冷凍真空干燥技術在生物制藥行業的應用

龔美龍 王俊杰 安小康

（蘭州生物制品研究所有限責任公司，甘肅蘭州 730000）

0.引言

生物制品的凍干要求保持產品的活性，活菌、活毒等微生物真空干燥后的存活率要求80%以上，以便于應用。因此，對凍干機工藝要求嚴格，預凍溫度、速度、時間的控制很不容易，保護劑配方、劑量、加入時間和加入方法非常關鍵，不同的產品可能采用不同的配方，達到的效果可能相同。一般各種保護劑的配方都是互相保密的。生物制品針對一些菌種、疫苗（包括混合疫苗），需要凍干處理才能達到保藏更長時間、效能不衰減的功效，而且在凍干菌種被使用時，只需加稀釋劑復溶即可再生，方便使用。凍干機的原理是配置好的溶液先降溫凍結成固體，然后在制品所在箱體進行抽真空，然后在真空狀態下，通過升高環境溫度，使得水分從固體直接生化成水蒸氣，從而保證制品中核心成分得到保護。在理解冷凍真空干燥環境對生物制藥的影響和作用時，前提是先需要弄清楚冷凍真空干燥技術的基本原理；尤其是需要掌握共熔點、凍干曲線界限的概念，這樣才能真正地了解冷凍真空干燥技術。

1.冷凍干燥技術的概述

冷凍干燥技術的推廣與應用不斷促進著生物制品行業的發展，真空冷凍干燥技術在一定的條件下優勝于傳統的干燥技術，具有許多優點，首先因為產品技術的升級，以及實驗研究方案的完善，都取得了一定的效果。真空冷凍技術在運用過程中的生物制品內部結構不會在低溫情況下受到破壞，大大減少了傳統干燥技術的風險，傳統干燥技術會使其形態和結構發生破壞，影響實驗的準確性等缺點。尤其突出的是，真空冷凍干燥技術在實驗的升華階段，水分子在藥品內部保持活性，不會致使水分缺失，而影響實驗效果和實驗數據。并且，真空冷凍干燥的操作環境污染較少，比普通干燥技術來說可以長時間的存放生物制品，給予生物制品最佳的存放環境。

藥材和藥品的使用需要長期保存，在避免污染雜菌侵蝕的前提下還要保持藥效的長久穩定。這些藥品要保持長久的生存環境就需要通過冷凍真空干燥技術來實現，真空冷凍干燥技術可以用于對高溫條件容易變質的物料進行干燥。其中，藥材和藥品的冷凍真空干燥工藝要求也很嚴格，尋找合適的凍干保護劑、添加劑、賦形劑都很困難，尤其是處于干燥階段的溫度控制、加熱速率控制都很關鍵，嚴格防止塌陷。冷凍真空干燥技術能夠有效地保存生命物質的生物活性，特別是對熱敏物質尤為適用，目的在于貯藏、保存和延長活性。生物制品在經過一般的冷凍真空干燥技術處理后，是符合一定的物理形態和色澤、殘余水分含量及生物活性標準的。在一般情況下，冷凍真空干燥技術下的生物制品有一定的物理形態、均勻的顏色、合格的殘余水分含量、良好的溶解性、高的存活率或效價和較長的保存期。因此，為了獲得優良的生物產品，不僅要對配制過程嚴加管控，還要對凍干后的產品進行密封保存，更要對整個冷凍真空干燥過程中的各個參數都要進行測定并加以控制，而凍干曲線和時序就是對冷凍真空干燥過程控制的基本依據[1]。

2.冷凍干燥技術的原理和特點

冷凍真空干燥技術是通過通常將含有大量水分的生物活性物質先行降溫預凍處理，在真空的條件下適當的升高溫度，使固體分子直接升華成水汽抽出，干燥處理的目的是為了使生物制品中的活性物質形成疏松多孔、體積不變的干燥物，又稱為冷凍真空干燥。凍干機組的真空系統由凍干箱、冷凝器、真空泵、真空管道和閥門所構成。真空系統必須具有嚴格的密封性能，對制品水分子升華十分重要，而真空泵則是真空系統建立真空的重要部件。凍干時使用的真空度范圍約為0.13Pa～66.66Pa，要求在30min左右達到要求的真空度[2]。

制藥行業最常用的制品容器是半壓塞式西林瓶，西林瓶經過清洗滅菌處理后送入灌封機，將液體生物制品灌入西林瓶內半壓塞后再通過自動進出料設備送入凍干擱板后對制品進行凍干處理。其次，冷凍干燥技術處理程序是由預凍，抽真空，一次干燥，解析干燥等組成。制品預凍是由擱板和制品的熱交換進行實現，凍干擱板即是冷凍器又是加熱器。制藥用凍干機擱板大部分采用間冷式傳熱。間冷式是將制冷系統的蒸發器放在凍干箱體的外面，制冷劑與冷媒（載冷劑）在蒸發器中進行熱交換，再將冷媒用循環泵通入擱板中。擱板的導熱是否均勻直接影響著制品的好壞，擱板設計的關鍵參數有以下幾點：擱板內流體流道的位置、擱板的尺寸，擱板材質等。制品的換熱是與擱板進行的，但制品水分的去除是通過捕水器來實現的，而去除水分需要低壓環境，即對箱體進行抽真空。冷凍真空干燥的凍干原理在一定意義上既是升華原理，水的冰點與壓力關系不大，但水的沸點與壓力有很大關系，當壓力降到三相點壓力時水的冰點和沸點重合，也就是說當箱體壓力低于三相點壓力時，固態冰直接轉化為氣汽態，即為升華。要實現升華，必須具備兩個條件，固態冰和低于三相點壓力，但制品在預凍狀態下即使壓力很低，水分流失依然很慢。實踐證明較高的真空度所需的成本遠遠高于加熱升溫所需的成本，所以目前藥品的采用提高加熱擱板終溫的方法來完成制品干燥。箱體是密閉的，水分流失的同時伴隨著熱量的吸收，低溫環境下熱量傳遞相對緩慢。為了維持一定的壓強必須給箱體輸入必要的升華熱，使升華過程持續進行。每個制品的預凍溫度都是不一樣的，通過對每個制品 的共晶點溫度進行研究可以得到相應制品的預凍溫度。制品在預凍程序后一直處于真空狀態，只有這樣才能保證制品水分一直可以被捕水器吸收[3]。

3.冷凍干燥技術的過程和方法

冷凍干燥技術的凍干過程分為預凍、升華干燥、解析干燥這3個階段。每一個階段都發揮著重要的作用，不同的階段在完成技術的過程中，都要掌握生物制品的特點，其控制手段也不盡相同。預凍是基礎也是冷凍干燥技術的關鍵。固定產品，使物料溫度迅速降低至其共晶點之下，為下階段的升華做好準備。預凍與溫度、時間、真空度都有密不可分的關系。升華干燥是冷凍干燥的主要過程，其目的是將物料中的冰通過升華而排出產品體外，整個過程中不允許冰出現溶化現象，因此要求在升華干燥時，一方面要將形成的水蒸氣抽走，另一方面要連續不斷地提供維持升華所需的熱量，加快干燥速度。解析干燥就是要把殘余的未凍結水分排出，可在規定的溫度范圍內適當提高溫度。當制品溫度完全達到設定的溫度時，這樣可加快升華速度，縮短干燥時間，最終得到干燥物料[4]。

3.1 預凍階段

預凍階段是冷凍真空干燥技術的首要階段，在這個技術中，預凍占著極其重要的位置，在預凍過程中，首先根據不同生物制品的特點來衡量凍結的最低溫度限度，降溫速度和降溫時間，這樣才能具體問題具體分析。因為降溫時間的過長或者過短都會浪費時間或者生物質量，而且還會降低產品的存活率。冷凍真空干燥技術極大的解決了保持生物制品分子活性結構的問題，干燥后能夠反映產品原來的結構組成，原產品的結構不受到破環。實現良好預凍效果的具體做法：實驗表明生物制品存在的的共晶點溫度，一般擱板溫度比產品的共晶點溫度低5℃～10℃。有兩種，一種是直接降到共晶點以下，采取快速冷凍是個明智的選擇，快速冷凍產生的冰晶較小，而且對細胞的影響不大。

3.2 升華階段

在第二階段升華階段中，一定要注意控制設備中的壓強以及產品的加熱溫度；一種是分階段定時間降到共晶點以下。預凍時長也應制品情況有所差異，應滿足產品對降溫速率的要求。降溫速度快、結晶細、干燥速率慢、細菌成活率高，反之則相反。速凍方式有液氮速凍等方式。設備中壓強過低雖有利于產品內冰的升華，但是產品不易獲得推動冰快速升華所需的熱量。所以升華的速度就會很慢很慢，大大延長了水分干燥的時間。一般來說，在升華階段，產品對于溫度的變化是十分敏感的，所以，為了能更好更快更精確地生產藥品，精確控制溫度是十分必要的。

抽真空是產品干燥的前提。如果不進行抽真空而直接對產品進行加熱處理，會導致箱體壓力過大，而使觀察窗爆裂。而且這種情況下是不可能升華的。前箱和冷阱之間有一定的真空壓差，保證升華的進行。倘若沒有真空壓差，自然對流下升華干燥產生的水蒸氣來不及移走，會導致產品溫度上升而發生塌陷甚至融化。

3.3 解析干燥階段

解析干燥是冷凍干燥技術的最后一個階段。在解析干燥之前，還要進行一次干燥，一次干燥是直接將凍干后的產品升華形成水蒸氣進行抽出和蒸發。干燥之后還要進行第二次解析干燥，因為在其干燥物質的毛細管壁和極性基團上還吸附著部分水分。一般占制品水分的0.5%～4%。雖然數據小，但是作用卻無可替代。為了改善產品的儲存穩定性，需要去除這些水分。解析干燥需要的時間要比一次干燥所需時間長。在解析干燥的過程中，溫度問題是關鍵，是需要給予升華所需要的熱量，保持生物制品的活性。在產品能承受的溫度范圍內盡可能的提高溫度，使產品中的結合水能獲得足夠的能量從中解析出來，排出產品體外。真空冷凍干燥技術的推廣和利用給生物制品帶來良好的生存環境，對生物制藥方面有著很高的利用價值，在生產方面一定要嚴格遵守各注意事項，嚴格把控冷凍干燥技術的試驗過程，力爭做到更加完善。

4.結論

通過本文對生物制品凍干的論述，使我們對冷凍真空干燥技術在生物制品行業的應用有了詳細的認識，生物制品的質量對于人體健康影響很大，稍微不注意保存就會造成很大的危害，因此優化凍干設備具有重大意義。冷凍干燥技術包括凍干箱內制冷、加熱擱板的溫度均勻性以及凍干箱體和捕水器內空間真空度的均勻性，還包括凍干程序的節能設計等方面。隨著生物技術的發展，凍干技術在生物制藥行業的應用越來越廣泛，生物制品與真空冷凍干燥技術息息相關。真空冷凍干燥技術為納米材料、生物、醫學等方面展開了大規模應用為，同時也為真空冷凍干燥技術開辟了廣闊的前景。隨著真空冷凍干燥技術應用領域的深入和擴展，真空冷凍干燥設備也需要不斷發展，生物制品和藥品用冷凍干燥機應提高自動化程度及運轉可靠性，進一步加強清洗消毒滅菌功能，以提高其在生物制藥方面的應用性能，增加生物制藥行業的效益水平。