可控凍融技術(shù)在生物產(chǎn)品中的應(yīng)用與探討

郭全舉，劉超

（1.上海東富龍科技股份有限公司，上海 201108；2.上?，F(xiàn)代制藥裝備系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，上海 201108）

近年來，隨著生活水平的提高，并伴隨著科學(xué)技術(shù)的進步以及社會的發(fā)展，催生出許多先進的技術(shù)，其中冷凍處理技術(shù)、解凍處理技術(shù)的誕生，改變了人類的生活，并被廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)療、生物制藥行業(yè)。

冷凍處理技術(shù)的應(yīng)用不僅可以讓食品的保存期得到延長，而且還可以保證食品的色、香、味不會流失[1]。除此之外，冷凍處理技術(shù)在醫(yī)療（臨床）、生物（標本保存）、制藥行業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用，衍生出了冷凍醫(yī)療、生物產(chǎn)品（單抗、疫苗、血液制品、生長因子等）低溫凍存（-80～-30℃），其中生物產(chǎn)品低溫凍存是冷凍技術(shù)在生物制藥行業(yè)應(yīng)用最為普遍的一種方式。

解凍處理技術(shù)的應(yīng)用一方面可以保證食品不會因為溫度的升高，而造成品質(zhì)的降低，另一方面，對于生物產(chǎn)品來說，不會對其外觀、性質(zhì)造成極大的損傷，最大限度地保證生物產(chǎn)品的質(zhì)量。

液態(tài)生物產(chǎn)品在儲存和使用過程中均涉及到冷凍處理技術(shù)和解凍處理技術(shù)?；诖?，在實際生物制品生產(chǎn)處理過程中，冷凍處理技術(shù)包括冷凍階段、恒溫控制階段，解凍處理技術(shù)包括升溫階段、恒溫控制階段。在實際生產(chǎn)過程中，要特別關(guān)注各階段的具體要求。這樣才能保證生物產(chǎn)品冷凍處理技術(shù)和解凍處理技術(shù)有較好的運用效果，在確保生物產(chǎn)品安全的前提下確保生產(chǎn)工藝的質(zhì)量。同時也要注意按照標準操作規(guī)程（Standard Operation Progress：SOP）實施生產(chǎn)。

通過冷凍處理技術(shù)和解凍處理技術(shù)的應(yīng)用，在大大提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時，也可延長生物產(chǎn)品的保存期。雖然冷凍處理技術(shù)和解凍處理技術(shù)在現(xiàn)代生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程中得到較為廣泛的應(yīng)用，但冷凍處理技術(shù)和解凍處理技術(shù)在使用過程中仍存在一些不合理的地方，影響和制約了生物制藥行業(yè)的快速發(fā)展。

1 冷凍和解凍處理技術(shù)的發(fā)展及特點

1.1 冷凍處理技術(shù)概述

在生物制藥行業(yè)中，冷凍處理技術(shù)是將灌裝有生物活性、對熱敏感的生物原液、中間品或半成品的生物產(chǎn)品放入低溫環(huán)境中進行凍結(jié)，達到延長其保存期的目的。生物產(chǎn)品常用的冷凍處理技術(shù)包括：空氣冷凍技術(shù)、間接接觸冷凍技術(shù)和直接接觸冷凍技術(shù)。

（1）空氣冷凍技術(shù)

空氣冷凍技術(shù)是最早出現(xiàn)的一種冷凍處理技術(shù)，是利用自然對流或強制對流（如圖1所示）的方式將冷空氣作為載冷介質(zhì)與產(chǎn)品進行換熱。其特點：結(jié)構(gòu)簡單；成本低；功耗??；冷凍速率慢（時間較長，一般超過12 h），產(chǎn)品不易長期放置保存。

空氣冷凍技術(shù)屬于非接觸式冷凍，冷凍效率極低，雖然出現(xiàn)了應(yīng)用更好的冷凍技術(shù)的裝置，但空氣冷凍技術(shù)仍然被大多數(shù)生物制藥企業(yè)使用。

（2）間接接觸冷凍技術(shù)

圖1 低溫冰箱Fig.1 Low-temperature refrigerator

間接接觸冷凍技術(shù)較空氣冷凍技術(shù)擁有更快的處理效率，是利用產(chǎn)品與冷壁（如平板、圓桶、盤管等）直接接觸，但與載冷劑或制冷劑間接接觸的方式進行高效換熱的冷凍技術(shù)。對于固態(tài)或液態(tài)產(chǎn)品，將產(chǎn)品封裝成有固定表面的形狀，使產(chǎn)品與一個或多個冷壁進行換熱，可以達到快速冷凍的目的。生物制藥行業(yè)應(yīng)用間接接觸冷凍技術(shù)常見的設(shè)備[2]包括平板直接接觸式速凍機（如圖2所示）。其特點是：冷凍速率快（一般可以在12 h 內(nèi)完成冷凍）；占地面積??；產(chǎn)品品質(zhì)高，可長期保存；工作量大，實現(xiàn)自動裝卸比較困難。

圖2 平板直接接觸式速凍機Fig.2 Direct contact plate freezers

間接接觸冷凍屬于漸進式冷凍，冷凍產(chǎn)品不宜太厚，否則無法實現(xiàn)快速冷凍，達到長期儲存的目的。使用間接接觸冷凍應(yīng)保證產(chǎn)品與冷壁盡可能接觸，并控制好兩者之間的接觸壓力，壓力越大，產(chǎn)品與冷壁接觸越好，傳熱速率越快。

（3）直接接觸冷凍技術(shù)

直接接觸冷凍技術(shù)是急速冷凍的代表，是將產(chǎn)品與凍結(jié)劑（制冷劑或載冷劑）直接接觸，可以在較短時間（一般在1 h 以內(nèi)）內(nèi)將產(chǎn)品快速凍結(jié)。

由于產(chǎn)品與凍結(jié)劑直接接觸，所以對凍結(jié)劑的使用和選擇上有一定的限制和要求，生物產(chǎn)品與其接觸尤其如此。這些限制包括：無毒、無異味、不易燃、不易爆、無外來色澤等[2-3]，另外，產(chǎn)品與凍結(jié)劑接觸必須保證產(chǎn)品原有的成分和性質(zhì)不會改變。

綜上可見，在生物制藥過程中，間接接觸冷凍技術(shù)是一種較為安全、高效的冷凍技術(shù)，不僅可以確保生物產(chǎn)品冷凍過程中的安全，而且可以大大縮短降溫周期。

1.2 解凍處理技術(shù)概述

解凍處理技術(shù)可以認為是冷凍處理技術(shù)的逆向技術(shù)，生物產(chǎn)品常用的解凍處理技術(shù)包括：空氣解凍（25℃左右）、載冷劑循環(huán)解凍（水或鹽水解凍）、間接接觸解凍（板式加熱解凍）。

（1）空氣解凍

空氣解凍就是將凍存的固體產(chǎn)品置于大氣環(huán)境中，將空氣作為熱源介質(zhì)，利用自然對流方式，使冷凍產(chǎn)品融化，以達到解凍的目的。

空氣解凍屬于一種慢速化凍的方式，因其成本低，操作簡便，應(yīng)用較為普遍。但因效率低，環(huán)境差，不適用于生物產(chǎn)品的直接解凍。對于生物產(chǎn)品的解凍而言，產(chǎn)品質(zhì)量和安全排在第一位，必須要考慮環(huán)境條件（無菌）、環(huán)境溫度和濕度對產(chǎn)品的影響。

（2）載冷劑循環(huán)解凍

載冷劑循環(huán)解凍是讓凍結(jié)的產(chǎn)品與載冷劑充分接觸（產(chǎn)品沉浸入載冷劑內(nèi)），以達到快速解凍的目的。常用的載冷劑包括水、鹽水、硅油等。

載冷劑循環(huán)解凍屬于直接接觸解凍，對載冷劑有一定的限制和要求，必須要考慮載冷劑的安全性和環(huán)保性，無毒、無異味，不會改變產(chǎn)品的性質(zhì)和質(zhì)量，并且不會對帶有包裝的產(chǎn)品造成傷害。常見的直接接觸解凍設(shè)備包括：水浴循環(huán)器、油浴循環(huán)器（如圖3所示）。

圖3 水浴、油浴循環(huán)器Fig.3 Water bath，oil bath circulator

載冷劑循環(huán)解凍具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、能耗低、效率高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在生物制藥研發(fā)階段。

但因?qū)儆谥苯咏佑|解凍方式，與生物產(chǎn)品（包材）直接接觸，對生物相容性、包材完整性、安全方面有著較高的要求，且因其占地面積較大，無法滿足商業(yè)化生產(chǎn)的需求。

（3）間接接觸解凍

間接接觸解凍區(qū)別于直接接觸解凍，凍結(jié)產(chǎn)品（內(nèi)側(cè)）與載冷劑（外側(cè)）隔開，不直接接觸，屬于一種安全、快速的解凍方式。

綜上可見，間接接觸解凍保證被解凍產(chǎn)品與載冷劑無需接觸，即可達到快速解凍的目的，是一種較為安全、高效的解凍方式，特別適用于具有高附加值、對熱敏感的生物產(chǎn)品的解凍。

2 可控凍融技術(shù)的特點

可控凍融技術(shù)集成了冷凍處理技術(shù)與解凍處理技術(shù)，目前被廣泛應(yīng)用于生物制藥領(lǐng)域中液態(tài)生物產(chǎn)品處理，可控凍融技術(shù)的應(yīng)用有以下幾個特點：

（1）冷凍處理是在0℃以下的低溫進行，確保生物產(chǎn)品中的蛋白質(zhì)活性得到最大限度的保存；

（2）冷凍速率及解凍速率可控，確保生物產(chǎn)品不會因為溫差過大而導(dǎo)致變性，保證產(chǎn)品的均一性和穩(wěn)定性，抑制產(chǎn)品濃縮；批次間的重演性好；

（3）相比傳統(tǒng)冷凍、解凍處理技術(shù)，效率提升200%以上，生產(chǎn)周期縮短1/2～2/3。

3 可控凍融技術(shù)的原理及過程

可控凍融技術(shù)不僅可以實現(xiàn)液態(tài)生物產(chǎn)品的快速冷凍，而且可以滿足其快速解凍。

3.1 可控凍融技術(shù)的原理

可控凍融技術(shù)是運用高效間接接觸式換熱方式，在生物產(chǎn)品儲存前，將裝有液態(tài)生物產(chǎn)品在低溫下快速凍結(jié)；在使用前解凍。液態(tài)生物產(chǎn)品從液態(tài)冷凍成固態(tài)，再由固態(tài)融化成液態(tài)，兩個過程中涉及到相變，循環(huán)可逆。

3.2 可控凍融技術(shù)的實現(xiàn)過程

可控凍融技術(shù)主要分為冷凍、解凍、恒溫控制過程。

（1）生物產(chǎn)品的冷凍

液態(tài)生物制品在冷凍時，需要將其灌裝入適當?shù)娜萜鳎ㄖ饕砸淮涡远鄬颖∧σ捍鼮橹鳎┲校M行快速降溫，然后由表面逐漸向內(nèi)部凍結(jié)，保證產(chǎn)品的品質(zhì)，盡可能抑制液態(tài)生物產(chǎn)品溶液的濃縮。冷凍不僅僅是簡單的降溫操作，生物產(chǎn)品成型以及質(zhì)量的好壞，受最終冷凍溫度、時間和包裝形式的影響。

冷凍的最終溫度控制過高，溫差過小，冷凍速率較慢，無法在較短的時間內(nèi)完成快速凍結(jié)，生物產(chǎn)品容易發(fā)生濃縮、pH 發(fā)生變化、酸堿失衡、內(nèi)部冰晶粗大[4]、生物蛋白發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變性問題。冷凍的最終溫度控制得過低，溫差較大，冷凍速率過快，冷凍速率無法控制，容易產(chǎn)生低溫脆斷，蛋白質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞。為了獲得較為均一的生物產(chǎn)品，根據(jù)產(chǎn)品特性，選擇合適的包裝形式和材質(zhì)，控制產(chǎn)品的冷凍距離（厚度），適宜的冷凍最終溫度，冷凍速率。當生物產(chǎn)品本身無法承受較大的溫差時，但又需在極低的溫度（-60℃以下）保存時，可以通過階梯降溫的形式，在降溫速率保證的前提下，可以確保產(chǎn)品安全。不太敏感的生物產(chǎn)品一般冷凍儲存溫度控制在-40～-20℃，較為敏感的生物產(chǎn)品一般冷凍儲存溫度控制在-80～-40℃。

（2）生物產(chǎn)品的解凍

凍存狀態(tài)下的固態(tài)生物產(chǎn)品通過利用PID（比例、積分、微分）加熱溫控技術(shù)將其融解成液態(tài)。傳熱效率的快慢主要是由溫差、生物產(chǎn)品導(dǎo)熱系數(shù)所決定的，生物產(chǎn)品在解凍時，表面首先融化，然后液面向內(nèi)推移的過程。PID加熱溫度控制技術(shù)可以確保產(chǎn)品不會因為溫度過高而造成生物產(chǎn)品變性，是獲得最佳質(zhì)量的有效途徑。溫差是確保生物產(chǎn)品融化的動力，在生物產(chǎn)品可耐受溫度范圍內(nèi)，盡可能采取適宜較高的溫差，才能快速地實現(xiàn)解凍，將解凍溫度設(shè)定在20～30℃之間可以加速解凍，縮短生產(chǎn)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量。最終在2～8℃下保存待用。

（3）生物產(chǎn)品恒溫控制

生物制品的恒溫控制是由冷凍控制、PID加熱溫度控制協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)的。僅有冷凍控制或僅有PID加熱溫度控制是無法實現(xiàn)在某一溫度左右范圍內(nèi)進行恒溫控制的。冷凍控制和PID加熱溫度控制是實現(xiàn)恒溫的關(guān)鍵，缺一不可。

（4）生物產(chǎn)品的冷凍速率、解凍速率對比分析

冷凍存儲的生物產(chǎn)品解凍過程屬于漸進式換熱，由表層逐漸向內(nèi)部延伸的過程，由于冰的導(dǎo)熱系數(shù)是水的4.4倍（如表1所示），因此解凍速率會隨著解凍的進行而逐漸下降（如圖4所示），與冷凍過程恰恰相反，所以解凍需要的時間相對冷凍時間也較長。

表1 冷凍與解凍熱傳導(dǎo)速率對比Tab.1 Comparison of freezing and thawing heat conduction rate

4 可控凍融裝置的簡介

可控凍融裝置主要是由制冷系統(tǒng)、加熱循環(huán)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個系統(tǒng)組成，主要設(shè)備有制冷壓縮機、凍融箱或凍融罐、平板或盤管、循環(huán)泵等部件組成。制冷系統(tǒng)是對凍融箱或凍融罐制冷，為生物產(chǎn)品冷凍提供冷量，主要包括壓縮機、冷凝器、節(jié)流部件、蒸發(fā)器、制冷、管道和閥門等。加熱循環(huán)系統(tǒng)是對平板或盤管加熱，為解凍生物產(chǎn)品提供熱量，主要包括加熱器、循環(huán)泵、循環(huán)管道、循環(huán)介質(zhì)等?？刂葡到y(tǒng)是通過手動或自動的控制方式對可控凍融裝置進行控制，以保證生物產(chǎn)品在一定時間范圍內(nèi)完成冷凍或解凍，主要包括PLC（可編程控制器）、工業(yè)觸摸屏、硬件、儀器儀表以及控制器等組成。凍融箱或凍融罐其在低溫下工作，其溫度可以控制在-80～50℃之間。如圖5所示。

圖4 冷凍與解凍過程Fig.4 Freezing and thawing process

圖5 可控凍融裝置工藝流程Fig.5 Process flow chart of controllable freeze-thaw device

可控凍融裝置工藝控制流程：冷凍過程中，制冷系統(tǒng)中壓縮機開啟，循環(huán)泵開啟，制冷系統(tǒng)給循環(huán)介質(zhì)降溫，形成一定的溫差后，循環(huán)介質(zhì)開始對凍融箱進行降溫，凍融箱對生物產(chǎn)品進行降溫，直至溫度降至設(shè)定溫度，電加熱開啟，摻冷閥動作，用以維持在設(shè)定溫度，生物產(chǎn)品降溫直至冷凍完成；解凍過程中，循環(huán)泵開啟，電加熱開啟，生物產(chǎn)品開始升溫，冰融化，溫度升至設(shè)定溫度，恒溫啟動，直至生物產(chǎn)品完全解凍。

通過設(shè)定不同的終點冷凍溫度和終點解凍溫度可以獲得較好的凍融效果。

5 結(jié)束語

綜上所述，可控凍融技術(shù)在生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，因其效率高、安全均一，抑制濃縮，可以最大限度地避免生物蛋白變性，保證產(chǎn)品品質(zhì)，延長其保存期，在生物制藥領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。

可控凍融技術(shù)涉及多個領(lǐng)域及學(xué)科[5]，需要進一步對凍融工藝過程探究來滿足實際生產(chǎn)應(yīng)用。后續(xù)可在保證生物產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，就如何降低能耗、進一步提高生產(chǎn)效率等問題展開研究。