凍干工藝及優化

　　由于藥品冷凍干燥過程會產生多種應力，對凍干藥品的藥性有很大的影響，因此對藥品冷凍干燥過程進行合理設計，對于減少凍干損傷和提高凍干藥品的質量有重大的意義。

　　4.1凍結研究

　　冷凍干燥過程中的凍結過程非常重要，因為在凍結中形成的冰晶形態和大小以及玻璃化程度不僅影響后繼的干燥速率，而且影響凍干藥品的質量。因此在凍結過程中必須考慮配方、凍結速率、凍結方式、以及是否退火等問題。4.1.1配方的影響

　　配方中的固體含量會影響凍結和干燥過程。如果固體含量少于2%，那么凍干藥品結構的機械性能就會不穩定。尤其在干燥過程中，藥品微粒不能粘在基質上，逸出的水蒸氣會把這些微粒帶到小瓶的塞子上，有時甚至會帶到真空室當中。

　　此外，為了獲得均勻一致、表面光滑、穩定的蛋白質藥品，配方中必須含有填充劑、賦形劑、穩定劑等保護劑，這些保護劑對實現藥品的玻璃化凍結有重大的影響。很多糖類或多元醇經常被用于溶液凍融和凍干過程中非特定蛋白質的穩定劑，它們既是有效的低溫保護劑又是很好的凍干保護劑，它們對凍結的影響取決于種類和濃度。文獻[16～23]對不同的保護劑進行了詳盡的研究，探討了它們的凍結特性。文獻[4]還研究了其它保護劑的凍結特性。但是蛋白質種類很多，而且物理化學性質各異，因此不同的蛋白質需要不同的保護劑配方，因此它們的凍結特性就不同，一般需要實驗。

　　4.1.2凍結方式

　　凍結方式不同，產生的冰晶的形態和大小就不同，而且會影響后繼的干燥速率和凍干藥品質量。根據凍結機理，可以把凍結分為全域過冷結晶和定向結晶兩類。

　　全域過冷結晶是指全部藥液處于相同或相近的過冷度下進行凍結的方式。在全域過冷結晶中，凍結速率和冰晶成核溫度是重要的參數。

　　全域過冷結晶按凍結速率的快慢可分為慢速凍結和快速凍結。快速凍結的冰晶細小，而且沒有凍結濃縮現象，但是存在不*凍結現象。相反，慢速冷卻產生較大的冰晶，并且存在凍結濃縮的現象。Thomas W Patapoff等人發現如果把藥品直接浸入液氮或干冰-乙醇溶液槽中(快速凍結)，那么晶核首先在瓶壁產生，然后冰晶向中心擴散，再垂直向上擴散。由于長成的冰晶細小，而且有水平方向的結構，導致干燥階段的傳質阻力很大，升華速率降低。實驗證明，快速凍結導致升華速率低，解吸速率快，慢速凍結導致升華速率快，解吸速率慢。

　　James A Searles等人認為冰晶成核溫度是全域過冷結晶的重要因素，因為它是升華速率的主要決定因素。他們在研究中發現，冰晶成核溫度從本質上來說是隨機的、不穩定的，不容易控制，但是受溶液中的微粒含量和是否存在冰晶成核體等影響因素。正是冰晶成核溫度的隨機性導致升華干燥速率的不均勻性以及與形態相關的參數，如凍干藥品表面積和解吸干燥速率。

　　定向結晶是指一小部分藥液處于過冷狀態下進行凍結的方式。Thomas W Patapoff介紹了一種垂直凍結方式。溶液用濕冰冷卻，在瓶子底部用干冰冷卻，形成晶核，然后放到-50℃的擱板上凍結。用這種方式凍結的樣品的冰晶在垂直方向呈現煙囪狀，在藥品表面沒有凍結濃縮層，而且整個藥品的結構均一性很好，因此在干燥時的傳質阻力很小，加快了凍干速率。Martin Kramer等人采用了另外一種方式實現了定向凍結。他們在真空室壓力為0.1kPa，擱板溫度為+10℃的條件下，讓溶液開始表面凍結，形成1～3mm左右的冰晶薄層。然后解除真空，降低擱板溫度到結晶溫度以下進行凍結。在這種條件下長成的冰晶粗大，也呈煙囪狀。同時在干燥階段發現，升華干燥時間比采用一般凍結的時間節省了20%。分析凍干藥品時還發現，對甘露醇，采用這種方式凍結的凍干品的剩余含水量比采用一般凍結的要多；但對蔗糖和甘氨酸，兩者差別不大。H Schoof等人在凍干膠原質時也采用了定向結晶的方式。

　　凍結方式不同，產生的冰晶形態和大小就不同，后繼的干燥速率也不同。實驗證明，采用定向結晶方式的凍結藥品的干燥速率比全域過冷結晶的快。但是無論采用哪種凍結方式，藥品溶液必須部分或全部實現玻璃化凍結，以保護藥品藥性。

　　4.1.3退火

　　退火是指把凍結藥品溫度升到共熔溫度以下，保溫一段時間，然后再降低溫度到凍結溫度的過程。在升華干燥之前增加退火步驟，至少有三個原因：

　　a)強化結晶。在凍結過程特別是快速凍結過程中，配方中結晶成分往往來不及*結晶。但是如果該成分能為凍干藥品結構提供必要的支撐或者蛋白質在該成分*結晶后會更穩定，那么就有必要*結晶。此外，凍結濃縮液中也會有一部分水來不及析出，使其達不到zui大濃縮狀態。實驗證明，當退火的溫度高于配方的zui大濃縮液玻璃化轉變溫度Tg’時，會促進再結晶的形成使結晶成分和未凍結水結晶*。

　　b)提高非晶相的zui大濃縮液玻璃化轉變溫度Tg’。從非晶相中除去Tg’較低的結晶成分，能夠提高非晶相的Tg’。Barry J Aldous在研究非晶態碳水化合物的水合物結晶規律時發現，經過退火之后的海藻糖干燥溶液的玻璃化轉變溫度由31℃上升到79℃，大大提高了穩定作用。

　　c)改變冰晶形態和大小分布，提高干燥效率。James A Searles等人研究認為不同的成核溫度產生不同的冰晶形態和粒徑大小，繼而導致升華干燥的速率的不均勻。但是一個過程中的干燥速率是由zui慢的干燥藥品確定的，因此不均勻的干燥速率會影響藥品的質量和生產的經濟性。研究證實退火過程中的相行為和重結晶可以減小由于成核溫度差異造成的冰晶尺寸差異及干燥速率的不均勻性，提高干燥效率和藥品均勻性。

　　為了達到退火目的，在退火操作中，必須考慮加熱速率、退火溫度、退火時間等參數。但是目前由于實驗手段不夠先進和理論知識比較缺乏，退火機理尚有疑問，退火參數的選取仍然沒有依據。

　　4.2干燥

　　藥品冷凍干燥的干燥過程可以分為兩個階段，一次干燥和二次干燥。在一次干燥階段除去自由水，在二次干燥階段除去部分結合水。干燥過程占據了藥品冷凍干燥過程的大部分能耗，因此采取有效措施提高干燥速率顯得非常有意義。目前，大都采取控制擱板和藥品溫度、冷阱溫度和真空度的做法來實現干燥速率的提高。

　　藥品溫度的控制。包括凍結層和已干層的溫度控制。控制凍結層溫度的原則是在保證凍結層不發生熔化(在低共熔點以下)的前提下，溫度越高越好。控制已干層溫度的原則是在不使物料變性或已干層結構崩塌的前提下、盡量采用較高的干燥溫度。而擱板溫度的控制是以滿足藥品溫度控制為標準。冷阱溫度。凍干過程中水升華的驅動力是藥品和冷阱間的溫差。由于藥品溫度受加熱方式的限制，同時不能高于共熔溫度，因此冷阱溫度越低越好。為了提高經濟性，在升華干燥過程中應至少低于藥品溫度20℃；在解吸干燥過程中，對于那些要求很低殘余水分的配方，冷阱溫度要求更低。

　　真空度。一般認為，壓力對凍干過程有正反兩方面的影響：

　　a)在藥品共熔點溫度和崩塌溫度以下，升華界面溫度越高，升華水汽越多，所需熱量越大。壓力越高，相應提高了已干層導熱系數，表面對流作用也越大，因此升華水汽也越快，即凍干速率越大。

　　b)升華界面通過已干層到外部的水汽逸出速度與界面和表面之間的壓力差，即界面溫度所對應的飽和壓力與干燥室的真空度之差相關。這個壓差大，有助于水汽逸出。這個壓差越小，逸出越慢，干燥速率也越小。如果冷凍干燥是傳熱控制過程，則干燥速率隨著干燥室壓力升高而提高；如果冷凍干燥是傳質控制過程，干燥速率隨著干燥室壓力升高而降低。

　　經驗證明升華階段的真空度在10～30Pa時，既有利于熱量的傳遞，又利于升華的進行。若壓強過低，則對傳熱不利，藥品不易獲得熱量，升華速率反而降低，而且對設備的要求也更高，增加了成本。而當壓強過高時，藥品內冰的升華速度減慢，藥品吸收熱量將減少，于是藥品自身的溫度上升，當高于共熔點溫度時，藥品將發生熔化導致凍干失敗。根據真空度對凍干速率的影響，文獻[40]采用了循環壓力法，得到了不錯的效果。

　　藥品冷凍干燥過程是一個連續的操作，不同的藥品配方，有不同的凍結特性，而且凍干曲線也不同，因此應在基礎研究的基礎上廣泛開展個體研究，優化凍干曲線，提高干燥速率，降低能耗。

博醫康經典中試凍干機（冷凍干燥機）Pilot5-8M