基于生物原液的可控冻融装置及其应用特性

2020-02-03郭全举刘超

化工与医药工程 2020年6期

郭全举，刘超

（1.上海东富龙科技股份有限公司，上海 201108；2.上海现代制药装备系统工程技术研究中心，上海 201108）

在生物制药行业，可控冻融技术在单抗、疫苗、血液制品、细胞因子、益生菌等液态生物原液冷冻存储中具有较好的应用前景。该技术集成了冷冻技术和解冻技术，通过可编程控制[1]的方式，冷冻储存时，可以实现液态生物原液由液态快速转化成固态，再次使用时，可以快速从固态解冻为液态。

传统的液态生物原液冷冻存储方式主要采用低温冰箱进行冷冻贮存[2]，局部温差较大、温度不可控、低温浓缩严重、效率低等问题较为突出。同时，解冻采用自然空气室温进行解冻或采用循环水浴或油浴进行解冻，仍然存在效率低下、微生物污染、渗漏等问题。传统低效率的冻融[3-4]方式已无法满足现代生物制药企业生产要求。

可控冻融技术不仅可以实现温度的有效控制，而且可以在较短时间内完成生物原液的冷冻和解冻操作，是一种可控的、强大的（冷冻与解冻一体化）、高效的技术手段。可控冻融主要是通过直接接触式、间接接触式两种方式实现。直接接触式可控冻融是将换热介质（液氮、合成硅油、乙二醇等）直接喷洒在装有生物原液的冻融储液袋表面的方式，以达到快速降温和快速升温，实现冷冻和解冻，这种方式一方面温度很难控制，另一方面存在较大的交叉污染、渗漏风险；间接接触式可控冻融是通过换热介质（合成硅油）流经换热面将热量或冷量直接带走，从而在较短时间内完成生物原液快速冷冻和解冻。基于生物原液对热敏感的特性，本文给出了两种易于实现商业化、大规模生产的可控冻融装置——盘管式可控冻融装置和平板式可控冻融装置，并分析了其基本结构、工作原理、主要特点。

1 盘管式可控冻融装置

盘管式可控冻融装置的基本结构如图1所示。由图1可见，盘管式可控冻融装置是由三个基本单元组成：冷冻制冷单元、换热介质循环单元、料液循环单元、加料排放单元。制冷单元是由压缩机、辅冷器、节流阀、换热器1组成；换热介质循环单元是由冻融罐、循环泵、加热器、换热器2组成；料液循环单元是由循环蠕动泵、循环阀组成；加料排放单元是由料液加料阀、料液排放阀组成。

盘管式可控冻融装置按照工作模式分为两种：冷冻模式和解冻模式。冷冻模式，打开加料阀，料液通过蠕动泵泵送至冻融罐内，压缩机工作，循环泵工作，从压缩机出来的高温高压的液态制冷剂通过节流阀，成为低温低压的液体，然后通过换热器1，制冷剂蒸发吸热，换热器1温度降低；循环泵将较高温度的换热介质循环至换热器1，通过与制冷剂换热，换热介质温度降低，通过循环至换热器2并与外表面的料液进行热交换使料液中的水降温，换热器1不断将冷量传递给循环单元中的换热介质，使其不断降温，循环单元中的低温换热介质将冷量通过换热器2不断将冷量传递给料液使其降温，温度达到冰点，结冰由外到内，结冰后继续降温，以此循环，料液结冰，全部冷冻，直至温度到达设定温度，运行结束，压缩机停机，循环泵停机。在解冻模式，冻融罐内部为冷冻完成后的固态料液，此时压缩机不工作，循环泵工作，加热器工作，换热介质通过加热器，温度升高，通过循环泵循环至换热器2并与外表面的固态料液进行热交换使其升温，固态料液开始融化，由外及内，靠近最外侧先融化，直至全部融化，当冻融罐内部的固态料液全部融化为液态并且达到设定温度时，加热器停止工作，循环泵停机。

图1 盘管式可控冻融装置Fig.1 Coil-tube type controllable freeze-thaw device

盘管式可控冻融装置使用时，换热器2外表面必须跟料液直接接触，除以上三个基本单元，还应配置清洗单元和灭菌单元，满足验证需求。盘管式可控冻融装置占地面积小、容量大、操作简单，但由于实际生产使用过程中需要清洗和灭菌验证，适合50 L以上甚至更大规模的液态生物原液冻融处理。装置的生产效率受换热器2的使用面积、降温速率等影响，需要根据液态生物原液的特性和冻融要求进行工艺优化。除此之外，通过在冷冻和解冻阶段增加料液循环，可以加速冷冻和解冻过程，保证换热过程更加均匀。

2 平板式可控冻融装置

平板式可控冻融装置的基本结构如图2所示。由图2可见，平板式可控冻融装置是由两个基本单元组成：冷冻制冷单元、换热介质循环单元。制冷单元是由压缩机、辅冷器、节流阀、换热器1组成；换热介质循环单元是由冻融箱、循环泵、加热器、换热器2组成。

图2 平板式可控冻融装置Fig.2 Plate type controllable freeze-thaw device

平板式可控冻融装置按照工作模式同样也分为两种：冷冻模式和解冻模式。在冷冻模式，将灌装完成后的2D 冻融储液袋与换热器2（平板式换热板，可开合）充分接触，压缩机工作，循环泵工作，从压缩机出来的高温高压的液态制冷剂通过节流阀，成为低温低压的液体，然后通过换热器1，制冷剂蒸发吸热，换热器1温度降低；循环泵将较高温度的换热介质循环至换热器1，通过与制冷剂换热，换热介质温度降低，通过循环至换热器2并与外表面的料液进行热交换使料液中的水降温，换热器1不断将冷量传递给循环单元中的换热介质，使其不断降温，循环单元中的低温换热介质将冷量通过换热器2表面不断将冷量传递给料液使其降温，温度达到冰点，结冰由外到内，结冰后继续降温，以此循环，料液结冰，全部冷冻，直至温度到达设定温度，运行结束，压缩机停机，循环泵停机。在解冻模式，冻融箱内部平板上放置冷冻完成后的固态料液，使平板与2D 冻融储液袋充分接触，此时压缩机不工作，循环泵工作，加热器工作，换热介质通过加热器，温度升高，通过循环泵循环至换热器2并与外表面的固态料液进行热交换使其升温，固态料液开始融化，由外及内，靠近最外侧先融化，直至全部融化，当冻融箱内部的固态料液全部融化为液态时，加热器停止工作，循环泵停机。

平板式可控冻融装置使用时，换热器2外表面必须跟料液紧密接触，在平整度保证的前提下，才能确保高效换热，平板式换热板加工要求较高。平板式可控冻融装置占地面积小、容量大、操作简单、清洁方便，同时不存在清洗、灭菌验证的问题，适合中、大规模的液态生物原液冻融处理。装置的生产效率受换热器2的使用面积、平整度、温度均匀性、降温速率等影响，需要根据液态生物原液的特性和冻融要求进行工艺优化。

3 典型运行参数

（1）待处理液态生物原液的温度

一般液态生物原液静止放置在冻融罐或冻融箱内，冷冻前的温度约为5℃左右，随着生物原液温度的降低，其冰点也会随之下降，冰点温度一般在-5～-1℃之间，即待处理的液态生物原液温度一般在-5～-1℃之间。由于冷冻过程属于渐进式的过程，最外侧先到达冰点，先结冰，温度降低最快，最内侧（冷冻界面）液-固界面的温度最高。

（2）冷冻温度

冷冻温度即液态生物原液最终需要达到的终点温度（冷冻贮存温度）。冷冻温度是由液态生物原液的特性决定的，决定其生物活性或效价，属于最佳保存温度。一般液态生物原液冷冻保存温度包括以下几种：3～8℃、-30～-20℃、-50～-40℃、-80℃。常见的疫苗类生物原液对温度不敏感，可以在较高温度下保存；单抗类生物原液对温度较为敏感，需要在较低温度下储存。

（3）解冻温度

解冻温度即冷冻储存的固态生物原液完全融化成液态，最终需要达到的终点温度。解冻温度同样也是由液态生物原液的特性决定的，决定其生物活性或效价，属于最佳解冻温度。一般液态生物原液解冻温度：20～37℃。生物原液耐受温度较高，可以在较高温度下，实现快速解冻；生物原液耐受温度较低，则需要在较低的温度下进行解冻，效率会大打折扣。

（4）循环换热介质的温度

循环换热介质一般采用低黏度的合成硅油、乙二醇、冰河冷媒等，在冷冻和解冻模式下，仅作为换热介质，过程中不发生相变，且热阻较小，可忽略不计，因此，循环换热介质的温度可以同制冷剂温度一致。也就是说，冷冻模式下，循环换热介质的温度比液态生物原液的温度低3～5℃即可；解冻模式下，循环换热介质的温度比固态生物原液的温度高3～5℃即可。

4 可控冻融装置的特性分析

（1）能源效率特性

可控冻融装置的能源效率与制冷性能系数[5]COPR有关，而制冷性能系数COPR与换热器1内制冷剂的蒸发温度TE、辅冷器中制冷剂的冷凝温度TC有关，当按照理想的逆卡诺循环运行时，制冷性能系数COPR近似计算公式为：

式中COPR——制冷单元的制冷系数，无因次；

TE——换热器1内制冷剂的蒸发温度，K；

TC——辅冷器中制冷剂的冷凝温度，K。

根据上述典型运行参数，取制冷单元的蒸发温度为-40℃，冷凝温度为30℃。将TE=-40℃=（273.15-40） K=233.15 K，TC=30℃=（273.15 + 30） K=303.15 K 带入式（1）可得：

按照实际装置的制冷系数为逆卡诺循环的60%计算，则实际装置的制冷系数为：

可控冻融装置运行时，制冷单元中制冷剂的蒸发温度通常为-40～-25℃，辅冷器中的制冷剂的冷凝温度通常为25～40℃。由上述公式可知，当制冷剂的冷凝温度一定时，制冷单元的制冷系数会随着蒸发温度的降低而不断降低。辅冷器的冷凝温度的升高不利于制冷单元获得较高的制冷系数。因此，为了获得较高的能源效率，建议从提高蒸发温度和降低冷凝温度进行综合考虑。

（2）适用液态生物原液特性

液态生物原液浓度较高时，冰点温度随之降低，这会导致所需蒸发温度偏低，装置运行功耗较大，因此可控冻融装置较适合低浓度液态生物原液的处理。此外，可控冻融装置运行时，冷冻时间和解冻时间存在一定的波动，冷冻时间和解冻时间长短与生物原液浓度、冻融包装型式、换热表面温度等有关。因此，可控冻融装置适合换热表面较规则、冻融距离较小的场合。