冷凍真空干燥技術(shù)在生物制藥行業(yè)的應(yīng)用

龔美龍 王俊杰 安小康

（蘭州生物制品研究所有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730000）

0.引言

生物制品的凍干要求保持產(chǎn)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(yīng)用。因此，對凍干機工藝要求嚴格，預(yù)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(guān)鍵，不同的產(chǎn)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(fù)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(jié)成固體，然后在制品所在箱體進行抽真空，然后在真空狀態(tài)下，通過升高環(huán)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(huán)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(shù)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(shù)。

1.冷凍干燥技術(shù)的概述

冷凍干燥技術(shù)的推廣與應(yīng)用不斷促進著生物制品行業(yè)的發(fā)展，真空冷凍干燥技術(shù)在一定的條件下優(yōu)勝于傳統(tǒng)的干燥技術(shù)，具有許多優(yōu)點，首先因為產(chǎn)品技術(shù)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(shù)在運用過程中的生物制品內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會在低溫情況下受到破壞，大大減少了傳統(tǒng)干燥技術(shù)的風(fēng)險，傳統(tǒng)干燥技術(shù)會使其形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)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(shù)在實驗的升華階段，水分子在藥品內(nèi)部保持活性，不會致使水分缺失，而影響實驗效果和實驗數(shù)據(jù)。并且，真空冷凍干燥的操作環(huán)境污染較少，比普通干燥技術(shù)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(huán)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(wěn)定。這些藥品要保持長久的生存環(huán)境就需要通過冷凍真空干燥技術(shù)來實現(xiàn)，真空冷凍干燥技術(shù)可以用于對高溫條件容易變質(zhì)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(guān)鍵，嚴格防止塌陷。冷凍真空干燥技術(shù)能夠有效地保存生命物質(zhì)的生物活性，特別是對熱敏物質(zhì)尤為適用，目的在于貯藏、保存和延長活性。生物制品在經(jīng)過一般的冷凍真空干燥技術(shù)處理后，是符合一定的物理形態(tài)和色澤、殘余水分含量及生物活性標(biāo)準的。在一般情況下，冷凍真空干燥技術(shù)下的生物制品有一定的物理形態(tài)、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(yōu)良的生物產(chǎn)品，不僅要對配制過程嚴加管控，還要對凍干后的產(chǎn)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(shù)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(jù)[1]。

2.冷凍干燥技術(shù)的原理和特點

冷凍真空干燥技術(shù)是通過通常將含有大量水分的生物活性物質(zhì)先行降溫預(yù)凍處理，在真空的條件下適當(dāng)?shù)纳邷囟龋构腆w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(zhì)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(tǒng)由凍干箱、冷凝器、真空泵、真空管道和閥門所構(gòu)成。真空系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)最常用的制品容器是半壓塞式西林瓶，西林瓶經(jīng)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(nèi)半壓塞后再通過自動進出料設(shè)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(shù)處理程序是由預(yù)凍，抽真空，一次干燥，解析干燥等組成。制品預(yù)凍是由擱板和制品的熱交換進行實現(xiàn)，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(tǒng)的蒸發(fā)器放在凍干箱體的外面，制冷劑與冷媒（載冷劑）在蒸發(fā)器中進行熱交換，再將冷媒用循環(huán)泵通入擱板中。擱板的導(dǎo)熱是否均勻直接影響著制品的好壞，擱板設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)有以下幾點：擱板內(nèi)流體流道的位置、擱板的尺寸，擱板材質(zhì)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(xiàn)的，而去除水分需要低壓環(huán)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(guān)系不大，但水的沸點與壓力有很大關(guān)系，當(dāng)壓力降到三相點壓力時水的冰點和沸點重合，也就是說當(dāng)箱體壓力低于三相點壓力時，固態(tài)冰直接轉(zhuǎn)化為氣汽態(tài)，即為升華。要實現(xiàn)升華，必須具備兩個條件，固態(tài)冰和低于三相點壓力，但制品在預(yù)凍狀態(tài)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(huán)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(xù)進行。每個制品的預(yù)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(yīng)制品的預(yù)凍溫度。制品在預(yù)凍程序后一直處于真空狀態(tài)，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(shù)的過程和方法

冷凍干燥技術(shù)的凍干過程分為預(yù)凍、升華干燥、解析干燥這3個階段。每一個階段都發(fā)揮著重要的作用，不同的階段在完成技術(shù)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(yù)凍是基礎(chǔ)也是冷凍干燥技術(shù)的關(guān)鍵。固定產(chǎn)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(yù)凍與溫度、時間、真空度都有密不可分的關(guān)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(chǎn)品體外，整個過程中不允許冰出現(xiàn)溶化現(xiàn)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(xù)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(jié)水分排出，可在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)適當(dāng)提高溫度。當(dāng)制品溫度完全達到設(shè)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(yù)凍階段

預(yù)凍階段是冷凍真空干燥技術(shù)的首要階段，在這個技術(shù)中，預(yù)凍占著極其重要的位置，在預(yù)凍過程中，首先根據(jù)不同生物制品的特點來衡量凍結(jié)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(zhì)量，而且還會降低產(chǎn)品的存活率。冷凍真空干燥技術(shù)極大的解決了保持生物制品分子活性結(jié)構(gòu)的問題，干燥后能夠反映產(chǎn)品原來的結(jié)構(gòu)組成，原產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)不受到破環(huán)。實現(xiàn)良好預(yù)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(chǎn)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(chǎn)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(shè)備中的壓強以及產(chǎn)品的加熱溫度；一種是分階段定時間降到共晶點以下。預(yù)凍時長也應(yīng)制品情況有所差異，應(yīng)滿足產(chǎn)品對降溫速率的要求。降溫速度快、結(jié)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(shè)備中壓強過低雖有利于產(chǎn)品內(nèi)冰的升華，但是產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)藥品，精確控制溫度是十分必要的。

抽真空是產(chǎn)品干燥的前提。如果不進行抽真空而直接對產(chǎn)品進行加熱處理，會導(dǎo)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(chǎn)生的水蒸氣來不及移走，會導(dǎo)致產(chǎn)品溫度上升而發(fā)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(shù)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(chǎn)品升華形成水蒸氣進行抽出和蒸發(fā)。干燥之后還要進行第二次解析干燥，因為在其干燥物質(zhì)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(shù)據(jù)小，但是作用卻無可替代。為了改善產(chǎn)品的儲存穩(wěn)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(guān)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(chǎn)品能承受的溫度范圍內(nèi)盡可能的提高溫度，使產(chǎn)品中的結(jié)合水能獲得足夠的能量從中解析出來，排出產(chǎn)品體外。真空冷凍干燥技術(shù)的推廣和利用給生物制品帶來良好的生存環(huán)境，對生物制藥方面有著很高的利用價值，在生產(chǎn)方面一定要嚴格遵守各注意事項，嚴格把控冷凍干燥技術(shù)的試驗過程，力爭做到更加完善。

4.結(jié)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(shù)在生物制品行業(yè)的應(yīng)用有了詳細的認識，生物制品的質(zhì)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(yōu)化凍干設(shè)備具有重大意義。冷凍干燥技術(shù)包括凍干箱內(nèi)制冷、加熱擱板的溫度均勻性以及凍干箱體和捕水器內(nèi)空間真空度的均勻性，還包括凍干程序的節(jié)能設(shè)計等方面。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，凍干技術(shù)在生物制藥行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，生物制品與真空冷凍干燥技術(shù)息息相關(guān)。真空冷凍干燥技術(shù)為納米材料、生物、醫(yī)學(xué)等方面展開了大規(guī)模應(yīng)用為，同時也為真空冷凍干燥技術(shù)開辟了廣闊的前景。隨著真空冷凍干燥技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的深入和擴展，真空冷凍干燥設(shè)備也需要不斷發(fā)展，生物制品和藥品用冷凍干燥機應(yīng)提高自動化程度及運轉(zhuǎn)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(yīng)用性能，增加生物制藥行業(yè)的效益水平。