冻干保存中相变传热过程的数值仿真研究

摘要

冷冻干燥技术在生物医疗领域已经得到了广泛的研究和应用，冻干保存中的各个阶段均涉及复杂的相变传热过程，详细研究生物材料冻干保存中的相变传热特性对提高冻干产品质量有重要意义。本文依据冻干保存的热物理机制，建立了生物材料冻干保存全周期（冻结、升华干燥和解析干燥）的仿真模型，对冻干保存中的传热传质及结晶、升华等相变过程的数值仿真方法进行了研究，依据仿真结果，详细的分析了冻干条件对生物材料干燥时间、残余水含量的影响规律。具体工作包括： （1）对冻结过程的相变传热原理与仿真方法进行了研究。根据降温过程中的传热以及非等温结晶动力学原理，运用有限元法对物料的冻结过程进行建模，模拟了降温过程中物料的温度分布与变化规律，预测冻结过程中细胞悬浮液内部冰晶分布与生长情况。另外，基于此方法对装料高度不同的细胞悬浮液的结晶情况进行预测，确定合适的装料高度。 （2）对升华干燥过程的传热传质原理与仿真方法进行了研究，基于描述升华干燥过程的多维动态数学模型，运用有限元法与动网格技术结合的方式对升华干燥的传热传质以及相变过程进行建模，模拟升华干燥过程的材料内部升华界面、温度、压强以及结合水含量的动态变化过程，分析了冻干条件对升华干燥过程物料传热传质的影响规律。通过单因素控制变量法获得相关干燥条件对升华干燥时间、结合水含量的影响规律。 （3）对解析干燥过程的传热传质原理与仿真方法进行了研究，基于描述解析干燥过程的多维动态数学模型，采用有限元法对解析干燥过程进行建模，研究解析干燥阶段材料内部的温度、压强、结合水含量变化情况。分析不同干燥条件下结合水残余量，并预测完成解析干燥所需时间，综合分析整个干燥过程中干燥条件对生物材料传热传质过程的影响规律，建立多种红细胞冻干程序。设计红细胞冻干实验，对照实验进行仿真，两者一致性较好。 基于本文研究方法，可实现在整个冻干过程中物料内部的温度、热通量、水蒸气压强以及结合水的动态分布可视化，并可定量分析关键操作参数（样品体积、干燥腔压强和加热搁板温度）对冻干过程中影响，为预测冻干效果、优化冻干程序提供了有效的工具。

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