冷凍干燥一般過程

2024年2月13日發(作者：企業技術創新)

第二節 冷凍干燥的一般過程

需要凍干的物品需配制成一定濃度的液體，為了能保證干燥后有一定的形狀，一般凍干產品應配制成含固體物質濃度在4%～25%之間的稀溶液，以濃度為10%～15%最佳。

這種溶液中的水，大部分是以分子的形式存在于溶液中的自由水；少部分是以分子吸附在固體物質晶格間隙中或以氫鍵方式結合在一些極性基團上的結合水。固定于生物體和細胞中的水，大部分是可以凍結和升華的自由水，還有一部分不能凍結、很難除去的結合水。凍干就是在低溫、真空環境中除卻物質中的自由水和一部分的吸附于固體晶格間隙中的結合水。因此，冷凍干燥過程一般分三步進行，即預凍結、升華干燥（或稱第一階段干燥）、解析干燥（或稱第二階段干燥）。

一、預凍結

預凍就是將溶液中的自由水固化，賦予干后產品與干燥前相同的形態，防止抽空干燥時起泡、濃縮和溶質移動等不可逆變化發生，盡量減少由溫度引起的物質可溶性減少和生命特性的變化。

1、 預凍的方法

溶液的預凍方法有兩種：凍干箱內預凍法和箱外預凍法。

箱內預凍法是直接把產品放置在凍干機內的多層擱板上，由凍干機的冷凍機來進行冷凍，大量的小瓶和安瓶進行凍干時為了進箱和出箱方便，一般把小瓶或安瓶分放在若干金屬盤內，再裝進箱子，為了改善熱傳遞。有些金屬盤制成可抽活底式，進箱時把底抽走，讓小瓶直接與凍干箱的金屬板接觸；對于不可抽底的盤子，要求盤底平整，以獲得產品的均一性。采用旋凍法的大血漿瓶要事先凍好后加上導熱用的金屬架后再進箱進行冷凍。

箱外預凍法有二種方法。有些小型凍干機沒有進行預凍產品的裝置，只能利用低溫冰箱或酒精加干冰來進行預凍。另一種是專用的旋凍器，它可把大瓶的產品邊旋轉邊冷凍成殼狀結構，然后再進入凍干箱內。

還有一種特殊的離心式預凍法，離心式凍干機就采用此法。利用在真空下液體迅速蒸發，吸收本身的熱量而凍結。旋轉的離心力防止產品的氣體逸出，使產品能“平靜地”凍結成一定的形狀。轉速一般為800轉/分左右。

2、 預凍的過程：

水溶液溫度降到一定時，根據溶液共晶濃度，濃度淡溶液里開始結冰，這個溫度就叫結冰點。一般來說結冰點受濃度的支配與濃度一起下降。溶液溫度低于結冰點時，溶液中的一部分會結晶析出，剩下的溶液濃度將會上升，就這樣結冰點下降，接著繼續冷卻，冰結晶隨著冷卻而增加，剩下的溶液濃度隨之而增大。可是溫度降到某一點時剩下的溶液就全部凍結，這時的凍結物里混雜著冰晶體，這時的溫度就是共晶點。

溶液需過冷到冰點以后，其內產生晶核以后，自由水才會開始以冰的形式結晶，同時放出結晶熱使其溫度上升到冰點，隨著晶體的生長，溶液濃度的增加，當濃度達到共晶濃度，溫度下降到共晶點以下時，溶液就會全部凍結。

溶液結晶的晶粒數量和大小除了與溶液本身的性質有關以外，還與晶核生成速率和晶體生長速率有關。而晶核生成速率和晶體生長速率這兩個因素又是隨溫度和壓強的變化而變化的，因此，我們可以通過控制溫度和壓強來控制溶液結晶的晶粒數量和大小。一般來說，冷卻速度越快，過冷溫度越低，所形成的晶核數量越多，晶體來不及生長就被凍結，此時所形成的晶粒數量越多，晶粒越細；反之晶粒數量越少，晶粒越大。

晶體的形狀也與凍結溫度有關。在0oC附近開始凍結時，冰晶呈六角對稱形，在六個主軸方向向前生長，同時，還會出現若干副軸，所有冰晶連接起來，在溶液中形成一個網絡結構。隨著過冷度的增加，冰晶將逐漸喪失容量辨認的六角對稱形式，加之成核數多，凍結速度快,可能形成一種不規則的樹枝型，它們有任意數目的軸向柱狀體，而不象六方晶型那樣只有六條。

生物體液（如血液血漿、肌肉漿液、玻璃體液等）結冰形成的結晶單元，往往與單一成分的水溶液形成的冰晶類型相似。結晶類型主要取決于冷卻速度和體液濃度，例如血漿、肌肉漿液等在正常濃度下結冰時，在較高零下溫度、慢冷卻速度下形成六方結晶單元，快速冷卻至低溫時形成不規則樹枝狀晶體。

細胞懸浮液（如紅血球、白血球、精子、細菌等懸浮于蒸餾水、血漿或其他懸浮介質中），在高零下溫度緩慢結冰時，懸浮液中大量的冰生長，將細胞擠在兩冰柱之間的狹窄管道中，管道內的懸浮介質因水析出結冰而溶質濃縮，細胞內的水通過細胞膜滲透出細胞，又造成細胞內溶質的濃縮。與此同時，胞外冰的生長，還將迫使細胞物質體積縮小、變形。但此時細胞內不結冰。當在低溫下快速結冰時，則細胞內將形成胞內冰。冰的大小、形狀和分布與冷卻速度、保護劑的存在與否、保護劑的性質以及細胞內水的含量有關，一般說來，冷卻速度越快、溫度越低，細胞內形成的冰越多。懸浮液中添加非滲透性保護劑，可以使快速結冰時細胞內形成的冰數目減少。

溶液結晶的形式對凍干速率有直接的影響。冰晶升華后留下的空隙是后續冰晶升華時水蒸氣的逸出通道，大而連續的六方晶體升華后形成的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干燥速度快，反之樹枝形和不連續的球狀冰晶通道小或不連續，水蒸汽靠擴散或滲透才能逸出，因而干燥速度慢。因此僅從干燥速率來考慮，慢凍為好。

此外，凍結的速率還與凍結設備的種類、能力和傳熱介質等有關。

預凍會對細胞和生命產生一定的破壞作用，其機理是非常復雜的，一般認為，預凍過程中水結冰所產生的機械效應和溶質效應是引起生化藥品在凍干過程中失活或變性的重要因素。機械效應是指水結冰時體積增大，致使活性物質活性部位中一些弱分子力鍵受到破壞，從而使活性損失；溶質效應是指水結冰以后引起溶質濃度上升以及由于各種溶質在各種溫度條件下溶解度變化不一致引起pH值的變化，導致活性物質所處的環境發生變化而造成失活或變性。對這種現象可采用下列措施解決：①預凍采用速凍法，先將擱板溫度降至－45OC，再放入產品急速冷凍，形成細微冰晶，使其來不及產生機械效應。②選用緩沖劑時要選用溶解度相當的緩沖配對鹽。③加入產品保護劑。

升華階段時間的長短與下列因素有關：① 產品的品種：共熔點溫度較高的產品容易干燥，升華的時間短些；② 每瓶內的裝量（正常的干燥速率大約為1mm/h）、總裝量、玻璃容器的形狀、規格；③ 升華時提供的熱量；④ 凍干機本身的性能。

二、升華干燥（第一階段干燥）

升華干燥也稱為第一階段干燥。將凍結后的產品置于密封的真空容器中加熱，其冰晶就會升華成水蒸汽逸出而使產品脫水干燥。干燥是從外表面開始逐步向內推移的，冰晶升華后殘留下的空隙變成爾后升華水蒸汽的逸出通道。已干燥層和凍結部分的分界面稱為升華界面。在生物制品干燥中，升華界面約為每小時1mm的速度向下推進。當全部冰晶除去時，第一階段干燥就完成了，此時約除去全部水分的90%左右。

產品在升華干燥時要吸收熱量，一克冰全部變成水蒸汽大約需要吸收670卡左右的熱量。因此升華階段必須對產品進行加熱。當凍干箱內的真空度降至10Pa（可根據制品要求而定）以下，就可以開始給制品加熱，為產品升華提供能量，且凍干箱內的真空度應控制在10-30Pa之間最有利于熱量的傳遞，利于升華的進行。

第一階段升華干燥是冷凍干燥的關鍵階段，大部分的水在這一階段被升華。若控制不好，會直接影響產品的外觀質量和凍干時間。若擱板的溫度過高，擱板向產品提供的熱量大于水分升華所吸收的熱量，則產品溫度持續上升，當產品溫度超過其共熔點時，則產生噴瓶或瓶底變空的現象，影響產品的外觀質量。賦形劑的選擇和用量對凍干生化藥品的外觀影響很大。由于各個產品的性質不相同、配方各不同、離子濃度各不相同，對賦形劑選擇和用量要求各不一樣，若控制不好，凍干后的產品外觀成為不易溶解的蜂窩狀或粉狀，而不能成為結構疏松、易于溶解的網狀結構，影響藥品的外觀質量。但由于產品升華時，升華面不是固定的。而是在不斷的變化，并且隨著升華的進行，凍結產品越來越少。因此造成對產品溫度測量的困難，利用溫度計來測量均會有一定的誤差。可以利用氣壓測量法來確定升華時產品的溫度，把凍干箱和冷凝器之間的閥門迅速地關閉1－2秒的時間（切不可太長）。然后又迅速打開，在關閉的瞬間觀察凍干箱內的壓強升高情況，計下壓強升高到某一點的最高數值。從冰的不同溫度的飽和蒸汽壓曲線或表上可以查出相應數值，這個溫度值就是升華時產品的溫度。產品的溫度也能通過對升華產品的電阻的測量來推斷。如果測得產品的電阻大于共熔點時的電阻數值，則說明產品的溫度低于共熔點的溫度；如果測得的電阻接近共熔點時的電阻數值，則說明產品溫度已接近或達到共熔點的溫度。

第一階段干燥結束可以通過以下現象判斷：

a. 干燥層和凍結層的交界面到達瓶底并消失。

b. 產品溫度上升到接近產品共溶點的溫度。

c. 凍干箱的壓力和冷凝器的壓力接近，且兩者間壓力差維持不變

d. 當關閉干燥室與冷凝器之間的閥門時，壓強上升速率與滲漏相壓器近（需要預先檢查滲漏的速率）。

e. 當在多歧管上干燥時，容器表面上的冰或水珠消失，其溫度達到環境溫度。

通常在此基礎上還要延長30分鐘到1小時的時間再轉到第二步干燥，以保證沒有殘留的冰。

三、解析干燥（第二階段干燥）

解析干燥也稱第二階段干燥。在第一階段干燥結束后，產品內還存在10%左右的水分吸附在干燥物質的毛細管壁和極性基團上，這一部分的水是未被凍結的。當它們達到一定含量，就為微生物的生長繁殖和某些化學反應提供了條件。實驗證明：即使是單分子層吸附以下的低含水量，也可以成為某些化合物的溶液，產生與水溶液相同的移動性和反應性。因此為了改善產品的貯存穩定性，延長其保存期，需要除去這些水分。這就是解析干燥的目的。

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最高溫度以下（產品的允許溫度視產品的品種而定，一般為25℃-40℃左右。病毒性產品為25℃，細菌性產品為30℃，血清、抗菌素等可高達40℃），維持一定的時間（由制品特點而定），使殘余水分含量達到預定值，整個凍干過程結束。

如果制品共晶點較高，系統的真空度也能保持良好，凝結器的制冷能力充裕，則也可采用一定的升溫速度，將擱板溫度升高至允許的最高溫度，直至凍干結束，但也需保證制品在大量升華時的溫度不得超過共晶點。

在解析干燥階段由于產品內逸出水份的減少，冷凝器溫度的下降又引起系統內水蒸氣壓力的下降，這樣往往使凍干箱的總壓力下降到低于10Pa，這就使凍干箱內對流的熱傳遞幾乎消失。為了改進凍干箱傳熱，使產品溫度較快地達到最高允許溫度，以縮短解析干燥階段時間，要對凍干箱內的壓強進行控制，控制的壓強范圍在15～30Pa之間。

產品溫度到達許可溫度之后，為了進一步降低產品內的殘余水份含量，需要恢復高真空度，同時，冷凝器由于負荷減少也達到了極限低溫，這樣凍干箱和冷凝器之間水蒸氣壓力差達到了最大值。這種狀況非常有利于產品內殘余水份的逸出。

由于凍干藥品中的殘留水分對凍干生化藥品的影響很大，殘留水分過多，生化活性物質容易失活，大大降低了穩定性。控制凍干藥品中的殘留水分，關鍵在于第二階段再干燥的控制。在這一階段中，溫度要選擇能允許的最高溫度；真空度的控制盡可能提高，有利于殘留水分的逸出；持續的時間越長越好，一般過程需要4-6小時；對自動化程度較高的凍干機可采取壓力升高試驗對殘留水分進行控制，保證凍干藥品的水分含量少于3%。