冷冻干燥概念

      

1、冷冻干燥(以下简称冻干)是一个稳定化的物质干燥过程。是将含水的物质，先冻结成固态，而后使其中的水分从固态直接升华变成气态排除，以除去水分而保存物质的方法。
 

　　2、溶液状态的产品经冷冻处理后，先后经过升华和解吸作用，使产品中的溶剂减少到一定程度，从而阻止微生物的生成或溶质与溶剂间的化学反应，使产品得以长时间保存并保持原有的性质。
 

　　3、真空冷冻干燥法是液态→固态→气态的过程。在冻干过程中，溶质颗粒之间的“液态桥"已被冻成“固态桥"，两颗粒间的相对位置已经被固定下来，并且两颗粒之间不存在气液界面的表面张力。随着溶剂的不断升华，“固桥"不断减少，但两颗粒之间的相对位置已不再发生变化，直至“固态桥"*消失。
 

　　冻干的优点 (和通常的干燥方法如晒干、烘干、煮干、喷雾干燥及真空干燥相比)
 

　　1、它是在低温下干燥，不使蛋白质产生变性，使微生物之类失去生物活力。
 

　　2、由于是低温干燥，使物质中的挥发性成分和受热变性的营养成分和芳香成分损失很小 。
 

　　3、在低温干燥过程中，微生物的生长和酶的作用几乎无法进行，能*好 地保持物质原来的性状。
 

　　4、干燥后体积、形状基本不变，复水性好。
 

　　5、因一般系真空下干燥，氧气极少，使易氧化的物质得到了保护。
 

　　6、能除去物质中 95-99.5% 的水分 , 制品的保存期长。
 

　　冻干技术的运用
 

　　1、生物制品、药品方面：如抗菌素、抗毒素、诊断用品和疫苗的保存。
 

　　2、微生物和藻类方面：如各种细菌、酵母、酵素、原生动物、微细藻类等的长期保存等。
 

　　3、生物标本、生物组织方面：如制作各种动植物标本，干燥保存用于动物异种或同种移植的皮肤、角膜、骨骼、主动脉、心瓣膜等边缘组织。
 

　　4、制作用于光学显微镜、电子扫描和透射显微镜的小组织片。
 

　　5、食品的干燥方面：如咖啡、茶叶、肉鱼蛋类、海藻、水果、蔬菜、调料、豆腐、方便食品等。
 

　　6、营养品及中草药方面：如蜂王浆、蜂蜜、花粉、中草药制剂等。
 

　　7、超细微粉的制备方面：如制取Al2O3、ZrO2、TiO2、Ba2Cu3O7～8、Ba2Ti9O20等超细微粉。
 

　　8、其他方面：如化工中的催化剂，冻干后可提高催化效率5～20倍；将植物叶子、土壤冻干保存，用以研究土壤、肥料、气候对植物生长的影响及生长因子的作用；潮湿的木制文物、淹坏的书籍稿件等用冻干法干燥，能大限度地保持原状等。
 

　　水和溶液的性质
 

　　物质有固、液、汽三态。物质的状态与其温度和压力有关。如图所示，水 (H2O )的状态平衡图。图中 OA 、 OB 、 OC 三条曲线分别表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽两相共存时其压力和温度之间的关系。分别称为溶化线、沸腾线、升华线。此三条曲线将图面分成 I 、 II 、 III 三个区域，分别称为固相区、液相区和气相区。箭头 1 、 2 、 3 分别表示冰溶化成水，水汽化成水蒸汽和冰升华成水蒸汽的过程。曲线 OB 的顶端有一点 K ，其温度为 374 ℃ ，称为临界点。若水蒸汽的温度高于其临界温度 374 ℃ 时，无论怎样加大压力，水蒸汽也不能变成水。三曲线的交点 O，为固、液、 汽三相共存的状态，称为三相点，其温度为 0.01 ℃ ，压力为 610Pa 。在三相点以下，不存在液相。若将冰面的压力保持低于 610Pa ，且给冰加热，冰就会不经液相直接变成气相，这一过程称为升华。
 

　　溶液的冷冻干燥过程
 

　　冻干溶液一般都是配置成含固体物质4%-15%的稀溶液。
 

　　溶液里水的组成：
 

　　1、大部分水是以水分子的形式存在于溶液中的自由水。
 

　　2、少部分是吸附于固体物质晶格间隙中或以氢键方式结合在一些极性基因团上的结合水。
 

　　3、固定于生物体和细胞中的水，大部分也是可以冻结和升华的自由水。也含有一些不能冻结、很难去除的结合水。
 

　　冻干的目的就是在低温、真空环境中除去物质中的自由水和一部分吸附于固体晶格间隙中的结合水。冻干过程分为以下几个步骤：
 

　　预冻结
 

　　预冻是将溶液中的自由水固化，赋予产品干燥后与干燥前有相同的形态，防止抽空干燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不可逆变化发生。
 

　　溶液在冻结过程中，需过冷到冰点以下，其内部产生晶核以后，自由水才开始以纯和冰的形式结晶，同时放出结晶热，使其温度上升到冰点，随着晶体的生长，溶液浓度增加，当浓度到达共晶浓度，温度下降到共晶点以下时，溶液就全部冻结。
 

　　冷却速度愈快，过冷温度越低，所形成的晶核数量越多，晶体来不及生长就被冻结，形成的晶粒数量越多，晶粒也细。冷却速度慢，形成的晶粒数量越少，晶粒也粗大。冻干制品升华前，必须冻结到一定的温度，这个温度应设在制品的共溶点以下10至20℃左右，如不经过预冻直接抽真空，当压力降到一定程度时，液体就会被抽去。这种情况也叫蒸发，这种蒸汽叫做不饱和蒸汽，如果制品冻结不实而抽真空，液体中的气体迅速逸出而引起“沸腾"的现象。制品如在“沸腾"中冻结，有部分可能逸出瓶外，引起药物损失或使制品表面凹凸不平。由此可见，共溶点的温度是保证产品正常干燥的安全的温度，只能比它低，不能高于共溶点温度。
 

　　升华干燥(一次干燥)
 

　　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。干燥是从外表面开始逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的空隙变成而后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。在生物制品干燥中，升华界面约以1mm/h的速度向内推进。当全部冰晶去除时，升华干燥就完成了，此时可除去水分90%左右。制品中冰的升华是在升华界面处进行的。升华时所需要的热量是由加热设备(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。
 

　　设备升华时受以下几个温度限制：
 

　　产品冻结部分的温度应低于产品共溶点的温度。
 

　　产品干燥部分的温度要低于其崩解温度或容许的*高温度(不烧焦或性变)。
 

　　*高搁板温度。
 

　　解析干燥(二次干燥)
 

　　阶段干燥是将水以冰晶的形式除去的，因此冻干层的温度和升华界面的压力都必须控制在产品共溶点(或崩解温度)以下，才不致使冰晶溶化。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*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保持高真空。第二阶段干燥后，产品残余水分的含量一般可以控制在0.5%-4% 之间。
 

　　冻干过程的几个关键概念
 

　　共晶温度
 

　　几种物质组成的混合溶液，在冻结过程中，开始时某些组分结晶析出， 使剩下的溶液浓度发生变化。当达到某一温度或温度区域时，其液态和所形成的固态中的组分*相同，这时的溶液称为共晶溶液，这时的
 

　　温度或温度区间称为该溶液的共晶点或共晶区，也称为*固化温度，它是产品在冷却过程中从液态结束转向固态的*高温度。共晶温度为冻干过程中预冻应达到的*高温度，一般预冻过程应低于其共晶温度10-20℃。
 

　　共溶温度
 

　　固态混合溶液在升温融化过程中，当达到某一温度时，固体中开始出现液态此温度称为溶液的共溶点，或称开始溶化温度。它是产品升温过程中从固态开始出现液态的低温度。在一次干燥中物料冻结层温度一定要低于共溶点。
 

　　共晶点的测定有电阻测定法、热差分析测定、低温显微镜直接观察、数字公式计算测定。 溶液冻结过程中，由于离子的漂移率随温度的下降而逐步降低，电阻增大，只要有液体存在，电流就可流动，一旦全部冻结，带电离子不能移动，电阻会忽然增大，根据这个原理，测出溶液的共晶点。
 

　　塌陷温度：
 

　　冻干时物料中的冰晶消失，原先为冰晶所占据的空间成为空穴，因此冻干层呈多孔蜂窝状海绵体结构。此结构与温度有关。当蜂窝状结构体的固体基质温度较高时，其刚性降低。当温度达到某一临界值时，固体基质的刚性不足以维持蜂窝状结构，空穴的固形物基质壁将发生塌陷，原先蒸汽扩散的通道被封闭，此临界温度称为冻干物料的崩溃温度或塌陷温度。
 

　　玻璃化转变温度：
 

　　当温度降低时，液态转变为固态，有两种不同状态-晶态和非晶态。在非晶态固体材料中，原子、离子或分子的排列是无规则的。因为人们已习惯将融化物质在冷却过程中不发生结晶的无机物质称为玻璃，所以后来逐见地将其他非晶态均称为玻璃态。由于在药品冻干中要求更加严格，希望药品在冻干过程中处于玻璃化温度以下。但这里玻璃化转变温度不是指*的玻璃化，因为*的玻璃化是指整个样品都形成了玻璃态，实现*玻璃化要求*的降温速率，几乎是不可能的。冻干过程的玻璃化温度指大冻结浓缩液的玻璃化转变温度。因为在冻结过程中随着冰晶的析出，剩余溶液的浓度逐渐增加，当达到一定浓度时，剩余的水分不再结晶，此时的溶液达到大冻结浓缩状态，对应的温度称为大冻结浓缩液的玻璃化转变温度
 

　　冻干的三个关键要素
 

　　1、处方
 

　　确定处方是关键的步骤。
 

　　溶液的组成关系到冷冻、升华等步骤的实施。
 

　　处方包括：
 

　　活性成分；赋形剂；工艺用水。
 

　　2、重要的热力学性能:(冻干工艺曲线)
 

　　过冷的程度；结晶的程度；崩解温度或共晶温度；亚稳状态间隙物
 

　　质的相变化；溶液的结晶热；间隙物质的熔化温度。
 

　　3、好的冻干机
 

　　满足GMP要求；性能；能量随意调节；重演性强。
 

　　冻干曲线的制定
 

　　冻干曲线是表示冻干过程中产品的温度、压力随时间而变化的曲线。冻干曲线的形状与产品的性能、装量的多少、分装容器的种类、设备条件等许多因素有关。制定冻干曲线，主要确定以下参数：
 

　　a、预冻速率
 

　　预冻速率的快慢，对产品中晶粒的大小、活菌的存活率和升华速率有直接影响。慢冻晶粒大，产品外观粗糙，不易损伤活菌，但升华速率快。速冻晶粒小，产品外观细腻，升华速率慢。
 

　　b、预冻温度
 

　　制品温度应低于其共溶点5-10℃。
 

　　c、预冻时间
 

　　预冻所需时间要根据不同的具体条件而定，总的原则是应使产品各部分*冻牢。在制品温度降到预定的低温度后，还需在此温度下保持1-2h，才能进行升华。
 

　　d、冷凝器降温时间和温度
 

　　冷凝器温度的高低，应根据制品升华的温度而定。升华温度低，相应要求冷凝器的温度也低。升华的*佳速率是在产品升华温度的饱和蒸汽压力的二分之一左右。过低的压力不仅不能加快升华，相反还会向产品的供热性能差，降低升华速率。
 

　　e、升华速率和干燥时间
 

　　升华速率主要由给搁板的供热能力和冷凝器的捕水能力而定。只要干燥箱内的压力维持在允许的*高压力下，升温速率就可提高。一次干燥时，可粗略的以每小时干燥制品厚度1mm计。可以根据下列现象来判断：
 

　　1、干燥层和冻结层的交界面达到瓶底并消失。
 

　　2、产品温度上升到接近导热油的温度。
 

　　3、干燥箱内压力下降到冷凝器的压力，两者接近且压力维持不变。
 

　　4、关闭中隔阀，箱内压力上升速率与干箱的泄漏率接近。
 

　　上述现象发生后，再延长0.5-1h，一次干燥结束。
 

　　二次干燥时，产品的温度可提高到允许的*高温度以下，使结合水和吸附于
 

　　干燥层中的水获得足够的能量，从分子吸附中解析出来。二次干燥的时间为
 

　　一 次干燥时间的0.35-0.5倍。
 

　　要不断去优化冻干工艺曲线：一个好的冻干工艺应是个性化的，具有产品质量稳定、时间短、能耗低的特征。在冻干工艺研究中，应用化学、分子学的观点去观察问题，用机械、电子、计算机的方法去控制问题。
 

　　几种冻结升华方法
 

　　制品冻结方法(低温快冻/低温慢冻)
 

　　低温快冻(10~15℃/分)对于保证质量有利，形成的微结晶，得到的制品外观好，溶解速度也快，但形成微结晶则不利于加快冻干速度。
 

　　低温慢冻(1℃/分)形成粗结晶，对提高冻干效率有利，但是慢冻一般制品质量，特别是含活性的酶类或活菌活病毒等的存活率极为不利。
 

　　对于合成药物，快冻和慢冻的要求不是严格的，此两种方法均可。
 

　　一次升华法：一般适用制品的共溶点要在-10～-20℃左右，以及结构单一，粘度、浓度均不高，装置在10mm厚度或15mm厚度。只要将制品的温度降低到其共融点以下-10℃～-21℃即可加热升华，在加热升华过程中需控制好升温的速度，可保证制品干燥成功。
 

　　反复预冻升华法：某些共溶点较低的制品，即使很低的温度下也不能达到*冻结。外观看好象已经冻结*，但在升华过程中，往往冻块软化，产生气泡，并在制品表面形成粘稠状网状结构，影响升华干燥的进行，如蜂蜜、蜂皇浆等其物质结构比较复杂，又粘稠的制品往往不易冻结，在升华中出现上述情况。可采用反复预冻方法来解决。应用此种方法，可提高冻干效率，也改善了制品的质量，缩短冻干周期。
 

　　分格冻结升华法：在冻干中如用大盘子装制品，而且厚度较厚或浓度过高等，在升华时，底面的水蒸汽无法利用逸出，使全部冻块变形而脱开盘底，可将装制品的盘子进行分格，同时提高热传导效率。
 

　　冻干制品不合格现象
 

　　1、产品抽空时有喷发现象：这是由于产品还没有冻实时就抽真空的缘故，预冻温度还没有低于共晶点温度，或者已低于共晶点温度，但时间还不够，产品的冻结还未完成。解决方法是降低预冻温度和延长预冻时间。
 

　　2、产品有干缩和鼓泡现象：这是由于在升华干燥过程中出现了局部熔化，由液体蒸发为汽体，造成体积缩小，或者干燥产品溶入液体之中，造成体积缩小，严重的熔化会产生鼓泡现象，原因是加热太高或局部真空不良使产品温度超过了共晶点或崩解点温度。解决方法是降低加热温度和提高冻干箱的真空度，应控制产品温度，使它低于共晶点或崩解点温度5℃。
 

　　3、无固定形状：这是由于产品中的干物质太少，产品浓度太低，没有形成骨架，甚至已干燥的产品被升华汽流带到容器的外边。解决方法是增加产品浓度或添加赋形剂。
 

　　4、产品未干完：产品中还有冻结冰存在时就结束冻干，出箱后冻结部分熔化成液体，少量的液体被干燥产品吸走，形成一个“空缺"，液体量大时，干燥产品全部溶解到液体之中，成为浓缩的液体。这种产品出箱时若触摸容器的底部，有冰凉的感觉，即使看起来产品良好，但残水含量也不会合格。解决方法是增加热量供应，提高板层温度或采用真空调节，也可能是干燥时间不够，需要延长升华干燥或解吸干燥的时间。
 

　　5、产品颜色不均匀：产品有结晶花纹，这是由于冷冻速率缓慢引起的，解决方法是提高冷冻速率，不在0℃左在的温度停留，使产品冻结成较小的晶体。有时产品中能看到一圈颜色较深的分层线，这往往是升华中短时间真空不良造成的，短暂停电会产生这种
 

　　6、产品上层好，下层不好：升华阶段尚未结束，提前进入解吸阶段，这等于提前升高板层温度，结果下层产品受热过多而熔化，解决方法是延长升华阶段的时间；有些产品由于装载厚度太大，或干燥产品的阻力太大，当产品干燥到下层时，升华阻力增加，局部真空变坏也会引起下层产品的熔化。解决方法是降低板层温度和提高冻干箱的真空度。
 

　　7、产品上层不好，下层好：冷冻时产品表面形成不透气的玻璃样结构，但未做回热处理，升华开始不久产品升温，部分产品发生熔化收缩，产品的收缩使表层破裂，因此下层的升华能正常进行。解决方法是预冻时做回热处理
 

　　8、产品水分不合格：解吸阶段的时间不够，或者解吸干燥时没有采用真空调节，或用了真空调节，但产品到达*高许可温度后未恢复高真空。解决方法是延长解吸干燥的时间，使用真空调节并在产品到达*高许可温度后恢复高真空。
 

　　9、产品溶解性差：产品干燥过程中有蒸发现象发生，产品发生局部浓缩，例如产品内部有夹心的硬块，它是在升华中发生熔化，产生蒸发干燥，产品浓缩造成的。解决方法是适当降低板层温度，提高冻干箱的真空度，或延长升华干燥的时间。
 

　　10、产品失真空：真空压塞时，瓶内真空良好，但贮存后不久即失真空，可能是瓶塞不配套或铝帽压得太松，漏气而失真空，解决方法是更换瓶塞或调整压铝帽的松紧度；也可能是产品含水量太高，由水蒸汽压力引起的失真空，解决方法是延长解吸阶段的时间。另外还有一个与冻干曲线无关而影响产品的质量问题，由于冻干箱内渗漏硅油或液压油。