虹科分享 | 冻干理论及工艺尽在掌握（二）

冷冻干燥（冻干）已经成为处理需要在高于冰点的温度下长期储存的敏感产品的一种公认方法。

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虹科分享 | 冻干理论及工艺尽在掌握（一）

在上一篇文章中我们对冻干工艺已经有了初步的认识，并了解到其设备设计的三个组成部分以及冻干工艺步骤的前两个操作，现在让我们继续一起完成整个冻干工艺，并向实验室（试验计划）扩大到制造方面提出挑战。

冻干工艺步骤

无论出于何种原因使用冻干工艺，都需要注意和了解四个基本步骤

• 预处理

• 冷冻

• 初级干燥（冰升华）

• 二级干燥（水分解吸）

03 初级干燥

初级干燥阶段是冰在超低压力下升华（直接变成蒸汽），通常低至0.01 hPa（mbar）或更低，这取决于样品的预冻温度。升华的驱动力是与产品冰面和冷凝器冰面之间的相应温度差有关的压力差。较大的温差意味着较大的压力差，这使得过程更快。真空通过去除空气分子使样品蒸汽分子更容易从样品中移动，通过真空室并进入冷凝器，从而加速了这一过程。通常情况下，在初级干燥过程中，搁板上的温度从-40到+20°C逐渐升高，这个过程的时间可以从几小时到几天不等。搁板温度通过传导热量（与搁板接触）以及从搁板上方辐射热量，间接影响样品的冰温。由于室中存在的空气分子水平较低，对流产生的加热量非常有限。样品温度由插入西林瓶中的微小传感器监测，然后相应地跟踪搁板的温度变化。

为了使冻干机有效，冷凝器的温度必须低于产品的温度。这种温度差异会产生压力差，使水蒸气向冷凝器净迁移。

在初级干燥阶段，必须尽可能地加热产品（不超过共晶点），以增加产品和冷凝器之间的压力差。这也增加了冻干冰界面（冷凝器）和产品冰屏障之间的温度差。然而，重要的是要记住，输入限制往往是由产品本身的热特性造成的。如果一个产品的共晶温度为-10°C，则可将产品温度降至约-15°C。如果冷凝器的温度为-50℃，这将导致比产品温度保持在-30℃甚至-40℃时更大的压力差（工艺速度）。由于极低温度下压力差很小，降低冷凝器温度对工艺速度的影响有限。

使用西林瓶室系统时，操作者可以通过温度和压力控制来控制输入产品的能量。这些控制使操作员能够优化冷冻干燥周期。通常情况下，在冷冻干燥周期中，产品温度会落后于搁板温度，从而增加周期时间。为了克服这个问题，可以增加压力，以提高可用于从热源（搁板）向产品进行热传递的分子数量。此外，使用平底的西林瓶可以提供最佳接触，从而减少搁板和产品之间的热传递屏障。

显示搁板和产品之间典型温度关系的示意图

无论采用哪种冷冻干燥方法，必须记住，初级干燥是对产品的能量输入和产品与冷凝器之间因温度差而产生的压力差之间的一种微妙平衡。

此外，初级干燥通常是工艺中耗时最长的部分，因此需要进行优化。这通常是通过调整温度和压力来实现的，以使产品尽可能接近其坍塌条件，但又不越界。

04 二级干燥

当产品达到其共晶点以上的温度时，通常会开始二级干燥。在这一步骤中，真空泵创造了去除溶剂所需的低压条件，这通常会导致产品看起来很干燥。在该解吸步骤中被去除的溶剂被称为 "结合"。产品中的结合物或残余水量取决于产品在二级干燥阶段的停留的时间。

通过将搁板温度提高到其允许的最大值来控制和优化去除。然而，这通常不会提高到 +42°C以上，因为生物样品含有的蛋白质会因此变性。由于不存在或存在很少的蒸汽分子，此时真空度非常高（低压）。冷冻干燥周期的这一部分通常占整个周期的一半以下，但对于样品的最终含水量至关重要。对于装在西林瓶中的药物样品，所需的水分含量通常接近或低于1-3%，以确保最大的保质期。这只能通过使用配备有塞子装置的冷冻干燥室来实现，例如使用真空下关闭的橡胶塞子密封西林瓶，或者通过用惰性气体（如氮气）平衡干燥室的真空度。

典型的冷冻干燥曲线示例

通常情况下，细胞培养物、药物和诊断试剂盒都会受到这种低水平残留水分的影响。诸如卡尔-费舍尔滴定试验或在处理前和处理后称量样品的方法可用于检查残余水分含量。从重构的角度来看，追求比要求更低的残留水分水平是不可取的，因为时间将变得越来越长，越来越困难。

一旦确定产品处于其周期结束时，必须将其从冻干机中取出。如果使用散装室，在卸下托盘之前，通过向腔室“排放”空气或氮气使系统达到大气条件。以这种方式处理的产品将吸收它所接触到的水蒸气。因此，应尽快处理或储存该产品。

在干燥西林瓶时，它们通常是在真空（或用氮气加压到大气条件下）下关闭，这意味着它们不需要快速处理，只需要适当的储存。

扩大规模

冻干工艺在从实验室（试验计划）扩大到制造方面提出了挑战。试验计划单元和生产冻干装置之间的完全可扩展性允许开发或优化冻干周期参数，这可以显著节省成本。

试验计划和生产装置的性能必须在搁板和冷凝器的最低温度、搁板和冷凝器的冷却时间、极限真空、真空泵抽空能力和搁板温度均匀性方面非常相似。确定冷凝器表面积与搁板表面积的比例，以及搁板表面积与腔室和冷凝器之间的闸门开口尺寸的比例是很重要的。这两种类型应该非常相似，尽管干燥能力不同，但能确保门阀在初级干燥期间能够处理冰蒸气。

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