Title:
Development of lyophilization protocol and design of embedded microcontroller for freeze drying temperature control.

Date: November-2014

Team K08-2014: Kanellopoulos Aris, Mermigas Alexios, Sarkiri Maria, Chatzinikolaou Danai
Students, Dept of Mechanical Eng, NTUA

Short Abstract:
Development of a lyophilization protocol with immobilized antibodies.
Design of an embedded microcontroller which controls temperature in a freeze drying machine.

Acknowledgements:
We would like to thank Tzeranis Dimitrios for his valuable help on lyophilization and electronics, Aggeliki Minia and Katerina Skorda for their help in biological issues and George Kanakaris for his initial idea.

Introduction:
Λυοφιλοποίηση (Lyophilization) είναι διαδικασία αφυδάτωσης η οποία μετατρέπει ένα παρασκεύασμα από υγρή μορφή σε στερεά ώστε να διατηρείται εκτός ψυγείου και να γίνεται εύκολα η μεταφορά του.

Μέρος Α' - Ανάπτυξη Πρωτοκόλλου Λυοφιλοποίησης

Σκοπός του πειράματος είναι να ελεγχθεί κατά πόσο η διαδικασία της λυοφιλοποίησης επηρεάζει τις ιδιότητες των beads.

Τι είναι η λυοφιλοποίηση;

Προέρχεται από τις λέξεις «λύω + φιλία» που σημαίνει «τάση προς (αγάπη προς) το να διαλύεται». Μερικά προϊόντα που παράγονται με αυτή τη μέθοδο είναι αντιβιοτικά, βακτήρια, οροί, εμβόλια, διαγνωστικά φάρμακα, προϊόντα που περιέχουν πρωτεΐνη και βιοτεχνολογικά προϊόντα, κύτταρα, ιστοί και χημικές ουσίες.


Πλεονεκτήματα:
  • Εξυπηρετεί την αποθήκευση των προϊόντων και εκτός ψυγείου, άρα και την εύκολη μεταφορά και συσκευασία τους. Πολλές φορές χρειάζεται η μεταφορά βιοϋλικών και φαρμάκων σε ιδιαιτέρως μακρινές αποστάσεις με παράλληλη διατήρησή τους σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό απαιτεί ειδικούς θαλάμους-ψυγεία για την εξασφάλιση των απαραίτητων συνθηκών. Με τη λυοφιλοποίηση το υγρό μετατρέπεται σε στερεή μορφή και αυτή η παντελής έλλειψη νερού αναστέλλει τη λειτουργία των μικροοργανισμών και των ενζύμων, τα οποία φυσιολογικά αλλοιώνουν το υλικό. Επομένως, μπορεί να διατηρηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα σε συνθήκες περιβάλλοντος, μειώνοντας σημαντικά το κόστος μεταφοράς.

  • Διευκολύνεται η χρήση των microfluidics σε point of care συστήματα. Μέχρι στιγμής στα συστήματα POC, εισάγεται το αίμα του ασθενή και στη συνέχεια το διάλυμα με τα beads ώστε να ανιχνευθεί μία συγκεκριμένη πρωτεΐνη. Για να μην καταστρέφονται τα beads το διάλυμα πρέπει να διατηρείται στο ψυγείο, μακριά από το φως ενώ η διαδικασία εισαγωγής του είναι απαιτητική και χρονοβόρα. Μετά τη λυοφιλοποίηση όμως τα beads είναι σε στερεή μορφή, άρα μπορούν να είναι ενσωματωμένα από πριν στα microfluidics. Έτσι, απλά με την προσθήκη αίματος η διάγνωση θα γίνει γρηγορότερα.


Η λυοφιλοποίηση ενός υλικού περιλαμβάνει την ψύξη του και στη συνέχεια τη μείωση της περιβάλλουσας πίεσης, ώστε το παγωμένο νερό που περιέχεται στο υλικό να εξαχνώθει, δηλαδή να περάσει κατευθείαν από τη στερεή στην αέρια κατάσταση. Τα σταδιά της είναι τρία:

1. Ψύξη: Το υλικό ψύχεται σε θερμοκρασία κάτω του τριπλού σημείου του, δηλαδή σε θερμοκρασία χαμηλότερη από εκείνη που η στερεή και η υγρή μορφή του μπορούν να συνυπάρχουν. Αυτό εξασφαλίζει ότι στο νερό που περιέχεται θα συμβεί εξάχνωση και όχι τήξη. Οι θερμοκρασίες στις οποίες φτάνει το υλικό είναι -50oC έως -80oC.

Το στάδιο της ψύξης είναι το πιο σημαντικό, διότι αν δε γίνει σωστά μπορεί να χαλάσει το υλικό ή να αλλάξουν οι ιδιότητές του.

2. Πρωτοταγής Αφυδάτωση: Η περιβάλλουσα πίεση μειώνεται (σε τάξη των milibar) και προσδίδεται θερμότητα στο υλικό ώστε το νερό που περιέχει να εξαχνωθεί. Η πρόσδοση θερμότητας συνήθως γίνεται πολύ αργά, αλλίως μπορεί να αλλάξει η δομή και οι ιδιότητες του υλικού. Το υλικό βρίσκεται σε περιβάλλον κενού, για να ελέγχεται η πίεση και να γίνει γρηγορότερα η εξάχνωση. Σε αυτό το στάδιο εξαχνώνεται περίπου το 95% του νερού

3. Δευτεροταγής Αφυδάτωση: Στο στάδιο αυτό, σκοπός είναι να αφαιρεθούν τα μόρια του νερού που δεν ψύχθηκαν. Η θερμοκρασία αυξάνεται κι άλλο, ακόμα και πάνω από 0οC για να σπάσουν οι φυσικο-χημικοί δεσμοί μεταξύ των μορίων του νερού και του παγωμένου υλικού.

Όταν η διαδικασία της λυοφιλοποίησης έχει τελειώσει, διαλύεται το κενό. Η περιεκτικότητά του δείγματος σε νερό είναι τώρα 1%-4% , δηλαδή εξαιρετικά χαμηλή. Στη συνέχεια το υλικό σφραγίζεται για να αποφευχθεί η απορρόφηση υγρασίας και διατηρείται σε συνθήκες δωματίου για πολλά χρόνια. Αυτό συμβαίνει διότι η σχεδόν παντελής έλλειψη νερού αναστέλλει τη λειτουργία των μικροοργανισμών και των ενζύμων, τα οποία φυσιολογικά αλλοιώνουν το υλικό.


 σημείο νερού.png


Πρωτόκολλο λυοφιλοποίησης:

Το πρωτόκολλο που αναπτύχθηκε για σφαιρίδια με ακινητοποιημένα αντισώματα (beads) είναι το ακόλουθο:

1. Τοποθέτηση των δειγμάτων μέσα στο θάλαμο του λυοφιλοποιητή και έναρξη του σταδίου της ψύξης με τελική θερμοκρασία θαλάμου -52οC και δείγματος -28,4οC.

maro.jpg 20150114_13440354.jpg

2. Μετά από μια ώρα πατάμε το ΄΄vacuum button΄΄ ώστε να δημιουργηθεί κενό στο θάλαμο. Τότε αρχίζει το στάδιο της πρωτοταγούς αφυδάτωσης, η πίεση πέφτει μέχρι 99Pa και έπειτα αυξάνεται η θερμοκρασία του θαλάμου σταδιακά μέχρι τους 15,5οC , που είναι και η τελική θερμοκρασία της δευτεροταγούς αφυδάτωσης. Η πρωτοταγής αφυδάτωση διήρκησε 6 ώρες ενώ η δευτεροταγής 1 ώρα.

image-3636d6ddb1fde20bc5a80c64d890b35c331bbfc9c87ba1c4a63484d2f1edb9aa-V.jpg


3. Πατάμε πάλι το ΄΄vacuum button΄΄ ώστε να διαλυθεί το κενό. Μετά από 20 λεπτά συλλέγουμε τα δείγματα και τα τοποθετούμε σε petri dish, τυλιγμένα με αλουμινόχαρτο για προστασία των beads από το φως.

image-3abf72d44354c6db70fd43f339812a085aae503e65d4ea0bf0192e317689d301-V.jpg


Πειράματα:

1ο πείραμα

Εφαρμόσαμε το παραπάνω πρωτόκολλο σε beads #96 που μετράνε την πρωτεΐνη CCL11. Η λυοφιλοποίηση έγινε σε 6 δείγματα από 30μl το καθένα. Στο τέλος της διαδικασίας προσθέσαμε νερό για να επανέλθουν στην αρχική τους μορφή και με το μηχάνημα LUMINEX διαπιστώσαμε ότι τα beads δεν είχαν καταστραφεί.


2ο πείραμα

Σκοπός αυτού του πειράματος είναι να διαπιστωθεί αν τα beads διατηρούν την ιδιότητά τους να προσκολλούνται στην πρωτεΐνη.

Εφαρμόσαμε το πρωτόκολλο σε beads #47 τα οποία μετρούν την πρωτεΐνη Il12A. Η λυοφιλοποίηση έγινε σε 4 δείγματα από 30μl το καθένα. Τα 2 δείγματα πάγωσαν σταδιακά, παράλληλα με την ψύξη του θαλάμου, ενώ τα άλλα 2 πάγωσαν απότομα αφού ο θάλαμος είχε φτάσει στη χαμηλότερη θερμοκρασία του.
Μετά την προσθήκη διαλύτη τα δείγματα επανήλθαν στην αρχική τους μορφή και τοποθετήθηκαν σε well-plate μαζί με 2 δείγματα που δεν είχαν υποστεί λυοφιλοποίηση. Εφαρμόσαμε το πρωτόκολλο ELISA και τοποθετήσαμε το plate στο μηχάνημα LUMINEX.

20150126_135522α.jpg 20150126_142710.jpg 20150126_160909.jpg
Αριστερά:Sonication, Κέντρο: Wash with assay buffer, Δεξιά: Vortex

Εκτός από την ανίχνευση των beads, πήραμε και μετρήσεις για το σήμα φθορισμού.

20141216_162300.jpg
Τα σήματα πριν και μετά τη λυοφιλοποίηση είναι παραπλήσια (διαφορές της τάξης των 200 ΜFI δε θεωρούνται σημαντικές) άρα μπορούμε να συμπεράνουμε ότι τα λυοφιλοποιημένα beads διατηρούν την ιδιότητά τους.

3ο πείραμα

Το πείραμα αυτό έγινε για την επιβεβαίωση του προηγούμενου αποτελέσματος.

Και πάλι εφαρμόσαμε το πρωτόκολλο λυοφιλοποιήσης για beads #47 σε 4 δείγματα των 30μl εκ των οποίων τα 2 πάγωσαν σταδιακά, ενώ τα άλλα 2 απότομα. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε ήταν ίδια με του προηγούμενου πειράματος, αλλά κατά το πρωτόκολλο ELISA, αντί για δείγμα πρωτεΐνης προστέθηκε ορός (serum).

20150126_175616.jpg

Το μηχάνημα LUMINEX έδειξε τα εξής αποτελέσματα για το σήμα φθορισμού:

3ο.png

Παρατηρούμε ότι η ένταση φθορισμού είναι πάλι παραπλήσια για τα λυοφιλοποιημένα και μη beads, με μία εμφανώς μειωμένη τιμή σε αυτά που πάγωσαν απότομα. Αυτό ίσως να σημαίνει ότι η απότομη ψύξη των beads μειώνει τη λειτουργικότητα τους.

Τα διεξαγόμενα πειράματα έδειξαν ότι τα beads όχι μόνο δεν καταστρέφονται κατά τη διαδικασία της λυοφιλοποίησης αλλά διατηρούν και την ιδιότητά τους να προσκολλώνται στην αντίστοιχη πρωτεΐνη. Βέβαια τα πειράματα αφορούσαν συγκεκριμένα beads οπότε δεν μπορεί να γίνει γενίκευση του συμπεράσματος. Αλλά είναι μια θετική αρχή !



Μέρος Β' - Σχεδιασμός Συσκευής Ελέγχου Θερμοκρασίας Λυοφιλοποιητή

Εισαγωγή
Τα πρωτόκολλα λυοφιλοποίησης μπορούν να γίνουν ιδιαιτέρως απαιτητικά, κυρίως όσον αφορά τα επιβαλλόμενα προφίλ θερμοκρασίας. Στην εικόνα που ακολουθεί, βλέπουμε τη μεταβολή της θερμοκρασίας συναρτήσει του χρόνου σε μία τυπική διαδικασία λυοφιλοποίησης.
k08_1415_B_1.jpg

Η state-of-the-art αντιμετώπιση των απαιτήσεων αυτών εντοπίζεται σε διατάξεις λυοφιλοποιητών με ενσωματωμένους ελεγκτές, που επιτρέπουν καθορισμό της θερμοκρασιακής πορείας από τον χρήστη. Παρόλα αυτά, οι διατάξεις αυτές είναι αποκλειστικά βιομηχανικής φύσης, με μέγεθος και κόστος που τους καθιστούν απαγορευτικούς για πανεπιστημιακά/ερευνητικά ιδρύματα. Ενδεικτικές τιμές των μηχανών αυτών, κυμαίνονται στα 40.000 USD.
k08_1415_B_2.jpg
Τυπικός βιομηχανικός λυοφιλοποιητής με έλεγχο θερμοκρασίας

k08_1415_B_3.jpg
Λυοφιλοποιητής βιομηχανίας τροφίμων













Οι λυοφιλοποιητές που συναντώνται σε εργαστήρια ερευνητικής φύσεως, αποτελούν πολύ απλούστερες συσκευές, των οποίων οι ικανότητες είναι περιορισμένες. Πιο συγκεκριμένα, δεν δέχονται μεταβαλλόμενα προφίλ θερμοκρασίας, ενώ έχουν την ικανότητα απλώς να οδηγούν σε συγκεκριμένη θερμοκρασία. Η θερμοκρασία αυτή είναι προκαθορισμένη εξ'αρχής από τον χρήστη, ενώ η πορεία προς αυτή δεν είναι ελεγχόμενη.
k08_1415_B_4.jpg
Εργαστηριακός λυοφιλοποιητής - ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος


Η εναλλακτική λύση που αναπτύχθηκε, αφορά το σχεδιασμό και ενσωμάτωση ιδιοσυσκευής σε εργαστηριακό λυοφιλοποιητή, με σκοπό την παρακολούθηση πολύπλοκων προφίλ θερμοκρασίας. Η συγκεκριμένη συσκευή, κατασκευάστηκε με σκοπό να χρησιμοποιηθεί στον εργαστηριακό λυοφιλοποιητή του Δημόκριτου.

Στην εικόνα που ακολουθεί, φαίνεται μια απλουστευμένη απεικόνιση του εσωτερικού του εν λόγω λυοφιλοποιητή. Εσωτερικά αυτού τοποθετείται η ιδιοσυσκευή που σχεδιάστηκε.

k08_1415_B_5.png
Απεικόνιση εσωτερικού χώρου του λυοφιλοποιητή στο Δημόκριτο - Cad μοντέλο


Ο όγκος του μέρους αυτού της εργασίας εντοπίζεται στην ανάπτυξη του hardware και software της συσκευής ελέγχου.





Hardware

Η συσκευή αποτελείται απο:
  1. "σάντουιτς" αλουμινένιων πλακιδίων
  2. θερμική αντλία peltier
  3. θερμάστρα ( heater mat )
  4. γέφυρα τύπου H-bridge
  5. τρανζίστορ τύπου n-type mosfet
  6. δύο τροφοδοτικά
  7. sensor θερμοκρασίας τύπου thermistor και
  8. μικρο υπολογιστή arduino

Αναλυτικότερα:

1) Το "σάντουιτς", αποτελείται απο τρία αλουμινένια πλακάκια μεταξύ των οποίων τοποθετούνται και οι θερμικοί επενεργητές του συστήματος, η αντλία θερμότητας peltier και το heater mat. Το προϊόν προς λυοφιλοποίηση τοποθετείται στο πάνω πλακάκι.
Αυτά τα πλακάκια ουσιαστικά προσθέτουν θερμικές αντιστάσεις και χωρητικότητες στο θερμικό κομμάτι του συστήματος.

Οφείλουμε να αναφέρουμε σε αυτό το σημείο, οτι το "σάντουιτς" αλουμινίου και επενεργητών επιλέχθηκε απο τον Δημήτριο Τζεράνη.

2) Η θερμική αντλία Peltier πρόκειται για μια διάταξη ημιαγωγών η οποία, εκμεταλλευόμενη το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο Peltier-Seebeck έχει την ικανότητα να μεταβάλλει τη ροή θερμότητας ανάμεσα στις δύο πλευρές της με βάση τη φορά του ρεύματος που τη διαρρέει. Αυτό, σε συνδυασμό με μια χαμηλή θερμοκρασία αναφοράς (ένα heatsink) προσφέρει δυνατότητα επενέργησης στο σύστημα είτε ψύχοντας (cooling mode), είτε θερμαίνοντας (heating mode) την πλευρά που βρίσκεται το δοκίμιο.

3) Η θερμάστρα ( heater mat ) είναι απλά μία ηλεκτρική αντίσταση η οποία μετατρέπει τις ωμικές απώλειες σε θερμότητα και συνίσταται για θέρμανση.

4) Η γέφυρα H-bridge είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα το οποίο δίνει την δυνατότητα αλλαγής της φοράς του ρεύματος στην έξοδο του. Πιο συγκεκριμένα, παρέχοντας του ηλεκτρική ισχύ για να λειτουργήσει, μπορεί με χρήση τριών λογικών πυλών ( 0~5V) , να αλλάξει την φορά του ρεύματος που θα περάσει απο το φορτίο του.
Η γέφυρα,
( http://uk.farnell.com/stmicroelectronics/l6202/full-bridge-driver-dmos-6202-dip/dp/1271291 )
χρησιμοποιήθηκε για την οδήγηση της αντλίας peltier καθώς αυτή έχει την δυνατότητα αλλάζοντας την φορά του ρεύματος να αλλάζει την διαφορά θερμοκρασίας άρα και την ροή θερμότητας στις δυο επιφάνειες της.

5) Το n-type MOSFET είναι μια ηλεκτρονική συσκευή ημιαγωγών τριών ακροδεκτών, η οποία ελέγχει το επίπεδο ρεύματος που διαρρέει ένα κύκλωμα χρησιμοποιώντας μια πολύ μικρότερη τάση αναφοράς. Το τρανζίστορ αυτό
(https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FQ/FQP2N60C.pdf )
χρησιμοποιήθηκε για την οδήγηση του heater mat, δίνοντας μας την δυνατότητα να μεταβάλλουμε το ρεύμα που το διαπερνά, άρα και τη θερμική ισχύ που προσφέρει.

6) Η πρόσδοση ισχύος στους επενεργητές και τα ηλεκτρονικά οδήγησης του έγινε με 2 τροφοδοτικά. Επιλέχθηκαν δύο ξεχωριστά τροφοδοτικά, καθώς η ηλεκτρική αντίσταση του Peltier είναι πολύ μικρότερη από την αντίστοιχη του heater mat. Αν είχε χρησιμοποιηθεί η ίδια τροφοδοσία, το ρεύμα του κυκλώματος θα διέρρεε αποκλειστικά την αντλία Peltier, στην περίπτωση παράλληλης σύνδεσης, ενώ συνδεσμολογία εν σειρά δε θα επέτρεπε την οδήγηση των επενεργητών ανεξάρτητα.

7) Για την μέτρηση της θερμοκρασίας επιλέχθηκε το ολοκληρωμένο κύκλωμα LMT-87 το οποίο έχει ενσωματωμένο thermistor
( http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmt87.pdf ). Το κύκλωμα αυτό έχει το πλεονέκτημα έναντι των απλών themistor να αντισταθμίζει την μη γραμμική σχέση μεταξύ τάσης εξόδου του sensor και της θερμοκρασίας που μετριέται.

8) Η αριθμητική υλοποίηση του νόμου ελέγχου του συστήματος καθώς και η οδήγηση των επενεργητών, έγινε με χρήση μικρουπολογιστή τύπου Arduino Board Uno (www.arduino.co).

Παρακάτω βλέπουμε την συνδεσμολογία των επιμέρους συσκευών. Εσωτερικά του λυοφιλοποιητή, ο οποίος παρουσιάζεται σε τομή, τοποθετηθεί το "σάντουϊτς", οι δύο επενεργητές καθώς και ο σένσορας. Μέσω ειδικών ακροδεκτών, κατασκευασμένους από το εργαστήριο, εξέρχονται από το θάλαμο λυοφιλοποίησης οι αγωγοί σήματος μετρήσεων από τον σένσορα και ελέγχου προς τους επενεργητές.
  • Ο αγωγός από τον sensor, συνδέεται απευθείας στο Arduino, δίνοντας τάση ανάλογη της θερμοκρασίας που μετράται στο σημείο τοποθέτησης του δοκιμίου.
  • Οι αγωγοί από το heater mat συνδέονται στην εξωτερική τροφοδοσία καθώς και σε έναν από τους ακροδέκτες του MOSFET.
  • Οι αγωγοί από την αντλία Peltier συνδέονται στους ακροδέκτες φορτίου της H-bridge, η οποία με τη σειρά της δέχεται τρία Boolean σήματα από τον Arduino και μια τάση τροφοδοσίας από την αντίστοιχη εξωτερική πηγή.

k08_1415_B_6.png
Συνδεσμολογία ιδιοσυσκευής


Σχεδιασμός νόμου ελέγχου:

Για τον νόμο ελέγχου του συστήματος έγιναν τα εξής:
  1. μοντελοποίηση του θερμικού συστήματος
  2. επιλογή controller βελτίστου ελέγχου τύπου LQR
  3. επιλογή observer καταστάσεων ( μετράμε μόνο το 1/3 μεταβλητών κατάστασης )

Πραγματοποιήθηκε προσομοίωση του συστήματος στο περιβάλλον Matlab μέσω του οποίου έγινε και η τελική επιλογή των κερδών του controller και του observer. Παρακάτω δίνονται τα αποτελέσματα προσομοίωσης για επιθυμητή μεταβολή θερμοκρασίας ημιτονοειδής με πλάτος 5oC και περίοδο 30min. Οφείλουμε να επισημάνουμε οτι οι μεταβλητές κατάστασης του συστήματος είναι οι θερμοκρασίες στα τρία αλουμινένια πλακίδια της διάταξης "σάντουιτς" εσωτερικά του θαλάμου λυοφιλοποίησης.
k08_1415_B_10.jpg
Απόκριση μεταβλητών κατάστασης και αντίστοιχη απαίτηση ισχύος απο τους επενεργητές - προσομοίωση Matlab




Temperature sensor calibration

Κατά την διάρκεια ελέγχου της ορθής λειτουργίας των επιλεχθέντων ηλεκτρονικών υποσυστημάτων, διαπιστώθηκε πως ο σένσορας είχε σφάλμα στην μέτρηση της θερμοκρασίας. Για τον λόγο αυτό έγινε πείραμα ώστε να βαθμονομηθεί σωστά.

Πιο συγκεκριμένα, ενεργοποιήθηκε το heater mat και μετρήθηκε η θερμοκρασία στο πάνω αλουμινένιο πλακάκι με τον σένσορα, συνδεδεμένο στον μικρο υπολογιστή arduino, και με ένα θερμοστοιχείο συνδεδεμένο με πολύμετρο. Έτσι, σε διάρκεια 13 λεπτών, καταγράφτηκαν η τάση εξόδου του σένσορα και η θερμοκρασιακή ένδειξη του πολυμέτρου. Τέλος, έγινε fitting των δεδομένων απο το οποίο προέκυψε γραμμική σχέση τάσης-θερμοκρασίας διαφορετική απο αυτή του κατασκευαστή.

Επισυνάπτονται τα αποτελέσματα του fitting.


k08_1415_B_13.JPG
Διάταξη πειράματος calibration


Εξισώσεις λειτουργίας peltier:

Κατά την υλοποίηση του νόμου ελέγχου και την προσομοίωση του συστήματος διαπιστώθηκε πως η λειτουργία της αντλίας peltier είναι πιο σύνθετη απο αυτή του heater mat. Αυτό συμβαίνει διότι εκτός απο το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο
( seebeck effect: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect ) που διέπει την λειτουργία του peltier υπάρχουν και ωμικές απώλειες. Εκτός αυτών βέβαια, υπάρχει και το φαινόμενο Thomson κατα το οποίο η θερμοηλεκτρική συμπεριφορά του peltier είναι συνάρτηση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των επιφανειών του.

Έτσι, απο τις καμπύλες του κατασκευαστή ( http://www.europeanthermodynamics.com/PDF/ETH-127-14-11-S.pdf ) προέκυψε η συσχέτιση μεταξύ των ηλεκτρικών και θερμικών μεγεθών της αντλίας peltier οι οποίες είναι της μορφής:
k08_1415_B_9.png
Επισυνάπτονται οι παραπάνω μεταβλητές όπως προέκυψαν απο τα δεδομένα του κατασκευαστή.


Software

Συντάχθηκε πρόγραμμα στην γλώσσα του μικρο υπολογιστή arduino το οποίο υλοποιεί τον σχεδιασμένο νόμο ελέγχου. Επίσης, λήφθηκαν υπόψιν τα ηλεκτρικά όρια λειτουργίας των υποσυστημάτων και συντάχθηκαν εντολές-"δικλείδες" ώστε να αποφευχθούν καταστροφικές συνέπειες στο hardware της ιδιοσυσκευής.

Επισυνάπτονται οι κώδικες προσομοίωσης για το Matlab και ο κώδικας Arduino.





Εργαστηριακό Πείραμα - Benchmark Testing

Για την τελική δοκιμή της διάταξης, πραγματοποιήθηκε πείραμα στο εργαστήριο κατά το οποίο δόθηκε στον κώδικα επιθυμητή μεταβολή

θερμοκρασίας ημιτονοειδής με πλάτος 5oC και περίοδο 30min. Για την ορθή λειτουργία και την προσέγγιση των πραγματικών συνθηκών

μέσα στον λυοφιλοποιητή, τοποθετήθηκε κάτω απο το "σάντουιτς" αλουμινένια ψύκτρα όπως φαίνεται στις φωτογραφίες.


Παρατήρηση: για το εργαστηριακό πείραμα χρησιμοποιήθηκαν ηλεκτρονικά οδήγησης των δύο θερμικών επενεργητών, χαμηλότερης

ισχύος απο αυτά που επιλέχθηκαν αρχικά απο την ομάδα.

H-bridge: ( http://www.ti.com/lit/ds/symlink/l293d.pdf )
Mosfet: ( http://www.vishay.com/docs/70226/70226.pdf )

k08_1415_B_14.jpg
Πειραματική διάταξη


Ακολουθεί το αποτέλεσμα μη ολοκληρωμένης δοκιμής με τα κέρδη όπως υπολογίστηκαν απο την προσομοίωση. Το πρόβλημα που προέκυψε είναι να σταματήσει το πρόγραμμα διότι απαιτήθηκε στιγμιαία η αντλία peltier να δώσει ισχύ πέρα απο τις δυνατότητες της. Επομένως, επιλέχθηκε να θυσιαστεί η ακρίβεια που προσφέρουν τα υψηλά αυτά κέρδη, με σκοπό να έχουμε ασφαλή λειτουργία της διάταξης.
k08_1415_B_12.jpg
Αποτελέσματα πειράματος - μετρούμενη θερμοκρασία και επιθυμητή - Αρχικά κέρδη



Με γνώμονα τα παραπάνω, μεταβλήθηκαν τα κέρδη ανάδρασης του controller.
Παρακάτω δίνονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων της θερμοκρασίας σε σύγκριση με την επιθυμητή μεταβολή. Όπως γίνεται προφανές, ακόμα και με τα πιο χαμηλά κέρδη, πετυχαίνεται ακρίβεια ~1οC. Φυσικά, αυτή η ακρίβεια είναι ανεξάρτητη του πλάτους της επιθυμητής μεταβολής καθώς κυρίως οφείλεται στην ακρίβεια του σένσορα.
k08_1415_B_11.jpg
Αποτελέσματα πειράματος - μετρούμενη θερμοκρασία και επιθυμητή - Ασφαλή κέρδη


Future work

Για λόγους χρόνου και οικονομίας, χρησιμοποιήθηκαν ηλεκτρονικά μέγιστης ισχύος μικρότερης των αρχικά επιλεγμένων από την ομάδα. Συγκεκριμένα, η γέφυρα που έχει επιλεχθεί
( http://uk.farnell.com/stmicroelectronics/l6202/full-bridge-driver-dmos-6202-dip/dp/1271291 ) και το MOSFET
( https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FQ/FQP2N60C.pdf ) μπορούν να οδηγήσουν το σύστημα να παρακολουθήσει πιο πολύπλοκες, με μεγαλύτερο εύρος θερμοκρασιακές μεταβολές. Τα ηλεκτρονικά αυτά έχουν ήδη αγοραστεί και βρίσκονται στο εργαστήριο.
Δε χρειάζεται παρά να γίνει η αντικατάσταση των εν λόγω ηλεκτρονικών για να καταστεί η ιδιοσυσκευή έτοιμη προς χρήση στον εργαστηριακό λυοφιλοποιητή του Δημοκριτου.