冷冻真空干燥技术在生物制药行业的应用

龚美龙 王俊杰 安小康

（兰州生物制品研究所有限责任公司，甘肃兰州 730000）

0.引言

生物制品的冻干要求保持产品的活性，活菌、活毒等微生物真空干燥后的存活率要求80%以上，以便于应用。因此，对冻干机工艺要求严格，预冻温度、速度、时间的控制很不容易，保护剂配方、剂量、加入时间和加入方法非常关键，不同的产品可能采用不同的配方，达到的效果可能相同。一般各种保护剂的配方都是互相保密的。生物制品针对一些菌种、疫苗（包括混合疫苗），需要冻干处理才能达到保藏更长时间、效能不衰减的功效，而且在冻干菌种被使用时，只需加稀释剂复溶即可再生，方便使用。冻干机的原理是配置好的溶液先降温冻结成固体，然后在制品所在箱体进行抽真空，然后在真空状态下，通过升高环境温度，使得水分从固体直接生化成水蒸气，从而保证制品中核心成分得到保护。在理解冷冻真空干燥环境对生物制药的影响和作用时，前提是先需要弄清楚冷冻真空干燥技术的基本原理；尤其是需要掌握共熔点、冻干曲线界限的概念，这样才能真正地了解冷冻真空干燥技术。

1.冷冻干燥技术的概述

冷冻干燥技术的推广与应用不断促进着生物制品行业的发展，真空冷冻干燥技术在一定的条件下优胜于传统的干燥技术，具有许多优点，首先因为产品技术的升级，以及实验研究方案的完善，都取得了一定的效果。真空冷冻技术在运用过程中的生物制品内部结构不会在低温情况下受到破坏，大大减少了传统干燥技术的风险，传统干燥技术会使其形态和结构发生破坏，影响实验的准确性等缺点。尤其突出的是，真空冷冻干燥技术在实验的升华阶段，水分子在药品内部保持活性，不会致使水分缺失，而影响实验效果和实验数据。并且，真空冷冻干燥的操作环境污染较少，比普通干燥技术来说可以长时间的存放生物制品，给予生物制品最佳的存放环境。

药材和药品的使用需要长期保存，在避免污染杂菌侵蚀的前提下还要保持药效的长久稳定。这些药品要保持长久的生存环境就需要通过冷冻真空干燥技术来实现，真空冷冻干燥技术可以用于对高温条件容易变质的物料进行干燥。其中，药材和药品的冷冻真空干燥工艺要求也很严格，寻找合适的冻干保护剂、添加剂、赋形剂都很困难，尤其是处于干燥阶段的温度控制、加热速率控制都很关键，严格防止塌陷。冷冻真空干燥技术能够有效地保存生命物质的生物活性，特别是对热敏物质尤为适用，目的在于贮藏、保存和延长活性。生物制品在经过一般的冷冻真空干燥技术处理后，是符合一定的物理形态和色泽、残余水分含量及生物活性标准的。在一般情况下，冷冻真空干燥技术下的生物制品有一定的物理形态、均匀的颜色、合格的残余水分含量、良好的溶解性、高的存活率或效价和较长的保存期。因此，为了获得优良的生物产品，不仅要对配制过程严加管控，还要对冻干后的产品进行密封保存，更要对整个冷冻真空干燥过程中的各个参数都要进行测定并加以控制，而冻干曲线和时序就是对冷冻真空干燥过程控制的基本依据[1]。

2.冷冻干燥技术的原理和特点

冷冻真空干燥技术是通过通常将含有大量水分的生物活性物质先行降温预冻处理，在真空的条件下适当的升高温度，使固体分子直接升华成水汽抽出，干燥处理的目的是为了使生物制品中的活性物质形成疏松多孔、体积不变的干燥物，又称为冷冻真空干燥。冻干机组的真空系统由冻干箱、冷凝器、真空泵、真空管道和阀门所构成。真空系统必须具有严格的密封性能，对制品水分子升华十分重要，而真空泵则是真空系统建立真空的重要部件。冻干时使用的真空度范围约为0.13Pa～66.66Pa，要求在30min左右达到要求的真空度[2]。

制药行业最常用的制品容器是半压塞式西林瓶，西林瓶经过清洗灭菌处理后送入灌封机，将液体生物制品灌入西林瓶内半压塞后再通过自动进出料设备送入冻干搁板后对制品进行冻干处理。其次，冷冻干燥技术处理程序是由预冻，抽真空，一次干燥，解析干燥等组成。制品预冻是由搁板和制品的热交换进行实现，冻干搁板即是冷冻器又是加热器。制药用冻干机搁板大部分采用间冷式传热。间冷式是将制冷系统的蒸发器放在冻干箱体的外面，制冷剂与冷媒（载冷剂）在蒸发器中进行热交换，再将冷媒用循环泵通入搁板中。搁板的导热是否均匀直接影响着制品的好坏，搁板设计的关键参数有以下几点：搁板内流体流道的位置、搁板的尺寸，搁板材质等。制品的换热是与搁板进行的，但制品水分的去除是通过捕水器来实现的，而去除水分需要低压环境，即对箱体进行抽真空。冷冻真空干燥的冻干原理在一定意义上既是升华原理，水的冰点与压力关系不大，但水的沸点与压力有很大关系，当压力降到三相点压力时水的冰点和沸点重合，也就是说当箱体压力低于三相点压力时，固态冰直接转化为气汽态，即为升华。要实现升华，必须具备两个条件，固态冰和低于三相点压力，但制品在预冻状态下即使压力很低，水分流失依然很慢。实践证明较高的真空度所需的成本远远高于加热升温所需的成本，所以目前药品的采用提高加热搁板终温的方法来完成制品干燥。箱体是密闭的，水分流失的同时伴随着热量的吸收，低温环境下热量传递相对缓慢。为了维持一定的压强必须给箱体输入必要的升华热，使升华过程持续进行。每个制品的预冻温度都是不一样的，通过对每个制品 的共晶点温度进行研究可以得到相应制品的预冻温度。制品在预冻程序后一直处于真空状态，只有这样才能保证制品水分一直可以被捕水器吸收[3]。

3.冷冻干燥技术的过程和方法

冷冻干燥技术的冻干过程分为预冻、升华干燥、解析干燥这3个阶段。每一个阶段都发挥着重要的作用，不同的阶段在完成技术的过程中，都要掌握生物制品的特点，其控制手段也不尽相同。预冻是基础也是冷冻干燥技术的关键。固定产品，使物料温度迅速降低至其共晶点之下，为下阶段的升华做好准备。预冻与温度、时间、真空度都有密不可分的关系。升华干燥是冷冻干燥的主要过程，其目的是将物料中的冰通过升华而排出产品体外，整个过程中不允许冰出现溶化现象，因此要求在升华干燥时，一方面要将形成的水蒸气抽走，另一方面要连续不断地提供维持升华所需的热量，加快干燥速度。解析干燥就是要把残余的未冻结水分排出，可在规定的温度范围内适当提高温度。当制品温度完全达到设定的温度时，这样可加快升华速度，缩短干燥时间，最终得到干燥物料[4]。

3.1 预冻阶段

预冻阶段是冷冻真空干燥技术的首要阶段，在这个技术中，预冻占着极其重要的位置，在预冻过程中，首先根据不同生物制品的特点来衡量冻结的最低温度限度，降温速度和降温时间，这样才能具体问题具体分析。因为降温时间的过长或者过短都会浪费时间或者生物质量，而且还会降低产品的存活率。冷冻真空干燥技术极大的解决了保持生物制品分子活性结构的问题，干燥后能够反映产品原来的结构组成，原产品的结构不受到破环。实现良好预冻效果的具体做法：实验表明生物制品存在的的共晶点温度，一般搁板温度比产品的共晶点温度低5℃～10℃。有两种，一种是直接降到共晶点以下，采取快速冷冻是个明智的选择，快速冷冻产生的冰晶较小，而且对细胞的影响不大。

3.2 升华阶段

在第二阶段升华阶段中，一定要注意控制设备中的压强以及产品的加热温度；一种是分阶段定时间降到共晶点以下。预冻时长也应制品情况有所差异，应满足产品对降温速率的要求。降温速度快、结晶细、干燥速率慢、细菌成活率高，反之则相反。速冻方式有液氮速冻等方式。设备中压强过低虽有利于产品内冰的升华，但是产品不易获得推动冰快速升华所需的热量。所以升华的速度就会很慢很慢，大大延长了水分干燥的时间。一般来说，在升华阶段，产品对于温度的变化是十分敏感的，所以，为了能更好更快更精确地生产药品，精确控制温度是十分必要的。

抽真空是产品干燥的前提。如果不进行抽真空而直接对产品进行加热处理，会导致箱体压力过大，而使观察窗爆裂。而且这种情况下是不可能升华的。前箱和冷阱之间有一定的真空压差，保证升华的进行。倘若没有真空压差，自然对流下升华干燥产生的水蒸气来不及移走，会导致产品温度上升而发生塌陷甚至融化。

3.3 解析干燥阶段

解析干燥是冷冻干燥技术的最后一个阶段。在解析干燥之前，还要进行一次干燥，一次干燥是直接将冻干后的产品升华形成水蒸气进行抽出和蒸发。干燥之后还要进行第二次解析干燥，因为在其干燥物质的毛细管壁和极性基团上还吸附着部分水分。一般占制品水分的0.5%～4%。虽然数据小，但是作用却无可替代。为了改善产品的储存稳定性，需要去除这些水分。解析干燥需要的时间要比一次干燥所需时间长。在解析干燥的过程中，温度问题是关键，是需要给予升华所需要的热量，保持生物制品的活性。在产品能承受的温度范围内尽可能的提高温度，使产品中的结合水能获得足够的能量从中解析出来，排出产品体外。真空冷冻干燥技术的推广和利用给生物制品带来良好的生存环境，对生物制药方面有着很高的利用价值，在生产方面一定要严格遵守各注意事项，严格把控冷冻干燥技术的试验过程，力争做到更加完善。

4.结论

通过本文对生物制品冻干的论述，使我们对冷冻真空干燥技术在生物制品行业的应用有了详细的认识，生物制品的质量对于人体健康影响很大，稍微不注意保存就会造成很大的危害，因此优化冻干设备具有重大意义。冷冻干燥技术包括冻干箱内制冷、加热搁板的温度均匀性以及冻干箱体和捕水器内空间真空度的均匀性，还包括冻干程序的节能设计等方面。随着生物技术的发展，冻干技术在生物制药行业的应用越来越广泛，生物制品与真空冷冻干燥技术息息相关。真空冷冻干燥技术为纳米材料、生物、医学等方面展开了大规模应用为，同时也为真空冷冻干燥技术开辟了广阔的前景。随着真空冷冻干燥技术应用领域的深入和扩展，真空冷冻干燥设备也需要不断发展，生物制品和药品用冷冻干燥机应提高自动化程度及运转可靠性，进一步加强清洗消毒灭菌功能，以提高其在生物制药方面的应用性能，增加生物制药行业的效益水平。