸方法推算升華界面溫度，可較準確反映升華界面溫度[3]。壓力升測試(PressureRiseTest，PRT)是在樣品凍干過程中，中隔閥突然關閉，凍干室壓力因為冰的持續(xù)升華而上升，直至凍干室壓力與升華界面冰的飽和水蒸氣壓相等為止，從而可得出凍干室壓力隨時間變化曲線。基于PRT動壓測量技術，有氣壓溫度測量法(BarometricTemperatureMeasurement，BTM)[4，5]、壓力溫度測量法(ManometricTemperatureMeasurement，MTM)[68]、動態(tài)壓力升法(DynamicPressureRise，DPR)[9]、壓力升分析法(PressureRiseAnalysis，PRA)[10]等方法。
在前人研究基礎上，Velardi等提出了“DynamicParametersEstimationMethod(DPE)”測溫新方法[11]，該方法可以看作是MTM法的`改進，其建立了凍干室中熱質傳遞的一維非穩(wěn)態(tài)模型，通過DPE法可得到藥品凍結層溫度分布、升華界面位置、藥品瓶底與擱板傳熱系數、藥品干燥層有效擴散系數，以及在壓力升測試過程中凍結層溫度上升狀態(tài)。利用DPE方法模擬測得的參數可靠性更高[12]。Barresi等[13，14]根據DPE法建立了一種適用于凍干過程的測量和控制策略，可對凍干過程進行在線優(yōu)化監(jiān)控，在保證藥品凍干質量的前提下縮短凍干時間。
1.2DPE理論模型和求解方法
1.2.1模型建立假設[11]
在凍干過程中，動壓測量實施時間較短，一個測量單元可在3～20s內完成。為簡化計算，對動壓測量法實施作如下假設：
�、賰龈蛇^程熱量和質量傳遞是一維，且傳遞方向垂直于物料表面;
�、谏A過程僅發(fā)生在物料升華界面上，不考慮干燥層中的解析干燥;
③凍干過程中，較短時間內，溫度、壓力和升華界面位置等物理量變化很小，在中隔閥關閉之初，凍結層按準穩(wěn)態(tài)處理;
④假設凍干室內為水蒸氣，不考慮非凝性氣體;
�、萦捎趬毫艿停瑑龈墒覂鹊臍怏w視為理想氣體;
�、拗豢紤]熱傳導，不考慮箱體對物料的輻射作用。
2.DPE動壓測溫軟件開發(fā)
軟件開發(fā)原理
MATLAB是一種高效的工程計算語言，在數值計算、數據處理、自動控制等方面有著廣泛應用，可實現大量數據的分析、處理及顯示，而且具有圖形用戶界面(GraphicalUserInterface，GUI)設計功能[15]，界面設計友好、方便用戶操作。
本文將DPE凍干傳熱模型在時間和空間上進行區(qū)域離散化(見圖3)，建立節(jié)點離散方程[16]，使用MATLABR2011a軟件對離散方程進行編程，并利用軟件自身GUI設計功能對界面進行設計。
3結語
真空冷凍干過程中，對凍干產品溫度進行準確測量與控制，關鍵是確保凍干樣品質量和提高干燥效率。本文對動態(tài)參數估值法(DPE)法數學模型及求解方法進行分析，并基于DPE模型的非接觸測溫算法進行數值計算，運用MATLAB軟件編程，開發(fā)動壓測溫軟件對藥品凍干過程進行監(jiān)測，通過計算得到樣品凍干過程參數;分別用不同樣品在不同型號的凍干機上進行凍干實驗，將測得PRT數據運用所開發(fā)軟件進行模擬計算，實驗測試值與模擬計算結果一致，可應用于凍干進程判斷。本文所開發(fā)的軟件能通過動壓測量計算出凍干樣品狀態(tài)參數，但需要進一步完善。后續(xù)研究將建立凍干過程優(yōu)化控制策略，通過控制凍干過程主要變量(凍干室壓力、隔板溫度)達到凍干過程最優(yōu)化，目標是實現在不同型號凍干機上對不同樣品凍干過程進行優(yōu)化控制，縮短凍干時間。
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