冷冻干燥技术

 

                                                                                                                                                   本文作者 ─ 董友华

前    言

 

冷冻干燥技术最早于1813年由英国人Wollaston发明。1909年Shsckell试验用该方法对抗毒素、菌种、狂犬病毒及其它生物制品进行冻干保存，取得了较好效果。在第二次世界大战中，对血液制品的大量需求大大刺激了冷冻干燥技术的发展，从此该技术进入了工业应用阶段。此后，制冷和真空设备的飞速发展又为快速发展冷冻干燥技术提供了强有力的物质条件。进入上个世纪的八九十年代，科学技术的迅猛发展和人民群众对健康保障的需求，为生物制品和一些保健食品冷冻干燥技术的飞速发展提供了强大的市场，在制品冻干损伤和保护机理、制品冻干工艺、制品冷冻干燥机等方面取得了巨大的成绩 ......

 

冻干原理与应用

 

冷冻干燥的原理是把含有大量水分的物料预先进行降温，冻结成冰点以下的固体，再在真空条件下将冰直接变为气的升华过程，以水蒸气的形式除去物品中的水，从而得到干燥的并可保持原状产品。因为是利用升华达到除去水分的目的，所以又称作升华干燥。

要使水分直接由冰变为气而使制品干燥。在整个升华阶段，制品必须保持在冻结状态，否则就不能得到性状良好的产品。在制品预冻阶段，要严格控制预冻温度（通常比制品的共熔点低5-10℃度）。如果预冻温度不够低，则制品可能没有完全冻结，在真空升华时会膨胀起泡或崩塌溶化，若预冻温度太低或太高，既会增加不必要的能量消耗而增加成本，而且对于某些生物制品也会降低其冻干后的生物活性。当物料在干燥升华阶段，物料需要吸收热量（每克冰完全升华成水蒸气约吸收2.8kj的热量）。如果不对制品进行加热或热量不足，则水分在升华时会吸收制品本身的热量而使制品的温度降低，致使制品的蒸气压降低，也就是当液体中的气体与水蒸气的分压比相等或大于水蒸气时，则会阻碍水蒸气的传输，因为所有的液体里面都含有大量的气体，即空气，(一般在5×10－5~1×10－3/kg)于是就会引起升华速度的降低，整个干燥的时间就会延长，使生产效率下降；但如果对制品加热过多，制品的升华速率固然会提高，但在抵消了制品升华所吸收的热量之后，多余的热量会使冻结制品本身的温度上升，而使制品可能出现局部甚至全部崩塌或熔化，引起制品的干缩起泡等现象，至使整个冻干过程失败。所以冻干技术也是一门学问很深的技术。

   由于冻干制品呈多孔状、能长时间稳定贮存、并易重新复水而恢复活性，因此冷冻干燥技术广泛应用于制备固体蛋白质药物、口服速溶药物及药物包埋剂脂质体等制品。从国家制品监督管理局数据库得知，目前国内已有注射用重组人粒细胞巨噬细胞集落刺激因子、注射用重组人干扰素α2b、冻干鼠表皮生长因子、外用冻干重组人表皮生长因子、注射用重组链激酶、注射用重组人白介素-2、注射用重组人生长激素、注射用A群链球菌、冻干人凝血因子VⅢ、冻干人纤维蛋白原、胶原蛋白止血海绵、间苯三酚口服冻干片等冻干制品获准上市。截止2000年2月，美国FDA已批准的生物技术药共计已达76个。我国在这方面也有很多这方面的厂家；如厦门特宝生物工程公司的特尔立、福建天神微生物工程有限公司的胞必佳、厦门建发制药公司生产的注射用前列腺素E1和注射用阿昔洛韦等都是用冷冻干燥技术制成的制品。

 

冷冻干燥设备

   

冷冻真空干燥机简称冻干机。冻干机按系统分，由制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统四个主要部分组成；按结构分，由冷冻机、冻干箱、冷凝器、热交换器、中间介质循环泵、罗茨泵、真空泵和阀门、电器控制元件等组成。冻干箱是能抽成真空的密闭容器，箱内设有若干层搁板，搁板内置热交换用的管路。利用中间介质在循环泵的作用下进行热交换。冷凝器内装有螺旋形蒸发吸热管多组，其操作温度应低于冻干箱内的温度，工作温度可达-45~-70℃，在负压的作用下捕获来自干燥箱中制品升华的水蒸气，以保证冻干过程的连续进行。冷冻干燥具有避免物品受热分解、使产品保持原状并质地疏松、复水后迅速吸水溶解、含水量低(1%～3%)、稳定性好、有利贮存、受污染机会少、产品质量高等特点。因此，冷冻干燥在生物工程、医疗工业、食品工业及科研等方面得到了广泛的应用。下面就关于冷冻干燥的设备性能选择、配方研究以及冻干工艺等方面作一点浅析。

 

冻干机的性能选择

   

1、冻干机的容量、规格，包括搁板面积、冷凝器的捕水量、搁板尺寸、搁板间距等，都应与生产量的大小相匹配。

    2、搁板正反面都要相当平整，板温应均匀，一般板与板之间，板的每个点的温差应控制在±1℃以内，这样才能保证整批产品的质量均一。

    3、制冷效率；应能在2.5h内将冻干箱内的物品从环境温度降至所需的温度，一般在-45℃以下。否则说明制冷机制冷的能力不够。

    4、箱体的真空度，空箱测定，应在30min内达到2.5pa左右，并保证密闭不泄漏。

    5、箱体应采用优质不锈钢材料，设计应合理美观，不仅方便消毒清洗，而且要高度耐腐蚀。

    6、冻干机附属的一些装置：冻干箱内的搁板层能上下自由移动，有利于箱内消毒清洗，容易接近箱内各个部位。有限量渗气装置：用来控制往箱内渗入氮气或清洁空气，以便控制箱内的真空度，它将有利于二次干燥阶段时制品的升温，可缩短冻干周期2～3h。控制系统：最主要的是控制搁板温度，并设有记录仪记录和保存产品温度、搁板温度、冷凝器温度、箱体真空度等。自动控制与联锁报警也是不可缺少的，这样方可提高操作的可靠性，避免产品在操作或配套设施出错时蒙受损失。

    7、国内冻干机生产厂家有：上海医用分析仪器厂、上海浦东冷冻干燥设备厂、上海远东制药机械总厂、北京航空工业研究所、深圳万保真空技术有限公司、江阴市药机设备厂等，并且很多机型是由PIC或电脑控制的，通过压力控制升华速度、含水量指标好、能满足终点控制要求，操作的可靠性很好，产品质量有保障。

8、各企业应根据自身的需要选择国产或进口冻干机，不但要考虑性价比、还应考虑安装调试、维修保养、零配件供应与售后服务等诸多问题，不要盲目追求高价的进口设备来生产普通产品而加大生产成本。

 

冻干产品的配方研究

  

 对于给定某一物质时，首先应了解其结构与特点，试验测定出其共晶点温度，然后根据共晶点温度判断是否需要加入添加剂(包括赋形剂、稳定剂等)，若需加入添加剂，应根据添加剂的性质来考虑加入何种物质和加入量。冻干后，进行外观、水分及各项物理指标的测定，逐渐修正工艺配方并进行重复试验，直至各项指标相似或相同为止。

 

冷冻干燥工艺

 

    1、产品预冻：预冻必须在升华干燥前把所有产品冻实。考虑到冻干产品的质量和冻干的经济性，预冻温度低于共晶点10℃左右即可，预冻时间一般在2h～4h之间，制品的厚度一般小于15mm为宜，固体物含量在4%～25%。产品冻干后的外观与预冻的速率有关。慢冻后晶格较大，冰晶呈六角对称型，而速冻则呈树枝不规则型状或呈球型，间隙小，升华时的阻力大。另外Ph值也对冻干的速度有一定的影响。

    2、升华干燥：即第一阶段升华干燥前应在30min内使冷凝器温度达到-40℃以下(一般在-50℃最为经济)。抽真空前打开冷凝器与罗茨泵之间的碟阀开始抽真空，两分钟后再将冻干箱与冷凝器之间的蝶阀打开，待冻干箱内真空度达到10pa左右转入加热升华干燥。真空度太低会影响升华速率，视真空度来决定罗茨泵的启动与否，一般可控制在10～15pa。需要时开启中间介质加热器与间歇启停循环泵，使中间介质在搁板内循环加热，注意控制好搁板温度。些时所需的热量只要稍大于制品在升华过程中所吸收的热量即可，太多的热量会导致制品本身的温度上升太快，而使制品可能出现局部甚至全部崩塌或熔化，引起制品的干缩起泡等现象，至使整个冻干过程失败。这一阶段要注意制品的温度必须低于制品共晶点温度并确保产品是在冻实的状态，产品在升华干燥过程中的温度必须低于其崩解温度。此过程大约需占整个过程的70%以上。当全部冰晶排除后，第一阶段干燥就完成了，此时可除去全部水分的90%以上。第一阶段的干燥与否可在观察窗内看到物品升华交界面逐步向下到容器底部并消失。此时冷凝器温度也基本回复至升华前的状态，通过观察记录仪上的曲线可看到制品温度的曲线与搁板温度的曲线已重合，冻干箱内的压力也下降至接近冷凝器内的压力了。

   3、解析干燥：即第二阶段干燥，该阶段的干燥温度可足够的高，只要不造成产品过热而变性即可。所有制品温度可以加热到最高温度，每层挌板的温度达到基本一致，继续保温干燥一段时间，干燥过程即可结束。第二阶段干燥的时间，视产品种类与所允许的残余水分的含量而定，如无特殊要求，一般控制在1%～5%之间即可。测定冻干物料干燥程度的经验方法：在接近冻干过程前，关闭冻干箱与冷凝器之间的碟阀并停止抽气，这时观察在30s～60s内，冻干箱内压力的回升情况(箱体不可有泄漏)，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<1pa，残余水分约在1%～2%之间。

   4冻干曲线：根据冻干产品的不同性质、冻干机的不同性能，制订出相适应的冻干曲线，它不仅是手工操作冻干机的依据，也是全自动控制冻干机设定各项参数的依据。冻干曲线就是冻干箱内搁板温度与时间之间的关系曲线。一般以温度为纵座标，时间为横座标，还可以加上产品温度、冷凝器温度、真空度等曲线。如何在最短的时间内冻干出合格的产品？这是要经过长期而细心的经验总结与大量的试验才能做到的，还须据备热力学、压力与真空、分子化学、生物学、电气与制冷、机械等多方面的知识。