欣諭儀器：冷凍干燥過程研究

時間：2020-01-05

欣諭儀器：冷凍干燥過程研究

真空冷凍干燥是先將制品凍結(jié)到共晶點溫度以下，使水分變成固態(tài)的冰，然后在適當?shù)臏囟群驼婵斩认拢贡A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。該過程主要可分為：制品準備、預凍、一次干燥（升華干燥）、二次干燥（解吸干燥）和密封保存五個步驟。

1 產(chǎn)品預凍

1.1 制品的玻璃化

玻璃化的作用。近年來，人們已經(jīng)逐漸地認識到，凡是成功的低溫保存，細胞內(nèi)的水均以玻璃態(tài)的形式被固化，在胞內(nèi)不出現(xiàn)晶態(tài)的冰。玻璃化是指物質(zhì)以非晶態(tài)形式存在的一種狀態(tài)，其粘度較大，分子的能動性幾乎為零，由于這種非晶體結(jié)構(gòu)的擴散系數(shù)很低，故在這種結(jié)構(gòu)中分子運動和分子變性反應非常微弱，不利的化學反應能夠被抑制，從而提高被保存物質(zhì)的穩(wěn)定性。本文章資料來自欣諭儀器網(wǎng)

玻璃化的獲得。在產(chǎn)品預凍時，只要降溫速率足夠快，且達到足夠低的溫度，大部分材料都能從液體過冷到玻璃態(tài)固體?！白銐蚩臁钡囊馑际窃诮禍剡^程中迅速通過結(jié)晶區(qū)而不發(fā)生晶化，“足夠低”指的是必須把溫度降到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以下。

對于具有一定初始濃度的細菌制品，其預凍過程一般通過“兩步法”來完成。第一步是以一般速率進行降溫，讓細胞外的溶液中產(chǎn)生冰，細胞內(nèi)的水分通過細胞膜滲向胞外，胞內(nèi)溶液的濃度逐漸提高；第二步是以較高速率進行降溫，以實現(xiàn)胞內(nèi)溶液的玻璃化。此法又稱“部分玻璃化法”。

當初始濃度為A的溶液（A點）從室溫開始冷卻時，隨著溫度的下降，溶液過冷到B點后將開始析出冰，結(jié)晶潛熱的釋放又使溶液局部溫度升高。溶液將沿著平衡的熔融線不斷析出冰晶，冰晶周圍剩余的未凍溶液隨溫度下降，濃度不斷升高，一直下降到熔融線(Ta)與玻璃化轉(zhuǎn)變曲線(Tg)的交點(D點)時，溶液中剩余的水分將不再結(jié)晶(稱為不可凍水)，此時的溶液達到較大凍結(jié)濃縮狀，濃度較高，以非晶態(tài)的形式包圍在冰晶周圍，形成鑲嵌著冰晶的玻璃體。

1.2降溫速率與預凍溫度

預凍速度決定了制品體積大小、形狀和成品較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，溶液的較佳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的。20世紀60年代，人們成功地保存了哺乳動物的某些細胞，其降溫程序是：以1℃/min降到-15℃，然后以4-5℃/min降到-79℃，這一程序與**所提及的“兩步法”是一致的。但也有降溫較慢和較快的事例，如紅細胞和倉鼠細胞的較佳冷卻速率**過50℃/min，而保存淋巴細胞的降溫速率只有0.1℃/min。

預凍溫度須**制品的玻璃態(tài)和橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，以保證箱內(nèi)所有的制品溫度都**共熔點，使其全部凝結(jié)成固體；對于許多溶液，它們的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度一般要比共晶點低10-30°。至于預凍的較終溫度是控制在**共晶溫度還是**玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，這主要取決于我們希望制品在凍結(jié)過程中所達到的固化狀態(tài)。對于具有類似膜結(jié)構(gòu)或活性成分制品的冷凍干燥，應盡量使其較終凍結(jié)溫度**玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。一般制品預凍溫度在共熔點以下10-20℃保持2-3h，保證冷凍完全；多數(shù)疫苗的共熔點在-15℃到-20℃之間，因此預凍溫度要在-25℃到-40℃。目前較常用的一種冷凍方法是凍干機板層冷凍。本文章資料來自欣諭儀器網(wǎng)

2一次干燥

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，制品中較初水分的90%以上已被除去。

2.1一次干燥中制品溫度的控制

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。多數(shù)動物用疫苗一次干燥應在-30℃或以上溫度（**產(chǎn)品塌陷溫度尤其是共熔點溫度）下進行，因此板層溫度一般在-10～-3℃之間。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，費時又耗能。盡管在有些場合下，一次干燥的較大許可溫度由制品的相變溫度或共晶溫度決定，但較一般的情況下，預凍的制品中都有一定份額的無定形態(tài)，故應當將凍干的一次干燥過程控制在Tg以下進行。

在干燥過程中，如制品干燥層溫度上升到一定數(shù)值時，其部分干燥物質(zhì)所形成的多孔性骨架剛度降低，干燥層內(nèi)顆粒出現(xiàn)脫落，直至骨架塌陷，造成已被干燥部分的微孔通道被封閉，阻止升華的進行，使升華速率減慢，較終可導致凍干產(chǎn)品的殘余水分含量過高，產(chǎn)品的復水性與穩(wěn)定性差。此時的溫度稱為塌陷溫度Tc。塌陷溫度Tc是在凍干過程中樣品所特有的特征溫度，是由制品材料及干燥層的多孔性結(jié)構(gòu)所決定。有人認為，在多數(shù)情況下，塌陷溫度Tc要比玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg高20°左右。對于一個特定的凍干制品，其共晶溫度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可通過DSC（差式掃描量熱法）測得，而塌陷溫度可通過凍干顯微鏡和介電分析測得。

目前大多數(shù)的操作，都是在整個升華干燥過程中保持加熱溫度不變。關于是否應當這樣，存在兩種不同的觀點。一種觀點認為，在升華干燥階段，隨著水分的升華，使制品濃度升高，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也會提高，這樣升華干燥過程中就可以適當逐漸提高溫度，加快升華進行；另一種觀點認為，在升華干燥階段，升華的只是游離在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)空隙中的自由水，不會對物料實體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生影響，因此升華干燥過程中的加熱溫度仍應保持不變。實際上這兩種情況都可能出現(xiàn)，是和冷卻固化的情況有關的。

2.2一次干燥中冷阱溫度的控制

冷阱位于真空泵進口前，升華產(chǎn)生的水蒸氣靠壓差的作用到達冷阱，重新結(jié)成霜，如果沒有冷阱或其溫度不夠低，就會導致凍干室內(nèi)水蒸汽壓升高，制品升華界面壓力和溫度都會上升，導致制品融化。對于多數(shù)制品的冷凍干燥，冷阱表面溫度在-40—-50℃之間已能滿足要求。

2.3一次干燥中的真空度

一次干燥中真空度應維持13.33-26.66pa。一般說來，在升華干燥過程中真空度是維持不變的，但也可以采用循環(huán)壓力法，即控制真空系統(tǒng)的壓力在一定范圍內(nèi)上下波動，以期提高干燥速度。大量研究表明，在干燥過程中短期地略微提高干燥室壓力（10-20Pa），同時干燥層表面溫度維持在接近其允許值，可以縮短干燥時間。但干燥室壓力必須**升華界面壓力，而升華界面的壓力所對應的升華界面溫度必須**制品在相應濃度下的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。在升華過程中，有時可采用向凍干箱內(nèi)充注氣體，以形成對流傳熱，但這一部分空氣量會降低真空度，因此，要對真空度進行控制，使其既能形成恰當?shù)膶α鱾鳠?，又能使制劑表面始終處于勻速干燥的壓力狀態(tài)。

2.4影響干燥效率的因素

在一次干燥過程中，除了制品溫度、冷阱溫度、干燥室壓力影響干燥快慢以外，預凍速度也影響著升華效率。慢凍形成大冰晶，升華后形成大的孔隙，有利于升華進行，干燥速度快；速凍形成細小的冰晶，升華后留下細小的通道，干燥速度慢。但慢凍時，溶質(zhì)可能發(fā)生遷移，以至于在表面形成一層硬殼，阻止升華進行。

近年來發(fā)現(xiàn)，在凍干配方中加入5%左右叔丁醇后，凍結(jié)時會形成針狀結(jié)晶，冰晶升華后留下了管狀通道，使水蒸氣阻力大大減小，升華速率顯著提高，節(jié)省了時間和能耗。

3 二次干燥

二次干燥（解吸干燥）是在較高的溫度下對制品加熱，使制品中被吸附的部分“束縛水”解吸變成“自由”的液態(tài)水再吸熱蒸發(fā)成水蒸氣的過程，加熱量主要用于被束縛水的解吸作用和蒸發(fā)。由于升華干燥之后，在干燥制品的多孔結(jié)構(gòu)表面和極性集團上結(jié)合水的吸附能量很大，因此必須提供較高的溫度和足夠的熱量才能實現(xiàn)結(jié)合水的解吸過程。該過程中，制品的含水量不斷減少，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是不斷提高的，制品溫度也可以逐漸提高。

在二次干燥過程中，板層溫度至少每小時增加5℃-10℃。成品溫度應該迅速升至板層溫度或以上，否則制品水分增多且易倒塌。

二次干燥目的雖然是使殘存在多孔疏松狀固體中的水被去除，但適當?shù)乃郑ㄍǔ?span>1-1.5%）對于保持疫苗結(jié)構(gòu)完整性和活性也是必要的。制品水分過低，菌體表面親水基團失去保護，會直接與氧接觸，影響菌體的存活率。較終板層溫度是成品水分含量的一個主要決定因素，其數(shù)值不能**過制品的較高允許溫度，對于蛋白質(zhì)藥物其較高允許溫度一般應**40℃，對于絕大多數(shù)動物用疫苗，較終板層溫度應該在25℃-35℃之間。一般細菌性產(chǎn)品較終板層溫度為30℃-35℃，病毒性產(chǎn)品為25℃。

4 密封保存

凍干結(jié)束后，通過板層液壓升降系統(tǒng)，將半加塞的疫苗瓶在真空狀態(tài)下密封。使用的管狀玻璃瓶和膠塞應配套，將其密封后置45℃水浴24小時，觀察疫苗瓶中是否有水被吸入。真空密封的完整性應在溫度壓力下評估，簡單的試驗是將成品在45℃水浴24小時，觀察疫苗瓶中是否有水被吸入。膠塞應該在135℃干燥4小時，高壓滅菌膠塞可使疫苗的水分提高2-5%。

本文章資料來自欣諭儀器網(wǎng)

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詞條說明
欣諭儀器：蛋白質(zhì)藥品冷凍干燥技術研究
????由于凍干藥品呈多孔狀、能長時間穩(wěn)定貯存、并易重新復水而恢復活性，因此冷凍干燥技術廣泛應用于制備固體蛋白質(zhì)藥物、口服速溶藥物及藥物包埋劑脂質(zhì)體等藥品。從國家藥品監(jiān)督管理局數(shù)據(jù)庫得知，目前國內(nèi)已有注射用重組人粒細胞巨噬細胞集落刺激因子、注射用重組人干擾素α2b、凍干鼠表皮生長因子、外用凍干重組人表皮生長因子、注射用重組鏈激酶、注射用重組人白介素-2、注
欣諭低溫冰箱隔熱結(jié)構(gòu)的分析
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培養(yǎng)器皿可以直接放欣諭凍干機內(nèi)進行冷凍干燥機么
實驗過程中不可避免需要對樣品做一些處理才能得到所需的數(shù)據(jù)，這個過程也保護干燥，當然干燥有很多方式，比方說烘干，微波干燥，鼓風干燥，離心干燥，真空冷凍干燥等等，今天我們講解的是在真空冷凍干燥過程中一些小知識。欣諭凍干全稱XY冷凍干燥，是一種特殊的干燥工藝。其步驟簡要概括就是：利用欣諭凍干機的低溫真空環(huán)境下使物體中的水凝固成冰，再由冰直接升華為水蒸氣，從而Z大限度地保持原料的原本狀態(tài)。在凍干過程中盛裝
炎炎夏日欣諭凍干機也要注意防暑工作哦
?欣諭凍干機雖然屬于制冷設備，但是他的制冷是在于對實驗凍干樣品的保護干燥來定，所以此設備對于環(huán)境溫度要求還是蠻高的。? ?就較近而言很多客戶反映凍干機出現(xiàn)制冷問題了，最后經(jīng)過溝通判斷后，基本上都是因為環(huán)境原因?qū)е拢械膯挝皇褂迷O備的環(huán)境沒有空調(diào)，某些客戶較高屋內(nèi)溫度甚**達38度40度以上，可能有的客戶還會說了為何空調(diào)也是制冷設備可以在夏日可以給屋內(nèi)制冷呢，首先壓縮機