凍干工藝基礎(chǔ)及經(jīng)驗(yàn)匯總

凍干工藝

一、技術(shù)簡介：

  真空冷凍干燥是先將制品凍結(jié)到共晶點(diǎn)溫度以下，使水分變成固態(tài)的冰，然后在適當(dāng)?shù)臏囟群驼婵斩认?，使冰升華為水蒸氣。再用真空系統(tǒng)的冷凝器(水汽凝結(jié)器)將水蒸氣冷凝，從而獲得干燥制品的技術(shù)。

  技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

（1）它是在低溫下干燥，不使蛋白質(zhì)、微生物之類產(chǎn)生變性或失去生物活力。這對于那些熱敏性物質(zhì)，如疫苗、菌類、毒種、血液制品等的干燥保存特別適用。  

（2）由于是低溫干燥，使物質(zhì)中的揮發(fā)性成分和受熱變性的營養(yǎng)成分損失很小，是化學(xué)制品、藥品和食品的優(yōu)質(zhì)干燥方法。

（3）在低溫干燥過程中，微生物的生長和酶的作用幾乎無法進(jìn)行，能很好地保持物質(zhì)原來的性狀。

（4）干燥后體積、形狀基本不變，物質(zhì)呈海棉狀，無干縮；復(fù)水時，與水的接觸面大，能迅速還原成原來的性狀。

（5）因系真空下干燥，氧氣極少，使易氧化的物質(zhì)得到了保護(hù)。

（6）能除去物質(zhì)中95～99%的水分，制品的保存期長

二、凍干流程

  樣品預(yù)凍、升華干燥（第yi干燥階段）、解析干燥（第二干燥階段）以及干燥后保存：

 2.1樣品預(yù)凍階段：

 2.1.1 預(yù)凍過程變化

     溶液在冷凍過程中溶質(zhì)和溶劑存在一個相互分離的過程，大多數(shù)凍干藥品是以水為溶劑，所以以水為例來說明溶液的凝結(jié)過程。隨著溫度的下降到某一溫度時，水開始結(jié)晶，這時的溫度是制品的過冷溫度。由于結(jié)晶放熱，制品溫度開始升高后再下降，隨著水結(jié)晶的增加，溶液的濃度會增加（為了有利于干燥，一般凍干產(chǎn)品溶液配制成含固體物質(zhì)4%-15%的稀有溶液）。此外，根據(jù)產(chǎn)品的性質(zhì)不同，這時會有兩種情況：

一種是溶質(zhì)可以結(jié)晶的產(chǎn)品，隨著制品溫度的下降，稀溶液變?yōu)闈馊芤?，并逐步成為飽和溶液，溫度繼續(xù)降低時，由于溶解度降低，將會有溶質(zhì)析出，后成為冰晶體和溶質(zhì)晶體的共晶混合物，晶體的大小和冷凍速率有關(guān)，這時的溫度就是產(chǎn)品的共晶點(diǎn)溫度。這個過程也是一個放熱過程，在冷凍曲線上也出現(xiàn)過冷和平臺。

另一種是溶質(zhì)不結(jié)晶的產(chǎn)品，隨著制品溫度的下降，稀溶液變?yōu)闈馊芤?，溫度繼續(xù)降低時，溶液以玻璃態(tài)形式凍結(jié)，這時的溫度就是產(chǎn)品的凍結(jié)溫度。在冰晶的間隙中就形成了微觀的玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)。

    預(yù)凍會對細(xì)胞和生命產(chǎn)生一定的破壞作用，其機(jī)理是非常復(fù)雜的，一般認(rèn)為，預(yù)凍過程中水結(jié)冰所產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)和溶質(zhì)效應(yīng)是引起生化藥品在凍干過程中失活或變性的重要因素。機(jī)械效應(yīng)是指水結(jié)冰時體積增大，致使活性物質(zhì)活性部位中一些弱分子力鍵受到破壞，從而使活性損失；溶質(zhì)效應(yīng)是指水結(jié)冰以后引起溶質(zhì)濃度上升以及由于各種溶質(zhì)在各種溫度條件下溶解度變化不一致引起pH值的變化，導(dǎo)致活性物質(zhì)所處的環(huán)境發(fā)生變化而造成失活或變性。

2.1.2 常見預(yù)凍方法及控制

    冷凍方式要根據(jù)產(chǎn)品的特性，采用慢凍、快凍、預(yù)凍退火：

    一般來說，預(yù)凍速度越快，形成的晶體顆粒越小，越有利于后期干燥的進(jìn)行，同時，一般制品預(yù)凍溫度在共熔點(diǎn)以下10-20℃保持2-3h，保證冷凍*。預(yù)凍速度決定了制品體積大小、形狀和成品初晶格及其微孔的特性，其速度可控制在每分鐘降溫1℃左右。

對結(jié)晶性制劑而言，凍結(jié)速度一般不要太慢，凍結(jié)速度慢雖然便于形成大塊冰晶體，維持通暢的升華通道，使升華速度加快，但如果結(jié)晶過大、晶核數(shù)量過少、制劑的結(jié)晶均勻性差，也不利于升華干燥。對于一些分子呈無規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子藥物，速凍能使其在藥液中迅速定型，使包裹在其中的溶媒蒸汽在真空條件下迅速逸出，反而能使升華速度加快。因此，溶液的jia冷凍速度是因制劑本身的特性不同而變化的。如蛋白多肽類藥物的凍干，慢速凍結(jié)通常是有利的，而對于病毒、疫苗來說，快速降溫通常是有利。

控制：

      1、探索jia預(yù)凍速率

      2、合理控制預(yù)凍溫度

      3、適當(dāng)控制及調(diào)整預(yù)凍時間

2.2升華干燥（干燥第yi階段）

 一次干燥（升華干燥）是指低溫下對制品加熱，同時用真空泵抽真空，使其中被凍結(jié)成冰的自由水直接升華成水蒸氣。待成品中看不到冰時，則可認(rèn)為一次干燥已完畢，此時制品溫度迅速上升，接近板溫，制品中初水分的90%以上已被除去。

 在升華干燥過程中，制品吸收熱量后所含水分在真空下升華成水蒸氣，消耗大量熱能，使得制品溫度較板層溫度低十幾甚至幾十度。在該干燥過程中，如果溫度過高，會出現(xiàn)軟化、塌陷等現(xiàn)象，造成凍干失??；如果溫度過低，不僅給制冷系統(tǒng)提出了過高的要求，而且大大降低了升華過程的速率，費(fèi)時又耗能。

該過程中，主要把握溫度和真空度。干燥過程中，隨外界真空度變化，界面層傳熱性也會隨之變化，對于不同的產(chǎn)品特性，真空度大小不同，一般而言保持在10—30Pa（可依據(jù)實(shí)際情況作調(diào)整或在50—100Pa），與此同時，溫度的把握也至關(guān)重要。升溫速度及溫度保持時間，大多數(shù)而言，為保證樣品完整度，升溫速度可以控制在5℃/h，過快導(dǎo)致大量水分不能及時出去，造成制品溫度超過共晶點(diǎn)而融化。溫度限度上應(yīng)當(dāng)保持在共熔點(diǎn)或產(chǎn)品崩解溫度以下，以防止樣品復(fù)熔或塌陷。

升華階段結(jié)束標(biāo)志或判斷方法：1、外觀上，干燥層和凍結(jié)層交界面到達(dá)瓶底并消失

2、曲線，產(chǎn)品的溫度上升或者平行于導(dǎo)熱油溫度                        

2.3解析干燥

    此階段為干燥第二階段，在第yi階段干燥結(jié)束后，在干燥物質(zhì)的毛細(xì)血管壁和極性基團(tuán)上還吸附有一部分水分，這些水分是未被凍結(jié)的，當(dāng)他們達(dá)到一定含量，就為微生物的生長繁殖和某些化學(xué)反應(yīng)提供了條件。實(shí)驗(yàn)證明：即使是單分子層吸附以下的低含水量，也可以成為某些化和物的溶液，產(chǎn)生與水溶液相同的移動性和反應(yīng)性。因此為了改善產(chǎn)品的儲存穩(wěn)定性，延長其保存期，需要除去這些水分。這就是解析干燥的目的。

第yi階段是將水以冰晶的形式除去，因此其溫度和壓力都必須控制在產(chǎn)品共溶點(diǎn)以下，才不致使冰晶溶化。但對于吸附水，由于其吸附能量高，如果不給它們提供足夠的能量，如果不給它們提供足夠的能量，它們就不可能從吸附中解析出來。因此，這一階段產(chǎn)品的溫度應(yīng)足夠的高，只要燒毀產(chǎn)品和不造成主品過熱而變性就可，由于這一部分水分是通過范德華力、氫鍵等弱分子力吸附在藥品上的結(jié)合水，因此要除去這部分水，需要克服分子間的力，需要更多的能量。此時可以把制品溫度加熱到其允許的gao溫度以下（產(chǎn)品的允許溫度視產(chǎn)品的品種而定，一般為25℃-40℃左右。病毒性產(chǎn)品為25℃，細(xì)菌性產(chǎn)品為30℃，血清、抗菌素等可高達(dá)40℃）。

三、常見問題及解決方法

如下圖

典型的凍干產(chǎn)品塊，其中（a）是良好的產(chǎn)品塊（b）有硬殼或凍膠層的結(jié)構(gòu)不均一產(chǎn)品塊（c）自我支撐結(jié)構(gòu)弱的產(chǎn)品塊（d）部分塌陷的產(chǎn)品塊（e）復(fù)溶（f）消失的產(chǎn)品塊（g）凸起

如圖a•產(chǎn)品塊性質(zhì)應(yīng)該多孔而有彈性，并且一般表觀均一，包括結(jié)構(gòu)和顏色，。在有高過冷度(>10 ℃)的產(chǎn)品中，產(chǎn)品塊結(jié)構(gòu)良好，像壓好的藥片。凍干產(chǎn)品塊的體積應(yīng)該和填充液體的原始體積接近。圖b•是冷凍過程不合適造成的結(jié)構(gòu)不均一的產(chǎn)品塊。在該圖的底部是結(jié)構(gòu)良好的區(qū)域，表明一部分溶液經(jīng)歷了過冷。產(chǎn)品塊的中間部分是長針狀冰晶慢速生長的結(jié)果。該基質(zhì)的頂部是一個硬殼或凍膠層。硬殼或凍膠層不但阻礙 蒸汽從產(chǎn)品塊中流出，而且濃縮溶質(zhì)，使活性成分變性 的幾率變大?？梢愿淖兘禍毓に嚥⑹垢囿w積的溶液在 干燥過程開始前經(jīng)歷過冷來避免這種基質(zhì)。

圖c•是裂開的基質(zhì)。容器頂部附近的物質(zhì)是第二階段干燥階段物質(zhì)離開容器的證明。大多數(shù)情況下，斷裂基質(zhì)是由于固體物質(zhì)的百分比小于2%，產(chǎn)品塊的結(jié)構(gòu)脆弱造成的可以用減慢第二階段干燥的速度來限制物質(zhì)的損失，但是增加整體賦形劑的濃度來加強(qiáng)產(chǎn)品塊的結(jié)構(gòu)將是更好的選擇。塌陷和產(chǎn)品塊從容器壁凸起是典型的現(xiàn)象，在第yi階段干燥過程中干燥溫度高于塌陷溫度時會發(fā)生這種情況。當(dāng)溫度高于塌陷溫度時，將有足夠多的自由水存在，使間隙物質(zhì)在第二階段干燥完成前移動。消除這種基質(zhì)形成的好辦法是知道塌陷溫度并采取步驟確保第yi階段干燥階段在該溫度以下進(jìn).

圖e•表示復(fù)溶。這種情況中，有足夠的自由水存在而引起產(chǎn)品塊的*塌陷。在這種形式下，產(chǎn)品塊的復(fù)水可能耗時很長。知道融解溫度并調(diào)節(jié)第yi階段干燥的溫度使其少在融解溫度以下5℃，可以避免復(fù)溶的發(fā)生.

圖f•顯示的是一個空容器。產(chǎn)品塊的消失是第二階段干燥不合適或者塞子中水分含量太高而引起產(chǎn)品回到溶液并在容器壁上形成一層透明的膜。產(chǎn)品塊消失并非不正常。如果這種現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)該檢查第二階段干燥參數(shù)和塞子中水分的含量•圖g顯示的是產(chǎn)品塊凸起。這樣的產(chǎn)品塊缺陷一般是由于第yi階段干燥開始前產(chǎn)品預(yù)凍不*。解決這種問題的wei一正確的途徑是知道冷卻溫度，確保整個產(chǎn)品在箱體抽真*溫度低于塌陷溫度

常見現(xiàn)象分析:

1、凍干分層后,下層縮小。或者整個制品縮小。一部分產(chǎn)品凍的很好,一部分縮小成很少的幾乎是空瓶。

可能原因分析及解決方案：沒有預(yù)凍好，升華過快

有可能是局部溫度過高或壓力過大導(dǎo)致局部溶了。

A、如果你的藥品溶質(zhì)比較少，比較容易出現(xiàn)此類問題。

B、發(fā)生縮小的產(chǎn)品膠塞是否密封的很好，反之如果產(chǎn)品比較容易吸潮也會發(fā)生此類現(xiàn)象

   2、凍干表面起一層皮

現(xiàn)象：抽真空時，表面起了很多小泡，凍干后表面一層脫離。很難看，有時飄的箱體里到處都是。

可能原因分析及解決方案：真空度達(dá)到要求之前物料表面已部分解凍預(yù)凍不好，水沒有*凍結(jié)，抽真空時水外溢形成氣泡。

這種現(xiàn)象多半是凍干樣品中鹽遷移到表面所致?？梢约訌?qiáng)預(yù)凍解決。

3、關(guān)于凍干的起泡現(xiàn)象

1、凍結(jié)不牢固

2、沒有掌握好物料的性質(zhì)

3、真空沒有控制好

4、加熱的程序出現(xiàn)問題

5、被凍干物體表面結(jié)構(gòu)密實(shí)，干燥時內(nèi)部氣體排出時所致。

主要現(xiàn)象是預(yù)凍沒有凍好所致，在預(yù)凍好的情況下真空控制不好不會起泡，而加熱太快會引起干損．

7如果真空控制不好的話也會有起泡現(xiàn)象，

設(shè)備要養(yǎng)護(hù)好

8.凍結(jié) 首先要將制品凍透，物料厚度盡可能控制在15mm以下，賦形劑使用，緩慢凍結(jié)有助形成大的冰晶，因而有助于提高升華干燥速率，共晶點(diǎn)以下10度到達(dá)后保持1-2小時

9.升華干燥 冷凝器（捕水器）預(yù)冷至-45度后開始抽真空，真空控制在50-100pa（關(guān)于真空度的話有的書本上說在10-30pa，根據(jù)不同的物料視實(shí)際情況選擇合適的真空度,真空過低或者制品沒有凍透的話，制品表面會產(chǎn)生沸騰，有氣泡從制品內(nèi)往外跑，影響制品的外觀和升華速率) 同時對制品開始緩慢加熱，溫度控制應(yīng)該控制制品溫度不超過其共晶溫度以下，因?yàn)楹唵我稽c(diǎn)說就是加熱溫度不可使制品熔化（還有其他方法判定）

10．一抽真空就起泡，屬于沒有凍結(jié)，物料沒有*結(jié)晶．

11．一抽真空就起泡，屬于沒有凍結(jié)，物料沒有*結(jié)晶．

12．加熱一段時間再起泡的，屬于加熱過快，料溫超過共晶點(diǎn)溫度，使物料融化而起泡．

13．第yi干燥階段（升華階段）沒有結(jié)束就進(jìn)入了解析，使沒升華完的含冰物料溫升而融化起泡

14．濃度過高沒有經(jīng)過處理的，在預(yù)凍時在物料表面形成了一層結(jié)晶鹽．這層結(jié)晶鹽嚴(yán)重影響物料升華時水蒸汽的通道，使在剛加溫很短（大概在１個小時左右）的時間內(nèi)就會出現(xiàn)鼓起現(xiàn)象，嚴(yán)重會起泡．含水量超標(biāo)，對于凍干制品，含水量要求≤3