一、冷凍干燥過程研究

真空冷凍干燥是先將制品凍結到共晶點溫度以下，使水分變成固態(tài)的冰，然后在適當?shù)臏囟群驼婵斩认?，使冰升華為水蒸氣。再用真空系統(tǒng)的冷凝器(水汽凝結器)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，細胞的水均以玻璃態(tài)的形式被固化，在胞不出現(xiàn)晶態(tài)的冰。玻璃化是指物質以非晶態(tài)形式存在的一種狀態(tài)，其粘度極大，分子的能動性幾乎為零，由于這種非晶體結構的擴散系數(shù)很低，故在這種結構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的穩(wěn)定性。

玻璃化的獲得。在產品預凍時，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?的意思是在降溫過程中迅速通過結晶區(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生冰，細胞的水分通過細胞膜滲向胞外，胞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)與玻璃化轉變曲線(Tg)的交點(D 點)時，溶液中剩余的水分將不再結晶(稱為不可凍水)，此時的溶液達到最大凍結濃縮狀，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、形狀和成品最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。

對結晶性制劑而言，凍結速度一般不要太慢，凍結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，但如果結晶過大、晶核數(shù)量過少、制劑的結晶均勻性差，也不利于升華干燥。對于一些分子呈無規(guī)則網(wǎng)狀結構的高分子藥物，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，溶液的最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℃，這一程序與前面所提及的“兩步法"是一致的。但也有降溫更慢和更快的事例，如紅細胞和倉鼠細胞的最佳冷卻速率超過50℃/min，而保存淋巴細胞的降溫速率只有0.1℃/min。

預凍溫度須低于制品的玻璃態(tài)和橡膠態(tài)轉變溫度，以保證箱所有的制品溫度都低于共熔點，使其全部凝結成固體；對于許多溶液，它們的玻璃化轉變溫度一般要比共晶點低10-30°。至于預凍的最終溫度是控制在低于共晶溫度還是低于玻璃化轉變溫度，這主要取決于我們希望制品在凍結過程中所達到的固化狀態(tài)。對于具有類似膜結構或活性成分制品的冷凍干燥，應盡量使其最終凍結溫度低于玻璃化轉變溫度。一般制品預凍溫度在共熔點以下10-20℃保持2-3h，保證冷凍；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℃。目前常用的一種冷凍方法是凍干機板層冷凍。

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，制品中最初水分的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（低于產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?。蝗绻麥囟冗^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，一次干燥的最大許可溫度由制品的相變溫度或共晶溫度決定，但更一般的情況下，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，其部分干燥物質所形成的多孔性骨架剛度降低，干燥層顆粒出現(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，最終可導致凍干產品的殘余水分含量過高，產品的復水性與穩(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*的特征溫度，是由制品材料及干燥層的多孔性結構所決定。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)狀結構空隙中的自由水，不會對物料實體的玻璃化轉變溫度產生影響。