前言

本文根據(jù)凍干技術(shù)基本理論，簡單介紹了藥品凍干過程各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制方法。

真空冷凍干燥技術(shù)是一種將真空 、冷凍和干燥相結(jié)合的綜合性技術(shù)，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于食品、藥品、生物制品等多個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)中。將需干燥含水藥物冷凍成固態(tài)，在低溫真空條件下使溶媒升華而達(dá)到干燥目的。與其他干燥方法相比具有熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于熱敏藥物。可避免藥品受熱分解變質(zhì)，外觀形象好，復(fù)溶性好，污染機(jī)會少。

好的凍干工藝應(yīng)是為產(chǎn)品量身定做的，具有凍干時(shí)間短、能耗低的特征，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。凍干過程可分為：樣品準(zhǔn)備、預(yù)凍、一次干燥(升華干燥)和二次干燥(解析干燥)、密封保存等五個(gè)步驟 ，每個(gè)階段都要嚴(yán)格控制溫度 、冷凍速度和真空度 。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，常常由于處方或凍干工藝設(shè)計(jì)不合理而出現(xiàn)各種各樣的問題，本文簡單介紹了藥品凍干過程各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制方法，并對常見的一些問題進(jìn)行初步的探討分析。

凍干過程各環(huán)節(jié)的控制

要得到一個(gè)良好的凍干產(chǎn)品，除了要選擇性能優(yōu)良的凍干機(jī)，還需要從處方設(shè)計(jì)、產(chǎn)品預(yù)凍、升華干燥及解析干燥等環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮。

一、處方設(shè)計(jì)

要保證凍干效果，處方是首先需要解決的問題，處方是進(jìn)行凍干工藝研究的基礎(chǔ)。在研究凍干工藝之前，必須對原料、輔料等做充分的研究，如盡量選擇共熔 點(diǎn)較高的凍干保護(hù)劑 以利于升華階段的順利進(jìn)行、縮短凍干時(shí)問，選擇合適 的抗氧化劑、酸堿調(diào)節(jié)劑以保證制 品的穩(wěn)定性等。

另外 ，處方中的固體物質(zhì)總量通常為 2%一30% (質(zhì)量百分比)。當(dāng)處方中固體物質(zhì)少于2%時(shí)，凍干產(chǎn)品在干燥過程中可能破裂，甚至可能脫離容器。當(dāng)處方中的 固態(tài)物質(zhì)含量超過30%時(shí)，凍干產(chǎn)品的濃度較高，可能會阻礙干燥過程 中水蒸氣的流動，從而導(dǎo)致凍干時(shí)間的延長或最終產(chǎn)品水分偏高。

二、產(chǎn)品預(yù)凍

產(chǎn)品在進(jìn)行冷凍干燥時(shí)，需要裝入適宜的容器，然后進(jìn)行預(yù)先凍結(jié)，才能進(jìn)行升華干燥，預(yù)凍過程不僅是為了保護(hù)物質(zhì)的主要性能不變；而且要獲得凍干后產(chǎn)品有合理的結(jié)構(gòu)以利于水分的升華。預(yù)凍是凍干過程 中非常重 要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此在預(yù)凍之前應(yīng)該確定三個(gè)因素：預(yù)凍的最低溫度、預(yù)凍的速度和預(yù)凍的時(shí)間。

1、預(yù)凍的最低溫度

在預(yù)凍之前，制品的共晶點(diǎn)或最低共熔點(diǎn)是首先必須要知道的一個(gè)重要的溫度參數(shù)。制品在降溫過程中，溶液開始析出晶體的溫度為冰點(diǎn)；繼續(xù)降溫，當(dāng)降到一定溫度時(shí)，溶質(zhì)和溶媒共同全部結(jié)晶，這個(gè)溫度為共晶點(diǎn)(凝固點(diǎn))；溶液在冰點(diǎn)和共晶點(diǎn)這段溫度范圍內(nèi)凝固。因?yàn)槟厅c(diǎn)就是融化的開始點(diǎn)，所以共晶點(diǎn)又叫做最低共熔點(diǎn)。而實(shí)際上，最低共熔點(diǎn)通常要比共晶點(diǎn)稍高，這是因?yàn)楣簿c(diǎn)是在預(yù)凍階段測定的，預(yù)凍通常在常壓狀態(tài)下；而最低共熔點(diǎn)是針對一次干燥階段而言的，這個(gè)階段處于壓力較小的真空狀態(tài)，對于水來說，壓力降低熔點(diǎn)是上升的，所以說最低共熔點(diǎn)通常要比共晶點(diǎn)高。因此，升華階段制品溫度可以接近甚至超過共晶點(diǎn)溫度，不高于最低共熔點(diǎn)即可，這在一定程度上可以適當(dāng)縮短一次干燥的時(shí)間。

共晶點(diǎn)的測定有電阻測定法、熱差分析測定法、凍干顯微鏡直接觀察、數(shù)字公式計(jì)算測定。標(biāo)準(zhǔn)的共熔點(diǎn)測量法是將一對白金電極浸入液體產(chǎn)品之中，并在產(chǎn)品中插一溫度計(jì)，把它們冷卻到-40°C以下的低溫，然后將凍結(jié)產(chǎn)品慢慢升溫。用惠斯頓電橋來測量其電阻，當(dāng)發(fā)生電阻突然降低時(shí)，這時(shí)的溫度即為產(chǎn)品的共晶點(diǎn)。電橋要用交流電供電，因?yàn)橹绷麟姇l(fā)生電解作用，整個(gè)過程由儀表記錄。此外，還可以在預(yù)凍階段通過視窗來觀察制品性狀的變化來獲得共晶點(diǎn)。當(dāng)制品開始結(jié)冰的時(shí)候，浸入制品中的電熱偶所探測到的溫度會突然回升，這是因?yàn)榻Y(jié)冰過程的放熱現(xiàn)象所造成的。這時(shí)候所記錄的溫度就大致接近于共晶點(diǎn)溫度。

2、預(yù)凍的速度

預(yù)凍速度的快慢可直接影響隨后的升華干燥過程。溶液速凍時(shí)(約每分鐘降溫10-15°C)，溶液的過冷度和過飽和度大，臨界結(jié)晶的粒度小，成核速度快，易形成數(shù)量多而體積小的細(xì)晶，細(xì)晶在升華后留下的間隙較小，使下層升華受阻，干燥速度慢，但成品粒子細(xì)膩，外觀均勻，比表面積大，多孔結(jié)構(gòu)好，成品復(fù)溶性好，引濕性相對較強(qiáng)；相反慢凍時(shí)(約1°C ·min-1)，容易形成體積較大的冰晶，冰晶升華后形成的孔隙較大，有利于提高干燥速度 ，但成品的復(fù)溶性較差。

慢凍有兩種方式，一種是較長時(shí)間達(dá)到凍結(jié)溫度，另一種是在共晶點(diǎn)附近(粥狀冰)維持一段時(shí)間，再下降溫度 。

速凍有三種方式，一種是產(chǎn)品進(jìn)凍干機(jī)后，機(jī)器全速制冷。第二種是產(chǎn)品進(jìn)凍干機(jī)后，維持板溫 0°C左右(以制品不結(jié)冰為準(zhǔn))，使制品處于液態(tài)較低的溫度，然后機(jī)器全速制冷。第三種是先制冷板層至 - 30 ~ - 35 °C ，再放入制品，機(jī)器全速制冷。目前多數(shù)產(chǎn)品采用第一種方式。

3、傳統(tǒng)預(yù)凍方式

速凍與慢凍的理論是在制品受熱均勻的前提下得出來的，而一般的醫(yī)藥凍干機(jī)所提供的凍干條件卻沒有這么理想，一般只能控制導(dǎo)熱油降溫速度的快慢，而制品是否快凍或慢凍還要取決于擱板至制品問傳熱性能及均勻性。因此，可以把預(yù)凍方式大致分為以下幾種 : （

1）擱板溫度快速下降，且大大低于制品溫度，制品底部先凍結(jié)產(chǎn)生結(jié)晶，而上部分液體溫度仍然較高，所以不會瞬間全部結(jié)晶，結(jié)晶會緩慢生長，這樣就得到了慢凍的效果；

（2）擱板溫度降得較慢，與制品溫度相差不大，則制品整體均勻降溫， 并形成過冷，當(dāng)達(dá)到一定過冷度時(shí)，瞬間全部結(jié)晶，得到了快凍的效果；

（3）擱板溫度降得很慢，并在低于制品共熔點(diǎn)的適宜溫度保持(或緩慢降溫 ) ，則制品形成較小的過冷度，液體中先出現(xiàn)少量結(jié)晶，繼續(xù)降溫結(jié)晶生長，得到大結(jié)晶，這即是 真正的慢凍；

（4）制品浸入超低溫環(huán)境(如液氮)，整體瞬間結(jié)晶，形成極細(xì)小的晶體(或處于無定形態(tài))，這即是真正的快凍。

目前，絕大多數(shù)企業(yè)還是采用瓶凍的凍干方法的，瓶凍的受熱不均勻現(xiàn)象非常明顯 。根據(jù)對瓶裝制品擱板預(yù)凍過程的研究，樣品初始溫度越高，制品上下部分的溫度梯度越大，冰晶生長速度越慢。溶液若慢速降溫，則形成冰晶比較粗大，冰界面由下向上推進(jìn)的速度慢，溶液中溶質(zhì)遷移時(shí)間充足，溶液表面凍結(jié)層溶質(zhì)積聚也就多。因而導(dǎo)致上表層的溶質(zhì)往往較多，密度較高，而下底層密度較小，結(jié)構(gòu)疏松。同時(shí)，在不同的預(yù)凍溫度下凍結(jié)的樣品，干燥后支架孔徑有明顯差異。預(yù)凍溫度愈低，支架孔隙直徑愈小。這 種分層現(xiàn)象，在骨架差的制品上體現(xiàn)得最為明顯，或者底部萎縮，或者中間斷層，或者頂部突起，或者頂部脫落一層硬殼。

為了解決瓶凍分層的現(xiàn)象 ，可以將樣品從室溫先冷卻至樣品的初始凍結(jié)溫度附近，停止降溫過程，使樣品內(nèi)部溫度達(dá)到平衡，消除其內(nèi)的溫度梯度；然后再迅速降溫，由于此時(shí)樣品整體溫度離結(jié)晶溫度較近，且樣品在凍結(jié)過程中，樣品溫度下降較慢，故樣品在凍結(jié)過程中溫度梯度相對較小，冰 晶生長速度必然相對較快。這樣便提高了預(yù)凍速率，解決了溶質(zhì)聚集在上層的問題。

4、其他預(yù)凍方式

除了慢凍和速凍 ，還有一種預(yù)凍方式叫反復(fù)凍結(jié)法。反復(fù)凍結(jié)法是指以一定的升溫速率把已凍結(jié)的制品從冷卻終溫加熱到低于其共熔點(diǎn)的某一特定溫度，并保持一段時(shí)間，然后再以一定的降溫速率把制品冷卻到冷卻終溫的過程。反復(fù)凍結(jié)能夠改變冰晶形態(tài)和大小分布、強(qiáng)化結(jié)晶、提高非晶相凍結(jié)濃縮液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度， 這些改變對后繼的干燥過程和凍干藥品品質(zhì)有著重大的影響。能夠改善制品質(zhì)量，而且它能夠縮短凍干時(shí)間。適合反復(fù)凍結(jié)的產(chǎn)品的特點(diǎn)：（1）共晶點(diǎn)很低(-20~-30°C)；（2）粘度很大 ，濃度又高；（3）有時(shí)即使在-30 °C 以下也不能達(dá)到完全凍干或者從外觀看像是凍實(shí)了，但在升華過程中往往軟化，產(chǎn)生氣泡，在制品表面形成粘稠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，影像制品正常升華干燥的進(jìn)行。

5、預(yù)凍的時(shí)間

預(yù)凍的時(shí)間需根據(jù)機(jī)器的情況來決定，要保證抽真空之前所有產(chǎn)品均已凍實(shí)。不致因抽真空而冒出瓶外，凍干腔體的每一擱板之間，每一擱板的各部分之間溫差越小，則預(yù)凍的時(shí)間可以相應(yīng)縮短，一般產(chǎn)品的溫度達(dá)到預(yù)凍最低溫度之后1~2h即可開始抽真空升華。

三、升華干燥

將凍結(jié)后的產(chǎn)品置于密閉的真空容器中加熱，其冰晶就會升華成水蒸氣逸出而使產(chǎn)品脫水干燥。干燥是從外表面起頭逐步向內(nèi)推移的，冰晶升華后殘留的空隙變成升華水蒸氣的逸出通道。已干燥層和凍結(jié)部分的分界面 (實(shí)際上是一薄層)稱為升華界面。一般制品干燥過程中， 升華界面約以1mm·h-1的速度向內(nèi)推進(jìn)。當(dāng)全部冰晶去除時(shí)，升華干燥就完成了，此時(shí)可除去90%左右的水分。制品中冰的升華是在升華界面進(jìn)行的。升華時(shí)所需要的熱量是由加熱裝備(通過擱板)提供，從擱板傳來的熱量由以下幾種途徑傳至產(chǎn)品的升華界面：固體的傳導(dǎo)、輻射、氣體的對流。

1、升華過程中兩個(gè)關(guān)鍵的溫度參數(shù)

制品在升華過程中有兩個(gè)關(guān)鍵的溫度參數(shù)：最低共熔點(diǎn)和崩解溫度。最低共熔點(diǎn)是凍結(jié) 的制品開始熔化的溫度，也是溶質(zhì)和溶媒共同全部結(jié)晶的溫度。崩解溫度是指已干燥的產(chǎn)品當(dāng)溫度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)會失去剛性，發(fā)生類似崩潰的現(xiàn)象，失去了疏松多亂的性質(zhì)，使干燥產(chǎn)品有些發(fā)粘，比重增加，顏色加深。干燥產(chǎn)品發(fā)生崩解之后 ，阻礙或影響下層凍結(jié)產(chǎn)品升華的水蒸氣的通過，于是升華速度減慢，凍結(jié)產(chǎn)品吸收熱量減少，由板層繼續(xù)供給的熱量就有多余。將會造成凍結(jié)產(chǎn)品溫度上升，產(chǎn)品發(fā)生熔化發(fā)泡現(xiàn)象。

崩解溫度與產(chǎn)品的種類和性質(zhì)有關(guān)，因此應(yīng)該合理地選擇產(chǎn)品的保護(hù)劑，使崩解溫度盡可能高一些，當(dāng)產(chǎn)品的崩解溫度高于共熔點(diǎn)溫度時(shí)，那么升華時(shí)僅需控制產(chǎn)品溫度低于共熔點(diǎn)溫度就行了；當(dāng)產(chǎn)品的崩解溫度低于共熔點(diǎn)溫度，那么按照一般的方法控制升華時(shí)就可能發(fā)生崩解現(xiàn)象，這樣的產(chǎn)品只有在較低的溫度下進(jìn)行升華，因此必須延長凍干時(shí)間。崩解溫度測定方法有凍干顯微鏡法和介電分析法 (DEA)，通過顯微冷凍干燥試驗(yàn)可以清楚地觀察到崩解現(xiàn)象，從而確定崩解溫度。

2、升華時(shí)的溫度控制

凍干產(chǎn)品的升華階段是最關(guān)鍵、最容易出問題的階段，需對溫度和升溫速度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。凍結(jié)部分的溫度應(yīng)低于產(chǎn)品共熔點(diǎn)的溫度；產(chǎn)品干燥部分的溫度要低于其崩解溫度或容許的最高溫度（不燒焦或性變）；此外，升華階段的升溫溫度不能過快，溫度上升過快，制品所接受到的來自擱板的能量超過其升華所需的能量，多余的能量來不及傳導(dǎo)至升華界面而使底部融化，從而導(dǎo)致凍干失敗。

3、升華時(shí)的真空度控制

除了溫度，真空度對升華階段也至關(guān)重要，在控制溫度的同時(shí)必須提供較高的真空度才能保證升華階段進(jìn)行。然而，真空度也并不是越高越好。在升華階段適當(dāng)?shù)負(fù)饺霘怏w，使真空值在一定范圍內(nèi)波動 (約10~30Pa)。這種辦法使熱傳遞方式不再是靠熱傳導(dǎo)來主打，還增強(qiáng)了熱對流的方式，加快了水分解析的速度 。

4、升華干燥終點(diǎn)的判斷

升華干燥結(jié)束后，在轉(zhuǎn)入解析干燥之前，需對升華干燥的終點(diǎn)有個(gè)準(zhǔn)確的判斷。具體方法有：（1）干燥層和凍結(jié)層的交界面到達(dá)瓶底并消失；（2）產(chǎn)品溫度上升到接近擱板 的溫度 ；（3）干燥箱的壓力下降到與水汽凝結(jié)器的壓力接近，且兩者之間的壓力差維持不變 ；（4）當(dāng)關(guān)閉干燥箱通往水汽凝結(jié)器之間的閥門時(shí)，箱內(nèi)壓力上升速率與干燥箱的滲漏速率相近；（5）當(dāng)在多歧管上干燥時(shí)，容器表面上的冰或水珠消失，其溫度達(dá)到環(huán)境溫度。一般在此基礎(chǔ)上還要延長 30min~1h的時(shí)間再轉(zhuǎn)到第二步干燥，以保證沒有殘留的冰。

四、解析干燥

解析干燥也稱第二階段干燥，第一階段干燥是將水以冰晶的形式除去的，但對于吸附水，其吸附能量高，如果不提供足夠的能量，水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)足夠地高，只要不超過允許的最高溫度，不燒毀產(chǎn)品和不造成產(chǎn)品過熱而變性就可。同時(shí)，為了使解吸出來的水蒸氣有足夠的推動力逸出產(chǎn)品，必須使產(chǎn)品內(nèi)外形成較大的蒸汽壓差，因此這一階段箱體內(nèi)要連接高真空。

五、凍干終點(diǎn)

凍干終點(diǎn)的判斷是工藝優(yōu)化的重要步驟，準(zhǔn)確判斷凍干的終點(diǎn)，不僅可以節(jié)省能源，更有利于控制產(chǎn)品的最終含水量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，凍干終點(diǎn)的判斷主要有下以幾種方法。

1、壓力檢測法

凍干結(jié)束前，關(guān)閉凍干箱與冷凝器之間的真空閥門，這時(shí)觀察在30~ 60s內(nèi)凍干箱內(nèi)壓力的回升情況(箱體沒有泄漏 )，如果凍干箱內(nèi)的壓力沒有明顯的升高，則可以結(jié)束凍干，一般關(guān)閉1min壓力上升小于1pa ，殘余水分約在 0.5% ~2%之間。此法適用于小凍干箱的大量樣品凍干時(shí)，常用于小型實(shí)驗(yàn)室類凍干機(jī) 。

2、溫度檢測法

凍干過程是一個(gè)升華的過程，而升華是要吸收能量的，在凍干的第二階段為了加快結(jié)合水的升華，通常會提高擱板的溫度 (常用 20-40 °C )，當(dāng)升華結(jié)束時(shí)，樣品不再吸收能量，此時(shí)樣品的溫度會慢慢接近擱板溫度，最后趨于一致。故在配置有樣品溫度檢測探頭的凍干機(jī)可通過檢測溫度來判斷，而配置有凍干曲線軟件的凍干機(jī)更可從電腦上直接觀察。

3、稱重法

有些凍干機(jī)配置比較高，可以采用稱重系統(tǒng)來檢測。稱重系統(tǒng)可以直接連續(xù)測定樣品在凍干過程中的重量變化，以此直接掌握凍干各過程的水分升華情況，精確確定凍干終點(diǎn)，非常適合制藥行業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制。常用于中試及工業(yè)生產(chǎn)型凍干機(jī)。

4、卡爾費(fèi)休檢測法

有些凍干機(jī)可以在線不停機(jī)的情況下取樣，這樣可以通過卡爾費(fèi)休檢測儀來檢測水分，此法檢測精度高，可以精確控制水分的含水量，檢測速度快;缺點(diǎn)是操作復(fù)雜，要求設(shè)備配置較高，常用于中試及工業(yè)生產(chǎn)型凍干機(jī) 。（來源：允咨GMP制藥技術(shù)）

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