最全的药品冻干过程中各关键环节的控制要点

蔡继兰、叶东、汪宗华 2023-11-03

本文根据冻干技术基本理论，简单介绍了药品冻干过程各关键环节的控制方法。

真空冷冻干燥技术是一种将真空、冷冻和干燥相结合的综合性技术，现已被广泛地应用于食品、药品、生物制品等多个领域的生产中。 将需干燥含水药物冷冻成固态，在低温真空条件下使溶媒升华而达到干燥目的。与其他干燥方法相比具有热稳定性好的优点，特别适用于热敏药物。可避免药品受热分解变质，外观形象好，复溶性好，污染机会少。

好的冻干工艺应是为产品量身定做的，具有冻干时间短、能耗低的特征，保证产品质量稳定。冻干过程可分为：样品准备、预冻、一次干燥(升华干燥)和二次干燥(解析干燥 )、密封保存等五个步骤，每个阶段都要严格控制温度、冷冻速度和真空度。在实际生产过程中，常常由于处方或冻干工艺设计不合理而出现各种各样的问题，本文简单介绍了药品冻干过程各关键环节的控制方法，并对常见的一些问题进行初步的探讨分析。

Part

冻干过程各环节的控制

要得到一个良好的冻干产品，除了要选择性能优良的冻干机，还需要从处方设计、产品预冻、升华干燥及解析干燥等环节进行考虑。

1.1

处方设计

要保证冻干效果，处方是首先需要解决的问题，处方是进行冻干工艺研究的基础。在研究冻干工艺之前，必须对原料、辅料等做充分的研究，如尽量选择共熔点较高的冻干保护剂以利于升华阶段的顺利进行、缩短冻干时问，选择合适的抗氧化剂、酸碱调节剂以保证制品的稳定性等。

另外，处方中的固体物质总量通常为 2%—30% (质量百分比)。当处方中固体物质少于2%时，冻干产品在干燥过程中可能破裂，甚至可能脱离容器。当处方中的固态物质含量超过30%时，冻干产品的浓度较高，可能会阻碍干燥过程中水蒸气的流动，从而导致冻干时间的延长或最终产品水分偏高。

1.2

产品预冻

产品在进行冷冻干燥时，需要装入适宜的容器，然后进行预先冻结，才能进行升华干燥，预冻过程不仅是为了保护物质的主要性能不变；而且要获得冻干后产品有合理的结构以利于水分的升华。预冻是冻干过程中非常重要的一个环节，因此在预冻之前应该确定三个因素：预冻的最低温度、预冻的速度和预冻的时间。

1.2.1 预冻的最低温度

在预冻之前，制品的共晶点或最低共熔点是首先必须要知道的一个重要的温度参数。制品在降温过程中，溶液开始析出晶体的温度为冰点；继续降温，当降到一定温度时，溶质和溶媒共同全部结晶，这个温度为共晶点(凝固点 )；溶液在冰点和共晶点这段温度范围内凝固。因为凝固点就是融化的开始点，所以共晶点又叫做最低共熔点。而实际上，最低共熔点通常要比共晶点稍高，这是因为共晶点是在预冻阶段测定的，预冻通常在常压状态下; 而最低共熔点是针对一次干燥阶段而言的，这个阶段处于压力较小的真空状态，对于水来说，压力降低熔点是上升的，所以说最低共熔点通常要比共晶点高。因此，升华阶段制品温度可以接近甚至超过共晶点温度，不高于最低共熔点即可，这在一定程度上可以适当缩短一次干燥的时间。

共晶点的测定有电阻测定法、热差分析测定法、冻干显微镜直接观察、数字公式计算测定。标准的共熔点测量法是将一对白金电极浸入液体产品之中，并在产品中插一温度计，把它们冷却到-40°C以下的低温，然后将冻结产品慢慢升温。用惠斯顿电桥来测量其电阻，当发生电阻突然降低时，这时的温度即为产品的共晶点。电桥要用交流电供电，因为直流电会发生电解作用，整个过程由仪表记录。此外，还可以在预冻阶段通过视窗来观察制品性状的变化来获得共晶点。当制品开始结冰的时候，浸入制品中的电热偶所探测到的温度会突然回升，这是因为结冰过程的放热现象所造成的。这时候所记录的温度就大致接近于共晶点温度。

1.2.2 预冻的速度

预冻速度的快慢可直接影响随后的升华干燥过程。溶液速冻时(约每分钟降温10-15°C)，溶液的过冷度和过饱和度大，临界结晶的粒度小，成核速度快，易形成数量多而体积小的细晶，细晶在升华后留下的间隙较小，使下层升华受阻，干燥速度慢，但成品粒子细腻，外观均匀，比表面积大，多孔结构好，成品复溶性好，引湿性相对较强；相反慢冻时(约1°C ·min^-1)，容易形成体积较大的冰晶，冰晶升华后形成的孔隙较大，有利于提高干燥速度，但成品的复溶性较差。

慢冻有两种方式，一种是较长时间达到冻结温度，另一种是在共晶点附近(粥状冰)维持一段时间，再下降温度。

速冻有三种方式，一种是产品进冻干机后，机器全速制冷。第二种是产品进冻干机后，维持板温0°C左右(以制品不结冰为准)，使制品处于液态较低的温度，然后机器全速制冷。第三种是先制冷板层至 -30 ~ -35°C ，再放入制品，机器全速制冷。目前多数产品采用第一种方式。

（1）传统预冻方式

速冻与慢冻的理论是在制品受热均匀的前提下得出来的，而一般的医药冻干机所提供的冻干条件却没有这么理想，一般只能控制导热油降温速度的快慢，而制品是否快冻或慢冻还要取决于搁板至制品问传热性能及均匀性。因此，可以把预冻方式大致分为以下几种：① 搁板温度快速下降，且大大低于制品温度，制品底部先冻结产生结晶，而上部分液体温度仍然较高，所以不会瞬间全部结晶，结晶会缓慢生长，这样就得到了慢冻的效果；② 搁板温度降得较慢，与制品温度相差不大，则制品整体均匀降温，并形成过冷，当达到一定过冷度时，瞬间全部结晶，得到了快冻的效果；③搁板温度降得很慢，并在低于制品共熔点的适宜温度保持(或缓慢降温)，则制品形成较小的过冷度，液体中先出现少量结晶，继续降温结晶生长，得到大结晶，这即是真正的慢冻；④ 制品浸入超低温环境(如液氮)，整体瞬间结晶，形成极细小的晶体(或处于无定形态)，这即是真正的快冻。

目前，绝大多数企业还是采用瓶冻的冻干方法的，瓶冻的受热不均匀现象非常明显。根据对瓶装制品搁板预冻过程的研究，样品初始温度越高，制品上下部分的温度梯度越大，冰晶生长速度越慢。溶液若慢速降温，则形成冰晶比较粗大，冰界面由下向上推进的速度慢，溶液中溶质迁移时间充足，溶液表面冻结层溶质积聚也就多。因而导致上表层的溶质往往较多，密度较高，而下底层密度较小，结构疏松。同时，在不同的预冻温度下冻结的样品，干燥后支架孔径有明显差异。预冻温度愈低，支架孔隙直径愈小。这种分层现象，在骨架差的制品上体现得最为明显，或者底部萎缩，或者中间断层，或者顶部突起，或者顶部脱落一层硬壳。

为了解决瓶冻分层的现象，可以将样品从室温先冷却至样品的初始冻结温度附近，停止降温过程，使样品内部温度达到平衡，消除其内的温度梯度；然后再迅速降温，由于此时样品整体温度离结晶温度较近，且样品在冻结过程中，样品温度下降较慢，故样品在冻结过程中温度梯度相对较小，冰晶生长速度必然相对较快。这样便提高了预冻速率，解决了溶质聚集在上层的问题。

（2）其他预冻方式

除了慢冻和速冻，还有一种预冻方式叫反复冻结法。反复冻结法是指以一定的升温速率把已冻结的制品从冷却终温加热到低于其共熔点的某一特定温度，并保持一段时间，然后再以一定的降温速率把制品冷却到冷却终温的过程。反复冻结能够改变冰晶形态和大小分布、强化结晶、提高非晶相冻结浓缩液的玻璃化转变温度，这些改变对后继的干燥过程和冻干药品品质有着重大的影响。能够改善制品质量，而且它能够缩短冻干时间。适合反复冻结的产品的特点：①共晶点很低(-20~-30°C)；② 粘度很大，浓度又高；③ 有时即使在-30°C以下也不能达到完全冻干或者从外观看像是冻实了，但在升华过程中往往软化，产生气泡，在制品表面形成粘稠网状结构，影像制品正常升华干燥的进行。

1.2.3 预冻的时间

预冻的时间需根据机器的情况来决定，要保证抽真空之前所有产品均已冻实。不致因抽真空而冒出瓶外，冻干腔体的每一搁板之间，每一搁板的各部分之间温差越小，则预冻的时间可以相应缩短，一般产品的温度达到预冻最低温度之后1~2h即可开始抽真空升华。

1.3

升华干燥

将冻结后的产品置于密闭的真空容器中加热，其冰晶就会升华成水蒸气逸出而使产品脱水干燥。干燥是从外表面起头逐步向内推移的，冰晶升华后残留的空隙变成升华水蒸气的逸出通道。已干燥层和冻结部分的分界面 (实际上是一薄层)称为升华界面。一般制品干燥过程中，升华界面约以1mm·h^-1的速度向内推进。当全部冰晶去除时，升华干燥就完成了，此时可除去90%左右的水分。制品中冰的升华是在升华界面进行的。升华时所需要的热量是由加热装备(通过搁板)提供，从搁板传来的热量由以下几种途径传至产品的升华界面：固体的传导、辐射、气体的对流。

1.3.1升华过程中两个关键的温度参数

制品在升华过程中有两个关键的温度参数：最低共熔点和崩解温度。最低共熔点是冻结的制品开始熔化的温度，也是溶质和溶媒共同全部结晶的温度。崩解温度是指已干燥的产品当温度达到某一数值时会失去刚性，发生类似崩溃的现象，失去了疏松多乱的性质，使干燥产品有些发粘，比重增加，颜色加深。干燥产品发生崩解之后，阻碍或影响下层冻结产品升华的水蒸气的通过，于是升华速度减慢，冻结产品吸收热量减少，由板层继续供给的热量就有多余。将会造成冻结产品温度上升，产品发生熔化发泡现象。

崩解温度与产品的种类和性质有关，因此应该合理地选择产品的保护剂，使崩解温度尽可能高一些，当产品的崩解温度高于共熔点温度时，那么升华时仅需控制产品温度低于共熔点温度就行了；当产品的崩解温度低于共熔点温度，那么按照一般的方法控制升华时就可能发生崩解现象，这样的产品只有在较低的温度下进行升华，因此必须延长冻干时间。崩解温度测定方法有冻干显微镜法和介电分析法 (DEA)，通过显微冷冻干燥试验可以清楚地观察到崩解现象，从而确定崩解温度。

1.3.2 升华时的温度控制

冻干产品的升华阶段是最关键、最容易出问题的阶段，需对温度和升温速度进行严格的控制。冻结部分的温度应低于产品共熔点的温度；产品干燥部分的温度要低于其崩解温度或容许的最高温度（不烧焦或性变）；此外，升华阶段的升温温度不能过快，温度上升过快，制品所接受到的来自搁板的能量超过其升华所需的能量，多余的能量来不及传导至升华界面而使底部融化，从而导致冻干失败。

1.3.3 升华时的真空度控制

除了温度，真空度对升华阶段也至关重要，在控制温度的同时必须提供较高的真空度才能保证升华阶段进行。然而，真空度也并不是越高越好。在升华阶段适当地掺入气体，使真空值在一定范围内波动 (约10~30Pa)。这种办法使热传递方式不再是靠热传导来主打，还增强了热对流的方式，加快了水分解析的速度。

1.3.4 升华干燥终点的判断

升华干燥结束后，在转入解析干燥之前，需对升华干燥的终点有个准确的判断。具体方法有：（1）干燥层和冻结层的交界面到达瓶底并消失；（2）产品温度上升到接近搁板的温度；（3）干燥箱的压力下降到与水汽凝结器的压力接近，且两者之间的压力差维持不变；（4）当关闭干燥箱通往水汽凝结器之间的阀门时，箱内压力上升速率与干燥箱的渗漏速率相近；（5）当在多歧管上干燥时，容器表面上的冰或水珠消失，其温度达到环境温度。一般在此基础上还要延长30min~1h的时间再转到第二步干燥，以保证没有残留的冰。

1.4

解析干燥

解析干燥也称第二阶段干燥，第一阶段干燥是将水以冰晶的形式除去的，但对于吸附水，其吸附能量高，如果不提供足够的能量，水就不可能从吸附中解析出来。因此，这一阶段产品的温度应足够地高，只要不超过允许的最高温度，不烧毁产品和不造成产品过热而变性就可。同时，为了使解吸出来的水蒸气有足够的推动力逸出产品，必须使产品内外形成较大的蒸汽压差，因此这一阶段箱体内要连接高真空。

1.5

冻干终点

冻干终点的判断是工艺优化的重要步骤，准确判断冻干的终点，不仅可以节省能源，更有利于控制产品的最终含水量，提高产品质量，冻干终点的判断主要有下以几种方法。

1.5.1 压力检测法

冻干结束前，关闭冻干箱与冷凝器之间的真空阀门，这时观察在30~ 60s内冻干箱内压力的回升情况(箱体没有泄漏 )，如果冻干箱内的压力没有明显的升高，则可以结束冻干，一般关闭1min压力上升小于1pa ，残余水分约在0.5% ~2%之间。此法适用于小冻干箱的大量样品冻干时，常用于小型实验室类冻干机。

1.5.2 温度检测法

冻干过程是一个升华的过程，而升华是要吸收能量的，在冻干的第二阶段为了加快结合水的升华，通常会提高搁板的温度 (常用 20-40 °C )，当升华结束时，样品不再吸收能量，此时样品的温度会慢慢接近搁板温度，最后趋于一致。故在配置有样品温度检测探头的冻干机可通过检测温度来判断，而配置有冻干曲线软件的冻干机更可从电脑上直接观察。

1.5.3 称重法

有些冻干机配置比较高，可以采用称重系统来检测。称重系统可以直接连续测定样品在冻干过程中的重量变化，以此直接掌握冻干各过程的水分升华情况，精确确定冻干终点，非常适合制药行业进行产品质量控制。常用于中试及工业生产型冻干机。

1.5.4 卡尔费休检测法

有些冻干机可以在线不停机的情况下取样，这样可以通过卡尔费休检测仪来检测水分，此法检测精度高，可以精确控制水分的含水量，检测速度快;缺点是操作复杂，要求设备配置较高，常用于中试及工业生产型冻干机。

撰稿人 | 蔡继兰、叶东、汪宗华药学研究

责任编辑 | 胡静

审核人 | 何发