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冷凍干燥工藝優化—凍結研究

     冷凍干燥過程中的凍結過程非常重要，因為在凍結中形成的冰晶形態和大小以及玻璃化程度不僅影響后繼的干燥速率，而且影響凍干藥品的質量。因此在凍結過程中必須考慮配方、凍結速率、凍結方式、以及是否退火等問題。

凍結方式
凍結方式不同，產生的冰晶的形態和大小就不同，而且會影響后繼的干燥速率和凍干藥品質量。根據凍結機理，可以把凍結分為全域過冷結晶和定向結晶兩類。

全域過冷結晶是指全部藥液處于相同或相近的過冷度下進行凍結的方式。在全域過冷結晶中，凍結速率和冰晶成核溫度是重要的參數。

全域過冷結晶按凍結速率的快慢可分為慢速凍結和快速凍結。快速凍結的冰晶細小，而且沒有凍結濃縮現象，但是存在不完全凍結現象。相反，慢速冷卻產生較大的冰晶，并且存在凍結濃縮的現象。Thomas W Patapoff等人發現如果把藥品直接浸入液氮或干冰-乙醇溶液槽中（快速凍結），那么晶核首先在瓶壁產生，然后冰晶向中心擴散，再垂直向上擴散。由于長成的冰晶細小，而且有水平方向的結構，導致干燥階段的傳質阻力很大，升華速率降低。實驗證明，快速凍結導致升華速率低，解吸速率快，慢速凍結導致升華速率快，解吸速率慢。
James A Searles等人認為冰晶成核溫度是全域過冷結晶的重要因素，因為它是升華速率的主要決定因素。他們在研究中發現，冰晶成核溫度從本質上來說是隨機的、不穩定的，不容易控制，但是受溶液中的微粒含量和是否存在冰晶成核體等影響因素。正是冰晶成核溫度的隨機性導致升華干燥速率的不均勻性以及與形態相關的參數，如凍干藥品表面積和解吸干燥速率。
定向結晶是指一小部分藥液處于過冷狀態下進行凍結的方式。Thomas W Patapoff介紹了一種垂直凍結方式。溶液用濕冰冷卻，在瓶子底部用干冰冷卻，形成晶核，然后放到-50℃的擱板上凍結。用這種方式凍結的樣品的冰晶在垂直方向呈現煙囪狀，在藥品表面沒有凍結濃縮層，而且整個藥品的結構均一性很好，因此在干燥時的傳質阻力很小，加快了凍干速率。Martin Kramer等人采用了另外一種方式實現了定向凍結。他們在真空室壓力為0.1kPa，擱板溫度為+10℃的條件下，讓溶液開始表面凍結，形成1～3mm左右的冰晶薄層。然后解除真空，降低擱板溫度到結晶溫度以下進行凍結。在這種條件下長成的冰晶粗大，也呈煙囪狀。同時在干燥階段發現，升華干燥時間比采用一般凍結的時間節省了20%。分析凍干藥品時還發現，對甘露醇，采用這種方式凍結的凍干品的剩余含水量比采用一般凍結的要多；但對蔗糖和甘氨酸，兩者差別不大。H Schoof等人在凍干膠原質時也采用了定向結晶的方式。
凍結方式不同，產生的冰晶形態和大小就不同，后繼的干燥速率也不同。實驗證明，采用定向結晶方式的凍結藥品的干燥速率比全域過冷結晶的快。但是無論采用哪種凍結方式，藥品溶液必須部分或全部實現玻璃化凍結，以保護藥品藥性。
 退火
退火是指把凍結藥品溫度升到共熔溫度以下，保溫一段時間，然后再降低溫度到凍結溫度的過程。在升華干燥之前增加退火步驟，至少有三個原因：

1、 強化結晶。在凍結過程特別是快速凍結過程中，配方中結晶成分往往來不及完全結晶。但是如果該成分能為凍干藥品結構提供必要的支撐或者蛋白質在該成分完全結晶后會更穩定，那么就有必要完全結晶。此外，凍結濃縮液中也會有一部分水來不及析出，使其達不到zui大濃縮狀態。實驗證明，當退火的溫度高于配方的zui大濃縮液玻璃化轉變溫度Tg'時，會促進再結晶的形成使結晶成分和未凍結水結晶完全。
2、 提高非晶相的zui大濃縮液玻璃化轉變溫度Tg'。從非晶相中除去Tg'較低的結晶成分，能夠提高非晶相的Tg'。Barry J Aldous在研究非晶態碳水化合物的水合物結晶規律時發現，經過退火之后的海藻糖干燥溶液的玻璃化轉變溫度由31℃上升到79℃，大大提高了穩定作用。
3、 改變冰晶形態和大小分布，提高干燥效率。James A Searles等人研究認為不同的成核溫度產生不同的冰晶形態和粒徑大小，繼而導致升華干燥的速率的不均勻。但是一個過程中的干燥速率是由zui慢的干燥藥品確定的，因此不均勻的干燥速率會影響藥品的質量和生產的經濟性。研究證實退火過程中的相行為和重結晶可以減小由于成核溫度差異造成的冰晶尺寸差異及干燥速率的不均勻性，提高干燥效率和藥品均勻性。
為了達到退火目的，在退火操作中，必須考慮加熱速率、退火溫度、退火時間等參數。但是目前由于實驗手段不夠先進和理論知識比較缺乏，退火機理尚有疑問，退火參數的選取仍然沒有依據。
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