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Enregistrement W4210658948 · doi:10.1115/imece2021-68974

A Heterogenous Nucleation Model for Supercooled Water and Sucrose Solution Droplets Under Ultra-Cold Environments

2021· article· en· W4210658948 sur OpenAlexaff
Minghan Xu, Saad Akhtar, Agus P. Sasmito

Notice bibliographique

Revuenon disponible
Typearticle
Langueen
DomaineAgricultural and Biological Sciences
ThématiqueMicroencapsulation and Drying Processes
Établissements canadiensMcGill University
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésNucleationSupercoolingMaterials scienceDegree (music)ThermodynamicsChemical physicsChemical engineeringChemistryPhysics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract With growing food scarcity and high demands for vaccine storage, advancing spray freeze-drying technology has never been more important for prolonging shelf life of biological and pharmaceutical materials. Particularly, the estimation of nucleation behaviour for both pure substances and binary mixtures has become vital to the optimal thermal design and implementation of spay freeze-drying technology. Notwithstanding that past nucleation frameworks could predict nucleation rate and temperature of droplet solidification, few of them considered extreme surrounding conditions, such as very low ambient temperature below −60 degree Celsius. These environments, however, play a significant role in ascertaining the preservation and storage of chemical and pharmaceutical products, e.g., vaccines and protein drugs. It is therefore of great interest to establish accurate and reliable mathematical framework on simulating nucleation during droplet solidification subjected to ultra-cold conditions. This paper develops a semi-analytical heterogeneous nucleation model and anticipates nucleation phenomena of a suspended droplet under ultra-cold environment. Nucleation temperatures calculated from the presented model are validated against a set of experiments on single suspended droplets for a wide array of ambient temperatures from −20 until −160 degree Celsius. Both pure water and 20% w/w sucrose aqueous solution are examined for these droplets. Cumulative probability distributions of nucleation for both types of droplets over nucleation temperatures are also presented and comparisons are made between the model results and recent experimental data from literatures. Our preliminary findings demonstrate that drastic changes in nucleation temperature for ultra-cold surroundings are the aftermath of alterations in interfacial surface tension. Conventionally, the inter-facial surface tension is defined as a function of supercooling degree only, which fails as surrounding temperature is prescribed below −40 degree Celsius. In this study, the interfacial surface tension is linearly optimized using error minimization with experimental data fit, such that it substantially relates to both the supercooling degree and surrounding temperature under a given environment for pure water. As for sucrose aqueous solution (i.e., an example of binary mixtures), their solute concentration is also a dependent variable of interfacial surface tension. The results indicate that our proposed framework is capable of predicting heterogeneous nucleation in a droplet filled with either pure material or binary mixture. Development of this nucleation model for spray freeze-drying can expedite manufacturing process and reduce expenses in handling, transportation and storage of biological products, thus improving the shelf life of pharmaceuticals and availability of foods at large. Our model can be extended on other pure materials and binary mixtures, which will further be used to facilitate the design and implementation of spray freeze-drying technology for preserving and storing more chemicals and pharmaceutical excipients.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Expérimental (laboratoire) · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,023
Score d'incertitude au seuil0,046

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,000
Études des sciences et des technologies0,0010,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0020,001
Intégrité de la recherche0,0020,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0020,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,028
Tête enseignante GPT0,213
Écart entre enseignants0,185 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeExpérimental (laboratoire)
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations1
Publié2021
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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