روش‌های رایج تشخیص پایان فریزدرایینگ اولیه در فرآیند خشک‌کردن انجمادی تحت خلأ

فرآیند فریزدرایینگ که به آن لیوفیلیزاسیون نیز می‌گویند شامل سه مرحله اصلی، ازجمله: انجماد (Freezing)، خشک‌شدن اولیه (Primary Drying) و خشک‌شدن ثانویه (Secondary drying) می‌باشد. مرحله خشک‌شدن اولیه معمولاً طولانی‌ترین و پیچیده‌ترین قسمت فرآیند است؛ بنابراین، روش‌های اتوماتیک تعیین خاتمه‌ی خشک‌شدن اولیه می‌توانند به بهینه‌سازی زمان فرآیند کمک کنند. در صورت تمایل، در برخی موارد، از چندین روش نیز ممکن است توسط اپراتور استفاده شود.

دیاگرام فازی آب

1) دمای محصول – نقطه پایان خشک‌شدن اولیه

در هنگام تصعید، محصول منجمد دمای کمتری نسبت به قفسه دارد. می‌توان فرض کرد که وقتی دمای محصول به دمای قفسه یا دمایی کاملاً بالاتر از صفر درجه سانتی‌گراد برسد دیگر یخی در محصول باقی نمانده و بنابراین محصول به پایان مرحله اولیه رسیده است.

یک برنامه نرم‌افزاری معمولی می‌تواند از این روش به شرح زیر استفاده کند: کاربر دمای محصول “پایان مرحله خشک شدن اولیه” را وارد می‌کند. هنگامی‌که میانگین دمای محصول به نقطه تنظیم شده در دستورالعمل مرحله خشک‌کردن اولیه می‌رسد، برنامه به طور خودکار، طبق دستورالعمل و روال از پیش تعیین شده، به مرحله خشک‌شدن ثانویه می‌رسد. می‌توان از این روال جهت حصول اطمینان از اینکه تمام ویال‌ها قبل از مرحله ثانویه، مراحل خشک‌شدن اولیه را به اتمام رسانده‌اند، استفاده کرد. اگر روال پایان کار مرحله اولیه برنامه‌ریزی نشده باشد، دستورالعمل به طور خودکار به خشک‌شدن ثانویه می‌رود. این خصوصیت به‌ویژه برای استفاده مقادیر زیادی از محصول سودمند است.

2) فشارسنج خازنی در مقایسه با گیج خلأ پیرانی (فشارسنج خازنی و گیج خلأ پیرانی هر دو مورد نیاز هستند)

گیج خلأ پیرانی (Pirani vacuum gauge) به‌گونه‌ای ساخته شده است که ترکیب گاز میزان فشار را تغییر می‌دهد. در حضور بخار آب سنسورهای خلأ پیرانی، اشتباهات خواندن زیادی خواهد داشت. این بدان معنی است که اگر یک سنسور پیرانی تنها سنسور خلأ موجود روی سیستم باشد، ممکن است عدد فشار اشتباه نشان داده شود و انتقال این اطلاعات به فریزدرایر با فشارسنج خازنی، به‌احتمال زیاد به روانی کار نمی‌کند. مانومتر خازنی به‌گونه‌ای طراحی شده است که خلأ مطلق را نشان می‌دهد و تحت تأثیر بخار آب در سیستم قرار نمی‌گیرد. اگر فریزدرایر به هر دو سنسور روی سینی فریزدرایر مجهز باشد، می‌توان از سنسورها برای پایان مرحله خشک‌کردن اولیه استفاده کرد. اولین شاخص تمایز میان پیرانی و فشارسنج خازنی در سیستم فریزدرایر، سیستم خالی و منجمد است. دستگاه فریزدرایر، مطابق با راهنمای کارخانه سازنده، روشن است و هیچ چیز در شلف نیست.

دمای شلف را می‌توان در دمای اتاق رها کرد یا برای دمای پایین تنظیم کرد، کندانسور فعال می‌شود تا کاملاً روشن باشد و پمپ خلأ سیستم فعال می‌شود. به دستگاه فریزدرایر زمانی برای پایداری در این شرایط داده می‌شود تا فشار مانومترهای پیرانی و خازنی خوانده شوند. تفاوت قرائت فشار فریزدرایر در آن‌ها، چه در سیستم خالی یا منجمد، وقتی سیستم به‌درستی کار کند، نسبتاً ناچیز خواهد بود. این دو گیج نباید در برابر یکدیگر کالیبره شوند. همیشه ممکن است به دلیل طراحی‌های مختلف، تفاوت‌های ناچیزی در خوانش آن‌ها وجود داشته باشد. اختلاف فشار () بین این دو گیج، هنگامی‌که خشک، خالی و یا منجمد باشند، نشان می‌دهد که وقتی بخار آب در مخلوط گازی خیلی کم باشد یا وجود نداشته باشد، بسیار شبیه به هم هستند.

هدف از خشک‌کردن اولیه به حداکثر رساندن نرخ تصعید در داخل محصول است. به همین ترتیب گازهای موجود در محفظه حاوی بخار آب زیادی هستند. متعاقباً سنسور پیرانی عددی بالاتر از فشارسنج خازنی را نشان خواهد داد. با جریان گرفتن فرایند فریزدرایینگ و تبدیل یخ به بخار از طریق فرآیند تصعید، محصول از بالا به پایین لیوفیزه می‌شود. درنهایت مانومترهای پیرانی و خازنی به اختلاف فشاری () که در سیستم خشک، خالی و منجمد تعریف شده است، می‌رسند. نزدیک شدن به این مقدار اختلاف فشار () نشان می‌دهد که مرحله‌ی خشک‌کردن اولیه به پایان رسیده است.

در اکثر فریزدرایرها این فرآیند در نرم‌افزار تعبیه شده است. اپراتور باید اختلاف فش

گیج خلأ پیرانی (Pirani vacuum gauge) به‌گونه‌ای ساخته شده است که ترکیب گاز میزان فشار را تغییر می‌دهد. در حضور بخار آب سنسورهای خلأ پیرانی، اشتباهات خواندن زیادی خواهد داشت. این بدان معنی است که اگر یک سنسور پیرانی تنها سنسور خلأ موجود روی سیستم باشد، ممکن است عدد فشار اشتباه نشان داده شود و انتقال این اطلاعات به فریزدرایر با فشارسنج خازنی، به‌احتمال زیاد به روانی کار نمی‌کند. مانومتر خازنی به‌گونه‌ای طراحی شده است که خلأ مطلق را نشان می‌دهد و تحت تأثیر بخار آب در سیستم قرار نمی‌گیرد. اگر فریزدرایر به هر دو سنسور روی سینی فریزدرایر مجهز باشد، می‌توان از سنسورها برای پایان مرحله خشک‌کردن اولیه استفاده کرد. اولین شاخص تمایز میان پیرانی و فشارسنج خازنی در سیستم فریزدرایر، سیستم خالی و منجمد است. دستگاه فریزدرایر، مطابق با راهنمای کارخانه سازنده، روشن است و هیچ چیز در شلف نیست.

دمای شلف را می‌توان در دمای اتاق رها کرد یا برای دمای پایین تنظیم کرد، کندانسور فعال می‌شود تا کاملاً روشن باشد و پمپ خلأ سیستم فعال می‌شود. به دستگاه فریزدرایر زمانی برای پایداری در این شرایط داده می‌شود تا فشار مانومترهای پیرانی و خازنی خوانده شوند. تفاوت قرائت فشار فریزدرایر در آن‌ها، چه در سیستم خالی یا منجمد، وقتی سیستم به‌درستی کار کند، نسبتاً ناچیز خواهد بود. این دو گیج نباید در برابر یکدیگر کالیبره شوند. همیشه ممکن است به دلیل طراحی‌های مختلف، تفاوت‌های ناچیزی در خوانش آن‌ها وجود داشته باشد. اختلاف فشار () بین این دو گیج، هنگامی‌که خشک، خالی و یا منجمد باشند، نشان می‌دهد که وقتی بخار آب در مخلوط گازی خیلی کم باشد یا وجود نداشته باشد، بسیار شبیه به هم هستند.

هدف از خشک‌کردن اولیه به حداکثر رساندن نرخ تصعید در داخل محصول است. به همین ترتیب گازهای موجود در محفظه حاوی بخار آب زیادی هستند. متعاقباً سنسور پیرانی عددی بالاتر از فشارسنج خازنی را نشان خواهد داد. با جریان گرفتن فرایند فریزدرایینگ و تبدیل یخ به بخار از طریق فرآیند تصعید، محصول از بالا به پایین لیوفیزه می‌شود. درنهایت مانومترهای پیرانی و خازنی به اختلاف فشاری () که در سیستم خشک، خالی و منجمد تعریف شده است، می‌رسند. نزدیک شدن به این مقدار اختلاف فشار () نشان می‌دهد که مرحله‌ی خشک‌کردن اولیه به پایان رسیده است.

در اکثر فریزدرایرها این فرآیند در نرم‌افزار تعبیه شده است. اپراتور باید اختلاف فشار () را برای دو سنسور همان‌طور که قبلاً اشاره شد، تعیین کند. کاربر اختلاف فشار را وارد می‌کند که نشان‌دهنده پایان اولین مرحله خشک‌کردن در برنامه‌ی نرم‌افزاری است. طی اولین مرحله‌ی خشک‌کردن، هنگامی‌که اختلاف فشار اعمال می‌شود، برنامه نرم‌افزار به پایان مرحله اول می‌رسد و سپس به خشک‌شدن ثانویه می‌رود.

ار () را برای دو سنسور همان‌طور که قبلاً اشاره شد، تعیین کند. کاربر اختلاف فشار را وارد می‌کند که نشان‌دهنده پایان اولین مرحله خشک‌کردن در برنامه‌ی نرم‌افزاری است. طی اولین مرحله‌ی خشک‌کردن، هنگامی‌که اختلاف فشار اعمال می‌شود، برنامه نرم‌افزار به پایان مرحله اول می‌رسد و سپس به خشک‌شدن ثانویه می‌رود.

3) نقطه شبنم از طریق سنسور رطوبت (سنسور رطوبت مورد نیاز است)

یک سنسور رطوبت ممکن است در فریزدرایر نصب و برای اندازه‌گیری رطوبت باقیمانده در محصول استفاده شود. سنسورهای رطوبت در نقطه شبنم اندازه‌گیری می‌شوند (درجه سانتی‌گراد). سنسورهای رطوبت می‌توانند وجود مایعات یا یخ را در مقادیر کمتر از 1% تعیین کنند؛ بنابراین، کاهش شدید نقطه شبنم در پایان مرحله‌ی خشک‌کردن اولیه نشان می‌دهد که ترکیب آب موجود در مخزن فریزدرایر از یخ جامد به بخار تبدیل شده است. کاربر ابتدا باید نقطه شبنم قابل قبول سیستم را تعیین کند که نشان‌دهنده یک محصول خشک است.

یک برنامه نرم‌افزاری معمولی می‌تواند از این روش به شرح زیر استفاده کند: کاربر یک نقطه‌ی شبنم را وارد می‌کند (بر حسب درجه سانتی‌گراد) و وقتی محصول به این نقطه می‌رسد، برنامه به توالی پایانی و سپس به مرحله‌ی خشک شدن ثانویه می‌رسد. سنسورهای رطوبت سطح رطوبت را در فریزدرایر اندازه‌گیری می‌کنند و می‌توانند نقطه پایان چرخه خشک شدن اولیه را تعیین و نشان دهند.

4) فشار بارومتریک (شیر جداکننده مورد نیاز است)

رویکرد افزایش فشار بارومتریک بهتر است با سیستمی استفاده شود که در آن شرایط خشک، خالی و منجمد باشد. مشابه رویکردی که برای مانومتر خازنی و پیرانی استفاده می‌شود، دستگاه فریزدرایر ران می‌شود و شیر جداکننده (Isolation valve) بسته می‌شود و افزایش فشار در سیستم برای یک دوره زمانی (معمولاً چند دقیقه) تعیین می‌شود. این افزایش فشار باعث ایجاد پایه‌ای برای بسته شدن شیر جداکننده می‌شود. حین اجرای فرآیند، هنگامی‌که محفظه فریزدرایر از کندانسور و پمپ خلأ (از طریق شیر جداکننده) جدا شود، تصعید یخ به بخار باعث افزایش فشار سیستم می‌شود. با وجود یخ در مخزن فشار سریع‌تر از نرخ سیستم خشک، خالی و منجمد، افزایش می‌یابد، بنابراین نشان می‌دهد که هنوز فرآیند تصعید در جریان است. هرچه افزایش فشار کندتر شود، یخ کمتری وجود خواهد داشت. افزایش معمول فشار قابل‌قبول برای تعیین پایان مرحله‌ی خشک‌کردن اولیه 6 میلی تور (mT) () در 30 ثانیه با 3 یا بیشتر خوانش در یک ساعت است.

یک برنامه نرم‌افزاری معمولی می‌تواند از این روش نیز استفاده کند. کاربر حین تست، افزایش فشار قابل قبول و تعداد دفعات تکرار تست را در طی دستورات مرحله‌ی خشک‌کردن اولیه وارد می‌کند. با رسیدن به سرعت افزایش فشار از قبل تنظیم شده، این برنامه پایان یافته و سپس مرحله‌ی خشک‌کردن ثانویه آغاز می‌شود.

5) طیف‌سنجی جذب لیزر دیود

این تکنیک که به آن TDLAS (مخفف Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) هم گفته می‌شود، یک سیستم تخصصی است که به طور معمول در یک پیکربندی خاص به درگاه فریزدرایر بین محفظه سینی و کندانسور متصل می‌شود. TDLAS جریان جرم بین این دو منطقه را با حساسیت به جریان بخار آب کنترل کرده و می‌تواند زمان پایان خشک‌شدن اولیه را نشان دهد.

6) مانیتور جریان حرارت تصادفی (AccuFlux)

اندازه‌گیری جریان حرارت از داخل شلف در محفظه محصول، اطلاعاتی را در رابطه با وضعیت تصعید فراهم می‌کند. با ادامه تصعید، با از بین رفتن مولکول‌های بخار، انرژی (حرارت) از بین می‌رود. هنگامی‌که تصعید تقریباً شروع به کاهش می‌کند، به‌طور هم‌زمان جریان گرمایی به داخل محصول کم می‌شود و جریان حرارت کم می‌شود.