藥品真空冷凍干燥過(guò)程測溫軟件的開(kāi)發(fā)設計論文
引言
真空冷凍干燥簡(jiǎn)稱(chēng)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(jīng)液態(tài)直接升華成氣態(tài)，最終使物料脫水的干燥技術(shù)。我國是原料藥生產(chǎn)大國，因此該技術(shù)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(jìn)行干燥時(shí)，為防止由于溫度過(guò)高而使藥品變性，影響其質(zhì)量，目前廣泛采用真空冷凍干燥技術(shù)[1]。生物藥品凍干過(guò)程中必須考慮：①如何保證凍干過(guò)程順利進(jìn)行;②如何減少凍干過(guò)程對生物藥品品質(zhì)的影響;③如何降低生物藥品凍干過(guò)程中的能耗。在保證生物藥品凍干品質(zhì)條件下，真空冷凍干燥過(guò)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(shí)間將縮短13%以上[2]。但是樣品溫度過(guò)高會(huì )對凍干產(chǎn)品質(zhì)量造成破壞，出現熔融、塌陷和皺縮等問(wèn)題。因此，需要對凍干過(guò)程中的藥品溫度進(jìn)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(guò)程中，位于干燥層和凍結層之間的移動(dòng)界面，隨一次干燥進(jìn)行，升華界面由凍干藥品頂部逐漸移動(dòng)至底部，直接反映一次干燥進(jìn)程，可由此來(lái)判斷一次干燥終點(diǎn)。
與其它干燥方法一樣，要維持升華干燥的不斷進(jìn)行，必須滿(mǎn)足兩個(gè)基本條件，即熱量的不斷供給和生成蒸汽的不斷排除。在開(kāi)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(zhù)升華的進(jìn)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(shí)，若沒(méi)有外界供熱，升華干燥便停止進(jìn)行。在外界供熱的情況下，升華所生成的蒸汽如果不及時(shí)排除，蒸汽分壓就會(huì )升高，物料溫度也隨之升高，當達到物料的凍結點(diǎn)時(shí)，物料中的冰晶就會(huì )融化，冷凍干燥也就無(wú)法進(jìn)行了。
目前，國內外凍干機大多采用傳統的接觸式測溫方法，將熱電偶或熱敏電阻插入凍干樣品中對凍干過(guò)程進(jìn)行監測。傳統測溫方法有一定局限性[1]，即無(wú)法測得移動(dòng)的升華界面溫度，熱電偶或熱敏電阻本身會(huì )對凍干樣品傳熱產(chǎn)生影響，導致被監測的樣品比未監測樣品干燥更快，無(wú)法準確判斷整個(gè)批次樣品凍干狀況，且對凍干過(guò)程無(wú)菌化造成不利影響。因此，開(kāi)發(fā)非接觸式測溫軟件對于藥品凍干品質(zhì)保證和節能有著(zhù)重要意義。
動(dòng)壓測溫技術(shù)是一種非接觸測溫技術(shù)，在冷凍干燥過(guò)程中通過(guò)關(guān)閉中隔閥進(jìn)行壓力升測試，獲得干燥室內壓力升數據，并采用動(dòng)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(xué)模型和求解方法進(jìn)行分析，并采用MATLAB編程開(kāi)發(fā)DPE動(dòng)壓測溫軟件。
1.凍干過(guò)程動(dòng)壓測溫技術(shù)
1.1動(dòng)壓測溫技術(shù)
動(dòng)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(guò)程中，突然中斷從凍干室流向冷阱的水蒸汽流，通過(guò)測量?jì)龈墒覂葔毫厣闆r，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(guò)程中，中隔閥突然關(guān)閉，凍干室壓力因為冰的持續升華而上升，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(shí)間變化曲線(xiàn)�；赑RT動(dòng)壓測量技術(shù)，有氣壓溫度測量法(BarometricTemperatureMeasurement，BTM)[4，5]、壓力溫度測量法(ManometricTemperatureMeasurement，MTM)[68]、動(dòng)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(jìn)，其建立了凍干室中熱質(zhì)傳遞的一維非穩態(tài)模型，通過(guò)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(guò)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(guò)程的測量和控制策略，可對凍干過(guò)程進(jìn)行在線(xiàn)優(yōu)化監控，在保證藥品凍干質(zhì)量的前提下縮短凍干時(shí)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(guò)程中，動(dòng)壓測量實(shí)施時(shí)間較短，一個(gè)測量單元可在3～20s內完成。為簡(jiǎn)化計算，對動(dòng)壓測量法實(shí)施作如下假設：
�、賰龈蛇^(guò)程熱量和質(zhì)量傳遞是一維，且傳遞方向垂直于物料表面;
�、谏A過(guò)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;
�、蹆龈蛇^(guò)程中，較短時(shí)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(guān)閉之初，凍結層按準穩態(tài)處理;
�、芗僭O凍干室內為水蒸氣，不考慮非凝性氣體;
�、萦捎趬毫艿�，凍干室內的氣體視為理想氣體;
�、拗豢紤]熱傳導，不考慮箱體對物料的輻射作用。
2.DPE動(dòng)壓測溫軟件開(kāi)發(fā)
軟件開(kāi)發(fā)原理
MATLAB是一種高效的工程計算語(yǔ)言，在數值計算、數據處理、自動(dòng)控制等方面有著(zhù)廣泛應用，可實(shí)現大量數據的分析、處理及顯示，而且具有圖形用戶(hù)界面(GraphicalUserInterface，GUI)設計功能[15]，界面設計友好、方便用戶(hù)操作。
本文將DPE凍干傳熱模型在時(shí)間和空間上進(jìn)行區域離散化(見(jiàn)圖3)，建立節點(diǎn)離散方程[16]，使用MATLABR2011a軟件對離散方程進(jìn)行編程，并利用軟件自身GUI設計功能對界面進(jìn)行設計。
3結語(yǔ)
真空冷凍干過(guò)程中，對凍干產(chǎn)品溫度進(jìn)行準確測量與控制，關(guān)鍵是確保凍干樣品質(zhì)量和提高干燥效率。本文對動(dòng)態(tài)參數估值法(DPE)法數學(xué)模型及求解方法進(jìn)行分析，并基于DPE模型的非接觸測溫算法進(jìn)行數值計算，運用MATLAB軟件編程，開(kāi)發(fā)動(dòng)壓測溫軟件對藥品凍干過(guò)程進(jìn)行監測，通過(guò)計算得到樣品凍干過(guò)程參數;分別用不同樣品在不同型號的凍干機上進(jìn)行凍干實(shí)驗，將測得PRT數據運用所開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行模擬計算，實(shí)驗測試值與模擬計算結果一致，可應用于凍干進(jìn)程判斷。本文所開(kāi)發(fā)的軟件能通過(guò)動(dòng)壓測量計算出凍干樣品狀態(tài)參數，但需要進(jìn)一步完善。后續研究將建立凍干過(guò)程優(yōu)化控制策略，通過(guò)控制凍干過(guò)程主要變量(凍干室壓力、隔板溫度)達到凍干過(guò)程最優(yōu)化，目標是實(shí)現在不同型號凍干機上對不同樣品凍干過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制，縮短凍干時(shí)間。
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