冻干产品从配方设计到最终产品稳定性测试，需要经历一个完整的开发流程，其中以质量来源于设计（QbD）为原则，重点考虑关键质量属性（CQAs）和关键过程参数（CPPs）。通过配方优化、包材选择以及工艺优化，确保产品在长期保持活性的同时能快速复溶。

冻干的原理

什么是冻干？

• 水的三相图
• 冻干三相图
• 北方晾衣服

为什么要冻干？

• “干”才是目的
  • 为什么要“干”？
  • 多“干”算“干”？
    • 自由水（甩干）
    • 吸附水（烘干）
    • 结合水（较难去除）
• 冻干的优势
  • 低温加工环境（VS加热蒸发）
  • 疏松多孔（VS减压蒸发）
    • 快速复溶
    • 易控制水分
• 冻干的劣势
  • 非连续生产
  • 高能耗

冷冻小知识

• 冷冻即脱水（冷冻浓缩）
• 溶质迁移

冻干的设备

热量交换系统（冷媒）

物质交换系统（真空泵）

监控体统（温度和压力）

• 温度探头
  • 热电偶型
  • 热电阻型
• 压力探头
  • 电容式
  • 皮拉尼式
  • 测量水蒸气压力时皮拉尼式约为电容式的1.6倍

冻干的开发框架

质量来源于设计（Qulaity by Design, QbD）

质量目标产品简介（Quality Target Product Profile，QTTP）

• 普通食品（冻干水果）
• 小分子药物（抗生素）
• 蛋白质药物（ADC肿瘤药）
• 诊断试剂（质控品）

关键质量属性（Critical Quality Attributes，CQAs）

关键过程参数（Critical Process Parameters，CPPs）

实验设计（Design of Experiments，DOE）

冻干的研发

第一步—配方的设计

• 固体的分类
  • 晶体
    • 代表物：冰、NaCl
    • 原子呈周期性排列
    • 热力学稳定
    • 熔化温度（Tm）
  • 非晶体
    • 代表物：玻璃、塑料
    • 长程无序的物质（”流动性很小的液体”）
    • 玻璃态转化温度（Tg）下的保持“刚性”
  • 晶体和非晶体的转化
    • 玻璃态的水（极速冷却至165K）
    • 1:1的蔗糖-甘露醇（退火后甘露醇结晶）
• 活性物
  • 溶液总装量
  • 总固含量（5-20%）
  • 活性物装量
  • 活性物浓度
  • 活性物的稳定性
    • 生产中的稳定性
      • 冷-热变性
      • 界面变性
      • 浓缩变性
    • 冻干产品的稳定性
      • 长期稳定性
      • 加速稳定性
    • 复溶后的稳定性
• 赋形剂
  • 代表物：蔗糖、海藻糖
  • 冻干过程中几乎不结晶
  • 用于稳定蛋白或一些微环境
• 膨胀剂
  • 代表物：甘露醇、甘氨酸等
  • 有极强的结晶倾向
  • 结晶膨胀形成精美的干饼外观
• pH缓冲液
  • 代表物：PBS、柠檬酸钠
  • 缓冲能力和范围
  • pH漂移
• 无机盐
  • 代表物：NaCl
  • 降低冻干效率，尽量少加
• 表面活性剂
  • 代表物：吐温系列
  • 减少表面吸附和界面压力
• 其它物质
  • 防腐剂（如，Proclin300）
  • 螯合剂（如，EDTA）
  • 抗氧化剂（如，Vc）
  • 辅助蛋白（如，BSA）

第二步—包材的选择

• 西林瓶
  • 容量
    • 溶液装量（建议深度≤1cm）
    • 干燥效率
    • 干饼外观
  • 颜色（无色or棕色）
  • 是否镀膜（镀膜工艺）
  • 其它（浸出物、pH稳定性等）
• 胶塞（卤代丁基橡胶）
  • 表面样式与几何结构
  • 是否镀膜？（含氟或含硅）

  • 含水量

第三步—冻干工艺的理解

• 冻干流程简介
  • 预冻
    • 工艺参数
      • 冷冻过程的热历史
      • 最终冻结温度和时长
      • 板层温度和变化速率
    • 预冻中关键名词的解释
      • 感热和潜热
        • 水温度升高（0-100℃）
        • 水变水蒸气（100℃不变）
      • 成核温度（Tm）
        • 开始形成冰核的温度
        • 成核速率
        • 共晶温度（Te，2种以上结晶物）
      • 冻结温度（Tn）
        • 开始结冰的温度
        • 生长速率
        • 随机成核
        • 洁净度
        • 降温速率
      • 过冷度（Ts=Tn-Tm）
      • 最大浓缩玻璃态转变温度（Tg’）
        • 冷冻脱水后的Tg（5-30%水含量）
    • 预冻的类型
      • 极速冷冻（液氮，冻干微球）
      • 快速冻（＞1℃/min）
        • 溶质分布更均匀
        • 小冰晶
      • 慢速冻（＜0.25℃/min）
        • 溶质迁移
        • 大冰晶
      • 退火处理（小冰晶转化为大冰晶）
      • 受控成核
    • 预冻的影响（冰晶大小和均匀性）
      • 产品外观
        • 收缩
        • 开裂
      • 辅料结晶度（晶型变化）
      • 活性物质稳定性
      • 复溶时间
      • 工艺效率（传质阻力）
      • 预冻结束时部分水在低温浓缩基质还保持未冻结状态
  • 一次干燥
    • 工艺参数
      • 板层温度（Tsh）
      • 升温速率
      • 腔室压力（Pch）
      • 干燥时长
      • 干燥终点判定
    • 一次干燥中关键名词的解释
      • 产品温度（Tp）
      • 塌陷温度（Tc）
        • 产品宏观发生形变的温度
        • 一般Tc≥Tg‘或Te
    • 冰升华的动力
      • 非真空泵
      • 冷阱（蒸汽压差）
    • 冰升华的能量来源
      • 热辐射
      • 热对流
        • 受Pch影响较大
      • 热传导
    • 冰升华的阻力
      • 干饼阻力
        • 干饼越厚阻力越大
        • 孔洞的比表面积越小阻力越小
      • 干饼阻力越小Tp越低
  • 二次干燥（解析干燥）
    • 工艺参数
      • 板层温度（Tsh）
      • 升温速率
      • 腔室压力（Pch）
      • 干燥时长
      • 干燥终点判定
    • 二次干燥中的关键名称解释
      • 未冻结水含量（Wg’）
      • 玻璃态转变温度（Tg）
      • 干饼水含量（Wg）
    • 冻干制品中水的分类
      • 结合水
        • 结构水
        • 单分子层水
        • 多分子层水
      • 自由水
    • 升温速率太快而导致塌陷
      • 一次干燥中基本不存在该问题
      • Tg随着Wg的降低而升高
    • 二次干燥时长
      • 干燥阻力主要来自水脱离表面而不是孔道内的扩散
      • 腔室压力（＜0.3mbar）对干燥速率的影响较小
      • 干燥速率随温度升高而快速升高
      • 有限时间内的最小Wg（伪平衡）与温度强相关

第四步—优化冻干工艺

• 关键温度分析
  • Tg’和Te（DSC或DTA）
    • 相变时温度出现突变
    • 热历史会影响结晶和检测结果
    • 配方越复杂越难测准
  • Tc（冷冻显微镜）
    • 热历史会影响结晶和检测结果
    • Tc温度的检测很重要
• 优化预冻流程
  • 两步平衡
    • 减少批间、瓶间和瓶内的结晶差异
    • 第一步5℃平衡30-60分钟
    • 第二步-5~-10℃平衡60~120分钟
  • 降温速率
    • 工业一般小于0.5℃/分钟
    • 更低的速率有利于降低瓶内结晶差异
  • 是否退火
    • 退火温度一般大于Tg’小于Te
    • 退火时间越长孔径越大溶质和结晶更均匀
    • 一般缩短一次干燥和增加二次干燥时长
  • 冷冻温度和时长
    • 工业上一般为-40~-50℃
    • 一般深度每多1厘米，时间延长1小时
• 优化一次干燥
  • 优化板层温度
    • Tsh≠Tp（差值可达15℃以上）
    • Tp应始终小于Tc（有时微塌陷也可接受）
    • Tsh每提高10℃干燥效率提高约1倍
    • Tsh升高10℃≠Tp升高10℃（升高幅度甚至不到一半）
  • 优化腔室压力
    • 一般范围为0.1~0.3mbar
    • 提高Pch会提高Tp
    • 提高Pch不如提高Tsh的干燥效果好
    • 提高Pch降低瓶间温度差异（提高对流导热）
  • 设备极限（最大干燥效率）
    • 最小可控压力
    • 通道阻塞
  • 可控区域
• 优化二次干燥温度
  • 腔室压力与一次干燥保持一致即可
  • 优化升温速率（0.2→0.5℃/分钟）
  • 优化板层温度（25→45℃）

冻干的转产

成核差异

• 洁净度差异导致更易过冷
• 样本极端过冷
• 干饼阻力差异

板层温降效应

板层边缘效应

干燥箱形状差异

干燥时长优化

• 根据放大倍数干燥时长需延长20-40%
• 模拟、计算和预测干燥时长
  • 关键参数
    • 传热系数Kv
    • 干饼阻力Rp
  • LyoPRONTO或其它预测工具

经济效益分析

• 设备（CC） VS 能耗（OC）
• 能耗占比
• 7天 VS 5天工作日

冻干的监控

产品性能

• 干饼外形
  • 什么样的外观是可以接受？
  • 塌陷
  • 回熔
  • 喷出
  • 倾斜
  • 起泡
  • 抬起
  • 萎缩
  • 开裂
  • 破碎
  • 起雾/爬壁
  • 起皮
  • 突起
• 活性物含量
  • 根据下游应用监控活性物质在冻干过程中的批损耗
• 产品稳定性
  • 根据下游应用监控活性物质的运输和使用稳定性
• 水分含量
  • 一般要求为1-3%
  • 蛋白类冻干产品可能存在过度干燥的问题
  • 水分测定
    • 卡尔费休库仑法
    • 检测参数
      • 取样环境和时间
      • 加热温度
      • 加热时长
    • 活性物质的稳定性
      • 水作为增塑剂
      • 水作为催化剂
      • 水直接参与反应

过程控制

• 温度控制
  • 板层入口与出口油温
  • 产品温度（监控不同位置）
  • 热电偶效果优于铂电阻
• 压力控制
  • 压力计的类型
  • 掺气阀精度
  • 压力波动范围
• 干燥终点判定
  • 皮拉尼与电容比值
  • 压力升测试
    • 等时法
    • 等压法

设备性能

• 满足实际生产需求为第一要素
• 空载性能
  • 板层升降温测试
    • 降温时间：20℃至-40℃≤60分钟
    • 最低温度：≤-55℃
    • 升温时间：-40℃至20℃≤60分钟
    • 最高温度：≥80℃
  • 冷凝器降温测试
    • 降温时间：20℃至-40℃≤30分钟
    • 最低温度：≤-75℃
  • 系统排气和真空完整性
    • 达到0.1mbar所花费的时间不超过30分钟
    • 极限真空度≤20μbar
    • 真空泄露率≤0.05μbar·m3/s
• 板层温度均匀性测试
• 最大升华可控压力测试
• 最大捕水量测试
• 无菌性测试