CN105378413B

CN105378413B - 使用表面热通量测量来监控和控制冻干过程

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Publication number: CN105378413B
Application number: CN201480033966.3A
Authority: CN
Inventors: 凌伟嘉
Original assignee: Millrock Technology Inc
Current assignee: Millrock Technology Inc
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2034-06-18
Also published as: WO2014209703A1; JP2016523353A; EP3014205A1; US9121637B2; EP3575718A1; EP3014205B1; CN105378413A; EP3575718B1; EP3014205A4; JP6153664B2; US20140373382A1

Abstract

一种用于监控和控制冻干装置中的冻干过程的方法，冻干装置具有壁、架子以及多个小瓶或盘，小瓶或盘定位在架子的不同区域上并且包含待冻干的产品。选择代表位于架子的不同区域中的所有小瓶或盘的位置的一个或多个小瓶或盘。将一个或多个热通量传感器定位在选出的小瓶或盘与壁和/或架子的相邻部分之间。在冻干过程的冷冻和干燥阶段过程中测量选出的小瓶或盘与相邻的壁或架子的部分之间的热传递。

Description

使用表面热通量测量来监控和控制冻干过程

技术领域

本发明涉及用于监控和控制冻干过程的方法，并且更特别地涉及使用表面热通量测量用于这样的监控和控制。

背景技术

传统地，仅从系统的各个位点测量温度来监控和控制冻干过程。然而，仅仅知道温度对于控制和优化冻干过程而言是不够的，因为温度变化是热传递事件的最终结果。多数情况下，检测到不理想温度改变的时刻对于做出任何校正以对其进行修正而言太晚了。

传统冻干过程控制由于来自产品温度的反馈有限因而是低效的开环控制，并且仅仅能够控制来自热传递流体流入架子堆的位点的热传递流体温度。根据不同的产品负荷(即，产品或小瓶的量、尺寸和填充)以及设备构建(及，架子构建、流体泵尺寸和流速等)，真实的架子表面温度变化，入口流体温度保持恒定。另外，热传递系数随着真空水平和产品容器而改变。这意味着相同入口架子温度可导致不同的产品温度以及因此不同的冷冻和干燥结果。该控制环中缺失的环节在于架子与产品之间的热通量测量。

冷冻步骤

冻干过程中的冷冻包括成核过程以及成核后热处理以产生冰晶结构，该冰晶结构使先前溶解的产品浓缩成冰晶之间的固定基体(matrix)。通常，由于热传递的差异而使得成核以随机的方式发生，导致批次中的不一致结晶，这导致不同的干燥性能和不一致的产品结果。正确的晶体结构允许制造雅致的块体，这也降低了总的干燥时间。为了制造有助于干燥的一致晶体结构，受控成核与正确的热处理组合。

温度传感器并不提供用于一致结晶过程控制所需的反馈。例如，在冷冻过程中，产品温度可能不发生改变，诸如在冷冻步骤中移除潜热的过程中。尽管产品温度不发生改变，然而发生了显著的热传递事件。

在成核后移除潜热过程中，热传递速度对冰晶尺寸、定向和分布有显著影响。冰晶结构显著影响干燥性能和最终产品外形。测量热流实现冷冻过程的更好控制。该方法在不存在产品温度改变时的热事件过程中实现架子温度的控制。

干燥步骤

干燥可进一步划分为主干燥步骤和辅助干燥步骤。主干燥为升华过程，其中冷冻产品中的冰直接转变成蒸汽，该蒸汽然后凝结在冷的凝结表面上，从而将浓缩产品的基体留在架子上的小瓶或盘中。辅助干燥为解吸附过程。浓缩产品基体中余留的湿气被降低至对于产品长期稳定性而言最佳的水平。

通常，优化的干燥要求有效去除水而不会损失在冷冻步骤过程中产生的产品基体结构的过程。这里关键在于将产品保持在最大的允许温度同时仍低于临界温度。临界温度为这样的产品温度，在该温度以上产品熔化和/或基体失稳。

还可存在需要某种形式的失稳的应用。可同样对这些应用监控、优化和控制该过程。

从过程控制的角度而言，周期优化产生架子温度与室压力组合，其平衡热和质量流并且将产品维持在其最佳温度。传统而言，这是非常具有挑战性的任务，其涉及多步骤尝试错误方法，因为测量温度和压力单独而言不能解决热和质量流平衡问题。

当前用于冻干系统中的过程中(in-process)测量的一些方法为：

MTM-一种仅仅基于压力上升测量来计算产品温度的过程中技术。该技术限于关键批次尺寸并且不提供质量流信息。其仅可提供不快于每半小时一次的间断测量。测量限于周期的第一半部分，因为其在周期的第二半部分中损失其准确性。

TDLAS-可调谐二极管激光器-一种使用激光器测量通过管道的质量流的过程中技术。这是昂贵的技术，其仅仅在冻干过程的干燥阶段起作用。仅仅带有外部凝结器的设备才能够与TDLAS适配。该仪器自身显著延长蒸汽管道的长度并且限制穿过管道流向凝结器的最大蒸汽流速。

在美国专利No.5367786中描述的双容器差异热通量测量是基于热通量的过程控制方法，其测量位于单个加热或冷却表面上的过程监控容器与参照容器之间的热通量差异。由于不存在两个相同的容器(尤其是装置中使用的玻璃小瓶)，因此存在测量准确性方面的限制。将空的参照容器放置在升华产品容器之间显著改变了测量位点和参照位点两者上的热传递机制。由于在空参照容器与产品容器之间可发生热传递，因此可能损害差异热通量的测量准确性。将基于金属箔的辐射屏蔽件放置在两个容器之间进一步改变加热或冷却表面之间的热传递机制。该方法的基本限制在于，其显著改变了所述方法所尝试测量的热传递机制。在规模生产系统中，放置测量装置是不切实际的。还需要温度探针直接放置在产品容器中，这被认为是侵入性的。鉴于上述限制，该方法还未曾在实验室或生产应用中广泛采用。

晶体结构可为在冻干过程中需要控制的最重要的物理性质。然而，对改进冻干过程的主要重视集中在升华或主干燥阶段。由于升华过程是冻干中最长的步骤，因此改进可带来更高的产出和更好的产品一致性。

由于不同的超冷却程度，将小瓶放在架子上并且降低架子温度(如在大多数冻干机中进行的)导致小瓶中产品的非均匀冷冻。结果是由于不同成核温度和速率导致的小瓶之间不同的晶体结构。晶体结构的不同导致不同的升华速率以及因此产品的不一致。

主干燥是冻干过程中的最长步骤。大多数多于过程改进的努力集中在测量产品温度并将其控制成尽可能接近其临界点以缩短周期。然而，如果冷冻产品中没有正确的冰结构，则存在能够多快执行周期而不损害终端产品品质的限制。通过正确的冷冻来制造更好的产品晶体结构可由于更均匀的块体结构而带来更高的产出并且由于减小的块体阻力而缩短主干燥周期。通常，更大的晶体更易于冻干，而小的晶体阻碍升华因此延长过程。冷冻的速度对晶体的尺寸和类型具有直接的影响。较快的冷冻产生较小的晶体，而较慢的冷冻产生较大的晶体。冷冻速率的改变导致不同的晶体结构。

制造正确晶体结构的挑战性在于，通常的冷冻过程并不控制流向产品的热流并且因此晶体生长发生变化。将小瓶放置在架子上并且降低架子温度(如在大多数冻干机中进行的)导致批次中的异质成核以及小瓶中的异质晶体生长。冷冻的随机性是由于冰晶生长过程期间不同的超冷却程度以及热流的变化所导致的。重要的是应当理解，即使架子温度改变速率不发生变化，晶体生长的速率也会变化。

冷冻的该阶段过程中的主要在于，成核是随机的，并且在自由水从液态到固态的相变过程中不发生产品温度改变。晶体生长的速率取决于设备的热传递效率。热流随着架子被冷却以及产品冷冻而显著改变。改变的热流导致小瓶内以及批次中的不一致冰结构。

为了在小瓶中以及在批次中产生最一致的晶体结构，需要共同的起始点以及用于控制晶体生长速率的方法。为了改进当前的冷冻过程，需要用于受控成核的方法与用于监控和控制结晶过程中热流的方法。制造受控成核事件提供批次中用于冷冻的一致起始点，而控制晶体形成过程中的热流实现更理想冰结构的生长。成核的目的是使得所有的小瓶在相同时间、相同温度和相同速率下成核。结果是，在批次中具有用于控制小瓶内结晶形成过程中晶体生长的一致起始点。

重要的是应当指出，受控成核自身并不显著减少主干燥时间。受控成核提供均匀起始点，然而能够减少主干燥时间的是超冷却的正确控制以及成核后晶体生长的控制。例如，超冷却至-10C、成核、并且然后快速冷却的蔗糖将带来小的晶体结构以及主干燥时间方面的微小改进。因此，成核后热处理对于小瓶内的均匀且冻干友好的冰结构而言是至关重要的。

发明内容

可通过在出现温度改变之前对热通量改变做出反应来加强冻干过程监控和控制。一种测量热通量的方法是使用表面热通量传感器，所述传感器获取穿过表面就单位时间单位面积的能量而言的热传递的精确直接读数。

表面热通量传感器的作用是测量穿过安装该传感器的表面的热传递(损失或增益)。其通过指示附接至测量表面的薄层或分离器材料的相对侧之间的温度差来实现该作用，因此提供热损失或增益的直接测量。

冻干过程具有两个主要步骤：冷冻和干燥。每个步骤涉及架子与产品之间的不同的热传递动力学。冷冻是其中热从小瓶传递至架子的冷却过程。干燥是从架子向产品的加热过程。

使用热通量传感器，可以直接温度测量和其他方法所不允许的方式监控和控制冷冻步骤和干燥步骤两者。因此，热通量测量方法提供整个过程的控制并且是原位过程分析技术(PAT)。

为了产生一致晶体结构，必须理解冷冻过程中发生的主要事件：

1-成核；

2-冷冻浓缩中的晶体生长；以及

3-具有最大冷冻浓缩或冷冻分离(共晶产品)的冷冻浓缩物(非晶产品)。

如果这些步骤中的每个步骤均可受到监控和控制，则可在整个批次上以及每个小瓶内形成一致的晶体结构，并且因此制造一致性高得多的最终产品并且甚至减少主干燥阶段的时间。

1-成核

成核的目的是使得所有的小瓶在相同时间、相同温度和相同速率下成核。结果将是对于控制晶体结构而言一致的起始点。通过对所有的小瓶提供一致的起始点，受控成核为控制整个冷冻过程提供基础。为了形成受控的成核，小瓶被冷却至液体被超冷却的点，并且所有小瓶已稳定在预定温度下。一旦稳定，则引入晶体事件以产生成核事件。例如，小瓶可冷却至-5C并且保持45分钟以确保产品是稳定的。将籽晶引入产品室，从而引起小瓶中的成核。该方法的优点包括实施简单以及成本低。

为了确保小瓶已到达预定温度，本发明方法可用于确保流入小瓶的热已降低至不再发生任何温度改变的水平。这以无需在小瓶中使用热电偶的方式完成。

重要的是应当注意，受控成核自身并不显著减少主干燥时间。受控成核提供均匀的起始点，而能够减少主干燥时间的是晶体生长的控制。

2-晶体生长

余留的未冷冻材料成核后为平衡冷冻浓缩。随着架子温度降低，进一步从小瓶移除能量。该冷冻步骤过程中晶体生长的速率通常不受控制，并且改变的热流导致小瓶内不一致的冰结构。影响晶体生长速率的另一因素是设备的热传递系数。架子上的不同光洁度、不同热传递流体、以及不同的热传递流体流动速率均对热传递系数具有影响。在冷冻过程期间，平衡冷冻浓度结晶并形成最大冷冻浓度(Wg')。例如：蔗糖具有的最大冷冻浓度为20％的水和80％的蔗糖。

该冷冻阶段过程中的一个主要挑战在于，在从液态到固态的相变过程中不发生温度改变，并且改变的速率依据热传递系数而定，这在每件设备以中且对于每种应用而言是不同的。

在不受控成核和受控冷冻的情况下，小瓶底部的晶体结构小于顶部的晶体结构。这导致不均匀的干燥以及回熔或失稳的可能性。鉴于块体底部朝向主干燥终点的收缩，这是显而易见的。

3-冷冻分离或浓缩

一旦平衡冷冻浓缩完全结晶，则该过程已到达潜热移除的终点，并且余留的最大冷却浓度开始分离(共晶)或浓缩(非晶)。通过使用本发明方法，可选择热流速率并且可控制结晶速率直到产品温度下降到其共晶或玻璃转变温度以下。该过程期间的控制在整个最大冷冻浓度上产生一致的结构。

设计空间的确定

使用热通量测量信息，可限定和绘制周期优化设计空间。可在质量通量相对室压力图上绘制产品温度等温线以及架子温度等温线。产生的信息可用于选择最佳架子温度和室压力，以用于特定冻干机中可能的最大产出。该品质源于设计的方法通过最少的实验使得对过程和产品的理解最好。

使用热通量测量方法，可通过仅仅两个周期运行来绘制周期优化设计空间。首先，执行冰板升华测试以找到设备的极限线。其次，执行单个产品升华测试，以绘制所有的架子温度等温线。通过质量损失来计算小瓶热传递系数(K_v)的常规方法对每个运行需要单个真空设定点，并且需要多个真空设定点。这使得常规方法是极其漫长且昂贵的过程。

热通量方法的另一益处在于，需要有限的产品样本来完成测试运行，只要它们能够覆盖传感器的区域即可。其他类似于TDLAS的方法要求多得多的样本，以产生足够的蒸汽流用于准确测量。

除了确保在小的实验室冻干机中开发的协议能在大的生产冻干机上重复之外，热通量测量方法还允许对生产冻干机特征化并且然后在实验室规模单位上模拟。例如，可测量已有协议的热通量并且然后在小的系统上重复。通常这是非常困难的，因为系统性能和热传递动力学都显著不同。从实验室按比例应用到生产中是工业上的主要问题。控制成核以及控制热流的主要优点在于，在任何冻干机中开发的冷冻曲线可完全成功地转移到任何其他冻干机中。

附图说明

图1为其上安装有一个或多个产品小瓶的冻干装置第一实施例中架子的一部分的立面图，其中热通量传感器安装在架子的顶表面上位于小瓶下方；

图2为冻干装置第二实施例中架子的一部分的立面图，其中热通量传感器嵌入在架子中位于安装于架子上的一个或多个产品小瓶的下方；以及

图3为冻干装置第三实施例的一部分的立面图，其中一个或多个热通量传感器安装在与待在装置中冻干的块体材料接触或相邻的壁或架子上。

具体实施方式

本发明热通量测量方法在冻干过程控制中的实施为优化和实现冻干周期的验证试验开启了新的大门。其基于连续实时测量，这与在周期结束之后仅仅获取基于偶然批次的平均估算或计算的其他技术相反。其在从冷冻到干燥结束的整个周期中起作用。其可作为真实过程分析技术(PAT)从实验室规模转变到生产。

使用热通量来原位验证过程可首次确认已在可接受参数内执行该过程。另外，在诸如设备故障的情况下，可使用反馈在损害发生之前防止过程中对产品造成的损害。

热通量感测提供可确定可能偶然发生的过程改变(诸如小瓶中的改变)、配方改变、冻干机性能以及先前不能测量的其他关键参数的信息。

在功率损耗过程中，块体结构可受到影响。热通量感测可用于确认块体结构中未出现负面影响，从而节省批次产品。

相比于用于监控和控制冻干过程的所有其他方法，使用表面热通量传感器具有包括以下的主要优点：

1.可用于冻干过程的冷冻和干燥部分两者；

2.侵入程度最低地改变甚至不改变热传递机制；

3.实时连续的测量；

4.可安装在从实验室到生产规模的所有冻干设备上；

5.与内部和外部凝结器构造一起工作；

6.可用于确定主干燥的结束；

7.消除在不同压力下运行多个产品以确定可接受的性能范围的需求；

8.用作PAT工具并且实现从实验室到生产的过程的实时监控和控制；

9.通过最少周期运行提供用于品质源于设计的原位信息；

10.其独立于设备和容器，从而允许无缝周期传送；

11.其独立于批次尺寸，从小批量到全负荷有效(MTM和TDLAS要求大批次)；

12.执行直接测量，并且不依赖于计算中的估算(MTM要求估算室的体积)；

13.可识别关键过程参数的改变，即小瓶构建、配方、设备性能等；

14.可用于验证停电或者其他设备或过程故障之后的块体完整性；

15.低成本；和/或

16.可容易实施。

热通量传感器可以各种方式实施。例如，在多数实验室规模的系统上，传感器可安装在架子的顶表面上，而在生产规模的系统上，其可嵌入在架子内。对于监控和控制而言，安装位置不限于架子。其还可安装在冻干装置的位于小瓶或块体材料附近的壁会其他表面上，并且可对过程具有显著的热传递影响。

可使用任何合适类型的热通量传感器。作为示意性实例，低热电容和低热阻抗热通量传感器适于这种类型的应用。

如图1所示，一个或多个产品小瓶10在冻干装置中安装在一个或多个架子12的中央或其他部分上，从而代表位于架子12上其他位置中的产品小瓶(未示出)。一个或多个热通量传感器14安装在架子12的上表面上和/或相邻壁(未示出)。有利于热传递的不锈金属箔或其他层16可定位在每个热通量传感器14与产品小瓶10之间，以确保产品小瓶10与架子12之间的热损耗或增益的准确测量。

修改的实施例在图2中示出，其中一个或多个产品小瓶110在冻干装置中安装在一个或多个架子112的中央或其他部分上，并且一个或多个热通量传感器114嵌入在架子112内和/或相邻壁(未示出)且位于产品小品110下方或附近。

作为示意性实例，图1的实施例可用在实验室规模系统中，并且图2的实施例可用在生产规模系统中。

第三实施例在图3中示出，其中待冻干的块体产品P放置在安装于具有壁或其他表面216的冻干装置的一个或多个架子212上的一个或多个盘210中。一个或多个热通量传感器214可安装至架子212上且位于块体产品P附近和上方或下方。一个或多个热通量传感器214还可安装在冻干装置冻干装置的壁或其他表面216上且相邻架子212上的块体产品P。热通量传感器214安装在架子212或壁216上的相邻选定块体产品P的选定位置中，从而代表冻干装置中的所有块体产品。热通量传感器214可安装于或嵌入架子212、壁216或相邻块体产品P的其他表面。

为了在小瓶中和在批次中形成最一致的晶体结构，需要共同的起始点和用于控制晶体生长速率的方法。受控成核通过使所有小瓶在相同温度、速率和时间成核来提供共同起始点。一旦小瓶成核，则在未饱和溶液中开始晶体生长。通过测量晶体生长过程中的热流，可确定冷冻速率。通过将该信息与冰的潜热结合，在热流可控的情况下可预测潜热移除的终点以及未饱和溶液结晶的终点。

在大多数冷冻曲线中，架子温度以受控的速率倾斜下降至低温，例如以0.5℃/min下降至-40℃。当监控热流时，非常显然的是，晶体生长在结晶过程中急剧改变。通过来自热通量传感器的反馈，可控制架子温度，以在冷冻的整个晶体生长阶段过程中将热流保持在预定水平。结果是在所有小瓶中和整个批次上的均匀冰结晶结构。可将晶体生长控制在不同的速率下以形成不同晶体尺寸。

热通量传感器提供用于热流(dq/dt)的过程中信息。使用该信息，可执行一系列计算以提供用于控制冻干过程的关键信息。可确定三个关键参数，包括小瓶热传递系数(K_v)、质量流(dm/dt)、以及产品阻力(R_p)。这些计算实现过程参数的预测，而非使用通常的热电偶的“事后”开环控制反馈。这使得基于热通量的控制为真正的过程分析工具。一旦已确定K_v，可计算小瓶底部的产品温度(T_b)，因此对于监控产品温度而言减少对于热电偶的需求。

K _v -小瓶热传递系数

小瓶热传递系数K_v是重要的过程变量，其在干燥步骤过程中对产品温度具有直接影响。其值依赖于小瓶物理性质、室真空水平以及架子表面光洁度。

一种计算K_v的已知方法涉及多个升华测试，这些测试要求操作者执行短时运行并且然后将产品从冻干机中移除，以在每个测量周期之后的一段时间内测量真实的重量损失。对每个的真空水平执行该过程，以形成性能曲线。该方法耗时且易于出现差错。

通过使用本发明热通量测量方法，可在周期过程中实时确定(计算)K_v而无需时间和劳动密集的升华测试。对K_v的过程中的了解完全消除了由热传递系数差异导致的过程不确定性。可基于K_v的架子表面温度来计算产品冰温度。

小瓶热传递系数(K_v)和产品温度(T_b)对于品质源于设计(QbD)而言是非常有用的。可识别小瓶特征和成分中的任何改变。

其中：

K_v＝待计算的小瓶热传递系数

A_v＝小瓶的外横截面面积

T_s＝来自测量的架子表面温度

T_b＝小瓶底部中央处的产品温度

为了计算K_v，需要热电偶来测量T_b。这仅仅需要进行一次。一旦已确定K_v，则可计算T_b并且去除热电偶。

Dm/dt-质量流

热流测量使得控制能够对负荷敏感。对流体入口温度的传统控制不具有对架子上的冷却或加热负荷的实时测量。负荷的改变导致产品的不同热处理曲线。这对于将过程转移至设备的不同部件或不同的批次尺寸而言是主要的障碍。基于热流的控制使得过程可完全转移并且成比例地应用于任何尺寸的机器和负荷。

质量流信息给出了何时可完成主干燥周期的实时估算。之前，仅仅在周期结束时才能检测到周期结束。通过热流测量，可从一开始预测周期的结束。在周期过程中，任何过程参数改变导致可监控的质量流的改变。

热流和质量传递方程：

其中：

ΔH_s＝冰的升华热

R _p ＝产品阻力

产品阻力R_p为对产品的干燥层导致的升华的阻力。其值依赖于冷冻产品的晶体尺寸、定向和分布。最当前的设备不具有对R_p的直接测量。这意味着，无法验证产品在不同的批次之间以相同的方式冷冻。通过R_p的实时读数，可从干燥过程开始的时刻验证冰基体性质。在干燥过程期间，如果过程产品温度导致干燥层失稳或产生裂纹，可实时监控产品阻力的改变。该测量提供干燥过程期间产品结构的完整跟踪，从而允许过程验证。

质量传递和产品阻力方程：

冰上蒸汽压方程：

(气象仪器指南及观察方法2008)

其中：

A_p＝小瓶的内横截面面积

P_i＝从冰温度T_b计算得到的冰的蒸汽压

P_c＝室压力

R_p＝待计算的干燥产品层的阻力

T_b＝小瓶底部中央处的产品温度

热流信息可用于确定：

-热流

○冷冻：

■确定产品已准备好进行受控成核；

■控制架子温度用于受控晶体生长；

■确定产品已到达冷冻的终点并且准备好进行主干燥；

○主干燥：

■计算整个主干燥过程期间的产品温度；

■确定主干燥的终点(当热流接近零时)

-产品温度

○通过计算确定产品温度，以消除对侵入式温度测量方法(诸如热电偶)的需求；

○验证产品不上升到临界温度以上；

○反馈给控制系统以调整架子温度，以将产品恒定地保持在其临界温度以下而同时使架子温度最大化，从而减少主干燥时间。

-质量流

○计算主干燥时间的终点：

■计算质量流和余留材料以确定主干燥中剩余的时间量；

○限定用于设备的设计空间(QbD-品质源于设计)：

■调节真空水平和架子温度以在单个运行中产生设计空间。

-过程分析技术(PAT)

○为了确定是否已发生过程的任何改变，热流将改变。过程改变可源自于但不限于：

■小瓶特征

■填充水平

■设备性能

■其他因素

特征：

-用于监控和控制整个冷冻和干燥过程的真实过程分析技术；

-用于产生设计空间的QbD工具；

-识别过程中的改变：

○小瓶中的改变；

○填充量的改变。

-确定是否出现失稳或回熔(melt-back)。

通过前述说明，应当容易看出，本发明热通量方法简单、廉价、易于实施，并且是用于监控和控制不同类型冻干装置的冻干过程的冷冻和干燥两个部分的侵入性最小、可靠、有效且准确的方法。

尽管已结合当前被认为是切合实际且优选的实施例描述了本发明，然而应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反旨在涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims

1.一种用于监控和控制冻干装置中的冻干过程的方法，所述冻干装置具有壁、一个或多个架子以及一个或多个小瓶或盘，所述小瓶或盘定位在所述架子的不同区域上并且包含待冻干的产品，所述方法包括：

选择代表位于所述架子的不同区域中的所有小瓶或盘的位置的一个或多个小瓶或盘，

将一个或多个热通量传感器定位在选出的小瓶或盘与所述壁和/或架子的相邻部分之间，

在所述冻干过程的冷冻阶段过程中测量选出的小瓶或盘与相邻的壁或架子的部分之间的热流，以及

在冷冻的整个晶体生长阶段控制架子温度以将所述热流保持在预定水平，从而在所述冷冻阶段过程中在所述产品中产生均匀的冰晶体结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，一个或多个热通量传感器安装在相邻架子部分的顶表面或底表面上。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，一个或多个热通量传感器嵌入在与选出的小瓶或盘相邻的架子部分内。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，一个或多个热通量传感器安装于或嵌入与选出的小瓶或盘相邻的壁部分。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：使用测量热流所得到的信息来限定和绘制对于在实验室或生产冻干装置中使用而言最佳的架子温度和室压力以及周期优化设计空间。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：使用测量热流所得到的信息来确定所述冷冻阶段的当热流已减少至接近于零的稳定状态情况时的终点。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：通过控制架子温度以将所述产品维持在临界温度以下并且使架子温度在整个主干燥阶段过程中最大，使用测量热流所得到的信息来缩短主干燥时间以及确定产品在所述主干燥阶段过程中已正确升华，所述产品在所述临界温度以上熔化。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：使用测量热流所得到的信息来确定所述主干燥阶段的当热流已减少至接近于零的稳定状态情况时的终点。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，温度被控制为使得产生的冰晶体具有将使得主干燥阶段过程中的干燥时间缩短的尺寸和均匀性。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述冷冻阶段的所述晶体生长阶段之前，所述产品以预定和受控的温度、时间和速率成核以产生均匀的初始冰晶体结构。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，测量热流所得到的信息用于确定所述产品已达到所述预定温度，从而不再发生温度改变。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热通量传感器为低热电容和低热阻抗传感器。

13.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：使用测量热流所得到的信息来确定用于控制所述冻干过程的小瓶热传递系数(K_v)、质量流(dm/dt)以及产品阻力(R_p)这些关键参数。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，一旦计算出所述小瓶热传递系数(K_v)，则将其用于计算所述小瓶底部处的产品温度(T_b)。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述小瓶热传递系数(K_v)通过以下公式确定：

\frac{d q}{d t} = K_{v} A_{n} (T_{s} - T_{b}) = > K_{v} = \frac{\frac{d q}{d t}}{A_{v} (T_{s} - T_{b})}

其中：

K_v＝待计算的小瓶热传递系数

A_v＝小瓶的外横截面面积

T_s＝来自测量的架子表面温度

T_b＝小瓶底部中央处的产品温度。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述质量流(dm/dt)通过以下公式确定：

\frac{d q}{d t} = {ΔH}_{S} \frac{d m}{d t} = > \frac{d m}{d t} = \frac{\frac{d q}{d t}}{{ΔH}_{S}}

其中：

ΔH_s＝冰的升华热

17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述产品阻力(R_p)通过以下公式确定：

\frac{d m}{d t} = \frac{A_{p} (P_{i} - P_{c})}{R_{p}} = > R_{p} = \frac{A_{p} (P_{i} - P_{c})}{\frac{d m}{d t}}

冰上蒸汽压方程：

P_{i} = 6.112 e^{(\frac{22.46 T_{b}}{272.62 + T_{b}})}

其中：

A_p＝小瓶的内横截面面积

P_i＝从冰温度T_b计算得到的冰的蒸汽压

P_c＝室压力

R_p＝待计算的干燥产品层的阻力

T_b＝小瓶底部中央处的产品温度。

18.根据权利要求7所述的方法，其中，所述测量热流所得到的信息用于限定能够用于不同类型的实验室或生产冻干机装置的冻干协议。

19.一种监控和控制冻干装置中的冻干过程的方法，所述冻干装置具有壁、一个或多个架子以及一个或多个小瓶或盘，所述小瓶或盘定位在所述架子的不同区域上并且包含待冻干的产品，所述方法包括：

在所述冻干过程的主干燥阶段过程中测量选出的小瓶或盘与相邻的壁或架子的部分之间的热流，以及

控制架子温度以将所述产品维持在临界温度以下并且使架子温度在整个主干燥阶段过程中最大，从而缩短主干燥时间并且确定产品在所述主干燥阶段过程中已正确升华，所述产品在所述临界温度以上熔化。

20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：使用测量热流所得到的信息来确定所述主干燥阶段的当热流已减少至接近于零的稳定状态情况时的终点。

21.一种用于监控和控制冻干装置中的冻干过程的方法，所述冻干装置具有壁、一个或多个架子以及一个或多个小瓶或盘，所述小瓶或盘定位在所述架子的不同区域上并且包含待冻干的产品，所述方法包括：

在冷冻的整个晶体生长阶段控制架子温度以将所述热流保持在预定水平，从而在所述冷冻阶段在所述产品中产生均匀的冰晶体结构。

22.根据权利要求21的方法，进一步包括：使用测量热流所得到的信息来确定所述冷冻阶段的当热流已减少至接近于零的稳定状态情况时的终点。

23.一种用于监控和控制冻干装置中的冻干过程的方法，所述冻干装置具有壁、一个或多个架子以及一个或多个小瓶或盘，所述小瓶或盘定位在所述架子的不同区域上并且包含待冻干的产品，所述方法包括：

24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括：使用测量热流所得到的信息来确定所述主干燥阶段的当热流已减少至接近于零的稳定状态情况时的终点。

25.一种用于监控和控制冻干装置中的冻干过程的方法，所述冻干装置具有壁、一个或多个架子以及一个或多个小瓶或盘，所述小瓶或盘定位在所述架子的不同区域上并且包含待冻干的产品，所述方法包括：

在所述冻干过程的冷冻和干燥阶段过程中测量选出的小瓶或盘与相邻的壁或架子的部分之间的热流，以确保不存在将影响产品品质的显著过程变化。

26.一种用于监控和控制冻干装置中的冻干过程的方法，所述冻干装置具有壁、一个或多个架子以及一个或多个小瓶或盘，所述小瓶或盘定位在所述架子的不同区域上并且包含待冻干的产品，所述方法包括：

在所述冻干过程的冷冻和干燥阶段过程中测量选出的小瓶或盘与相邻的壁或架子的部分之间的热流，以验证已根据预定参数正确完成所述过程。