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       冷凍干燥基本過程

       凍結是凍干過程起始階段。隨著制品溫度Tp (product temperature)降低，水開始形成冰核的溫度為成核溫度 Tn (nucleation temperature)。有時Tp降低到其冰點以下才開始成核。成核釋放結晶熱使Tp回升到其冰點，回升的幅度為過冷度。

       結晶體系冰晶逐漸增長殘余溶液濃縮，達到過飽和時溶質以結晶析出。體系溫度保持不變直至完全固化成為冰和溶質結晶的混合體，此時溫度即共晶溫度Teu (eutectic temperature)。無定形體系溫度下降到某一程度時，冰晶不再繼續增大殘余溶液濃縮到最大程度，溶質與剩余的水分形成粘度極大的玻璃態。此刻溫度即玻璃化轉變溫度 Tg'(glass transition temperature)。介于結晶體系和無定形體系之間是混合體系，凍結過程中某些組分結晶或部分結晶，其余的形成玻璃態，該體系存在Tg'和Teu。

       通常隔板溫度Ts(shelf temperature)降低到比Tg'或Teu低10℃以上，保持 1~2h確保制品完全固化。盡量避免液面高度超過2cm 。

       退火是將已凍結的制品回升10~20℃并維持1~4h，然后降至原凍結溫度進入保溫階段。可用冷凍干燥顯微鏡(FDM)和差示掃描量熱法(DSC)優化退火溫度和時間。退火使冰晶增大降低干燥層阻力加快升華;提高無定形體系的Tg';減少升華干燥速率的瓶間差異;促進溶質(例如賦形劑甘露醇)的完全結晶，避免在凍干過程重結晶引發破瓶或產品儲存期間重結晶影響穩定性。退火也是把雙刃劍，冰晶的增大以及組分的重結晶可能會破壞蛋白質或活細胞結構，而磷酸鹽﹑琥珀酸鹽或酒石酸鹽緩沖劑易于重結晶，可能改變制品凍干期間的pH。

制品完全凍結后，即轉入升華干燥階段，將已凍結的冰以升華方式排除。升華的推動力是制品升華界面與冷凝器的壓力差。

       凍結的結晶體系升溫超過Teu, ，凍結的無定形體系升溫超過Tg'，會導致制品結構塌陷。FDM測定塌陷溫度Tc(collapse temperature)最準確。也可以用DSC測定的Tg'或Teu作為Tc的估計值。電阻法常用于測定Teu，但不能準確測定Tg'。光學相干斷層掃描凍干顯微鏡在單瓶凍干機升華干燥過程中，從玻璃瓶外實時觀測瓶中制品塌陷現象，可更準確地確定Tc。

通過調節凍干箱壓力Pc(chamber pressure)和Ts ，間接調控制品溫度Tp。可用下面公式計算Pc (帕):

       Pc =38.67×10(0.019×Tc)

       啟動真空泵，當Pc降到預期水平而且冷凝器溫度到<-50℃，開始提高Ts為升華提供熱能。確定Ts宜采取梯度升溫，Ts每升高5℃ ，要保持30min再觀察Tp 。直到Tp穩定在低于Tc 2℃ ~5℃的水平。如果制品得到的熱量超過升華消耗的熱量，可能使Tp逐漸升高超過Tc造成塌陷。這時可將Ts再降低5℃減少供熱。Ts調整宜在升華干燥前2/3階段進行，否則為時已晚。

       升華干燥終點判斷以皮拉尼壓力比對法最可靠。其中電容式壓力計不受氣體成分影響，顯示絕對壓力。皮拉尼真空計通過被氣體分子奪取的熱量來計算壓力。升華干燥早期凍干箱主要氣體是水分，因此皮拉尼真空計顯示的壓力遠比電容式壓力計高。當升華的水分大為減少，其壓力數值明顯下降趨向于電容式壓力計數值，提示升華干燥到達終點。

       目前普遍依賴 Tp 判斷終點。當多個Tp上升趨近Ts ,提示冰已消失不再需要升華熱了。亦可用壓力升法判斷終點，具體指標要結合所用凍干機和制品批量經反復試驗確定。

       制品中的冰全部升華后即轉入解析干燥階段，來降低制品內非凍結水。結晶體系制品在升華干燥時已除去絕大部分水分，可以快速(0.3~0.4℃/min)提升Ts 到預定水平。無定形體系玻璃態包裹的水分需要擴散到玻璃體表面蒸發，擱板升溫宜緩(0.1~0.15℃/min)以免導致塌陷。最終Ts常達40℃~50℃，并保持3~6h。

       多個Tp上升趨于Ts同時冷凝器溫度降低提示解析干燥結束。亦可在解析干燥0﹑2﹑4﹑6和8h ，進行壓力升測試并取樣化驗水分，確定特定凍干機在特定批量的壓力升終點判斷指標。每次壓力升測試宜≤30s，避免Tp過度升高 。

       凍干程序的開發放大

       參考配方各組分的物理化學性質及其凍干特性，經小試確定凍干關鍵參數Teu、Tg'和Tc ，然后草擬凍干程序。要明確設定每一時段的Pc、Ts 、持續時間和降溫/升溫速率。凍干程序和配方、容器、膠塞、裝液高度、批量以及凍干機型號密切關聯，任一因素的變更都可能明顯影響凍干過程。

       監測Tp的溫度探頭常置于擱板邊緣的制品中。探頭應垂直放在玻璃瓶中心，接觸瓶底避免傾斜。制品底部的冰最遲升華，因此Tp變化可作為升華干燥終點指標。不同位置制品的熱歷程存在差異。擱板邊緣的制品受凍干箱內壁和觀察窗的輻射熱較多，比隔板中心制品降溫慢、升溫快。Ts 和Pc較低時，制品通過傳導和對流獲得熱量受限，輻射作用對邊緣制品的影響更為突出，經常出現Tp高于Ts現象。在小凍干機隔板四周放置一圈空玻璃瓶，在門內壁貼一層鋁箔可有效減弱這種邊緣效應。

       探頭本身是干擾因素，放置探頭的制品往往提前成核，冰晶大升華快，其熱力學表現和未放置探頭的制品有差異。手動放置探頭可能對無菌制品帶來污染，更不適于自動裝卸凍干機。因此，無創測溫法日益引起重視。壓力溫度測量法采集壓力升數據，用擬合的數學公式計算整體制品升華界面的溫度，已經成功用在實驗型凍干機。

       小試要模擬生產機型最差狀態測試程序強健性，避免開發出大凍干機力不能及的程序;生產放大最終確定特定凍干機的凍干程序。程序轉移的核心是調整Pc和Ts使制品的溫度—時間曲線放大前后保持相近。

       既要保障升華時邊角Tp低于Tc，同時要保障隔板中心制品有足夠長的時間完全升華。運行中任何報警都提示參數設置超出設備能力。

       在避免塌陷的前提下，使用更高的Ts和更低的Pc可縮短時程降低能耗。Tp提高1℃ 可以使升華干燥時間減少13%。對于價值低、批量大的制品，凍干程序優化的重點就是縮短升華干燥時間。而對于高附加值的制品，保證優良的制品質量更為重要，宜采用較保守設置。貴重制品轉移初期可在生產機型上進行探索試驗，樣品至少鋪滿一層隔板。按照制定的凍干程序運行后，仔細檢查每一瓶外觀是否存在塌陷、萎縮、分層等缺陷，并抽樣進行全檢確認是否符合質量標準，然后調整凍干程序。

       凍干程序放大轉移要考慮凍干機差別：不同型號的凍干機在結構和性能上有差異。邊緣效應在小試機更明顯。小試機常使用體積小響應靈敏的T型熱電偶探頭;生產機型使用耐受蒸汽滅菌的比較長的Pt100探頭，探頭上部暴露在液面之上會增加測量誤差。大型凍干機隔板多體積大，隔板中心部位壓力高于邊緣部位。生產型凍干機的監控系統往往不如實驗型凍干機精確。空載性能相近的凍干機，在滿載生產時的傳熱系數和傳質系數也可能有明顯差異。大凍干機的抽真空速率和擱板降溫/升溫速率通常低于實驗凍干機。大凍干機擱板降溫速率多<2℃/min。根據制冷量隨溫度降低而減少這一特點，分步設定大凍干機降溫速率，比較適中的擱板降溫速率是1℃/min，可以使制品均勻結冰不易發生相分離。大凍干機需要更長的平衡時間來減少瓶間差異。

       某些制品在溶液狀態易于降解，需要將灌裝的制品放在預冷的擱板上。預冷的擱板結霜會嚴重妨礙后續裝載。裝載時間越長，制品進箱時間不同而造成瓶間溫度差異越大。需要速凍的制品(>2℃/min)宜選用液氮凍干機。

       其次，凍干程序放大轉移要注意Tn的差別：成核需要溶液接觸面和內部微粒作凝結核觸發。實驗室環境塵埃多，制品的Tn通常為-5℃~-15℃。藥物生產是在潔凈環境中進行。容器經過嚴格清洗，液體經過除菌過濾，溶液中微粒大幅度減少。故實際生產中制品的Tn往往更低。這是實驗室和無菌生產的重要差別。Tn主要取決于藥液組分的性質、瓶子規格和操作環境，與溶液濃度無關。

       成核是一個難于控制的隨機過程，大型凍干機同一批制品Tn差異可達10℃，成核時間相差60min。Tn