冻干工艺经验谈（三）预冻参数设计1

上一期我谈了对预冻温度设定的看法和心得，本期继续谈预冻控制，重点是对冰晶的控制。

    首先“Control Nucleation”--受控成核，已经运用到实践中的受控成核预冻方式貌似是辉瑞采用的“via an lce Fog”方式：通过冰雾的方式，首先将装载在冻干机搁板上的小瓶中散装药液降温，过冷到希望的成核温度，再抽真空，使前箱压力降低到不到一个大气压的水平以加速水汽的蒸发，使前箱处于较高的水汽浓度水平，然后把低温的氮气吹入前箱，使前箱中水蒸气冻结成细小的冰颗粒，冰颗粒落入小瓶中，使散装药液开始冰晶生长，均匀成核。此外还有IMA和普莱克斯的“Nucleation via Depressurization”，这种减压成核的方式是用惰性气体给前箱加压到2个大气压水平，当温度降低达到成核温度后迅速减压至1个大气压诱导成核，最后再继续降温完成冷冻。使用受控成核技术的最大获益产品是蛋白质的产品，基本杜绝了非受控成核过程中，冰晶促成蛋白质聚合。

    我们使用常规操作能不能达到与辉瑞受控成核技术预冻结果相当或极度接近的水平？答案是肯定的，但是前提是需要你的操作足够强大，小瓶中散装药液越多、药液厚度越高，难度越大。辉瑞“via an lce Fog”方式首先要小瓶内药液均匀的过冷，然后低温氮气冻结的稳定冰核落入小瓶中过冷的药液中迅速生长为冰晶。常规搁板降温预冻时也要首先使药液过冷，但获取冰核的方式需要依靠药液过冷：得到冰晶的前提是稳定的成核，液体在过冷的过程中形成冰核，冰核的数量和大小决定了冰晶的生长，从液态到成核态，能量交换包括两个因素，一是液态到固态，二是冰核表面与溶剂分子的热量交换，如果冰核太小，可能由于热量交换导致冰核消失。因此冰晶生长的前提一定是“冰核是稳定核”，当自由能是负值时，稳定核能够存在体系中并生长，辉瑞的“via an lce Fog”药液冻结是由上至下瞬间冻结，而搁板降温预冻方式控制好过冷，药液冻结是由下至上瞬间冻结。

    由此可见，要获得与辉瑞受控成核相似的预冻结果，散装药液均匀的过冷是非常重要的，这个过程没有窍门，就是设置合理的温度梯度并延长时间，最大限度的降低药液上下层的温差，然后设置过冷时的搁板温度和时间，使药液上层也包含有稳定的冰核，并细心调整过冷后的降温速率。即使这样，随着冻干工艺的转移，越是大的冻干机需要调整的幅度越大。这种预冻方式适用于所有品种的冻干，但并非所有品种都必须采用这种方式，一般蛋白质一类的物料冻干采用这种预冻方式以降低冰晶对产品效价的影响。

    对于大容量的冻干特别是药液厚度较大的冻干，药液上下层温差较大，当直接将搁板设置到很低的温度时，药液底部温度先降低，此时底部溶剂冻结，更多的溶质迁移到上层未冻结溶剂中，同时不同的温度条件冰晶生长的情况差异大，冰晶的大小及形态差异大，最终不但存在冻结的药液上下层冰晶肉眼可见的较大差异，而且顶层形成因高浓度溶质引起的致密层，就是大家所说的“顶盖”，药液厚度越大，这种情况越明显，冻干速率越慢。解决  这种问题两种方式：

    第一，设置过冷，增加药液中晶核数量，降低药液上下层温差，对于要求没有那么高的大多数制剂，一般设置过冷保持30-60min已经足够满足冰晶生长差异较小和不产生顶盖的需要了。再画个重点，这个过冷的设定温度指的是药液温度，且这个温度不是绝对的，根据物料性质可选的过冷温度范围在-5℃至-10℃之间，更多的采用-5℃就满足需求了，搁板设置的温度和保持时间要根据药液实际的温度和该温度下持续时间合理设计，可能设置搁板温度在-8℃至-10℃范围并保持，此后以压缩机最大功率直接将搁板温度拉低至设定的温度就可以了。

    第二，采用退火工艺，将温度升高到玻璃转化温度以上保持，使冰晶在饱和蒸汽压差的基础上发生重新排列，形成体积相似的大冰晶，溶质分子移动使其分布相对均匀。退火的温度和时间靠自己掌握，最终以冻干产品评价。退火的好处在于溶剂的结晶程度更高，辅料中的甘露醇退火结晶，有效提高一次干燥温度，一次干燥速率更快。但对于含有无机盐的药液体系，需要评价无机盐结晶带来的风险，比如pH漂移的情况，如果pH漂移已经影响了产品的稳定性，是不能使用这种预冻方式的。此外，除上述蛋白多肽类成分外，一些包合物的包封率可能在退火操作中由于冰晶作用导致包封率下降。

    有人会问如果是质轻的原料比如培美曲塞应该采用哪种预冻方式来解决飘粉问题？作者认为，无论是过冷还是退火形成大冰晶还是小冰晶对飘粉没有决定性影响，毕竟溶剂占绝大多数，粉末是随着升华的气流飞起来的，控制飘粉还是通过控制一次干燥初期的升华速率更好。

    综合溶质、溶剂的不同预冻方式获得的最终产品质量情况，作者认为药液厚度在1cm及以下的产品，常规化药采用过冷或退火工艺和迅速降低搁板温度方式相比没有本质上区别，因此可以直接设置1min降温至-40℃，对于含有明胶、蔗糖、海藻糖、氨基酸、人血白蛋白之类的保护剂、稳定剂的生物制品进行-5℃保持30min的过冷再降温至-40℃至-45℃是能够作为预冻工艺优化基础的。当药液厚度较大，比如达到2cm以上时，稳定性满足要求的前提下化药采用退火工艺相对经济。而对于生物制品则需要调整过冷温度和保持时间以及过冷后的降温速率，最大限度的保持生物活性。