一、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(diǎn)溫度以下，使水分變成固態(tài)的冰，然后在適當(dāng)?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(shù)。該過程主要可分為：制品準(zhǔn)備、預(yù)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(yù)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(rèn)識到，凡是成功的低溫保存，細(xì)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(zhì)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(jié)構(gòu)的擴(kuò)散系數(shù)很低，故在這種結(jié)構(gòu)中分子運(yùn)動和分子變性反應(yīng)非常微弱，不利的化學(xué)反應(yīng)能夠被抑制，從而提高被保存物質(zhì)的穩(wěn)定性。

玻璃化的獲得。在產(chǎn)品預(yù)凍時，只要降溫速率足夠快，且達(dá)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(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(xì)菌制品，其預(yù)凍過程一般通過“兩步法"來完成。第一步是以一般速率進(jìn)行降溫，讓細(xì)胞外的溶液中產(chǎn)生冰，細(xì)胞的水分通過細(xì)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(jìn)行降溫，以實(shí)現(xiàn)胞溶液的玻璃化。此法又稱“部分玻璃化法"。

當(dāng)初始濃度為A的溶液（A點(diǎn)）從室溫開始冷卻時，隨著溫度的下降，溶液過冷到B點(diǎn)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(diǎn)(D 點(diǎn))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(dá)到最大凍結(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(yù)凍溫度

預(yù)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(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(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(jì)60年代，人們成功地保存了哺乳動物的某些細(xì)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(xì)胞和倉鼠細(xì)胞的最佳冷卻速率超過50℃/min，而保存淋巴細(xì)胞的降溫速率只有0.1℃/min。

預(yù)凍溫度須低于制品的玻璃態(tài)和橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，以保證箱所有的制品溫度都低于共熔點(diǎn)，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(diǎn)低10-30°。至于預(yù)凍的最終溫度是控制在低于共晶溫度還是低于玻璃化轉(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(dá)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(yīng)盡量使其最終凍結(jié)溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。一般制品預(yù)凍溫度在共熔點(diǎn)以下10-20℃保持2-3h，保證冷凍；多數(shù)疫苗的共熔點(diǎn)在-15℃到-20℃之間，因此預(yù)凍溫度要在-25℃到-40℃。目前常用的一種冷凍方法是凍干機(jī)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(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(rèn)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(yīng)在-30℃或以上溫度（低于產(chǎn)品塌陷溫度尤其是共熔點(diǎn)溫度）下進(jìn)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，造成凍干失敗；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(fèi)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(yù)凍的制品中都有一定份額的無定形態(tài)，故應(yīng)當(dāng)將凍干的一次干燥過程控制在Tg以下進(jìn)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(jìn)行，使升華速率減慢，最終可導(dǎo)致凍干產(chǎn)品的殘余水分含量過高，產(chǎn)品的復(fù)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(jié)構(gòu)所決定。有人認(rèn)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(guān)于是否應(yīng)當(dāng)這樣，存在兩種不同的觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)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(dāng)逐漸提高溫度，加快升華進(jìn)行；另一種觀點(diǎn)認(rèn)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(shí)體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生影響。