ES2814824T3 - Método de cálculo y dispositivo de cálculo para la temperatura de interfaz de sublimación, temperatura de la parte inferior y tasa de sublimación del material a secar en dispositivo de secado por congelación - Google Patents

Abstract

Un método de cálculo para una temperatura de interfaz de sublimación, una temperatura de la parte inferior, y una tasa de sublimación de un material a secar en un dispositivo de secado por congelación, que comprende: una cámara de secado (DC) en la que se introduce el material a secar; una trampa fría (CT) para condensar y atrapar vapor de agua generado del material a secar introducido en la cámara de secado (DC); una tubería principal (a) para proporcionar la comunicación entre la cámara de secado (DC) y la trampa fría (CT); una válvula principal (MV) para abrir y cerrar la tubería principal (a); medios de ajuste de vacío para ajustar el grado de vacío en la cámara de secado (DC); medios de detección de vacío para detectar una presión absoluta en la cámara de secado (DC) y una presión absoluta en la trampa fría (CT); y un dispositivo de control (CR) para controlar automáticamente las operaciones de la cámara de secado (DC), de la trampa fría (CT), y de los medios de ajuste de vacío, en los que la tubería principal (a) incluye un dispositivo de ajuste de abertura de tipo amortiguador (C) para ajustar un ángulo de abertura de la tubería principal (a) como los medios de ajuste de vacío, el dispositivo de control (CR) almacena un programa de cálculo y una expresión relacional que describe una relación entre una tasa de sublimación (Qm) bajo carga de agua en un estado donde se abre completamente la válvula principal (MV), un ángulo de abertura (θ) del dispositivo de ajuste de abertura (C), y una resistencia de tubería principal R(θ); y el dispositivo de control (CR) gira el dispositivo de ajuste de abertura (C) almenos una vez en una dirección de abertura durante el período de secado primario del material a secar introducido en la cámara de secado (DC) para cambiar temporalmente el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) en la dirección creciente, y calcular la temperatura media de la interfaz de sublimación, la temperatura de la parte inferior, y la tasa de sublimación del material a secar que prevalece durante el período de secado primario de acuerdo con la expresión relacional y los datos medidos sobre el ángulo de abertura (θ) del dispositivo de ajuste de abertura (C), el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC), y el grado de vacío (Pdt) en la trampa fría (CT), que se obtienen antes y después de una operación en una dirección de abertura del dispositivo de ajuste de abertura (C).

Description

DESCRIPCIÓN

Método de cálculo y dispositivo de cálculo para la temperatura de interfaz de sublimación, temperatura de la parte inferior y tasa de sublimación del material a secar en dispositivo de secado por congelación

Campo técnico

La presente invención se refiere a un método de cálculo y el dispositivo de cálculo para una temperatura de interfaz de sublimación, una temperatura de la parte inferior, y una tasa de sublimación de un material a secar, que se aplican a la optimización y monitorización de un proceso de secado en un dispositivo de secado por congelación de un líquido de materia prima para alimentos, productos farmacéuticos o similares hasta que se obtenga un producto que tenga un contenido de humedad predeterminado.

Técnica anterior

En general, los productos farmacéuticos y similares, se secan por congelación utilizando un dispositivo de secado por congelación, que es controlado automáticamente por un dispositivo de control, que introduce un gran número de bandejas, viales u otros contenedores llenos con un material a secar en una cámara de secado y secar el material a secar en cada contenedor hasta un contenido de humedad predeterminado. En el proceso de secado por congelación mencionado anteriormente para el material a secar, que se realiza mediante el dispositivo de secado por congelación, es importante para una monitorización adecuada y la optimización del proceso de secado que una temperatura media de la interfaz de sublimación de todo el material a secar llenado en un gran número de contenedores que se deben medir con precisión. Un método conocido convencionalmente para medir la temperatura de la interfaz de sublimación del material a secar durante un período de secado primario del proceso de secado por congelación inserta un termopar u otro sensor de temperatura en al menos uno del gran número de contenedores introducidos en la cámara de secado y mide directamente la temperatura del material a secar que llenado en el contenedor. El proceso de secado se monitoriza midiendo continuamente, desde el inicio de la congelación, la temperatura de una etapa de estantería (temperatura de estante) en la cámara de secado en la que se montan los contenedores que se llenan con el material a secar, el grado de vacío en el cámara de secado, y la temperatura de la interfaz de sublimación del material a secar (temperatura del producto).

Sin embargo, cuando la temperatura del producto se mide por el sensor de temperatura, se producen los siguientes problemas.

(1) La temperatura del producto medida por el sensor de temperatura es la temperatura de una porción de un material a secar en el que se inserta un elemento sensor de temperatura del sensor de temperatura. Esto no representa la temperatura del producto de todo el material a secar introducido en la cámara de secado.

(2) Como el sensor de temperatura no siempre se coloca en el mismo lugar, el grado de reproducibilidad es bajo.

(3) El grado de sobreenfriamiento del material a secar en el contenedor en el que se inserta el sensor de temperatura disminuye por la temperatura de nucleación y el crecimiento de cristales de hielo. Por tanto, el tamaño medio de los cristales de hielo aumenta para reducir la resistencia al vapor de agua de una capa seca, aumentando así la tasa de sublimación. Además, el material a secar se ve afectado por la entrada de calor radiante de una pared de la cámara de secado dependiendo de la posición de un estante en el que está montado el contenedor en el que se inserta el sensor de temperatura. Por lo tanto, el material a secar no representa todo el material a secar en los contenedores porque difiere en una velocidad de secado, por ejemplo, de un material a secar en un contenedor colocado en un lugar aparte de la pared de la cámara de secado.

(4) Como se describió anteriormente, el material a secar en el que se inserta el sensor de temperatura exhibe una alta velocidad de secado. Por lo tanto, si un momento en el que no hay diferencia entre la temperatura del producto del material a secar en el que se inserta el sensor de temperatura y la temperatura de estante se considera el criterio de valoración del secado primario, es posible que se pueda dejar hielo sobre el material a secar en un contenedor colocado en el centro del estante. En consecuencia, el material a secar puede introducirse en un proceso de secado secundario antes de sublimarse por completo y colapsar (volverse defectuoso e irrecuperable sin secarse a la sequedad requerida).

(5) Teniendo en cuenta la eficiencia del trabajo, el sensor de temperatura debe colocarse manualmente en un contenedor. Mientras tanto, en lo que respecta a la formulación estéril de un producto farmacéutico, se estipula que un contenedor parcialmente tapado debe manipularse en una importante zona de proceso. Sin embargo, de acuerdo con una autoridad reguladora, se produce un problema si una persona instala el sensor de temperatura inclinándose sobre un flujo laminar de grado A e inclinándose sobre una serie de contenedores. En consecuencia, en lo que respecta al menos a la formulación estéril de un producto farmacéutico, es difícil permitir que una persona entre en un área de grado A para colocar el sensor de temperatura en su lugar. En la actualidad, las directrices regulatorias de diversos países también estipulan normas estrictas relativas al proceso de carga de un contenedor parcialmente tapado lleno de una solución médica en el estante del dispositivo de secado por congelación. Dichas regulaciones señalan el riesgo de causar que el contenedor parcialmente tapado se contamine cuando se transporta manualmente o se transfiere al estante. En las circunstancias anteriores, se adopta una última tecnología para automatizar un proceso de transferencia del contenedor parcialmente tapado desde una máquina llenadora al estante del dispositivo de secado por congelación. Sin embargo, un dispositivo de carga automática no mide la temperatura del producto porque no puede medir la temperatura del producto en contenedores individuales. En una formulación estéril real de un producto farmacéutico, por lo tanto, las mediciones de temperatura del producto se realizan en los contenedores individuales durante la validación de tres lotes en una etapa de inicio de producción, y cuando se obtiene una evaluación del producto requerida a partir de los resultados de las mediciones, la producción posterior se lleva a cabo simplemente gestionando parámetros indicativos de la temperatura de estante y el grado de vacío.

Bajo las circunstancias anteriores, un método llamado el método MTM (medición manométrica de la temperatura) se propone convencionalmente. El método MTM realiza cálculos sobre los valores medidos de los otros parámetros para determinar la temperatura de la interfaz de sublimación del material a secar en lugar de medir directamente la temperatura de la interfaz de sublimación. Este método se aplica a un dispositivo de secado por congelación W que incluye una cámara de secado DC y una trampa fría CT como se muestra en la Figura 1. La cámara de secado DC es una cámara en la que se introduce el material a secar. La trampa fría CT condensa y atrapa el vapor de agua generado por el material a secar introducido en la cámara de secado DC. La cámara de secado DC se comunica con la trampa fría CT a través de una tubería principal que tiene una válvula principal MV. Durante el período de secado primario del material a secar, la válvula principal MV se cierra por un período de más de 10 segundos a intervalos de tiempo fijos para medir los cambios en el grado de vacío en la cámara de secado DC con un manómetro de vacío absoluto a una velocidad de medición de 1 segundo o menos. La temperatura de la interfaz de sublimación Ts y la resistencia al vapor de agua de la capa seca Rp se calculan a partir de los cambios medidos en el grado de vacío (consulte la literatura no patente 1).

Como se describió anteriormente, cuando un dispositivo de secado por congelación al vacío se activa para iniciar un proceso de secado primario con el material a secar introducido en la cámara de secado DC, el método MTM cierra periódicamente la válvula principal MV entre la cámara de secado DC y la trampa fría CT a intervalos de tiempo fijos para aislar la cámara de secado DC de la trampa fría CT. Esto inhibe temporalmente que la trampa fría CT condense y atrape el vapor de agua generado a partir del material a secar en la cámara de secado DC. Cuando la cámara de secado DC se aísla de la trampa fría CT, el vapor de agua sublimado del material a secar eleva rápidamente la presión en la cámara de secado DC a una presión de interfaz de sublimación del material a secar. Posteriormente, la presión de vacío en la cámara de secado aumenta con un aumento de la temperatura del producto. A continuación, se calcula la temperatura media de la interfaz de sublimación del material a secar a partir de los cambios en el grado de vacío en la cámara de secado. El grado de vacío en la cámara de secado debe medirse con un manómetro de vacío b que sea capaz de medir una presión absoluta. También es necesario recopilar datos a una velocidad de grabación rápida, es decir, en un período de 1 segundo o menos.

Sin embargo, el método MTM tiene los dos problemas siguientes.

(1) Cuando la válvula principal MV está completamente cerrada, la presión en la cámara de secado DC aumenta a la presión de la interfaz de sublimación o más, elevando así la temperatura de la interfaz de sublimación a una temperatura de colapso del material a secar o más. Por lo tanto, un producto seco puede colapsar, dando como resultado un secado por congelación fallido.

(2) Cuando se aplica el método MTM, la válvula principal MV debe abrirse y cerrarse instantáneamente. Sin embargo, cuando se utiliza una máquina de producción común, se necesitan varios minutos para abrir y cerrar la válvula principal MV. Esto complica el cálculo de la temperatura de la interfaz de sublimación. Además, cuando la válvula principal Mv se abre y se cierra con un retraso, el grado de vacío en la cámara de secado DC disminuye aún más. Esto también hace que el material a secar se pueda plegar fácilmente.

La figura 2 muestra un ejemplo de un resultado de monitorización de un proceso de secado por congelación realizado por el método MTM. El proceso de secado por congelación se realizó utilizando una solución acuosa de sacarosa al 5 % como material a secar. La temperatura de la interfaz de sublimación Ts del material a secar montado en el estante de la cámara de secado DC se calculó mediante el método MTM durante el período de secado primario. Además, para fines de verificación, se insertó un sensor de temperatura (termopar) en el material a secar en un vial colocado en un extremo del estante y en el material a secar en un vial colocado en el centro del estante para medir no solo la temperatura del producto Tm (lateral) al final del estante y la temperatura del producto Tm (centro) en el centro del estante, sino también la temperatura de estante (Th). Como es obvio en la Figura 2, la temperatura de la interfaz de sublimación Ts del material a secar que se calculó por el método MTM es sustancialmente igual a la temperatura del producto Tm (lado) al final del estante y la temperatura del producto Tm (centro) en el centro del estante, que fueron medidos por el sensor de temperatura. Esto indica que la temperatura de la interfaz de sublimación Ts del material a secar se puede medir con precisión utilizando el método MTM.

Los documentos US 2010/107436 A1, US 6 176 121 B1, JP 2008 128585 A y US 6971 187 B1 divulgan métodos y dispositivos para el cálculo de una temperatura de interfaz de sublimación, una temperatura de parte inferior y una tasa de sublimación de un material a secar en un dispositivo de secado por congelación que se basan en el método MTM o variaciones del mismo.

Lista de citas

Literatura no patente

Literatura no patente 1: Evaluation of Manometric Temperatura Measurement as a Method of Monitoring Product Temperatura During Lyophilization, PDA Journal of Pharmaceutical Science and Technology, 51(1)7-16 (1977)

Resumen de la invención

Problema técnico

Sin embargo, como es evidente a partir del resultado experimental que se muestra en la Figura 2, el método MTM disminuye el grado de vacío en la cámara de secado DC (aumenta la presión en la cámara de secado DC), mientras que la válvula principal MV está cerrada. Por lo tanto, la temperatura de la interfaz de sublimación Ts del material a secar aumenta durante tal proceso, haciendo así que el material a secar se pueda plegar fácilmente. Más específicamente, la Figura 2 indica que, en una etapa inicial del período de secado primario, la temperatura de estante Th se estableció en -20 °C, mientras que la temperatura de la interfaz de sublimación del material a secar, que fue calculada por el método MTM, no fue superior a -34 °C. Como la temperatura de colapso de la sacarosa es de -32 °C, el material a secar posiblemente no colapse en tal estado. Sin embargo, cuando la temperatura de estante se eleva a 0 °C después de un lapso de aproximadamente 21 horas desde el inicio del secado por congelación, la temperatura de la interfaz de sublimación del material a secar, que se calcula mediante el método MTM, se eleva a -30 °C. La figura 2 muestra que la temperatura de la interfaz de sublimación durante el período de secado primario se puede calcular mediante el método MTM. Sin embargo, el método MTM cierra repetidamente la válvula principal MV durante el período de secado primario como se describió anteriormente. Por lo tanto, el grado de vacío en la cámara de secado DC disminuye para elevar la temperatura del producto de 1 a 2 °C mientras la válvula principal MV está cerrada. En consecuencia, si la temperatura de la interfaz de sublimación del material a secar se acerca a la temperatura de colapso del material a secar mientras la válvula principal MV está cerrada, el material a secar puede colapsar. Además, el número de contenedores cuyo contenido se sublima aumenta para disminuir la cantidad de sublimación durante una etapa posterior de secado primario y un período de transición del secado primario al secado secundario. Por lo tanto, la temperatura de la interfaz de sublimación calculada disminuye rápidamente durante el uso del método MTM. Como resultado, los cambios de temperatura del producto no se pueden monitorizar durante la última etapa del secado primario y el período de transición del secado primario al secado secundario.

Si un producto seco se colapsa, este no puede ser de secado al vacío de nuevo de modo que las materias primas se desperdicien. En particular, en lo que respecta a los productos farmacéuticos cuyas materias primas son caras, se exige enérgicamente que se evite por completo el colapso de los materiales a secar.

La presente invención se ha realizado para resolver el problema descrito anteriormente con las tecnologías convencionales. Un objeto de la presente invención es proporcionar un método de cálculo y un dispositivo de cálculo para la temperatura media de la interfaz de sublimación, la temperatura de la parte inferior y la velocidad media de sublimación de todo el material a secar introducido en una cámara de secado de un dispositivo de secado por congelación sin contaminar o colapsar los materiales a secar.

Solución al problema

Con el fin de resolver el problema anterior, de acuerdo con la presente invención, se proporcionan dos métodos de cálculo para una temperatura de interfaz de sublimación, una temperatura de la parte inferior, y una tasa de sublimación de un material a secar en un dispositivo de secado por congelación que tiene una cámara de secado (DC) en la que se introduce el material a secar, una trampa fría (CT) para condensar y atrapar el vapor de agua generado a partir del material a secar introducido en la cámara de secado (DC), una tubería principal (a) para proporcionar comunicación entre la cámara de secado (DC) y la trampa fría (CT), una válvula principal (MV) para abrir y cerrar la tubería principal (a), medios de ajuste de vacío para ajustar el grado de vacío en la cámara de secado (DC), medios de detección de vacío para detectar una presión absoluta en la cámara de secado (DC) y una presión absoluta en la trampa fría (CT), y un dispositivo de control (CR) para controlar automáticamente las operaciones de la cámara de secado (DC), de la trampa fría (CT) y del medio de ajuste de vacío, en el que el dispositivo de control (CR) almacena una expresión relacional requerida y un programa de cálculo, acciona los medios de ajuste de vacío durante un período de secado primario del material a secar para cambiar temporalmente el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) en una dirección creciente, y calcula una temperatura media de la interfaz de sublimación, una temperatura media de la parte inferior y la tasa de sublimación del material a secar que prevalece durante el período de secado primario de acuerdo con la expresión relacional y con datos medidos que incluyan al menos el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) y el grado de vacío (Pdt) en la trampa fría (CT), que se obtienen antes y después del cambio temporal.

De acuerdo con el primer método de la presente invención, se proporciona el método de cálculo para la temperatura de la interfaz de la sublimación, la temperatura de la parte inferior, y la tasa de sublimación del material a secar como se describe en el aspecto antes mencionado, en el que el tubo principal (a) incluye un dispositivo de ajuste de abertura (C) como medio de ajuste de vacío; en el que la expresión relacional almacenada en el dispositivo de control describe la relación entre la tasa de sublimación (Qm) bajo carga de agua en un estado donde la válvula principal (MV) está completamente abierta, un ángulo (0 ) de abertura del dispositivo de ajuste de abertura (C), y una resistencia del tubo principal R(0 ); y en el que el dispositivo de control (CR) hace girar el dispositivo de ajuste de abertura (C) al menos una vez en una dirección de abertura durante el período de secado primario del material a secar introducido en la cámara de secado (DC) para cambiar el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) en la dirección creciente, y calcula la temperatura media de la interfaz de sublimación, la temperatura de la parte inferior y la tasa de sublimación del material a secar que prevalece durante el período de secado primario de acuerdo con la expresión relacional y los datos medidos sobre el ángulo (0) de abertura del dispositivo de ajuste de abertura (C), el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) y el grado de vacío (Pdt) en la trampa fría (CT), que se obtienen antes y después del giro en sentido de abertura del dispositivo de regulación de abertura (C).

De acuerdo con el segundo método de la presente invención, se proporciona el método de cálculo para la temperatura de la interfaz de la sublimación, la temperatura de la parte inferior, y la tasa de sublimación del material a secar como se describe en el aspecto antes mencionado, en el que la cámara de secado (DC) incluye un circuito de control de vacío (f) con una válvula de control de fugas (LV) como medio de ajuste de vacío; donde la expresión relacional almacenada en el dispositivo de control describe la relación entre la tasa de sublimación (Qm) bajo carga de agua en un estado donde la válvula principal (MV) está completamente abierta y un coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua (Cr) de la tubería principal (a); y en el que el dispositivo de control (CR) cierra la válvula de control de fugas (LV) al menos una vez durante el período de secado primario del material a secar introducido en la cámara de secado (DC) para cambiar el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) en la dirección creciente, y calcula la temperatura media de la interfaz de sublimación, la temperatura media de la parte inferior y la tasa de sublimación del material a secar que prevalece durante el período de secado primario de acuerdo con la expresión relacional y datos medidos sobre el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) y el grado de vacío (Pdt) en la trampa fría (CT), que se obtienen antes y después del cierre de la válvula de control de fugas (LV).

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporcionan dos dispositivos de cálculo para una temperatura de interfaz de sublimación, una temperatura de la parte inferior, y una tasa de sublimación de un material a secar en un dispositivo de secado por congelación que tiene una cámara de secado (DC) en el que se introduce el material a secar, una trampa fría (CT) para condensar y atrapar el vapor de agua generado a partir del material a secar introducido en la cámara de secado (DC), una tubería principal (a) para proporcionar comunicación entre la cámara de secado (DC) y la trampa fría (CT), una válvula principal (MV) para abrir y cerrar la tubería principal (a), medios de ajuste de vacío para ajustar el grado de vacío en la cámara de secado (Dc ), medios de detección de vacío para detectar una presión absoluta en la cámara de secado (DC) y una presión absoluta en la trampa fría (CT), y un dispositivo de control (CR) para controlar automáticamente las operaciones de la cámara de secado (DC), de la trampa fría (CT), y del medio de ajuste de vacío; y en el que el dispositivo de control (CR) acciona los medios de ajuste de vacío durante un período de secado primario del material a secar para cambiar temporalmente el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) en una dirección creciente, y calcula una temperatura media de la interfaz de sublimación, una temperatura media de la parte inferior y la tasa de sublimación del material a secar que prevalece durante el período de secado primario de acuerdo con la expresión relacional y con los datos medidos que incluyen al menos el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) y el grado de vacío (Pdt) en la trampa fría (CT), que se obtienen antes y después del cambio temporal.

De acuerdo con el primer dispositivo de la presente invención, se proporciona el dispositivo de cálculo para la temperatura de la interfaz de la sublimación, la temperatura de la parte inferior, y la tasa de sublimación del material a secar como se describe en el aspecto antes mencionado, en el que el tubo principal (a) incluye un dispositivo de ajuste de abertura (C) como medio de ajuste de vacío; en el que la expresión relacional almacenada en el dispositivo de control (CR) describe la relación entre la tasa de sublimación (Qm) bajo carga de agua en un estado donde la válvula principal (MV) está completamente abierta, un ángulo (0 ) de abertura del dispositivo de ajuste de abertura (C), y una resistencia del tubo principal R(0 ); y en el que el dispositivo de control (CR) hace girar el dispositivo de ajuste de abertura (C) al menos una vez en una dirección de abertura durante el período de secado primario del material a secar introducido en la cámara de secado (DC) para cambiar el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) en la dirección creciente, y calcula la temperatura media de la interfaz de sublimación, la temperatura de la parte inferior y la tasa de sublimación del material a secar que prevalece durante el período de secado primario de acuerdo con la expresión relacional y los datos medidos sobre el ángulo (0 ) de abertura del dispositivo de ajuste de abertura (C), el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) y el grado de vacío (Pdt) en la trampa fría (CT), que se obtienen antes y después del giro en sentido de abertura del dispositivo de regulación de abertura (C).

De acuerdo con el segundo dispositivo de la presente invención, se proporciona el dispositivo de cálculo para la temperatura de la interfaz de la sublimación, la temperatura de la parte inferior, y la tasa de sublimación del material a secar como se describe en el aspecto antes mencionado, en el que la cámara de secado (DC) incluye un circuito de control de vacío (f) con una válvula de control de fugas (LV) como medio de ajuste de vacío; en el que la expresión relacional almacenada en el dispositivo de control (CR) describe la relación entre la tasa de sublimación (Qm) bajo carga de agua en un estado donde la válvula principal (MV) está completamente abierta y un coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua (Cr) de la tubería principal (a); y en el que el dispositivo de control (CR) cierra la válvula de control de fugas (LV) al menos una vez durante el período de secado primario del material a secar introducido en la cámara de secado (DC) para cambiar el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) en la dirección creciente, y calcula la temperatura media de la interfaz de sublimación, la temperatura media de la parte inferior y la tasa de sublimación del material a secar que prevalece durante el período de secado primario de acuerdo con la expresión relacional y datos medidos sobre el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) y el grado de vacío (Pdt) en la trampa fría (CT), que se obtienen antes y después del cierre de la válvula de control de fugas (LV ).

Efectos ventajosos de la invención

La presente invención activa los medios de ajuste de vacío durante el período de secado primario del material a-ser secado para cambiar temporalmente el grado de vacío en la cámara de secado y calcula la temperatura media interfaz de sublimación, la temperatura media de la parte inferior, y la tasa de sublimación del material a secar que prevalece durante el período de secado primario de acuerdo con los datos medidos, incluyendo al menos el grado de vacío en la cámara de secado y el grado de vacío en la trampa fría, que se obtienen antes y después del cambio temporal. Por lo tanto, el grado de vacío en la cámara de secado cambia para aumentar por encima de un valor de control de vacío cuando se recopilan los datos medidos. A medida que esto disminuye la temperatura de la interfaz de sublimación, es posible evitar completamente el riesgo de colapso del material a secar.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es un diagrama que ilustra la configuración de un dispositivo de secado por congelación que se aplica a una situación en la que la temperatura de la interfaz de sublimación de un material a secar se calcula mediante un método MTM convencional.

La figura 2 es un gráfico que ilustra los problemas del método MTM.

La figura 3 es un diagrama que ilustra la configuración de un dispositivo de secado por congelación al que se aplican un método de cálculo y un dispositivo de cálculo para un sistema de control de vacío de abertura de la trayectoria de flujo de acuerdo con una primera realización.

La figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra el sistema de control de vacío de abertura de la trayectoria de flujo. La figura 5 es un gráfico que ilustra la relación dependiente de la carga de agua entre la abertura q de un dispositivo de ajuste de abertura y una resistencia de tubería principal R que está determinada por el método de cálculo y el dispositivo de cálculo para el sistema de control de vacío de abertura de la trayectoria de flujo de acuerdo con la primera realización.

La figura 6 es un diagrama que ilustra la configuración de un dispositivo de secado por congelación al que se aplican un método de cálculo y un dispositivo de cálculo para un sistema de control de vacío del tipo de fugas de acuerdo con una segunda realización.

La figura 7 es un diagrama de flujo que ilustra el sistema de control de vacío de fugas.

La figura 8 es un diagrama que ilustra la configuración de una máquina experimental que se usa para calcular la temperatura de la interfaz de sublimación, la temperatura de la parte inferior y la tasa de sublimación del material a secar.

La figura 9 es un gráfico que ilustra la relación dependiente de la carga de agua con un coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr de una trayectoria de flujo de tubería principal que se determina mediante el método de cálculo y el dispositivo de cálculo para el sistema de control de vacío de fugas de acuerdo con la segunda realización. La figura 10 es un gráfico que ilustra la comparación de efectos ventajosos entre la presente invención y el método MTM.

Descripción de realizaciones

El método de cálculo y el dispositivo de cálculo para una temperatura de interfaz de sublimación, una temperatura de la parte inferior, y una tasa de sublimación de un material a secar que se aplica a un dispositivo de secado por congelación de acuerdo con la presente invención ahora serán descritos junto con realizaciones específicas.

Primera realización

El método de cálculo y el dispositivo de cálculo de acuerdo con una primera forma de realización se aplican a un dispositivo de secado por congelación de un tipo de control de abertura de vacío trayectoria de flujo que incluye un dispositivo de ajuste de abertura (amortiguador) para ajustar el grado de vacío en una cámara de secado. El dispositivo de ajuste de abertura está dispuesto en una tubería principal que conecta la cámara de secado a una trampa fría.

Más específicamente, como se muestra en la Figura 3, un dispositivo de secado al vacío W1 de acuerdo con la primera realización incluye principalmente una cámara de secado de CC en el que se introduce un material a secar, una trampa fría CT para condensar y el vapor de agua de la trampa generado a partir del material a secar introducido en la cámara de secado DC mediante el uso de una bobina de trampa Ct, una tubería principal a para proporcionar comunicación entre la cámara de secado DC y la trampa fría CT, una válvula principal Mv para abrir y cerrar la tubería principal a, un dispositivo de ajuste de abertura tipo compuerta C dispuesto en la tubería principal a, una válvula de succión V anexa a la trampa fría CT, una bomba de vacío P conectada a la válvula de succión V, un manómetro de vacío b para detectar una presión absoluta en la cámara de secado DC y una presión absoluta en la trampa fría CT, y un dispositivo de control CR para controlar automáticamente las operaciones de los elementos antes mencionados. En la presente realización, un panel de control que tiene un secuenciador PLC y un registrador e se usa como dispositivo de control CR. El Secuenciador PLC almacena de antemano un programa de cálculo requerido y una expresión relacional que describe la relación entre la tasa de sublimación Qm bajo carga de agua en un estado donde la válvula principal Mv está completamente abierta, un ángulo 0 de abertura del dispositivo de ajuste de abertura C, y una resistencia del tubo principal R(0). Un ordenador personal en el que se registran el programa de cálculo anterior y la expresión relacional se puede utilizar como dispositivo de control CR en lugar del panel de control. Además, se puede proporcionar un manómetro de vacío diferencial para detectar la diferencia entre la presión absoluta en la cámara de secado DC y la presión absoluta en la trampa fría CT en lugar del manómetro de vacío b para detectar la presión absoluta en la cámara de secado DC y en la trampa fría CT. El ángulo 0 de abertura es el ángulo de rotación del dispositivo de ajuste de abertura C desde un estado completamente abierto (0 °).

Cuando la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts de la temperatura media de la parte inferior Tb y la tasa de sublimación Qm del material secar introducido en la cámara de secado DC durante un periodo de secado primario se han de calcular el dispositivo de control CR una temperatura media interfaz de sublimación Ts, gira el dispositivo de ajuste de abertura C, al menos una vez en una dirección de abertura como se muestra en la Figura 4 para cambiar el grado de vacío en la cámara de secado DC en una dirección creciente durante cada operación y obtiene datos medidos sobre el ángulo q de abertura del dispositivo de ajuste de abertura C, el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC, y el grado de vacío Pdt en la trampa fría CT, que prevalecen antes y después del giro de la dirección de abertura del dispositivo de ajuste de abertura C.

<Método de cálculo de la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts>

Cuando el grado de vacío PDC en la cámara de secado DC se cambia en la dirección creciente, la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts de todo el material a secar se puede calcular de la siguiente manera a partir de los datos medidos sobre el cambio en el grado de vacío.

En primer lugar, la tasa de flujo (tasa de sublimación) Qm de vapor de agua que se mueve desde una interfaz de sublimación a la cámara de secado a través de una capa seca del material a secar se determina mediante la siguiente ecuación cuando una presión de la interfaz de sublimación es Ps (Pa), el grado de vacío en la cámara de secado es Pdc (Pa) y la resistencia a la transferencia de vapor de agua de la capa seca del material a secar es Rp (Kpa-S/Kg).

Qm = dm/dt = (Ps - Pdc)/Rp

Si, antes de que el grado de vacío PDC en la cámara de secado DC se cambia en la dirección creciente, la tasa de flujo de vapor de agua es QM1, la presión de interfaz de sublimación es PS1, y el grado de vacío en la cámara de secado DC es PDC1, y si, después de que el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC cambia en la dirección creciente, el caudal de vapor de agua es Qm2, la presión de la interfaz de sublimación es Ps2 y el grado de vacío en la cámara de secado DC es Pdc2, el caudal de vapor de agua Qm1 antes de que el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC cambie en la dirección creciente se expresa mediante la siguiente ecuación.

Qm1 =3.6 x Ps1 - Pdc1)/Rp

La tasa de flujo de vapor agua QM2 después de que el grado de vacío PDC en la cámara de secado DC se cambia en la dirección creciente se expresa por la siguiente ecuación.

Qm2 = 3.6 x (Ps2 - Pdc2)/Rp

Como PDC2 es inferior a PDC1, la temperatura de la interfaz de sublimación Ts disminuye después de que el grado de vacío PDC en la cámara de secado DC se cambia.

En otras palabras, si la relación entre la tasa de sublimación Qm antes de que el grado de vacío PDC en la cámara de secado DC se cambie en la dirección de aumento y la tasa de sublimación Qm después de que el grado de vacío PDC en la cámara de secado DC se cambie en la dirección creciente es C, la siguiente ecuación se obtiene a partir de la ecuación anterior.

C = Qm1/Qm2 = (Ps1 - Pdc1)/(Ps2 - Pdc2)

Si Ps1 = Ps y Ps2 = Ps - APs, se obtienen las siguientes ecuaciones.

C = (Ps - Pdc1)/(Ps - APs - Pdc2)

Ps - C x Ps = Pdc1 - C x (APs Pdc2)

Ps - [C x (Pdc2+APs) - Pdc1]/(C-1)

donde APs es una disminución en la presión de la interfaz de sublimación que se produce cuando la temperatura de la interfaz de sublimación disminuye mientras que el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC cambia en la dirección creciente.

Además, cuando la ecuación de Clausius-Clapeyron LNPS = 28.91 - 6144.96/Ts se diferencia, se obtiene la ecuación APs/Ps = 6144.96 x ATs/Ts2 A partir de esta ecuación, se obtiene la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts = 6144.96/(28.911 - LnPs)-273.15.

En cuanto a las tasas de sublimación QM1, QM2, que prevalecen antes o después de que el grado de vacío PDC en la cámara de secado DC se cambie en la dirección creciente, se miden con precisión a intervalos fijos durante el período de secado primario, las ecuaciones de cálculo anterior permiten calcular la temperatura media de la interfaz de sublimación de todo el material a secar.

<Método de cálculo de la temperatura media de la parte inferior Tb>

La temperatura media de la parte inferior Tb de todo el material a secar durante el período de secado primario y el período de transición de secado primario a secado secundario se puede calcular como sigue.

En primer lugar, la cantidad de entrada de calor Qh desde un estante al fondo de un contenedor debido a la conducción gaseosa se calcula mediante la siguiente ecuación.

Qh = Ae x K x (Th - Tb)

donde Ae es un área de transferencia de calor efectiva (m2), K es un coeficiente de transferencia de calor desde el estante hasta el fondo del contenedor debido a la conducción gaseosa, Th es la temperatura de estante (C°) y Tb es la temperatura de la parte inferior (C°).

El área eficaz de transferencia de calor Ae se puede calcular de la ecuación Ae = 2/(1/Av 1/At).

El coeficiente K (W/m2°C) de transferencia de calor desde el estante a la parte inferior del contenedor debido a la conducción gaseoso es K = 16.86/(8 2.12 x 29 x 0.133/PDC).

En la ecuación para calcular el área efectiva de transferencia de calor Ae, Av es el área de la parte inferior (m2) del contenedor y At es un área del marco de la bandeja (m2).

El área de la parte inferior del contenedor Av se puede calcular de la ecuación Av = n/4 x n1 x d2(n1 es el número de viales y d es un diámetro del vial). El área del marco de la bandeja At se puede calcular a partir de la ecuación At = n2 x W x L (n2 es el número de marcos, W es el ancho del marco y L es la longitud del marco).

En la ecuación para calcular el coeficiente K de transferencia de calor desde el estante a la parte inferior del contenedor debido a la conducción gaseosa, 8 es un espacio entre las partes inferiores de los contenedores y expresado en unidades de mm.

Mientras tanto, la cantidad de entrada de calor radiante Qr de una pared de la cámara de secado para todos los contenedores se determina por la ecuación siguiente.

Qr = 5.67 x e x Ae x [(Tw/100)4 - (Tb/100)4]

donde e es un coeficiente de radiación, Tw es la temperatura de la pared de la cámara de secado y Tb es la temperatura de la parte inferior.

Además, la cantidad de entrada de calor radiante Qr de la pared de la cámara de secado para todos los contenedores puede ser calculada aproximadamente a partir de la ecuación siguiente.

Qr = Ae x Kr x (Tw - Tb)

donde Kr es un coeficiente de transferencia de calor equivalente proporcionado por la entrada de calor radiante y puede aproximarse a 0.7 W/m2°C en una máquina de prueba y a 0.2 W/m2°C en una máquina de producción.

A partir de la relación entre la cantidad de entrada de calor y el calor latente de sublimación, se establece la siguiente ecuación.

Qm x AHs 3.6 x [Ae x K x (Th - Tb) Ae x Kr x (Tw - Tb)]

donde AHs es el calor latente de sublimación e igual a 2850 KJ/Kg.

La temperatura media de la parte inferior del material a secar se puede calcular a partir de la siguiente ecuación.

Tb = [K x Th Kr x Tw - (Qm x AHs)/(3.6 x Ae)]/(K Kr)

En consecuencia, cuando la tasa de sublimación Qm se mide durante el período de secado primario y el período de transición de secado primario a secado secundario, las ecuaciones de cálculo anteriores hacen posible calcular la temperatura media de la parte inferior Tb de la totalidad del material a secar.

<Método de cálculo de la tasa de sublimación Qm>

La tasa de sublimación Qm se calcula a partir del grado de vacío PDC en la cámara de secado y el grado de vacío PCT en la trampa fría, que se miden, respectivamente, con un manómetro de vacío B anexado a la cámara de secado DC del dispositivo de secado por congelación W1 y con un manómetro de vacío b anexado a la trampa fría CT. El uso de este método elimina la necesidad de proporcionar un costoso instrumento de medición que no sea el manómetro de vacío. Por lo tanto, la tasa de sublimación Qm se puede calcular fácilmente a bajo costo.

A continuación, se describirá el método para calcular la tasa de sublimación Qm de acuerdo con la primera realización.

Como se ha descrito anteriormente, el vapor de agua sublimada desde la interfaz de sublimación de los flujos de material a secar de la cámara de secado DC a la trampa fría CT a través de la tubería principal A y se condensa y atrapa por bobina de trampa Ct. Cuando se ejerce el control de vacío de abertura de la trayectoria de flujo, Pct/Pdc < 0.53. Por tanto, el flujo de vapor de agua en la tubería principal a es un flujo en chorro. Por lo tanto, cuando la resistencia de la tubería principal es R, la tasa Qm de sublimación del material a secar se puede calcular a partir de la siguiente ecuación.

Qm = 3.6 x Pdc/R

Si, en el ejemplo anterior, se cambia la tasa de sublimación a partir del material a secar, el grado de vacío en la cámara de secado, y la principal resistencia de la tubería antes de que el grado de vacío PDC en la cámara de secado DC se cambie en la dirección creciente son Qm1, Pdc1 y R (01), respectivamente, y si la tasa de sublimación del material a secar, el grado de vacío en la cámara de secado y la resistencia de la tubería principal después del grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC se cambia en la dirección creciente son Qm2, Pdc2 y R (02), respectivamente, se obtienen las siguientes ecuaciones.

Qm1 = 3.6 x Pdc1/R(01)

Qm2 = 3.6 x Pdc2/R(02)

La resistencia de la tubería principal R se determina mediante la medición o cálculo de la cantidad de la sublimación del material a secar que ocurre bajo carga de agua. Cuando se determina la resistencia de la tubería principal R, la tasa de sublimación Qm se puede determinar a partir de los datos medidos alrededor del grado de vacío Pdc en la cámara de secado y el grado de vacío Pct en la trampa fría.

Más específicamente, cuando el dispositivo de secado por congelación W1 mostrado en la Figura 4 se activa con el material a secar introducido en la cámara de secado DC para llevar a cabo un proceso de secado con el conjunto de la temperatura de estante en Th y con el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC ajustado a un valor de control con el dispositivo de ajuste de abertura C, el dispositivo de ajuste de abertura C se gira para aumentar el grado de vacío en la cámara de secado DC a intervalos de tiempo fijos (a intervalos de 0.5 o 1 hora) durante el período de secado primario del material a secar. El ángulo 0 de abertura del dispositivo de ajuste de abertura C, el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC y el grado de vacío Pct en la trampa fría CT se registran con el registrador e antes y después de la rotación del dispositivo de ajuste de abertura C. Los datos medidos registrados son adquiridos por el secuenciador (PLC). A continuación, se realizan los siguientes pasos de acuerdo con el programa de cálculo almacenado en el secuenciador (PLC) para calcular la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts, la temperatura media de la parte inferior Tb y la tasa de sublimación Qm de todo el material a secar.

(1) Se calcula la diferencia de presión AP entre los grados de vacío Pdc1, Pdc2 en la cámara de secado y entre los grados de vacío Pct1, Pct2 en la trampa fría que se determinan antes y después de que se cambia el grado de vacío en la cámara de secado DC en la dirección creciente.

(2) Se calcula la resistencia de la tubería principal R1, R2 antes y después de que se cambia el grado de vacío en la cámara de secado DC en la dirección creciente a partir de la relación entre la resistencia de la tubería principal R(0) medida bajo carga de agua y el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C.

(3) Cuando se calculan Pct/Pdc < 0.53, es decir, cuando el flujo de vapor de agua en la tubería principal a es un flujo de chorro, se calculan las ecuaciones Qm1 = 3.6 x Pdc1/R1, Qm2 = 3.6 x Pdc2/R2, y C = Qm1/Qm2.

(4) De acuerdo con los resultados de los cálculos anteriores, se calcula la presión de interfaz de sublimación Ps = [C x (Pdc2 APs)-Pdc1]/(C-1). APs es una disminución en la presión de interfaz de sublimación debido a que ocurre una disminución en la temperatura de interfaz de sublimación cuando se abre el dispositivo de ajuste de abertura C. Se determina APs, como se explicó anteriormente, cuando se sustituye la reducción de la temperatura de interfaz de sublimación ATs provocada al abrir el dispositivo de ajuste de abertura C en la ecuación APs/Ps = 6144.96 x ATs/Ts2, que se obtiene al diferenciar la ecuación de Clausius-Clapeyron LnPs = 28.91 - 6144.96/Ts.

(5) Se sustituye una constante de hielo en la ecuación de Clausius-Clapeyron para calcular la temperatura de interfaz de sublimación Ts = 6144.96/(28.911 - LnPs) - 273.15.

(6) Se calcula la tasa de sublimación Qm (Kg/h) = 3.6 x Pdc1/R1.

(7) Se calcula a temperatura de la parte inferior Tb = [K x Th Kr x Tw - (Qm XA Hs)/(3.6 x Ae)]/(K Kr).

En el dispositivo de secado por congelación W1 del tipo de control de vacío de abertura de ruta de flujo, la resistencia de la tubería principal R(0) de vapor de agua que fluye a través del dispositivo de ajuste de abertura C y la tubería principal a para proporcionar la comunicación entre la cámara de secado DC y se expresa la trampa fría CT por la ecuación R(0) = (Pdc - Pct)/Qm. Adicionalmente, el flujo de vapor de agua es un flujo de chorro cuando Pct/Pdc < 0.53. Por lo tanto, se puede calcular la resistencia de la tubería principal R(0) por la ecuación R(0) = Pdc/Qm. El método de cálculo se describe adelante.

(1) A partir de la ecuación de cálculo de flujo viscoso de caída de presión Pdc - P1 = Cr x p x u2/2, se puede calcular la resistencia R1(0) en la entrada de la tubería principal a y en la válvula principal MV y la tubería principal a por las ecuaciones Pdc - P1 = K1(0) x Qm y R1(0) = Cr x R x T/(2 x Pdc x M x A02) x Qm.

(2) Con respecto a la resistencia R2(0) del dispositivo de ajuste de abertura C, un flujo de chorro resulta cuando la relación de presión Pct/Pl a través del dispositivo de ajuste de abertura C es 0.53 o menos. Por lo tanto, la ecuación de cálculo para el flujo de chorro es Qm = p x A' x u'.

donde u' es la velocidad del sonido local e igual a (K x R x T/M)1/2, y A' es un área de contracción e igual a 0.6 a 0.7 x A. Así, si R2(0) = (R x T/(K x M))1/2/A', se puede volver a escribir la ecuación de cálculo para el flujo de chorro como Qm = P1 x A' x [K x M/(R x T)]1/2 = P1/R2 (0).

(3) Mientras tanto, la resistencia de la tubería principal R(0) se expresa mediante la siguiente ecuación.

R(0) = R1(0) R2(0)

= [[CO (R2(0)/2)2]1/2 R2(0)/2

donde CO = Cr x R x T/(2 x Pdc x M x A02) = 3408.65, y R2(0) = 2223.7/A.

Si D es el diámetro interno de la tubería principal a, d1 es el diámetro del dispositivo de ajuste de abertura C, y t es el grosor del dispositivo de ajuste de abertura C, se calcula el área de la sección transversal A(cm2) del dispositivo de ajuste de abertura C por la ecuación A = 0.01 x (n x D2/4 - d1 x t x cos0 - n x d12/4 x sen0).

Los resultados del cálculo obtenidos en el caso anterior se muestran en la Tabla 1 a continuación.

Tabla 1: Resultados del cálculo de la resistencia de la tubería principal R(0)

<Derivación de una expresión relacional entre el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C y la resistencia de la tubería principal R(0)>

Antes de que se calculen la temperatura de interfaz de sublimación Ts y la tasa de sublimación Qm, la tasa de sublimación Qm (Kg/h), el grado de vacío Pdc en la cámara de secado, y el grado de vacío Pct en la trampa fría se miden bajo carga de agua para obtener la expresión relacional entre el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C y la resistencia de la tubería principal R(0). El método es para montar un sensor de temperatura del producto en la parte inferior de una bandeja, verter agua en la bandeja, congelar a una temperatura de - 40 °C, establecer la temperatura de estante durante el período de secado primario, ejercer control para cambiar secuencialmente el grado de vacío en la cámara de secado desde 26.7 Pa hasta 6.7 Pa, medir la temperatura de estante Th y la temperatura de la parte inferior Tb, registrar la presión Pdc en la cámara y la presión CT Pct al utilizar un manómetro de vacío absoluto, y también medir el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C en cada valor de control de vacío.

La resistencia de la tasa de sublimación Qm (Kg/h) puede ser determinada por dos métodos diferentes. Un método es para determinar la cantidad de sublimación a partir de la diferencia entre el peso del material a secar antes de la sublimación y el peso del material a secar después de la sublimación. El otro método es realizar un análisis de acuerdo con una cantidad calculada de entrada de calor. Cuando se va a realizar el análisis, el método calcula el coeficiente a de transferencia de calor desde el estante hasta la parte inferior de la bandeja de acuerdo con el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC, calcula la cantidad de flujo de calor a la parte inferior de la bandeja al utilizar la ecuación Q = A1 X a X (Th - Tb), y determina la tasa de sublimación Qm a partir de la ecuación Qm = Q/2850 ya que el calor latente de sublimación del hielo es 2850 KJ/Kg. Esto hace posible obtener la expresión relacional entre el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C y la resistencia del tubo principal R(0 ).

Posteriormente, en cuanto al ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura de C, se miden y registran el grado de vacío PDC en la cámara de secado DC, y el grado de vacío del PCT en la trampa fría CT cuando se seca por congelación el material a secar de acuerdo con un programa de secado por congelación, la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts, la temperatura media de la parte inferior Tb y la tasa de sublimación Qm durante todo el período de secado primario se pueden monitorizar a partir de la expresión relacional mencionada anteriormente entre el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C y la resistencia de la tubería principal R(0 ), que se deriva de una medición de la carga de agua, sin medir la temperatura del producto de cada recipiente.

Primera realización

El método de cálculo y el dispositivo de cálculo de la temperatura de interfaz de sublimación Ts y la tasa de sublimación Qm del material a secar que se aplica al dispositivo de secado por congelación del tipo de control de vacío de abertura de ruta de flujo de acuerdo con la primera La realización se describirá ahora con más detalle.

<Derivación de la expresión relacional entre el ángulo de abertura del dispositivo de ajuste de abertura y la resistencia de la tubería principal>

En primer lugar, se realizó una prueba de carga de agua para obtener la expresión relacional entre el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C y la resistencia de la tubería principal R(0 ). Se introdujo una bandeja llena de agua en la cámara de secado DC del dispositivo de secado por congelación W1 y se inició un proceso de secado predeterminado bajo el control del dispositivo de control CR. El agua de la bandeja se congeló a una temperatura de - 45 °C. La temperatura de estante Th se fijó en - 20 °C durante el período de secado primario. Se realizó un control para ajustar el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC a 4 Pa, 6.7 Pa, 10 Pa, 13.3 Pa, 20 Pa, 30 Pa, 40 Pa y 60 Pa en secuencia. Cada grado de vacío se mantuvo durante tres horas. La prueba de carga de agua se realizó en un total de ocho casos. En la prueba de carga de agua en cada una de las ocho cajas, se midió y registró el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C, la temperatura de estante Th, la temperatura del hielo Tb de la parte inferior de la bandeja, el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC, y el grado de vacío Pct en la trampa fría CT.

La tasa de sublimación Qm (Kg/h) de hielo se determinó al medir la cantidad de sublimación y realizar cálculos de la cantidad de entrada de calor para obtener la expresión relacional entre el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C y la resistencia de la tubería principal R(0 ). La Tabla 2 y la Figura 5 muestran la relación entre el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C y la resistencia calculada de la tubería principal R(0 ) y la relación entre el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C y la resistencia de la tubería principal medida R(0 ).

Tabla 2: Comparación entre el valor calculado y el valor medido de la resistencia de la tubería principal R(0 ).

A continuación, una ecuación para el cálculo de la resistencia de la tubería principal R(0 ) y una ecuación para calcular el área A de sección transversal (cm2) del dispositivo de ajuste de abertura C se determinaron como sigue a partir de la Figura 5.

R(0) = [3408.65 (2223.7/A)2]1/2 2223.7/A

A = 0.01 x (n x D2/4 - d i x t x cos0 - n x d12/4 x sen0)

donde D es el diámetro interno de la tubería principal a, d i es el diámetro del dispositivo de ajuste de abertura C, y t es el grosor del dispositivo de ajuste de abertura C.

Cuando la prueba de carga de agua se lleva a cabo al realizar el procedimiento anterior, se obtiene la expresión relacional entre el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura de C, la resistencia de la tubería principal R(0 ), y la tasa de sublimación Qm.

<Cálculo de la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts, la temperatura del producto Tb y la tasa de sublimación Qm>

A continuación, se realizó una prueba de secado por congelación con una carga real para calcular la temperatura media de la interfaz de sublimación de todo el material a secar. Se utilizó manitol (fórmula molecular: C6H14O6) como el material a secar. Se introdujeron un total de 660 frascos en los que se suministró una solución acuosa de manitol al 10 % en la cámara de secado DC del dispositivo de secado por congelación W1. Se inició un proceso de secado predeterminado bajo el control del dispositivo de control CR. Con el fin de verificar la idoneidad del dispositivo de cálculo y el método de cálculo de acuerdo con la presente invención, se insertó un sensor de temperatura del producto en tres frascos colocados en el centro del estante para medir la temperatura del producto del material a secar (manitol) suministrado en los frascos. La solución se congeló durante 3 horas a - 45 °C. La temperatura de estante Th se fijó en - 10 °C durante el período de secado primario. Adicionalmente, el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C se ajustó de modo que el material a secar se seca por congelación mientras que el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC era de 13.3 Pa. Durante el período de secado primario, el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C se hizo girar en la dirección de abertura durante 120 segundos a intervalos de 30 minutos. Se midieron, calcularon y registraron los grados de vacío Pdc1, Pdc2 en la cámara de secado DC, los ángulos de abertura 01, 02 del dispositivo de ajuste de abertura C, las áreas de sección transversal A1, A2 de la tubería principal, las resistencias de la tubería principal R1, R2 y las tasas de sublimación Qm1, Qm2, que prevalecieron antes o después del cambio en el ángulo de abertura 0, así como la relación C entre las tasas de sublimación Qm1, Qm2, la presión de interfaz de sublimación Ps, la temperatura de interfaz de sublimación Ts y la temperatura real del producto Tm. La Tabla 3 muestra los resultados de la medición/cálculo.

Como es evidente de la Tabla 3, se obtuvieron los siguientes resultados.

(1) Cuando transcurrió 1 hora desde el inicio del secado, el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C se rotó en la dirección de abertura durante 120 segundos para cambiar el ángulo 0 desde 70.794 ° hasta 57.195 ° y cambiar el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC desde 13.31 Pa hasta 7.53 Pa. La temperatura de interfaz de sublimación calculada Ts fue - 31.1 °C. La temperatura del producto medida Tb fue -28.6 °C. La tasa de sublimación Qm fue 0.137 Kg/h.

(2) Cuando transcurrió 1 hora y 30 minutos desde el inicio del secado, el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C se cambió desde 71.37 ° hasta 57.78 ° y el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC se cambió desde 13.26 Pa hasta 7.26 Pa. La temperatura de interfaz de sublimación calculada Ts fue - 30.1 °C. La temperatura del producto medida Tb fue - 27.7 °C. La tasa de sublimación Qm fue 0.131 Kg/h.

(3) Cuando transcurrieron 5 horas desde el inicio del secado, el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C se cambió desde 74.349 ° hasta 60.705 ° y el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC se cambió desde 13.32 Pa hasta 6.52 Pa. La temperatura de interfaz de sublimación calculada Ts fue - 27.2 °C. La temperatura del producto medida Tb fue - 24.0 °C. La tasa de sublimación Qm fue 0.107 Kg/h.

(4) Cuando transcurrieron 10 horas desde el inicio del secado, el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C se cambió desde 76.878 ° hasta 63.288 ° y el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC se cambió desde 13.32 Pa hasta 6.02 Pa. La temperatura de interfaz de sublimación calculada Ts fue - 24.5 °C. La temperatura del producto medida Tb fue - 21.7 °C. La tasa de sublimación Qm fue 0.089 Kg/h.

La temperatura de interfaz de sublimación calculada Ts fue de aproximadamente 2.1 a 3.5 °C más baja que la temperatura del producto medido. Esta diferencia de temperatura es equivalente a la diferencia de temperatura entre la temperatura de interfaz de sublimación Ts y la temperatura de la parte inferior del recipiente Tb.

Como se describió anteriormente, el método de cálculo y el dispositivo de cálculo de acuerdo con las presentes realización rota el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C en la dirección de abertura a intervalos de tiempo fijos durante el periodo de secado primario con respecto a un valor de control de vacío para cambiar el grado de vacío en la cámara de secado DC en la dirección creciente. Por tanto, se demuestra que la temperatura media de la interfaz de sublimación de todo el material a secar, la temperatura media de la parte inferior y la tasa de sublimación se pueden calcular al medir el ángulo de abertura 0 del dispositivo de ajuste de abertura C, el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC, y el grado de vacío Pct en la trampa fría CT antes y después del cambio en el grado de vacío. Por lo tanto, el criterio de valoración del secado primario se puede monitorizar de manera más precisa y segura que cuando la temperatura del producto del material a secar introducido en la cámara de secado DC se mide directamente con un sensor de temperatura. Adicionalmente, la temperatura del producto (valor medido) disminuye en aproximadamente 0.5 °C durante un período durante el cual el dispositivo de ajuste de abertura C rota en la dirección de abertura. En marcado contraste con el método MTM convencional, la presente realización no eleva la temperatura de interfaz de sublimación del material a secar al degradar el grado de vacío en la cámara de secado cuando se calcula la temperatura de interfaz de sublimación Ts. Por tanto, se demuestra que se puede evitar por completo el riesgo de colapso del material a secar.

[Segunda realización]

El método de cálculo y el dispositivo de cálculo de acuerdo con una segunda realización se aplican a un dispositivo de secado por congelación de un tipo de control de fuga de vacío que incluye una válvula de fuga para ajustar el grado de vacío en la cámara de secado. La válvula de fuga se suministra en la cámara de secado.

Más específicamente, como se muestra en la Figura 6, un dispositivo de secado al vacío W2 de acuerdo con la segunda realización incluye principalmente una cámara de secado DC en la que se introduce un material a secar, una trampa fría CT para condensar y atrapar el vapor de agua generado a partir del material a secar introducido en la cámara de secado DC mediante el uso de una bobina de trampa Ct, una tubería principal a para proporcionar comunicación entre la cámara de secado DC y la trampa fría CT, una válvula principal MV para abrir y cerrar la tubería principal a, un circuito de control de vacío f con una válvula de control de fugas LV conectada a la cámara de secado DC, una válvula de succión V anexa a la trampa fría CT, una bomba de vacío P conectada a la válvula de succión V, un manómetro de vacío b para detectar una presión absoluta en la cámara de secado DC y una presión absoluta en la trampa fría CT, y un dispositivo de control CR para controlar automáticamente las operaciones de los elementos mencionados anteriormente. En la presente realización, se utiliza un panel de control que tiene un secuenciador PLC y un registrador e como dispositivo de control CR. El secuenciador PLC almacena de antemano un programa de cálculo requerido y una expresión relacional que describe la relación entre la tasa de sublimación Qm bajo carga de agua en un estado donde está completamente abierta la válvula principal MV y el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr en la tubería principal. a. En los otros aspectos, el dispositivo de secado por congelación W2 de acuerdo con la presente realización es el mismo que el dispositivo de secado por congelación W1 de acuerdo con la primera realización. Por lo tanto, los elementos similares se designan con los mismos signos de referencia y no se describirán de forma redundante.

Cuando se van a calcular una temperatura media de la interfaz de sublimación Ts, temperatura media de la parte inferior Tb, y tasa de sublimación Qm del material a secar introducido en la cámara de secado DC durante un periodo de secado primario, el dispositivo de control CR cierra la válvula de control de fugas LV al menos una vez y la mantiene cerrada durante varias decenas de segundos durante el período de secado primario como se muestra en la Figura 7 para cambiar el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC en una dirección creciente durante cada operación, registra, con el registrador e, datos medidos sobre el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC y el grado de vacío Pct en la trampa fría CT antes y después de que se cierra la válvula de control de fugas LV, permite al secuenciador (PLC) adquirir los datos medidos y calcula la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts, la temperatura media de la parte inferior Tb y la tasa de sublimación Qm de todo el material a secar.

<Método de cálculo de la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts y la temperatura media de la parte inferior Tb>

El método de cálculo de la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts y la temperatura media de la parte inferior Tb es el mismo que el descrito en conjunto con la primera realización y no se describirá de forma redundante.

<Método de cálculo de la tasa de sublimación Qm>

Como es el caso con el método de cálculo de la tasa de sublimación Qm de acuerdo con la primera realización, el método de cálculo de la tasa de sublimación Qm de acuerdo con la segunda realización calcula la tasa de sublimación Qm del grado de vacío PDC en la cámara de secado DC del dispositivo de secado por congelación W2 y el grado de vacío Pct en la trampa fría, que se miden respectivamente con un manómetro de vacío b anexo a la cámara de secado DC y con un manómetro de vacío b anexo a la trampa fría CT. La utilización de este método elimina la necesidad de proporcionar un costoso instrumento de medición diferente al manómetro de vacío. Por lo tanto, la tasa de sublimación Qm se puede calcular fácilmente a bajo coste.

A continuación, se describirá el método de cálculo de la tasa de sublimación Qm de acuerdo con la segunda realización.

Como se describió anteriormente, el vapor de agua sublimado desde la interfaz de sublimación del material a secar fluye desde la cámara de secado DC hasta la trampa fría CT a través de la tubería principal a y se condensa y atrapa por la bobina de trampa Ct. Cuando se ejerce el control de vacío de fugas, el flujo de vapor de agua en la tubería principal a es un flujo viscoso. Por lo tanto, la tasa Qm de sublimación del material a secar se puede calcular a partir de la siguiente ecuación.

Qm = 3.6 x (Pdc - Pct)/R = 3.6 x AP/R

donde Pdc es el grado de vacío en la cámara de secado DC (grado de vacío de la cámara de secado), Pct es el grado de vacío en la trampa fría CT (grado de vacío de la trampa fría), AP es la diferencia de presión entre el grado de la cámara de secado de Vacío Pdc y el grado de vacío de la trampa fría Pct, y R es la resistencia de la tubería principal.

La diferencia de presión AP se expresa como sigue a partir de una ecuación para calcular la caída de presión de la línea de tubería de un flujo viscoso.

AP = Cr/2 x p x u2 = Cr/2 x p x [Qm/(3600 x A x p )]2

donde Cr es un coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua de una ruta de flujo de tubería principal, p es un valor expresado por la ecuación de estado para gas perfecto p = P x M/(R x T) (donde P es la presión del gas, M es el peso molecular del gas, R es la constante del gas y T es la temperatura del gas) y A es el área de la ruta del flujo de la tubería principal a.

Cuando la ecuación de estado para el gas perfecto p = P x M/(R x T), el peso molecular del gas M = 18, la constante del gas R = 8314, la temperatura del gas T = 288 y AP = Pdc - Pct se sustituyen en la ecuación AP anterior y la ecuación resultante se convierte a la ecuación de la tasa de sublimación Qm, se obtiene la siguiente ecuación.

Qm = A x [(Pdc2 - Pct2)/(8314 x 288/(18 x 36002) x Cr)]1/2

Por lo tanto, si la tasa de sublimación del material a secar es QM1 antes de que se cierre la válvula de control de fugas LV para cambiar el grado de vacío en la cámara de secado DC en la dirección creciente, QM1 se expresa por la siguiente ecuación.

Qm1 = A x [(Pdc12 - Pct12)/(0.0103 x Cr)]1/2

Adicionalmente, si la tasa de sublimación del material a secar es QM2 después de que se cierra la válvula de control de fugas LV para cambiar el grado de vacío en la cámara de secado DC en la dirección creciente, QM2 se expresa por la siguiente ecuación.

Qm2 = A x [(Pdc22 - Pct22)/(0.0103 x Cr)]1/2

<Derivación de la expresión relacional entre la tasa de sublimación Qm y el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr de la ruta de flujo de la tubería principal>

El coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr de la ruta principal de flujo de tubo se puede determinar mediante dos métodos diferentes. Un método consiste en medir la cantidad real de sublimación bajo carga de agua. El otro método es realizar cálculos.

Cuando se utiliza el método de cálculo, el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr de la ruta principal de flujo de la tubería se puede determinar a partir de la mencionada ecuación Qm = A x [(Pdc2 - pct2)/(8314 x 288/(18 x 36002) x Cr)]1/2 porque ya se conoce el área de la ruta del flujo A de la tubería principal a. Cuando se determina el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr de la ruta de flujo de la tubería principal, la tasa de sublimación Qm se puede calcular al medir el grado de vacío Pdc de la cámara de secado y el grado de vacío Pct de la trampa fría. Para medir el grado de vacío Pdc de la cámara de secado y el grado de vacío Pct de la trampa fría, es necesario instalar un manómetro de vacío b de alta precisión.

En otras palabras, cuando la tasa de sublimación Qm es baja, la diferencia de presión Ap = Pdc - Pct entre el grado de la cámara de secado de vacío PDC y grado de vacío de la trampa fría PCT es pequeña. Por tanto, si la precisión del manómetro de vacío b no es suficientemente alta, Pdc puede ser menor que Pct. En algunos casos, por lo tanto, la tasa de sublimación no se puede no calcular debido a una situación en la que AP < 0 y la tasa de sublimación Qm < 0.

Para evitar el problema anterior, se prefiere que un medidor de vacío diferencial sea instalado en lugar del indicador de vacío b entre la cámara de secado DC y la trampa de frío CT para medir directamente la diferencia de presión AP entre el grado de vacío Pdc de la cámara de secado y el grado de vacío de la trampa fría Pct.

Más específicamente, cuando el dispositivo de secado por congelación W2 mostrado en la Figura 6 se activa con el material a secar introducido en la cámara de secado DC para llevar a cabo un proceso de secado con la temperatura de estante ajustada a Th y con el grado de vacío Pdc en la cámara de secado ajustado a un valor de control al abrir o cerrar la válvula de control de fugas LV, la válvula de control de fugas LV se cierra automáticamente durante varias decenas de segundos a intervalos de tiempo fijos (a intervalos de 0.5 o 1 hora) durante el período de secado primario del material a secar. Cuando se cierra la válvula de control de fugas LV, el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC y el grado de vacío Pct en la trampa fría CT cambian en la dirección creciente. Por lo tanto, el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC y el grado de vacío Pct de la trampa fría se registran antes y después de que se cierre la válvula de control de fugas LV. Los datos medidos registrados son adquiridos por el secuenciador (PLC). A continuación, se realizan las siguientes etapas de acuerdo con el programa de cálculo almacenado en el secuenciador (PLC) para calcular la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts, la temperatura media de la parte inferior Tb y la tasa de sublimación Qm de todo el material a secar.

(1) Se calcula el grado promedio de vacío Pdc1 en la cámara de secado DC y el grado promedio de vacío Pct1 en la trampa fría CT durante un período de los primeros 3 segundos después de que se cierra la válvula de control de fugas LV. Adicionalmente, se calcula el grado promedio de vacío Pdc2 en la cámara de secado DC y el grado promedio de vacío Pct2 en la trampa fría CT durante un período de 3 segundos después de que la válvula de control de fugas LV se haya cerrado durante 10 segundos.

(2) De acuerdo con la expresión relacional entre el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr de la tubería principal a, que se mide bajo carga de agua, y la tasa de sublimación Qm, el secuenciador (PLC) adquiere el valor del coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr y el área de la sección transversal A de la ruta de flujo de la tubería principal antes y después de que se abra/cierre la válvula de control de fugas LV.

(3) De acuerdo con la ecuación para calcular la caída de presión de la tubería de un flujo viscoso AP = Cr/2 x p x u2 = Cr/2 x p x [Qm/(3600 x A x p)]2, la tasa de sublimación Qm1 que prevalece antes del cierre de la válvula de control de fugas Lv , la tasa de sublimación Qm2 que prevalece después del cierre de la válvula de control de fugas LV, y la relación entre los dos valores anteriores se calculan a partir de las siguientes ecuaciones.

QM1 = A x [(Pdc12 - Pct12)/(0.0103 x Cr)]1/2

QM2 = A x [(Pdc22 - Pct22)/(0.0103 x Cr)]1/2

C = Qm1/Qm2

(4) A continuación, de acuerdo con los resultados de los cálculos anteriores, la presión de interfaz de sublimación Ps del material a secar se calcula a partir de la siguiente ecuación.

Ps = [C x (Pdc2 APs) - Pdc1/(C-1)]

donde APs es una disminución en la presión de interfaz de sublimación que se produce cuando la temperatura de interfaz de sublimación disminuye mientras se cierra la válvula de control de fugas LV, y se determina cuando la temperatura de interfaz de sublimación disminuye ATs provocada por el cierre de la válvula de control de fugas LV se sustituye en el ecuación APs/Ps = 6144.96 x ATs/Ts2, que se obtiene cuando se diferencia la ecuación de Clausius-Clapeyron LnPs = 28.91 - 6144.96/Ts. Cabe señalar que la disminución de la temperatura de interfaz de sublimación AT provocada por el cierre de la válvula de control de fugas LV durante 10 segundos es pequeña.

(5) Se sustituye una constante de hielo en la ecuación de Clausius-Clapeyron para determinar la temperatura de interfaz de sublimación Ts = 6144.96/(28.911 - LnPs) - 273.15.

(6) Se calcula la tasa de sublimación Qm = A x [(Pdc12 - Pct12)/(0.0103 x Cr)]1/2

(7) Se calcula la temperatura de la parte inferior Tb = [K x Th Kr x Tw - (Qm x DHs)/(3.6 x Ae)]/(K Kr).

A continuación, se determina el coeficiente de resistencia al flujo Cr del vapor de agua que fluye a través de la tubería principal A, que comunica la cámara de secado DC a la trampa fría CT. El coeficiente de resistencia al flujo Cr del vapor de agua es la suma de los coeficientes de resistencia al flujo del vapor de agua de varias secciones entre la entrada y la salida de la tubería principal a. En el ejemplo de prueba actual, la tubería principal a se dividió en cinco secciones, a saber, una entrada de tubería principal, una salida de tubería principal, una porción de codo, una ubicación donde está instalada la válvula principal MV y una sección que tiene un flujo completamente desarrollado y que excluye una sección de entrada de la tubería principal a (una región de entrada del flujo de vapor de agua). Adicionalmente, el coeficiente de resistencia al flujo Cr1 de la entrada de la tubería principal fue 0.5, el coeficiente de resistencia al flujo Cr2 de la salida de la tubería principal fue 0.5, el coeficiente de resistencia al flujo Cr3 de la porción del codo fue 1.2 y el coeficiente de resistencia al flujo Cr4 de la ubicación donde se instaló la válvula principal VM fue 1.7.

El coeficiente de resistencia al flujo Cr3 de la porción de codo se determina a partir de la ecuación 1.13 x N (90 ° x n lugares). Como se muestra en la Figura 8, el dispositivo de secado por congelación utilizado en el ejemplo de prueba actual incluye la válvula de fuga LV, que está dispuesta en la cámara de secado para ajustar el grado de vacío en la cámara de secado DC, además del dispositivo de ajuste de abertura. C, que está dispuesto en el tubo principal a para conectar la cámara de secado DC a la trampa fría CT. Por lo tanto, Cr3 = 1.2 ya que representa una resistencia al flujo correspondiente al codo.

El coeficiente de resistencia al flujo Cr5 de la sección que tiene un flujo totalmente desarrollado y que excluye la sección de entrada de la tubería principal a (la región de entrada del flujo de vapor de agua) se determina a partir de la ecuación Cr5 = X x L/D C (donde C = 2.7, L es la longitud de la tubería principal, D es el diámetro interno de la tubería principal y X es un coeficiente de fricción). El coeficiente de fricción X se determina a partir de la ecuación X = 64/Re (donde Re es el número de Reynolds). El número de Reynolds Re se determina a partir de la ecuación Re = u x D/v “ 40 x Qm/D (donde Qm es la tasa de sublimación y D es el diámetro interno de la tubería principal a).

En la máquina de prueba utilizada en el ejemplo actual, Cr = 6.6 1.6 x 0.7/0.17 = 13.19 cuando L = 0.7 m y Qm = 0.17 kg/h.

Mientras tanto, cuando se va a determinar la expresión relacional entre la tasa de sublimación Qm y el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr de la ruta principal de flujo de la tubería al hacer mediciones, el procedimiento a seguir incluye el montaje de un sensor de temperatura del producto en la parte inferior de una bandeja, verter agua en la bandeja, congelar a una temperatura de - 40 °C, ajustar la temperatura de estante durante el período de secado primario, ejercer control para cambiar secuencialmente el grado de vacío en la cámara de secado desde 26.7 Pa hasta 6.7 Pa, medir la temperatura de estante Th y la temperatura de la parte inferior Tb, y registrar el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC y el grado de vacío Pct en la trampa fría CT al utilizar un manómetro de vacío absoluto.

Se puede determinar la tasa de sublimación Qm (Kg/h) por dos métodos diferentes. Un método consiste en determinar la cantidad de sublimación a partir de la diferencia entre el peso del material a secar antes de la sublimación y el peso del material a secar después de la sublimación. El otro método consiste en realizar un análisis de acuerdo con una cantidad calculada de entrada de calor. Cuando se va a realizar el análisis, el método calcula el coeficiente a de transferencia de calor desde el estante hasta la parte inferior de la bandeja de acuerdo con el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC, calcula la cantidad de flujo de calor a la parte inferior de la bandeja utilizando la ecuación Q = A1 x a x (Th - Tb), y determina la tasa de sublimación Qm a partir de la ecuación Qm = Q/2850 ya que el calor latente de sublimación del hielo es 2850 KJ/Kg. Esto permite obtener la expresión relacional entre el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr de la ruta de flujo de la tubería principal y la tasa de sublimación Qm.

Por lo que el grado de vacío Pdc en la cámara de secado y el grado de Pct vacío en la CT se miden y registran cuando un programa de secado por congelación se ajusta realmente para secar por congelación el material a secar, la ejecución del control de vacío de fugas de acuerdo con la presente realización hace posible determinar el caudal de vapor de agua sublimado durante el período de secado primario y calcular la tasa de sublimación utilizando la expresión relacional entre la tasa de sublimación Qm y el coeficiente de resistencia al vapor de agua Cr de la ruta de flujo de la tubería principal, que se deriva de una medición de carga de agua.

Segunda realización

El método de cálculo y el dispositivo de cálculo de la temperatura de interfaz de sublimación y la tasa de sublimación del material a-ser secado que se aplican al dispositivo de secado por congelación W2 del tipo de control de fugas vacío se describirán ahora con más detalle.

<Derivación de la expresión relacional entre el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr y la tasa de sublimación Qm>

En primer lugar, se realizó una prueba de carga de agua para obtener la expresión relacional entre el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr de la ruta de flujo de la tubería principal y la tasa de sublimación Qm. En la prueba de carga de agua, se introdujo una bandeja llena de agua en la cámara de secado DC y el dispositivo de secado por congelación W2 se hizo funcionar bajo el control del dispositivo de control CR para realizar un proceso de secado predeterminado. En la presente realización, cuando el proceso de secado primario se realizó después de que el agua de la bandeja se congelara a una temperatura de - 45 °C, la temperatura de estante Th se ajustó en - 20 °C, el grado de vacío Pdc en la cámara de secado. La DC se ajustó a 6.7 Pa y el estado resultante se mantuvo durante 3 horas. Adicionalmente, se ejerció un control para ajustar la temperatura de estante Th a -10 °C y ajustar el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC en 6.7 Pa, 13.3 Pa y 20 Pa en secuencia. Cada uno de los estados resultantes se mantuvo durante 3 horas. Adicionalmente, se ejerció el control para ajustar la temperatura de estante Th en 5 °C y ajustar el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC en 6.7 Pa y 13.3 Pa en secuencia. Cada uno de los estados resultantes se mantuvo durante 3 horas. Más aún, se ejerció el control para ajustar la temperatura de estante Th en 20 °C y ajustar el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC en 6.7 Pa y 13.3 Pa en secuencia. Cada uno de los estados resultantes se mantuvo durante 3 horas. Cuando la prueba de carga de agua se llevó a cabo bajo los nueve conjuntos de condiciones diferentes descritos anteriormente, se midieron y registraron la temperatura de estante Th, la temperatura de la parte inferior de la bandeja Tb, el grado de vacío Pdc de la cámara de secado y el grado de vacío Pct de la trampa fría. Adicionalmente, la tasa de sublimación Qm (kg/h) de hielo y el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr de la ruta de flujo de la tubería principal se determinaron a partir de los resultados de medición anteriores. La Tabla 4 muestra la temperatura de estante Th, el grado de vacío Pdc de la cámara de secado, el grado de vacío Pct de la trampa fría, la tasa de sublimación Qm y el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr que se determinaron por la prueba de carga de agua.

Tabla 4: Relación entre la carga de sublimación Qm (Kg/h) y el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr de la ruta de flujo de la tubería principal

La figura 9 es un gráfico que se prepara de acuerdo con los datos de la Tabla 4 para ilustrar la relación entre el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr de la ruta de flujo de la tubería principal y la tasa de sublimación Qm. A partir de este gráfico se obtiene la siguiente expresión relacional.

Cr = 5.4 0.85/Qm125

En la presente realización, la tubería principal a es relativamente corta de tal manera que toda la tubería principal a es una sección de entrada (una región de entrada). Por lo tanto, cuando se compara con la ecuación Cr = 6.6 1.6 x L/Qm para una sección que tiene un flujo de vapor de agua completamente desarrollado, el coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua Cr es inversamente proporcional a la tasa de sublimación Qm125.

<Cálculo de la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts y la tasa de sublimación Qm del material a secar>

Se introdujo aire exterior en el dispositivo de secado por congelación W2 a través de una válvula de fuga variable y la válvula de control de escape LV incluido en el circuito de control de vacío f para mantener el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC a 13.3 Pa. Posteriormente, se cerró la válvula de control de fugas LV durante 40 segundos a intervalos de 30 minutos. Mientras que se cierra la válvula de control de fugas LV, se midieron y registraron el grado de vacío Pdc de la cámara de secado y el grado de vacío Pct de la trampa fría. A continuación, se midieron la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts y la tasa de sublimación Qm del material a secar con el software de cálculo almacenado en el secuenciador PLC. La Tabla 5 muestra los resultados de las mediciones.

(1) Cuando transcurrieron 35 minutos desde el inicio del secado, se cerró la válvula de control de fugas LV durante 40 segundos. Durante un período de los primeros 3 segundos después del cierre de la válvula de control de fugas LV, el grado promedio de vacío Pdc de la cámara de secado fue 12.926 Pa y el grado promedio de vacío Pct de la trampa fría fue 12.580 Pa. Adicionalmente, durante un período de 3 segundos después del instante en el que transcurrieron 10 segundos desde el cierre de la válvula de control de fugas LV, el grado promedio de vacío de la cámara de secado Pdc fue 10.604 Pa y el grado promedio de vacío Pct de la trampa fría fue 10.106 Pa. Como resultado, la temperatura de interfaz de sublimación Ts calculada a partir de los datos medidos anteriores fue - 31.1 °C, la tasa de sublimación Qm cambió desde 0.133 kg/h hasta 0.148 kg/h, y la temperatura medida del producto Tb fue - 28.7 °C.

(2) Cuando transcurrieron 1 hora y 3 minutos desde el inicio del secado, la válvula de control de fugas LV se cerró durante 40 segundos. Durante un período de los primeros 3 segundos después del cierre de la válvula de control de fugas LV, el grado promedio de vacío Pdc de la cámara de secado fue de 13.369 Pa y el grado promedio de vacío Pct de la trampa fría fue 12.977 Pa. Adicionalmente, durante un período de 3 segundos después del instante en el que transcurrieron 10 segundos desde el cierre de la válvula de control de fugas LV, el grado promedio de vacío de la cámara de secado Pdc fue de 11.066 Pa y el grado promedio de vacío de la trampa fría Pct fue de 10.515 Pa. Como resultado, la temperatura de interfaz de sublimación Ts calculada a partir de los datos medidos anteriores fue - 30.5 °C, la tasa de sublimación Qm cambió de 0.148 kg/h a 0.163 kg/h, y la temperatura medida del producto Tb fue - 27.9 °C.

(3) Cuando transcurrieron 2 horas y 8 minutos desde el inicio del secado, la válvula de control de fugas LV se cerró durante 40 segundos. Durante los primeros 3 segundos después del cierre de la válvula de control de fugas LV, el grado promedio de vacío Pdc de la cámara de secado fue 13.315 Pa y el grado promedio de vacío Pct de la trampa fría fue 12.902 Pa. Adicionalmente, durante un período de 3 segundos después del instante en el que transcurrieron 10 segundos desde el cierre de la válvula de control de fugas LV, el grado promedio de vacío de la cámara de secado Pdc fue de 10.769 Pa y el grado promedio de vacío de la trampa fría Pct fue de 10.195 Pa. Como resultado, la temperatura de interfaz de sublimación Ts calculada a partir de los datos medidos anteriores fue - 27.7 °C, la tasa de sublimación Qm cambió desde 0.153 kg/h hasta 0.164 kg/h, y la temperatura medida del producto Tb fue - 26.2 °C.

(4) Cuando transcurrieron 3 horas y 40 minutos desde el inicio del secado, la válvula de control de fugas LV se cerró durante 40 segundos. Durante un período de los primeros 3 segundos después del cierre de la válvula de control de fugas LV, el grado promedio de vacío Pdc de la cámara de secado fue de 12.580 Pa y el grado promedio de vacío Pct de la trampa fría fue de 12.180 Pa. Adicionalmente, durante un período de 3 segundos después del instante en el que transcurrieron 10 segundos desde el cierre de la válvula de control de fugas LV, el grado promedio de vacío de la cámara de secado Pdc fue de 10.353 Pa y el grado promedio de vacío de la trampa fría Pct fue de 9.820 Pa. Como resultado, la temperatura de interfaz de sublimación Ts calculada a partir de los datos medidos anteriores fue - 27.2 °C, la tasa de sublimación Qm cambió desde 0.144 kg/h hasta 0.152 kg/h, y la temperatura medida del producto Tb fu e -24.7 °C.

(5) Cuando transcurrieron 4 horas y 40 minutos desde el inicio del secado, la válvula de control de fugas LV se cerró durante 40 segundos. Durante los primeros 3 segundos después del cierre de la válvula de control de fugas LV, el grado promedio de vacío Pdc de la cámara de secado fue 12.860 Pa y el grado promedio de vacío Pct de la trampa fría fue 12.486 Pa. Adicionalmente, durante un período de 3 segundos después del instante en el que transcurrieron 10 segundos desde el cierre de la válvula de control de fugas LV, el grado promedio de vacío de la cámara de secado Pdc fue 10.209 Pa y el grado promedio de vacío Pct de la trampa fría fue 9.689 Pa. Como resultado, la temperatura de interfaz de sublimación Ts calculada a partir de los datos medidos anteriores fue - 26.4 °C, la tasa de sublimación Qm cambió desde 0.139 kg/h hasta 0.148 kg/h, y la temperatura medida del producto Tb fue - 24.5 °C.

Como es evidente a partir de la Tabla 5, la temperatura de interfaz de sublimación calculada Ts es de aproximadamente 0.6 a 1.9 °C más baja que la temperatura del producto medida. Esta diferencia de temperatura corresponde a la diferencia entre la temperatura de interfaz de sublimación y la temperatura de la parte inferior del recipiente.

Cuando la válvula de control de fugas LV se cerró durante 40 segundos, la temperatura del producto (temperatura medida) disminuyó en alrededor de 0.5 °C. A diferencia del método MTM convencional, la presente realización no eleva la temperatura de interfaz de sublimación del material a secar al degradar el grado de vacío en la cámara de secado cuando se calcula la temperatura de interfaz de sublimación Ts. Por tanto, se demuestra que se puede evitar por completo el riesgo de colapso del material a secar. Adicionalmente, los datos de la Tabla 5 demuestran que el método para calcular la temperatura de interfaz de sublimación del material a secar de acuerdo con la presente invención hace posible calcular con precisión la temperatura media de la interfaz de sublimación de muchos materiales a ser secados introducidos en la cámara de secado DC.

A continuación, se enumeran las ventajas proporcionadas por el método de cálculo y el dispositivo de cálculo de la temperatura de sublimación de la interfaz, temperatura de la pieza inferior, y tasa de sublimación del material a secar de acuerdo con la presente invención.

Como se describió anteriormente, el método MTM cierra la válvula principal MV durante el período de secado primario. Por lo tanto, el grado de vacío en la cámara de secado DC puede disminuir mientras que se cierra la válvula principal MV, elevando de esta manera la temperatura del producto entre 1 y 2 °C. Esto puede hacer que colapse el material a secar. Mientras tanto, el método de cálculo y el dispositivo de cálculo para la temperatura de interfaz de sublimación y la tasa de sublimación del material a secar de acuerdo con la presente invención cambian el grado de vacío Pdc en la cámara de secado DC en la dirección creciente durante el período de secado primario. Esto hace posible disminuir la temperatura de interfaz de sublimación Ts del material a secar como se muestra en la Figura 10 y evitar completamente el colapso del material a secar a diferencia del método MTM.

Adicionalmente, el método de cálculo y dispositivo de cálculo para la temperatura de interfaz de sublimación y tasa de sublimación del material a secar a de acuerdo con la presente invención hacen posible monitorizar la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts y tasa de sublimación Qm del material a secar durante el período de secado primario sin necesidad de intervención humana. Por lo tanto, cuando un producto farmacéutico se formula utilizando un dispositivo de secado por congelación que carga automáticamente un líquido de materia prima desde una máquina de llenado al dispositivo de secado por congelación, es posible implementar un método de monitoreo de procesos sin contacto llamado “PAT” (Tecnología Analítica de Procesos) recomendado por la Administración de Fármacos y Alimentos de los Estados Unidos (FDA).

Adicionalmente, el método de cálculo y dispositivo de cálculo para la temperatura de interfaz de sublimación y la tasa de sublimación del material a secar de acuerdo con la presente invención hacen posible no sólo calcular la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts, de la totalidad del material a secar durante el período de secado primario de un proceso de secado por congelación sin medir la temperatura del producto de cada recipiente, pero también calcular la tasa de flujo de vapor de agua sublimado de la interfaz de sublimación, es decir, la tasa de sublimación Qm (Kg/h). Por tanto, se obtiene una curva de cambio de la tasa de sublimación Qm durante el período de secado primario. Esto hace posible monitorizar el proceso de secado de forma más adecuada. En lo que respecta a un producto farmacéutico, la cantidad de líquido de materia prima que se va a suministrar en un recipiente se cambia de acuerdo con un título. Por lo tanto, la duración del tiempo de secado primario cambia cada vez que se va a formular un producto farmacéutico que exhibe un título variable. Por esta razón, si solo se gestionan la temperatura de estante Th y el tiempo de secado, es difícil determinar el final del secado primario. El método de cálculo y el dispositivo de cálculo de la temperatura de interfaz de sublimación y la tasa de sublimación del material a secar de acuerdo con la presente invención hacen posible obtener la curva de cambio de la tasa de sublimación Qm. Por tanto, el final del secado primario se puede determinar con precisión.

Más aún, los datos sobre la resistencia a la transferencia de vapor de agua de una capa seca se pueden recoger mediante la medición de la temperatura media de la interfaz de sublimación Ts y la tasa de sublimación Qm. Esto hace posible crear un programa de secado óptimo para el material a secar teniendo en cuenta la temperatura de colapso.

Aplicabilidad industrial

La presente invención es aplicable a un dispositivo de secado por congelación que se utiliza para secar por congelación alimentos y productos farmacéuticos.

Lista de signos de referencia

C... Dispositivo de ajuste de abertura

CT... Trampa fría

CR... Dispositivo de control

DC... Cámara de secado

MV... Válvula principal

P... Bomba de vacío

PLC... Secuenciador

V. .. Válvula de succión

W. .. Dispositivo de secado por congelación

a. .. Tubería principal

b. .. Manómetro de vacío

ct... Bobina de trampa (placa)

e. .. Registrador

f... Circuito de control de vacío

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Un método de cálculo para una temperatura de interfaz de sublimación, una temperatura de la parte inferior, y una tasa de sublimación de un material a secar en un dispositivo de secado por congelación, que comprende:

una cámara de secado (DC) en la que se introduce el material a secar;

una trampa fría (CT) para condensar y atrapar vapor de agua generado del material a secar introducido en la cámara de secado (DC);

una tubería principal (a) para proporcionar la comunicación entre la cámara de secado (DC) y la trampa fría (CT); una válvula principal (MV) para abrir y cerrar la tubería principal (a);

medios de ajuste de vacío para ajustar el grado de vacío en la cámara de secado (DC);

medios de detección de vacío para detectar una presión absoluta en la cámara de secado (DC) y una presión absoluta en la trampa fría (CT); y

un dispositivo de control (CR) para controlar automáticamente las operaciones de la cámara de secado (DC), de la trampa fría (CT), y de los medios de ajuste de vacío,

en los que

la tubería principal (a) incluye un dispositivo de ajuste de abertura de tipo amortiguador (C) para ajustar un ángulo de abertura de la tubería principal (a) como los medios de ajuste de vacío,

el dispositivo de control (CR) almacena un programa de cálculo y una expresión relacional que describe una relación entre una tasa de sublimación (Qm) bajo carga de agua en un estado donde se abre completamente la válvula principal (MV), un ángulo de abertura (0) del dispositivo de ajuste de abertura (C), y una resistencia de tubería principal R(0); y el dispositivo de control (CR) gira el dispositivo de ajuste de abertura (C) al menos una vez en una dirección de abertura durante el período de secado primario del material a secar introducido en la cámara de secado (DC) para cambiar temporalmente el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) en la dirección creciente, y calcular la temperatura media de la interfaz de sublimación, la temperatura de la parte inferior, y la tasa de sublimación del material a secar que prevalece durante el período de secado primario de acuerdo con la expresión relacional y los datos medidos sobre el ángulo de abertura (0) del dispositivo de ajuste de abertura (C), el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC), y el grado de vacío (Pdt) en la trampa fría (CT), que se obtienen antes y después de una operación en una dirección de abertura del dispositivo de ajuste de abertura (C).

2. Un método de cálculo para una temperatura de interfaz de sublimación, una temperatura de la parte inferior, y una tasa de sublimación de un material a secar en un dispositivo de secado por congelación, que comprende:

una cámara de secado (DC) en la que se introduce el material a secar;

una trampa fría (CT) para condensar y atrapar vapor de agua generado del material a secar introducido en la cámara de secado (DC);

una tubería principal (a) para proporcionar la comunicación entre la cámara de secado (DC) y la trampa fría (CT); una válvula principal (MV) para abrir y cerrar la tubería principal (a);

medios de ajuste de vacío para ajustar el grado de vacío en la cámara de secado (DC);

medios de detección de vacío para detectar una presión absoluta en la cámara de secado (DC) y una presión absoluta en la trampa fría (CT); y

un dispositivo de control (CR) para controlar automáticamente las operaciones de la cámara de secado (DC), de la trampa fría (CT), y de los medios de ajuste de vacío,

en los que

la cámara de secado (DC) incluye un circuito de control de vacío (f) con una válvula de control de fuga (LV) para ajustar el grado de vacío en la cámara de secado (DC) como los medios de ajuste de vacío,

el dispositivo de control (CR) almacena un programa de cálculo y una expresión relacional que describe una relación entre una tasa de sublimación (Qm) bajo carga de agua en un estado donde se abre completamente la válvula principal (MV) y un coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua (Cr) de la tubería principal (a); y

el dispositivo de control (CR) cierra la válvula de control de fuga (LV) al menos una vez durante el período de secado primario del material a secar introducido en la cámara de secado (DC) para cambiar temporalmente el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) en la dirección creciente, y calcular la temperatura media de la interfaz de sublimación, la temperatura media de la parte inferior, y la tasa de sublimación del material a secar que prevalece durante el período de secado primario de acuerdo con la expresión relacional y los datos medidos sobre el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) y el grado de vacío (Pdt) en la trampa fría (CT), que se obtienen antes y después de una operación en una dirección de cierre de la válvula de control de fuga (LV).

3. Un dispositivo de cálculo para una temperatura de interfaz de sublimación, una temperatura de la parte inferior, y una tasa de sublimación de un material a secar en un dispositivo de secado por congelación,

que comprende:

una cámara de secado (DC) en la que se introduce el material a secar;

una trampa fría (CT) para condensar y atrapar vapor de agua generado del material a secar introducido en la cámara de secado (DC);

una tubería principal (a) para proporcionar la comunicación entre la cámara de secado (DC) y la trampa fría (CT); una válvula principal (MV) para abrir y cerrar la tubería principal (a);

medios de ajuste de vacío para ajustar el grado de vacío en la cámara de secado (DC);

medios de detección de vacío para detectar una presión absoluta en la cámara de secado (DC) y una presión absoluta en la trampa fría (CT); y

un dispositivo de control (CR) para controlar automáticamente las operaciones de la cámara de secado (DC), de la trampa fría (CT), y de los medios de ajuste de vacío,

en los que

la tubería principal (a) incluye un dispositivo de ajuste de abertura de tipo amortiguador (C) para ajustar un ángulo de abertura de la tubería principal (a) como los medios de ajuste de vacío,

el dispositivo de control (CR) es un secuenciador (PLC) o un ordenador personal (PC) que almacena un programa de cálculo y una expresión relacional que

describe una relación entre una tasa de sublimación (Qm) bajo carga de agua en un estado donde se abre completamente la válvula principal (MV), un ángulo de abertura (0) del dispositivo de ajuste de abertura (C), y una resistencia de tubería principal R(0); y

el dispositivo de control (CR) gira el dispositivo de ajuste de abertura (C) al menos una vez en una dirección de abertura durante el período de secado primario del material a secar introducido en la cámara de secado (DC) para cambiar temporalmente el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) en la dirección creciente, y calcular la temperatura media de la interfaz de sublimación, la temperatura de la parte inferior, y la tasa de sublimación del material a secar que prevalece durante el período de secado primario de acuerdo con la expresión relacional y los datos medidos sobre el ángulo de abertura (0) del dispositivo de ajuste de abertura (C), el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC), y el grado de vacío (Pdt) en la trampa fría (CT), que se obtienen antes y después de una operación en una dirección de abertura del dispositivo de ajuste de abertura (C).

4. Un dispositivo de cálculo para una temperatura de interfaz de sublimación, una temperatura de la parte inferior, y una tasa de sublimación de un material a secar en un dispositivo de secado por congelación, que comprende: una cámara de secado (DC) en la que se introduce el material a secar;

una trampa fría (CT) para condensar y atrapar vapor de agua generado del material a secar introducido en la cámara de secado (DC);

una tubería principal (a) para proporcionar la comunicación entre la cámara de secado (DC) y la trampa fría (CT); una válvula principal (MV) para abrir y cerrar la tubería principal (a);

medios de ajuste de vacío para ajustar el grado de vacío en la cámara de secado (DC);

medios de detección de vacío para detectar una presión absoluta en la cámara de secado (DC) y una presión absoluta en la trampa fría (CT); y

un dispositivo de control (CR) para controlar automáticamente las operaciones de la cámara de secado (DC), de la trampa fría (CT), y de los medios de ajuste de vacío,

en los que

la cámara de secado (DC) incluye un circuito de control de vacío (f) con una válvula de control de fuga (LV) para ajustar el grado de vacío en la cámara de secado (DC) como los medios de ajuste de vacío;

el dispositivo de control (CR) es un secuenciador (PLC) o un ordenador personal (PC) que almacena un programa de cálculo y una expresión relacional que describe una relación entre la tasa de sublimación (Qm) bajo carga de agua en un estado donde se abre completamente la válvula principal (MV) y un coeficiente de resistencia al flujo de vapor de agua (Cr) de la tubería principal (a); y

el dispositivo de control (CR) cierra la válvula de control de fuga (LV) al menos una vez durante el período de secado primario del material a secar introducido en la cámara de secado (DC) para cambiar temporalmente el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) en la dirección creciente, y calcular la temperatura media de la interfaz de sublimación, la temperatura media de la parte inferior, y la tasa de sublimación del material a secar que prevalece durante el período de secado primario de acuerdo con la expresión relacional y los datos medidos sobre el grado de vacío (Pdc) en la cámara de secado (DC) y el grado de vacío (Pdt) en la trampa fría (CT), que se obtienen antes y después de una operación en una dirección de cierre de la válvula de control de fuga (LV).