预冻是冷冻干燥的第一步，在预冻结过程中，预冻速率、预冻温度和预冻时间是影响后面过程的主要因素。
一般来说，冻结速度的快慢对冻品和产品有一定的影响，相对比较而言，冻结速度快，则晶核多，晶型小，冻品结构均一，升华速度快，产品的外观细腻，易于保持原有的结构，且复水性好;冻结速度慢，则晶核少，晶型大，冻品结构的均一性差，升华速度快，但冻干后产品的外观较粗糙，表面常有一层薄膜或硬壳，同时，由于机械效应和溶质效应，生物药原有结构易受破坏，而且复水性差。冻结速度对冻干过程的影响比较复杂，需由试验来优化一个合适的冻结速度，并以此来选择冷冻的方法和冷冻的工艺参数。
预冻温度必须低于制品的共晶点温度，根据预冻的方法不同而略有差异，一般来说，搁板温度应低于蛋白制品共晶点5～10℃。各种生物制品的共晶点温度是不同的，同一生物制品而不同浓度的制品的共晶点温度也会有所不同。需要进行严格的测试才能得到。
预冻所需的时间要根据不同的具体条件来确定。总的原则是，应使制品的各部分完全冻牢。通常冻干箱的搁板从室温25℃降到-40℃约2-3小时。在达到预冻温度后再保持1～2小时，确保整箱全部制品完全冻结。预冻时间仅是个经验值，根据冻干机不同，总装量不同，物品与搁板之间接触不同，预冻的时间会有差异。具体预冻时间可由实验测得。
预冻在冷冻干燥中起着至关重要的作用，因为它决定了冰晶的形态和晶粒尺寸分布，成核是冻干循环，冷冻过程中最重要的阶段（见图1：成核机制）。
图1 成核机制
一般来说，自然成核是随机的，其持续时间很长（30分钟）。介入成核可以控制这个过程并且选择在最佳的条件下完成此过程，介入成核（瞬时预冻）是目前预冻阶段最新以及最前沿的技术。通过此种方法，可以大大提高批次和批间产品的均一性、缩短一次干燥时间、缩短产品重建时间等。通过介入成核，可以做出大晶体，从而使得一次干燥升华速度更快。一次干燥时间更短。另外通过介入成核，使得同一批次产品晶体大小更加均一（一次干燥的冻干终点，是等同一批次产品，最后一瓶样品的自由水升华完成，方可判断一次干燥的终点)从而使得一次干燥终点更加提前（见图2自然成核与介入成核的比较）。
图2 自然成核与介入成核的比较
预冻工艺常见造成的问题①产品脱落断裂，掉粉②产品放置一段时间后功效下降③产品特性，容易在表面形成玻璃态，内部出现了塌陷现象，水分不容易出来④液面较高，冻干周期较长⑤包材热传递系数低，导致穿透共晶区间时间较长。在确认配方没有问题的情况下，就需要从冻干工艺曲线来调整了，调整工艺曲线最重要的一部分就是：退火。
退火是在预冻过程中，最常用的操作方法。通过退火操作，能让晶体比例增加使得一次干燥阶段的产品温度可以提高，升华速度提高一次干燥时长缩短；能提高产品的塌陷温度；同一批次物料，晶体大小更加均匀。批间差异更小；破瓶现象将会减轻；在某些情况下，防止“结壳”形成，由于“重新溶解”高粘性的间质浓缩基质（图3 未退火蛋白冻干Cake与退火蛋白冻干Cake微观电镜比较）。但是退火会让预冻阶段的时长会延长。
图3 未退火蛋白冻干Cake与退火蛋白冻干Cake微观电镜比较
另外预冻会对细胞和生命产生一定的破坏作用，其机理是非常复杂的，一般认为，预冻过程中水结冰所产生的机械效应和溶质效应是引起生化药品在冻干过程中失活或变性的重要因素。
机械效应是细胞内外冰晶生长而产生的机械应力引起的，特别是对有细胞膜这样的生命体影响较大，一般冰晶越大，细胞膜越易破裂，从而造成细胞的死亡，冰晶小，细胞膜的损伤小。冰晶的大小也影响干燥速率和干燥后产品的溶解速度和产品质量。大的冰晶利于升华，小的冰晶不利于升华；大的冰晶溶解慢，小的冰晶溶解快；冰晶越小干燥后越能反映产品的原来结构。
冷冻过程中冰晶的数量和大小受成核速率和晶体生长速率的影响。在0℃时晶体的生长速率增加，而成核速率很低，因此在 0℃保持一段的时间将产生数量少而尺寸大的晶体，在低于0℃以下的温度冻结时将得到数量多而尺寸小的晶体。
通常我们的制剂有多种物质组成，制剂中的水会先开始结晶，冰晶的生长使得溶质逐步析出造成溶液的浓缩，即电解质的浓缩，而蛋白质对电解质的浓度是很敏感的，电解质浓度的增加会引起蛋白质的变性，而生命体是由蛋白质组成的，蛋白质的变性会引起生命体的死亡，电解质浓度增加也会引起细胞脱水而死亡。这种溶质效应在某一温度范围明显，这个范围在水的冰点和该液体的固化温度之间，如果能以较高的降温速率越过这一温度范围，则溶质效应产生的影响就能减小。
对于机械效应或溶质效应产现象可采用下列措施解决：①预冻采用速冻法，先将搁板温度降至－45 ℃，再放入细胞产品急速冷冻，形成细微冰晶，使其来不及产生机械效应。②选用缓冲剂时要选用溶解度相当的缓冲配对盐。③加入产品保护剂。
综上所述预冻是整个冻干工艺过程中，最重要的步骤。也是产生问题最多，最难控制的阶段。对批次、批间产品的均一性有很大影响。若预冻没有冻好，产品冻结不实，在进入第一阶段升华干燥时，产品可能出现“沸腾”现象而引起喷瓶，或冻干后制品表面凹凸不平，影响外观；如果冷的过低，则不仅浪费了能源和时间。而且因为机械效应和溶质效应作用对某些细胞产品还会降低存活率问题。
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