冻干工艺基础及经验汇总

冻干工艺

一、技术简介：

   真空冷冻干燥是先将制品冻结到共晶点温度以下，使水分变成固态的冰，然后在适当的温度和真空度下，使冰升华为水蒸气。再用真空系统的冷凝器(水汽凝结器)将水蒸气冷凝，从而获得干燥制品的技术。

   技术优点：（1）它是在低温下干燥，不使蛋白质、微生物之类产生变性或失去生物活力。这对于那些热敏性物质，如疫苗、菌类、毒种、血液制品等的干燥保存特别适用。   

（2）由于是低温干燥，使物质中的挥发性成分和受热变性的营养成分损失很小，是化学制品、药品和食品的优质干燥方法。

（3）在低温干燥过程中，微生物的生长和酶的作用几乎无法进行，能最好地保持物质原来的性状。

（4）干燥后体积、形状基本不变，物质呈海棉状，无干缩；复水时，与水的接触面大，能迅速还原成原来的性状。

（5）因系真空下干燥，氧气极少，使易氧化的物质得到了保护。

（6）能除去物质中95～99%的水分，制品的保存期长

二、冻干流程

   样品预冻、升华干燥（第一干燥阶段）、解析干燥（第二干燥阶段）以及干燥后保存：

  2.1样品预冻阶段：

  2.1.1 预冻过程变化

      溶液在冷冻过程中溶质和溶剂存在一个相互分离的过程，大多数冻干药品是以水为溶剂，所以以水为例来说明溶液的凝结过程。随着温度的下降到某一温度时，水开始结晶，这时的温度是制品的过冷温度。由于结晶放热，制品温度开始升高后再下降，随着水结晶的增加，溶液的浓度会增加（为了有利于干燥，一般冻干产品溶液配制成含固体物质4%-15%的稀有溶液）。此外，根据产品的性质不同，这时会有两种情况：

一种是溶质可以结晶的产品，随着制品温度的下降，稀溶液变为浓溶液，并逐步成为饱和溶液，温度继续降低时，由于溶解度降低，将会有溶质析出，最后成为冰晶体和溶质晶体的共晶混合物，晶体的大小和冷冻速率有关，这时的温度就是产品的共晶点温度。这个过程也是一个放热过程，在冷冻曲线上也出现过冷和平台。

另一种是溶质不结晶的产品，随着制品温度的下降，稀溶液变为浓溶液，温度继续降低时，溶液以玻璃态形式冻结，这时的温度就是产品的冻结温度。在冰晶的间隙中就形成了微观的玻璃态结构。

     预冻会对细胞和生命产生一定的破坏作用，其机理是非常复杂的，一般认为，预冻过程中水结冰所产生的机械效应和溶质效应是引起生化药品在冻干过程中失活或变性的重要因素。机械效应是指水结冰时体积增大，致使活性物质活性部位中一些弱分子力键受到破坏，从而使活性损失；溶质效应是指水结冰以后引起溶质浓度上升以及由于各种溶质在各种温度条件下溶解度变化不一致引起pH值的变化，导致活性物质所处的环境发生变化而造成失活或变性。

2.1.2 常见预冻方法及控制

     冷冻方式要根据产品的特性，采用慢冻、快冻、预冻退火：

     一般来说，预冻速度越快，形成的晶体颗粒越小，越有利于后期干燥的进行，同时，一般制品预冻温度在共熔点以下10-20℃保持2-3h，保证冷冻完全。预冻速度决定了制品体积大小、形状和成品最初晶格及其微孔的特性，其速度可控制在每分钟降温1℃左右。

对结晶性制剂而言，冻结速度一般不要太慢，冻结速度慢虽然便于形成大块冰晶体，维持通畅的升华通道，使升华速度加快，但如果结晶过大、晶核数量过少、制剂的结晶均匀性差，也不利于升华干燥。对于一些分子呈无规则网状结构的高分子药物，速冻能使其在药液中迅速定型，使包裹在其中的溶媒蒸汽在真空条件下迅速逸出，反而能使升华速度加快。因此，溶液的最佳冷冻速度是因制剂本身的特性不同而变化的。如蛋白多肽类药物的冻干，慢速冻结通常是有利的，而对于病毒、疫苗来说，快速降温通常是有利。

控制： 1、探索最佳预冻速率

       2、合理控制预冻温度

       3、适当控制及调整预冻时间

     

2.2升华干燥（干燥第一阶段）

  一次干燥（升华干燥）是指低温下对制品加热，同时用真空泵抽真空，使其中被冻结成冰的自由水直接升华成水蒸气。待成品中看不到冰时，则可认为一次干燥已完毕，此时制品温度迅速上升，接近板温，制品中最初水分的90%以上已被除去。

  在升华干燥过程中，制品吸收热量后所含水分在真空下升华成水蒸气，消耗大量热能，使得制品温度较板层温度低十几甚至几十度。在该干燥过程中，如果温度过高，会出现软化、塌陷等现象，造成冻干失败；如果温度过低，不仅给制冷系统提出了过高的要求，而且大大降低了升华过程的速率，费时又耗能。

该过程中，主要把握温度和真空度。干燥过程中，随外界真空度变化，界面层传热性也会随之变化，对于不同的产品特性，真空度大小不同，一般而言保持在10—30Pa（可依据实际情况作调整或在50—100Pa），与此同时，温度的把握也至关重要。升温速度及温度保持时间，大多数而言，为保证样品完整度，升温速度可以控制在5℃/h，过快导致大量水分不能及时出去，造成制品温度超过共晶点而融化。温度限度上应当保持在共熔点或产品崩解温度以下，以防止样品复熔或塌陷。

升华阶段结束标志或判断方法：1、外观上，干燥层和冻结层交界面到达瓶底并消失

    2、曲线，产品的温度上升或者平行于导热油温度

                           

2.3解析干燥

     此阶段为干燥第二阶段，在第一阶段干燥结束后，在干燥物质的毛细血管壁和极性基团上还吸附有一部分水分，这些水分是未被冻结的，当他们达到一定含量，就为微生物的生长繁殖和某些化学反应提供了条件。实验证明：即使是单分子层吸附以下的低含水量，也可以成为某些化和物的溶液，产生与水溶液相同的移动性和反应性。因此为了改善产品的储存稳定性，延长其保存期，需要除去这些水分。这就是解析干燥的目的。

第一阶段是将水以冰晶的形式除去，因此其温度和压力都必须控制在产品共溶点以下，才不致使冰晶溶化。但对于吸附水，由于其吸附能量高，如果不给它们提供足够的能量，如果不给它们提供足够的能量，它们就不可能从吸附中解析出来。因此，这一阶段产品的温度应足够的高，只要烧毁产品和不造成主品过热而变性就可，由于这一部分水分是通过范德华力、氢键等弱分子力吸附在药品上的结合水，因此要除去这部分水，需要克服分子间的力，需要更多的能量。此时可以把制品温度加热到其允许的最高温度以下（产品的允许温度视产品的品种而定，一般为25℃-40℃左右。病毒性产品为25℃，细菌性产品为30℃，血清、抗菌素等可高达40℃）。

三、常见问题及解决方法

典型的冻干产品块，其中（a）是良好的产品块（b）有硬壳或冻胶层的结构不均一产品块（c）自我支撑结构弱的产品块（d）部分塌陷的产品块（e）复溶（f）消失的产品块（g）凸起

如图a•产品块性质应该多孔而有弹性，并且一般表观均一，包括结构和颜色，。在有高过冷度(>10 ℃)的产品中，产品块结构良好，像压好的药片。冻干产品块的体积应该和填充液体的原始体积接近。图b•是冷冻过程不合适造成的结构不均一的产品块。在该图的底部是结构良好的区域，表明一部分溶液经历了过冷。产品块的中间部分是长针状冰晶慢速生长的结果。该基质的顶部是一个硬壳或冻胶层。硬壳或冻胶层不但阻碍 蒸汽从产品块中流出，而且浓缩溶质，使活性成分变性 的几率变大。可以改变降温工艺并使更多体积的溶液在 干燥过程开始前经历过冷来避免这种基质。

图c•是裂开的基质。容器顶部附近的物质是第二阶段干燥阶段物质离开容器的证明。大多数情况下，断裂基质是由于固体物质的百分比小于2%，产品块的结构脆弱造成的可以用减慢第二阶段干燥的速度来限制物质的损失，但是增加整体赋形剂的浓度来加强产品块的结构将是更好的选择。塌陷和产品块从容器壁凸起是典型的现象，在第一阶段干燥过程中干燥温度高于塌陷温度时会发生这种情况。当温度高于塌陷温度时，将有足够多的自由水存在，使间隙物质在第二阶段干燥完成前移动。消除这种基质形成的最好办法是知道塌陷温度并采取步骤确保第一阶段干燥阶段在该温度以下进.

图e•表示复溶。这种情况中，有足够的自由水存在而引起产品块的完全塌陷。在这种形式下，产品块的复水可能耗时很长。知道融解温度并调节第一阶段干燥的温度使其最少在融解温度以下5℃，可以避免复溶的发生.

图f•显示的是一个空容器。产品块的消失是第二阶段干燥不合适或者塞子中水分含量太高而引起产品回到溶液并在容器壁上形成一层透明的膜。产品块消失并非不正常。如果这种现象发生，应该检查第二阶段干燥参数和塞子中水分的含量•图g显示的是产品块凸起。这样的产品块缺陷一般是由于第一阶段干燥开始前产品预冻不彻底。解决这种问题的唯一正确的途径是知道冷却温度，确保整个产品在箱体抽真空前温度低于塌陷温度

常见现象分析:

1、冻干分层后,下层萎缩。或者整个制品萎缩。一部分产品冻的很好,一部分萎缩成很少的几乎是空瓶。

可能原因分析及解决方案：没有预冻好，升华过快

有可能是局部温度过高或压力过大导致局部溶了。

A、如果你的药品溶质比较少，比较容易出现此类问题。

B、发生萎缩的产品胶塞是否密封的很好，反之如果产品比较容易吸潮也会发生此类现象

    2、冻干表面起一层皮

现象：抽真空时，表面起了很多小泡，冻干后表面一层脱离。很难看，有时飘的箱体里到处都是。

可能原因分析及解决方案：真空度达到要求之前物料表面已部分解冻预冻不好，水没有完全冻结，抽真空时水外溢形成气泡。

这种现象多半是冻干样品中盐迁移到表面所致。可以加强预冻解决。

3、关于冻干的起泡现象

1、冻结不牢固

2、没有掌握好物料的性质

3、真空没有控制好

4、加热的程序出现问题

5、被冻干物体表面结构密实，干燥时内部气体排出时所致。

主要现象是预冻没有冻好所致，在预冻好的情况下真空控制不好不会起泡，而加热太快会引起干损．

7如果真空控制不好的话也会有起泡现象，

设备要养护好

8.冻结 首先要将制品冻透，物料厚度尽可能控制在15mm以下，赋形剂使用，缓慢冻结有助形成大的冰晶，因而有助于提高升华干燥速率，共晶点以下10度到达后保持1-2小时

9.升华干燥 冷凝器（捕水器）预冷至-45度后开始抽真空，真空控制在50-100pa（关于真空度的话有的书本上说在10-30pa，根据不同的物料视实际情况选择合适的真空度,真空过低或者制品没有冻透的话，制品表面会产生沸腾，有气泡从制品内往外跑，影响制品的外观和升华速率) 同时对制品开始缓慢加热，温度控制应该控制制品温度不超过其共晶温度以下，因为简单一点说就是加热温度不可使制品熔化（还有其他方法判定）

10．一抽真空就起泡，属于没有冻结，物料没有完全结晶．

11．一抽真空就起泡，属于没有冻结，物料没有完全结晶．

12．加热一段时间再起泡的，属于加热过快，料温超过共晶点温度，使物料融化而起泡．

13．第一干燥阶段（升华阶段）没有结束就进入了解析，使没升华完的含冰物料温升而融化起泡

14．浓度过高没有经过处理的，在预冻时在物料表面形成了一层结晶盐．这层结晶盐严重影响物料升华时水蒸汽的通道，使在刚加温很短（大概在１个小时左右）的时间内就会出现鼓起现象，严重会起泡．

含水量超标，对于冻干制品，含水量要求≤3％

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