（制冷及低溫工程專業(yè)論文）藥品冷凍干燥實(shí)驗(yàn)裝置的研制及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

浙江人學(xué)順i 學(xué)位蛇文摘要 藥品冷凍干燥實(shí)驗(yàn)裝置的研制及實(shí)驗(yàn)研究 翁宇 ( 浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，杭州) 摘要 出于凍干藥品具有穩(wěn)定性高、能長(zhǎng)期保存、復(fù)水性能好等優(yōu)點(diǎn)，冷凍干燥法 在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。然而，優(yōu)化冷凍干燥過程，降低設(shè)備成本以提高 凍干藥品的品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)性，一直是藥品冷凍干燥研究的重要課題。 本文綜述了藥品冷凍干燥的研究進(jìn)展，分析了該技術(shù)的理論基礎(chǔ)，研制了一 套多功能冷凍干燥實(shí)驗(yàn)裝置，并以甘露醇為對(duì)象進(jìn)行了藥品冷凍干燥的實(shí)驗(yàn)研 究。 本文研制的藥品冷凍干燥實(shí)驗(yàn)裝置首次采用新型自動(dòng)復(fù)疊循環(huán)作其制冷系 統(tǒng)，用單級(jí)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)一8 0 。c 以下的制冷溫度，滿足了低溫冷凍干燥的要求。該 裝鼉還能對(duì)溫度、樣品重量等進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量和控制，可用于多種樣品冷凍干燥 過程的研究和優(yōu)化。 甘露酵是藥品冷凍干燥中常用的低溫保護(hù)劑和賦形劑。本文通過實(shí)驗(yàn)研究了 濃度、降溫速率、加熱速率、蔗糖濃度對(duì)其凍融特性的影響；其次，研究了冷卻 方式、退火和加熱方式對(duì)其次干燥速率的影響；最后，對(duì)比研究了常用穩(wěn)定劑 配方甘露醇和蔗糖混合物的凍干特性。 關(guān)鍵詞；冷凍干燥裝簧 自動(dòng)復(fù)疊循環(huán)冷凍干燥甘露醇蔗糖 浙江人學(xué)壩i 。學(xué)位論文a b s t r a c t d e v e l o p m e n t o fap h a r m a c e u t i c a l f r e e z e - d r y i n g e q u i p m e n t a n d e x p e r i m e n t a ls t u d y w e n g y u i n s t i t u t eo f r e f r i g e r a t i o na n d c r y o g e n i c s ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y h a n g z h o u 310 0 2 7 ，p r c h i n a a b s t r a c t s i n c et h e l y o p h i t i z e dp h a r m a c e u t i c a l p r o d u c t s h a v ea h i g hs t a b i l i t y ，a n a c c 印t 曲l es h e l fl i f e a n dag o o dr e c o n s t i t u t i o np r o p e r t y , f r e e z e d r y i n gt e c h n i q u ei s w i d e l y u s e di n p h a r m a c i e s h o w e v e r , o p t i m i z i n gt h ef r e e z e d r y i n gp r o c e s sa n d d e c r e a s i n gt h e i n v e s t m e n to ff r e e z e d r i e rt o i m p r o v et h eq u a l i t y a n de c o n o m i c a l e f f i c i e n c yo f t h ep h a r m a c e u t i c s a r e a l w a y s t h ef o c u s e so f t h e f r e e z e d r y i n gr e s e a r c h i nt l i st h e s i s r e c e n t i n v e s t i g a t i o n s a n da e h i e v e m e n t si nt h ea r e a so f p h a r m a c e u t i c a lf r e e z e d r y i n ga r er e v i e w e d t h eb a s i ct h e o r i e so fl y o p h i l i z a t i o na l e a n a l y z e d as e t o fm u l t i f u n c t i o n a l f r e e z e d r y i n ge q n i p m e n ti sd e v e l o p e da n dt h e e x p e r i m e n t a ls t u d y o f f r e e z e d r y i n gm a n n i t o li sc a r r i e do u t t h ef r e e z e - d r y i n ge q u i p m e n tu s e san e wa u t o c a s c a d er e f r i g e r a t i n gc y c l ea st h e r e f r i g e r a t i o ns y s t e mo ft h el y o p h i l i z e rf o rt h ef i r s tt i m e t h et e m p e r a t u r eo fc o l d c o n d e n s e rc a nr e a c h b e l o w 一8 0 。c o n l yb yas i n 舀es t a g ec o m p r e s s o r f u r t h e r m o r e ，t h e t e m p e r a t u r ea n dw e i g h to f t h es a m p l ec a nb em e a s u r e da n dc o n t r o l l e dp r e c i s e l y t h i s e q u i p m e n t c a l lh eu s e df o rr e s e a r c ha n d o p t i m i z a t i o no f t h ef r e e z e d r y i n gp r o c e s s m a n n i t o li s u s u a l l y u s e da sa c r y o p r o t e c t a n t a n da n e x c i p i e n td u r i n g p h a r m a c e u t i c a lf r e e z e - d r y i n g i nt h i st h e s i s ，t h ee f f e c t so fc o n c e n t r a t i o n ，f r e e z i n gr a t e ， h e a t i n gr a t ea n ds u c r o s ec o n c e n t r a t i o no nt h ef r e e z e t h a wc h a r a c t e r i s t i co fm a n n i t o l a r es t u d i e da n d t h e n ，t h ee f f e c t so ff r e e z i n gm e t h o d ，a n n e a l i n g ，a n dh e a t i n gm e t h o d o nt h e p r i m a r yd r y i n g r a t eo fm a n n i t o la r e s t u d i e d f i n a l l y ，t h el y o p h i l i z a i t o n c h a r a c t e r i s t i co f t h em i x t u r eo f m a t m i t o la n ds u c r o s ei sa n a l y s e d k e yw o r d s ：f r e e z e - d r y i n ge q u i p m e n t ，a u t o c a s c a d er e f r i g e r a t i o nc y c l e ，f r e e z e d r y i n g ， m a n n i t o l ，s u c r o s e i i 獨(dú)創(chuàng)性聲明 y6 8 0 1 8 5 本人聲明所早交的學(xué)何論文是在導(dǎo)帥指導(dǎo)f 進(jìn)行的研究r 作及取得的研究成果。據(jù)我所知 除r 文中特別加以標(biāo)注雨1 致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表域撰寫過的研究成 果，也不包含為獲褥塹壟盤鱟或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使蹦過的材料。與我一同 i 作的同，基對(duì)本妍究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明剪表示謝意。 學(xué)位論文怍者簽名：篙薔鄉(xiāng) 簽字日期：。弘嘩年三月z 治 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)佗論文仃者完全了解逝鎏盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保 留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。 本人授權(quán)堂望盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 傈密的學(xué)位淪文在解密后適用本授權(quán)書) 。學(xué)何論文竹者簽乞 請(qǐng)當(dāng) 導(dǎo)師簽名：i 氧h 旺 簽字目劃：肼年z ，月夠h 簽字日馴：2 半年? 爿2 日 學(xué)修論文作者畢業(yè)后去向 作單何 通訊地址 電話 郵編 浙江人學(xué)碩j ：學(xué)位論文 生要綺j 表 拉丁字母 a c c d d g f h 胡。6 h k k l 1 m m 塒 p p q q r r 。 r t t 面積 比熱 濃度 擴(kuò)散系數(shù) 精餾柱內(nèi)徑 溫度梯度 體積自由能 質(zhì)量 循環(huán)主流率 焓 升華潛熱 比焓 傳熱系數(shù) 常數(shù) 樣品高度 已千層厚度 分子量 抽取率 升華速率 壓力 壓力 熱量 熱量 傳質(zhì)阻力 通用氣體常數(shù) 半徑 凝固潛熱 溫度 溫度 界面的移動(dòng)速率 摩爾體積 主要符號(hào)表 w x 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 摩爾分?jǐn)?shù) 希臘字母 口對(duì)流換熱系數(shù) 五導(dǎo)熱系數(shù) 盯表面張力 r時(shí)間 化學(xué)勢(shì) p 密度 r 粘度 叩。 翅片管表面效率 j厚度 y凝華潛熱 諺實(shí)驗(yàn)填料因子 甲液體密度校正因子 rg i b b s t h o m s o n 系數(shù) 上標(biāo) 下標(biāo) i i i 臨界參數(shù) 管內(nèi)側(cè) 組元號(hào) 管外側(cè) 液相 固相 氣相 玻璃態(tài) 平衡態(tài) 成分1 成分2 d f j g o 1 2 浙江人學(xué)傾i 。學(xué)位論文箱一奄錯(cuò)論 第一章緒論 本章概述了藥品冷凍干燥的研究背景、研究進(jìn)展和本文的主要研究工作。 1 1 研究背景 蛋白質(zhì)是構(gòu)成生命的基本物質(zhì)之一，它承擔(dān)著各種各樣復(fù)雜的生理功能，從 整體上維持著生物機(jī)體的新陳代謝活動(dòng)i “。但是液體蛋白質(zhì)藥品的物理化學(xué)穩(wěn)定 性非常有限，不能長(zhǎng)期貯存，因此，常用冷凍干燥方法把它制備成凍干藥品【2 l 。 冷凍干燥技術(shù)( 1 y o p h i l i z a t i o n ，又稱f r e e z e d r y i n g ) 最早由1 8 1 3 年英 國人華萊斯頓( w o l l a s t o n ) 提出。1 9 0 9 年沙克爾( s h s c k e l l ) 用該方法對(duì)抗毒 素、菌種、狂犬病毒及其它生物制品進(jìn)行了凍干保存，取得了較好效果【2 i 。在第 二次世界大戰(zhàn)中，作為軍需品的血漿和血清的大量生產(chǎn)極大地促進(jìn)了浚技術(shù)的發(fā) 展，產(chǎn)生了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和工藝過程。從二十世紀(jì)六十年代開始，隨著真空泵 和制冷設(shè)備的出現(xiàn)與應(yīng)用，冷凍干燥技術(shù)飛速發(fā)展，并在熱敏性藥品和生物制品 的生產(chǎn)方面顯示了巨大的潛力【2 “。 藥品冷凍干燥方法是指把藥品溶液在低溫下凍結(jié)，然后在真空條件下升華干 燥，除去冰晶，待升華結(jié)束后再進(jìn)行解吸干燥，除去部分結(jié)合水的干燥方法。在 制備固體藥品方面，與其它干燥方法相比，冷凍干燥方法具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)和 特點(diǎn)【3 6 1 ： ( 1 ) 藥液在凍結(jié)前分裝，劑量準(zhǔn)確； ( 2 ) 在低溫下干燥，能使被干燥藥品中的熱敏物質(zhì)保留下來； ( 3 ) 在低壓下干燥，被干燥藥品不易氧化變質(zhì)，同時(shí)能因缺氧而滅菌或抑制某 些細(xì)菌的活力； ( 4 ) 凍結(jié)時(shí)被干燥藥品可形成“骨架”，干燥后能保持原形，形成多孔結(jié)構(gòu)而 且顏色基本不變； ( 5 ) 復(fù)水性好，凍干藥品可迅速吸水還原成凍干前的狀態(tài)； ( 6 ) 脫水徹底，適合長(zhǎng)途運(yùn)輸和長(zhǎng)期保存。 盡管藥品冷凍干燥具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是干燥速率低、干燥時(shí)間長(zhǎng)、干燥過程 能耗高和干燥設(shè)備投資大等缺點(diǎn)制約了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。目前該技術(shù)主要用來 生產(chǎn)營養(yǎng)價(jià)值高、附加值大的熱敏性藥品。所謂的熱敏性藥品是指對(duì)溫度( 特別 是高溫) 比較敏感的藥品，如酶( e n z y m e ) 、疫苗( v a c c i n e ) 、干擾素( t n t e r f e r o n ) 、 白細(xì)胞介素( j n t e r l e u k i n ) 、生長(zhǎng)激素( h u m a ng r o w t hh o r m a n e ) 等嘰 因此，有效地提高藥品冷凍于燥速率、降低過程能耗、降低設(shè)備成本以提高 凍干藥品經(jīng)濟(jì)性將是藥品冷凍干燥技術(shù)研究的目標(biāo)。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 2 藥品冷凍干燥研究進(jìn)展 1 2 1 冷凍干燥原理及過程1 3 , 7 1 冷凍干燥的主要目的就是在低溫和真空環(huán)境中除去樣品中的自由水和部分 結(jié)合水。水的三相圖如圖1 1 所示。在低壓下水的相變過程與常壓下大體相似， 但相變時(shí)的具體溫度不同。隨著壓力的降低，冰點(diǎn)變化不大，而沸點(diǎn)卻大大降低 了。當(dāng)壓力降低到某一值時(shí)，沸點(diǎn)與冰點(diǎn)相重合，固態(tài)冰就可以不經(jīng)液態(tài)而直接 轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，這時(shí)的壓力稱為三相點(diǎn)壓力，相應(yīng)的溫度為三相點(diǎn)溫度。水的固、 液、氣三相點(diǎn)溫度為0 0 1 ，壓力為6 1 0 2 p a 。冰的飽和蒸汽壓隨溫度降低而降 低，不同溫度下冰的飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)如表1 1 所示。 表1 1 不同溫度下冰的飽和蒸汽壓 i 溫度， 一7 06 05 04 0- 3 0- 2 01 00 i 壓力，p a o31 13 91 2 93 9 61 0 3 52 6 06 1 02 _ o e r 趟 圖1 1水的三相圖 從圖l 1 可以看出，對(duì)于溫度處于三相點(diǎn)以下的固相，欲使其升華為氣體， 有兩個(gè)辦法：一個(gè)是升溫，如線a b 所示；另一種方法是抽空降壓，如線a c 所示。 從理論上講，這兩種方法均能產(chǎn)生升華干燥的效果。但是，事實(shí)上光靠抽真空降 壓很難達(dá)到干燥的目的，因?yàn)樵诘蜏叵卤娘柡驼羝麎汉艿?，壓力差產(chǎn)生的蒸汽 擴(kuò)散量很少，再則升華過程本身需要吸收大量的熱量。因此，在實(shí)際操作中，凍 干過程總是加熱和抽真空兩種方法混合使用。 系統(tǒng)的凍干過程通常包括以下幾個(gè)連續(xù)階段【3 - 8 母】： 浙江人學(xué)順l 學(xué)位論文第一章緒論 ( 1 ) 藥品準(zhǔn)備。通常情況下，除了活性物質(zhì)和水以外，藥品配方中還必須添加 賦形劑( e x c i p i e l ) t ) 和凍干保護(hù)劑( 1 y o p r o t e c t a n t ) ，以增加凍干藥品結(jié)構(gòu)的 牢固性、外觀的平整性和活性物質(zhì)的穩(wěn)定性。此外，為了有利于干燥和凍干后能 形成穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)，藥液必須保持一定的濃度。 ( 2 ) 預(yù)凍( f r e e z i n g ) 。預(yù)凍是指將液體藥品在低溫下凍結(jié)，使藥品中的自由 水全部?jī)鼋Y(jié)為冰晶的過程。 ( 3 ) 一次干燥( p r i m a r yd r y i n g ) 。當(dāng)藥品溶液完全凝固后，抽空凍干室，便 可以在真空條件下進(jìn)行一次干燥，此時(shí)預(yù)凍過程中形成的冰晶通過吸熱升華成水 蒸氣逸出。由于一次干燥過程主要是冰晶升華過程，因此也稱升華干燥。 ( 4 ) - - 次干燥( s e c o n d a r yd r y i n g ) 。一次干燥結(jié)束后，在藥品中還有結(jié)合水， 為了改善藥品的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)保存期，必須通過解吸干燥除去部分結(jié)合水。由于 二次干燥過程主要是結(jié)合水解吸脫除過程，因此也稱為解吸干燥。 ( 5 ) 裝封。為了防止氧氣和水蒸氣對(duì)凍干藥品的污染，保證藥品能長(zhǎng)期穩(wěn)定地 貯存，一般可在凍干室直接利用液壓或氣壓加塞系統(tǒng)使擱板下降后把瓶塞壓緊， 對(duì)小型藥品凍干實(shí)驗(yàn)機(jī)也可通過向凍干室充入氮?dú)獾榷栊詺怏w后進(jìn)行密封包裝。 藥品按上述方法凍于后，可在室溫下避光長(zhǎng)期貯存，需要使用時(shí)，加蒸餾水 或生理鹽水制成懸浮液，即可恢復(fù)到凍干前的狀態(tài)。 1 2 2 藥品凍干損傷和保護(hù)機(jī)理 藥品冷凍干燥是一個(gè)多步驟過程，會(huì)產(chǎn)生多種應(yīng)力使藥品變性，如低溫應(yīng)力、 凍結(jié)應(yīng)力和干燥應(yīng)力。其中凍結(jié)應(yīng)力又可分為枝狀冰晶的形成，離子濃度的增加， p h 值的改變和相分離等情況【9 】。 因此，為了保護(hù)藥品的活性，通常在藥品配方中添加活性物質(zhì)的保護(hù)劑。它需 要具備四個(gè)特性：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高、吸水性差、結(jié)晶率低和不含還原基【l “。 常用的保護(hù)劑有如下幾類物質(zhì)b 侶1 ： 糖類多元醇：蔗糖、海藻糖、甘露醇、乳糖、葡萄糖、麥芽糖等； 聚合物：h e s 、p v p 、p e g 、葡聚糖、白蛋白等； 無水溶劑：乙烯乙二醇、甘油、d 臨0 、d m f 等； 氨基酸：l 一絲氨酸、谷氨酸鈉、丙氨酸、甘氨酸、肌氨酸等； 鹽和胺：磷酸鹽、醋酸鹽、檸檬酸鹽等： 由于冷凍干燥過程存在多種應(yīng)力損傷，而不同損傷應(yīng)由不同保護(hù)劑提供保護(hù)， 根據(jù)保護(hù)機(jī)理，可以分為低溫保護(hù)和凍干保護(hù)。 目前，優(yōu)先作用原理作為液體狀態(tài)下蛋臼質(zhì)穩(wěn)定機(jī)理已被廣泛接受1 9 ，“h 】。優(yōu)先 作用是指蛋白質(zhì)優(yōu)先與水或水溶液中的保護(hù)劑作用。在有起穩(wěn)定作用的保護(hù)劑存在 的條件下，蛋白質(zhì)優(yōu)先與水作用( 優(yōu)先水合) ，而保護(hù)劑優(yōu)先被排斥在蛋白質(zhì)區(qū)域外 浙江人學(xué)幀 學(xué)位論文 箱一章結(jié)論 ( 優(yōu)先排斥) ，導(dǎo)致蛋白質(zhì)表面比其內(nèi)部有較多的水分子和較少的保護(hù)劑分子。 優(yōu)先作用原理同樣適用于冷凍一融解過程。在凍結(jié)過程中，隨著冰品的析出， 保護(hù)劑優(yōu)先與蛋白質(zhì)作用，穩(wěn)定蛋白質(zhì)。但是優(yōu)先作用機(jī)理不能完全解釋用聚合物 或蛋白質(zhì)自身在高濃度時(shí)保護(hù)蛋白質(zhì)的現(xiàn)象。 在凍干過程中，由于蛋白質(zhì)的水合層被除去，優(yōu)先作用機(jī)理不再適用。對(duì)于凍 干保護(hù)機(jī)理，仍在研究和探討之中，目前主要有兩種 9 , 1 1 , 1 3 , 1 6 - 1 7 】。 第一，“水替代假說”。許多研究者認(rèn)為由于蛋白質(zhì)分子中存在大量氫鍵，結(jié) 合水通過氫鍵與蛋白質(zhì)分子聯(lián)結(jié)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)在冷凍干燥過程中失去水分后，保護(hù) 劑的羥基就能替代蛋白質(zhì)表面上水的羥基，使蛋白質(zhì)表面形成一層假定的水化 膜，使氫鍵的聯(lián)結(jié)位置不會(huì)直接暴露在周圍環(huán)境中，從而穩(wěn)定蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)， 防止蛋白質(zhì)因凍干而變性。 第二，“玻璃態(tài)假說”。研究者認(rèn)為在含保護(hù)劑溶液的干燥過程中，當(dāng)濃度足 夠大且保護(hù)劑不發(fā)生結(jié)晶時(shí)，保護(hù)劑和水的混合物就會(huì)玻璃化。在玻璃態(tài)下，物 質(zhì)兼有固體和流體的行為，粘度極高，不容易形成結(jié)晶，且分子擴(kuò)散系數(shù)很低， 因而具有粘性的保護(hù)劑包圍在蛋白質(zhì)分子的周圍，形成一種在結(jié)構(gòu)上與玻璃狀的 冰相似的碳水化合物玻璃體，使大分子物質(zhì)的鏈鍛運(yùn)動(dòng)受阻，阻止蛋白質(zhì)的伸展 和沉淀，維持蛋白質(zhì)分子三維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，從而起到保護(hù)作用。 目前大部分學(xué)者贊同“水替代假說”，因?yàn)榭梢酝ㄟ^實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到蛋白質(zhì)和保 護(hù)劑之間的氫鍵，為理論提供證據(jù)。事實(shí)上，無論是“水替代假說”還是“玻璃 態(tài)假說”，它們的基礎(chǔ)都是基于藥液實(shí)現(xiàn)了部分或全部玻璃化凍結(jié)【i ”。 1 - 2 3 凍干工藝及優(yōu)化 由于藥品冷凍干燥過程會(huì)產(chǎn)生多種應(yīng)力，對(duì)凍于藥品的品質(zhì)有很大的影響，因 此對(duì)藥品冷凍干燥過程進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，對(duì)于減少凍千損傷和提高凍干藥品的品質(zhì)有 重大的意義。 ( 一) 凍結(jié)研究 冷凍干燥過程中的凍結(jié)過程非常重要，因?yàn)樵趦鼋Y(jié)中形成的冰晶形態(tài)和大小以 及玻璃化程度不僅影響后續(xù)的干燥速率，而且影響凍干藥品的品質(zhì)。在凍結(jié)過程中 必須考慮配方、凍結(jié)方式以及是否退火等問題。 ( 1 ) 配方的影響 配方中的溶質(zhì)含量會(huì)影響凍結(jié)和干燥過程。如果固體含量太少，那么凍干藥品 結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能就會(huì)不穩(wěn)定，尤其在干燥過程中，藥品微粒不能粘在基質(zhì)上，逸出 的水蒸氣會(huì)把這些微粒帶到小瓶的塞子上，有時(shí)甚至?xí)У絻龈墒耶?dāng)中【l ”。 此外，為了獲得均勻一致、表面光滑、穩(wěn)定的蛋白質(zhì)藥品，配方中必須含有填 浙江人學(xué)f 哦i 學(xué)位論史她一帝緒論 充劑、賦形劑和保護(hù)劑等穩(wěn)定劑，這些穩(wěn)定劑對(duì)實(shí)現(xiàn)藥品的玻璃化凍結(jié)有重大的影 響。很多糖類或多元醇經(jīng)常被用于溶液凍融和凍干過程中非特定蛋白質(zhì)的穩(wěn)定劑， 因?yàn)樗鼈兗仁怯行У牡蜏乇Ｗo(hù)劑又是很好的凍干保護(hù)劑，它們對(duì)凍結(jié)的影響取決于 自身的種類和濃度l ，j 。文獻(xiàn) 2 0 2 7 對(duì)不同的保護(hù)劑進(jìn)行了詳盡的研究，探討了它們 的凍結(jié)特性。文獻(xiàn) 1 0 還研究了其它保護(hù)劑的凍結(jié)特性。但是蛋白質(zhì)種類很多，而 且物理化學(xué)性質(zhì)各異，因此不同的蛋白質(zhì)需要不同的保護(hù)劑配方。配方不同，它們 的凍結(jié)特性就不同，一般只有通過實(shí)驗(yàn)才能獲得這些特征數(shù)據(jù)。 ( 2 ) 凍結(jié)方式 在冷凍干燥過程中，凍結(jié)中形成的冰晶在一次干燥中不斷升華除去，使凍結(jié)樣 品分為凍結(jié)層和多孔干燥層，冰晶升華后的殘留孔則作為水蒸氣的逸出通道。而低 壓下通過多孔固體的傳質(zhì)阻力反比于孔體積與孔面積之比，因此，孔越大，孔體 積與孔面積之比就越大，傳質(zhì)阻力就越小，就越有利于水蒸氣擴(kuò)散，提高干燥速 率【28 1 。但是，目前對(duì)大冰晶的形成條件還存在分歧。 一種觀點(diǎn)認(rèn)為慢速凍結(jié)形成大冰晶，快速凍結(jié)形成小冰晶，降溫速率是主導(dǎo) 因素。l o u isr e y l 2 9 認(rèn)為快速凍結(jié)的冰晶細(xì)小，而且沒有凍結(jié)濃縮現(xiàn)象，但是存在 不完全凍結(jié)現(xiàn)象；相反，慢速冷卻產(chǎn)生較大的冰晶，并且存在凍結(jié)濃縮的現(xiàn)象。t h o m a s w p a t a p o f f 等人f 3 0 】發(fā)現(xiàn)如果把藥品直接浸入液氮或干冰乙醇溶液槽中，那么首先 在瓶壁產(chǎn)生晶核，然后冰晶向中心擴(kuò)散，再垂直向上擴(kuò)散。由于長(zhǎng)成的冰晶細(xì)小， 而且有水平方向的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致千燥階段的傳質(zhì)阻力很大，升華速率很低。此外，文 獻(xiàn) 3 卜3 3 也給出了相似結(jié)果。 另一種觀點(diǎn)則從過冷度的角度出發(fā)，認(rèn)為過冷度小，成核速率慢，生成的冰 晶大【2 8 1 。j a m e sa s e a r l e s 等a c 3 4 1 通過往溶液中添加成核劑的方法有效地提高了冰 晶成核溫度，減小了過冷度，并且在凍干實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，過冷度越小，一次干燥速率 越陜。m a r t i nk r a m e r 等人【3 5 】通過真空表面凍結(jié)的方法在溶液表面形成冰晶薄層 作為晶核，減小了過冷度，而且在凍干實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用該種凍結(jié)方式的樣品的 一次干燥速率比中速凍結(jié)( 擱板以2 m i n 的速率降溫) 快了2 0 。 由于水蒸氣是從下往上流過多孔干燥層的，因此，在垂直方向上如果實(shí)現(xiàn)柱狀 凍結(jié)，則將大大減少傳質(zhì)阻力，提高干燥速率。t h o m a sw p a t a p o f f 等人用濕冰 冷卻溶液，干冰冷卻瓶子底部，形成晶核后，再放到一5 0 0 的擱板上凍結(jié)的方式實(shí)現(xiàn) 了垂直凍結(jié)。他們發(fā)現(xiàn)凍結(jié)樣品的冰晶在垂宜方向呈現(xiàn)柱狀，藥品表面沒有凍結(jié)濃 縮層，而且整個(gè)藥品的結(jié)構(gòu)非常均勻，干燥時(shí)的傳質(zhì)阻力很小。m a r t i nk r a m e r 等 人【3 5 】的真空表面凍結(jié)方式也是一種有效的垂直凍結(jié)方式。h s c h o o l 等人刪在凍 干膠原質(zhì)時(shí)也實(shí)現(xiàn)了垂直凍結(jié)的方式。 不同的凍結(jié)方式產(chǎn)生不同的冰晶形態(tài)和大小，都會(huì)對(duì)后續(xù)的干燥過程和凍干藥 浙江人學(xué)順i 。學(xué)位論文第一章緒論 品的品質(zhì)產(chǎn)生重大的影響，深入研究大冰晶產(chǎn)生機(jī)理和垂直凍結(jié)機(jī)理將是今后的研 究重點(diǎn)之一。 ( 3 ) 退火 退火( a n n e a l i n g ) 是指以一定的升溫速率把凍結(jié)樣品從凍結(jié)終溫加熱到低 于其共熔點(diǎn)的某一特定溫度，并保持一段時(shí)間，然后再以一定的降溫速率把樣品 再次冷卻到凍結(jié)終溫的過程。在一次干燥之前增加退火步驟，至少有三個(gè)作用。 第一、強(qiáng)化結(jié)晶【9 l 。在凍結(jié)過程特別是快速凍結(jié)過程中，配方中結(jié)晶成分往往柬 不及完全結(jié)晶。但是如果該成分能為凍干藥品結(jié)構(gòu)提供必要的支撐或者蛋白質(zhì)在該 成分完全結(jié)晶后會(huì)更穩(wěn)定，那么就有必要完全結(jié)晶。此外，凍結(jié)濃縮液中也會(huì)有一 部分水來不及析出，使其達(dá)不到最大濃縮狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明0 7 3 8 】，當(dāng)退火的溫度高于配 方的最大濃縮液玻璃化轉(zhuǎn)變溫度r 時(shí)，會(huì)促進(jìn)再結(jié)晶的形成使結(jié)晶成分和末凍結(jié)水 結(jié)晶完全。 第二、提高非晶相的最大濃縮液玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。從非晶相中除去瓦較低的 結(jié)晶成分，能夠提高非晶相的貯。文獻(xiàn) 9 報(bào)道對(duì)甘氨酸：蔗糖( 1 ：l 質(zhì)量比) 配 方在一2 0 下退火，可以使t 較低的甘氨酸結(jié)晶出來，用d s c ( 差式掃描量熱儀) 測(cè)得配方的從一4 4 提高到一3 3 。c ，而且得到的藥品有較好的表面和較高的機(jī) 械強(qiáng)度。 第三、改變冰晶形態(tài)和大小分布，提高干燥效率。j a m e sa s e a r l e s 等人p 4 研 究認(rèn)為不同的成核溫度產(chǎn)生不同的冰晶形態(tài)和粒徑大小，繼而導(dǎo)致升華干燥的速率 的不均勻。但是一個(gè)過程中的干燥速率是由最慢的干燥藥品確定的因此不均勻的 干燥速率會(huì)影響藥品的質(zhì)量和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。研究證實(shí)退火過程中的相行為和重結(jié) 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，如圖1 f2 所示p ”，圖中a 是沒有退火的凍結(jié)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖， b 為退火后的凍結(jié)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 圖1 2 退火對(duì)凍結(jié)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響 為了達(dá)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(shí)矧 浙江人學(xué)碗：卜學(xué)位論文第一審緒論 等參數(shù)。但是目前由于實(shí)驗(yàn)手段不夠先進(jìn)和理論知識(shí)比較缺乏，退火機(jī)理尚有疑問， 退火參數(shù)的選取仍然沒有依據(jù)。 ( 二) 干燥 藥品冷凍干燥的干燥過程可以分為兩個(gè)階段，一次干燥和二次干燥。在一次干 燥階段除去自由水，在二次干燥階段除去部分結(jié)合水。干燥過程占據(jù)了藥品冷凍干 燥過程的大部分能耗，因此采取有效措施提高干燥速率顯得非常有意義。目前，大 都采取控制擱板溫度、藥品溫度、冷阱溫度和真空度的做法來實(shí)現(xiàn)干燥速率的提高。 藥品溫度的控制【2 8 】。該方法包括凍結(jié)層和已干層溫度控制?？刂苾鼋Y(jié)層溫度的 原則是在保證凍結(jié)層不發(fā)生熔化( 在低共熔點(diǎn)以下) 的前提下，溫度越高越好?？?制已干層溫度的原則是在不使物料變性或已干層結(jié)構(gòu)崩塌的前提下、盡量采用較高 的干燥溫度。擱板溫度的控制是以滿足藥品溫度控制為標(biāo)準(zhǔn)的。 冷阱溫度。凍千過程中水升華的驅(qū)動(dòng)力是藥品和冷阱問的溫差。而藥品溫度受 加熱方式的限制，同時(shí)不能高于麩熔溫度，因此為了增大溫差，冷阱溫度越低越好。 研究證實(shí)【9 】，為了提高經(jīng)濟(jì)性，在升華干燥過程中，冷阱溫度應(yīng)至少低于藥品溫度 2 0 。c ；在解吸干燥過程中，對(duì)于那些殘余水分要求很低的配方，冷阱溫度應(yīng)該更低。 真空度。壓力對(duì)凍干過程存在正反兩方面的影響1 3 9 書】。在藥品共熔溫度和崩 塌溫度以下，如果凍干過程是傳熱控制過程，則干燥速率隨著干燥室壓力升高而 提高。這是因?yàn)閴毫υ礁撸瑐鳠嵩胶?，升華界面溫度就越高，升華水汽就越多。 如果冷凍干燥過程由傳熱控制轉(zhuǎn)變?yōu)閭髻|(zhì)控制，則再提高干燥室的壓力將導(dǎo)致干 燥速率降低。這是因?yàn)樯A爨面通過已干層到外部的水汽逸出速度與升華界面溫 度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力與干燥室的真空度之差相關(guān)。這個(gè)壓差小，逸出就慢，干燥 速率就小。 藥品冷凍干燥過程是一個(gè)復(fù)雜的、連續(xù)的操作過程，不同的藥品配方，有不同 的凍結(jié)特性，而且凍干曲線也不同，因此應(yīng)在大量基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上廣泛開展個(gè)體 研究，優(yōu)化凍干曲線，提高干燥速率，降低能耗。 1 2 4 理論模型研究 藥品冷凍干燥是一個(gè)既費(fèi)時(shí)又耗能的過程，開展冷凍干燥數(shù)學(xué)模型的研究， 有助于指導(dǎo)凍干實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)，降低凍干成本，提高凍干藥品的經(jīng)濟(jì)性。 藥品冷凍干燥過程是典型的低壓低溫傳熱傳質(zhì)過程，目前描述凍干過程的模 型主要有兩類：一類是只考慮自由水脫除過程的干燥模型，另一類是同時(shí)考慮自 由水和結(jié)合水脫除過程的干燥模型。第一類模型中，具有代表性的是k i n g 提出 的u r i f 模型m 。該模型是建立在升華界面溫度和物料表面溫度恒定，以及干燥 層內(nèi)水氣分壓不變的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程的假設(shè)基礎(chǔ)上的，對(duì)于描述較低干燥速率的加熱 模式下物料中自由水的去除過程比較準(zhǔn)確，但未涉及物料中結(jié)合水的脫除。文獻(xiàn) 浙江人學(xué)蝕l 。學(xué)位論艾 餡一帝緯論 f 4 4 對(duì)u r i f 模型的穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)問題進(jìn)行了詳細(xì)的描述。在第二類模 型中，典型的是l i t c h f i e l d 提出的吸附一升華模型【”l 。該模型的基本思想是： 在干燥過程中，物料中冰的升華與水氣的解吸可同時(shí)進(jìn)行。模型中所考慮的參數(shù) 較多，可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)干燥時(shí)間。此后，文獻(xiàn) 4 6 4 9 在此基礎(chǔ)上不斷修正， 不斷完善。此外，文獻(xiàn) 5 0 一5 2 還對(duì)數(shù)學(xué)模型的解法進(jìn)行了研究。 1 3 本文的主要研究?jī)?nèi)容 藥品冷凍干燥課題涉及制冷與低溫、傳熱傳質(zhì)、真空、生物化學(xué)、藥劑學(xué)等 領(lǐng)域，不同領(lǐng)域的研究者對(duì)藥品冷凍干燥研究的側(cè)重點(diǎn)不同。醫(yī)學(xué)研究者主要關(guān) 心凍于藥品的品質(zhì)和臨床應(yīng)用效果，而忽視了對(duì)凍干過程的控制。但是冷凍干燥 過程對(duì)凍干藥品的品質(zhì)影響很大，因此應(yīng)研究降溫速率、最低凍結(jié)溫度、退火溫 度、退火持續(xù)時(shí)間、冷阱溫度、加熱量、真空度等過程參數(shù)與藥品凍干特性之間 的關(guān)系，以合理設(shè)計(jì)冷凍干燥工藝，提高凍干藥品品質(zhì)。而目前國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室用 小型凍干裝置價(jià)格高，制冷溫度不低，功能單一，尚不能滿足研究的需要。為此 本文自行研制了一套低溫冷凍干燥實(shí)驗(yàn)裝置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了冷凍干燥實(shí)驗(yàn) 研究。 ( 1 ) 首次將新型的自動(dòng)復(fù)疊循環(huán)用于冷凍干燥裝置的制冷系統(tǒng)，用簡(jiǎn)單的單級(jí) 系統(tǒng)達(dá)到比傳統(tǒng)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)更低的制冷溫度，以滿足低溫冷凍干燥的需求。 ( 2 ) 根據(jù)冷凍干燥研究要求，自行設(shè)計(jì)多功能低溫冷凍干燥實(shí)驗(yàn)裝置。 ( 3 ) 以甘露醇為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)分析濃度、冷卻方式、升溫速率以及不同 蔗糖濃度對(duì)其凍融特性的影響， ( 4 ) 以甘露醇為凍干樣品，研究冷卻方式、退火、加熱方式對(duì)其一次干燥速率 的影響。 ( 5 ) 實(shí)驗(yàn)研究甘露醇和蔗糖混合物在不同配比時(shí)的凍干特性。 參考文獻(xiàn) 1 ，唐有祺主編生命的化學(xué)一生命過程中重要化學(xué)問題研究長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版 社。1 9 9 8 2 倪春醫(yī)州生物制品的真空冷凍干燥技術(shù)廣陰機(jī)械，1 9 9 9 ，l ：1 5 1 8 3 劉h i 杰脂質(zhì)體藥物低溫冷凍干燥的實(shí)驗(yàn)研究與機(jī)理分析： 學(xué)位論文 上海：上海 理i 人學(xué)，2 0 0 1 4 劉梅，崔光華口腔速溶片的研究進(jìn)展國外醫(yī)學(xué)藥學(xué)分冊(cè)，2 0 0 0 ，2 7 ( 6 ) ：3 4 7 3 5 0 5 姚荔琳，姚荔玢冷凍干燥在醫(yī)藥方面的應(yīng)用低溫與特氣，2 0 0 0 ，1 ：3 5 3 6 8 一 浙江人學(xué)壩i 學(xué)位論文鴿一帝緒論 6 7 8 1 2 1 4 1 8 畢龍生，陳光奇，黃宏等冷凍干燥在我國獸藥生產(chǎn)中的應(yīng)用真空與低溫，1 9 9 6 ， 2 ( 3 ) ：1 7 7 一1 8 0 李廣武，鄭從義唐兵編并低溫生物學(xué)艮沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版 十，1 9 9 8 f el i xf r a n k s f r e e z e d r y i n go fb i o p r o d u c t s ：p u t t i n gp r i n c i p l e si n t op r a c t i c e e u r o p ejp h a r m b i o p h a r m ，1 9 9 8 ，4 5 ：2 2 卜2 2 9 w e i w a n g l y o p h i l i z a t i o na n dd e v e l o p m e n to fs o l i dp r o t e i np h a r m a c e u t i c a l s i n t j p h a r m ，2 0 0 0 ，2 0 3 ：1 6 0 w l j h i n r i c h s ，m g p r i n s e n ，h w f r i j l i n k i n u li ng l a s s e sf o rt h e s t a b i l i z a t i o no ft h e r a p e u t i cp r o t e i n s i n t j p h a r m ，2 0 0 l ，2 1 5 ：1 6 3 1 7 4 j o h n f c a r p e n t e r ，k e n i c h ii z u t s u ，t h e o d o r ewr a n d o l p h f r e e z i n g a n d d r y i n g - l n d u e e dp e r t u r b a t i o n so fp r o t e i np r o t e c t i o nb ys t a b i li z i n ga d d it i r e s i n ：r e y ，l ，m a y ，j c ( e d s ) ，f r e e z e d r y i n g l y o p h i l i z a t i o no fp h a r m a c e u t i c a l a n db i o l o g i c a lp r o d u c t s ，v o l9 6 m a r c e ld e k k e r ，n e wy o r k ，1 9 9 9 ，1 2 3 1 6 0 m i c h a e lj p l k a l m e c h a n i s i n so fp r o t e i ns t 曲i l i z a t i o no u r i n gf r e e z e d r y i n ga n d s t o r a g e ：t h er e l a t i v ei m p o r t a n c eo ft h e r m o d y n a m i cs t a b i 1i z a t i o na n dg l a s s y s t a t er e l a x a t i o n d y n a m i c s i n ： r e y ，l ，m a y ，j ， c ( e d s ) ， f r e e z e d r y i n g l y o p h i l i z a t i o no fp h a r m a c e u t i c a la n db i o l o g i c a lp r o d u c t s ，v o l 9 5 m a r c e ld e k k e r ，n e wy o r k ，1 9 9 9 ，1 6 1 1 9 8 t j a n c h o r d o g u y ，j f c a r p e n t e r s t a b i l i z a t i o no fp r o t e i n sd u r i n gf r e e z i n g a n dd r y i n g c r y o l e t t e r s ，1 9 9 7 ，1 8 ：5 j o h nfc a r p e n t e r ，m i c h a e lj p i k a l ，b y e o n gs c h a n g ，e ta 1 r a t i o n a ld e s i g n o fs t a b l e l y o p h i l i z e dp r o t e i nf o r m u l a t i o n s ：s o m ep r a c t i c a la d v i c e p h a r m r e s ，1 9 9 7 。1 4 ( 8 ) ：9 6 9 9 7 5 武華麗，胡一橋冷凍干燥制劑的穩(wěn)定性研究進(jìn)展中國藥學(xué)雜忐，2 0 0 1 3 6 ( 7 ) ： 4 3 6 4 3 8 秦華明，宗敏華，梁世中糖在蛋白質(zhì)藥物冷凍干燥過程中保護(hù)作削的分子機(jī)制“ 東藥學(xué)院學(xué)報(bào)，2 0 0 1 ，1 7 ( 4 ) ：3 0 5 - 3 0 7 劉占杰，華澤釗蛋白質(zhì)藥品冷凍干燥過程中變性機(jī)理的研究進(jìn)展中國生化藥物朵 出，2 0 0 0 ，2 1 ( 5 ) ：2 6 3 2 6 5 劉占杰，華澤釗，陳建明等藥品冷凍干燥過程中的玻璃化作用中國醫(yī)藥f 業(yè)雜志， 2 0 0 0 ，3 l ( 8 ) ：3 8 0 3 8 3 h a n n aw i l l a m e r e x p e r i m e n t a lf r e e z e d r y i n g ：p r o c e d u r e sa n de q u i p m e n ti n ：r e y ， l ，m a y ，j ，c ( e d s ) ，f r e e z e d r y i n g l y o p h i l i z a t i o no f p h a r m a c e u t i c a la n d b i o l o g i c a lp r o d u c t s ，v o l9 6 m a r c e id e k k e r ，n e wy o r k ，1 9 9 9 ，7 9 一1 2 2 浙 上人學(xué)壩i + 學(xué)位論文鵝一章緒論 2 0 ，c h k o r b e r ，m w s c h e j w e ，p b o u t r o n e ta 1 t h ei n f l h e n c eo fb y d r o x y e t h y l s t a r c ho ni c ef o r m a t i o ni na q u e o u ss o u t i o n s c r y o b i o l o g y ，1 9 8 2 ，1 9 ：4 7 8 4 9 2 2 lm k r e s i n ，g r a u t h eg l a s st r a n s i t i o no fh y d r o x y e t h y ls t a r c h c r y o l e t t e r s 1 9 9 2 1 3 ：3 7 1 3 7 8 2 2 k e n i e h il z u t s u ，s h i g e ok o j i m a f r e e z e c o n c e n t r a t i o ns e p a r a t e sp r o t e i na n d p o l y m e re x c i p i e n t si n t od i f f e r e n ta m o r p h o u sp h a s e p h a r m r e s ，2 0 0 0 ，1 7 ( 1 0 ) ： 1 3 1 6 1 3 2 2 2 3 x i a om i n gz h e n g ，g a r yp m a r t i n ，c h r i s t o p h e rm a r r i o t t e f f e c t so fm o l e c u l a r w e i g h to fp o l y v i n y l p y r r o d o n e o no nt h eg l a s st r a n s f e ra n dc r y s t a l l i z a t i o no f c o l y o p h i1 i z e ds u c r o s e i n t jp h a r m ，2 0 0 1 ，2 1 8 ：6 3 7 3 2 4 r a g h uk c a v a t u r ，n m u r t iv e m u r i ，a b i r ap y n e ，e ta lc r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o r o fm a n n i t o li nf r o z e na q u e o u ss o l u t i o n s p h a r m r e s ，2 0 0 2 ，1 9 ( 6 ) ：8 9 4 9 0 0 2 5 a b i r ap y n e ，r a h u l s u r a n a ，r a js u r y a n a r a y a n a n c r y s t a l l i z a t i o no fm a n n i t o l b e l o w 足d u r i n gf r e e z e d r y i n gi nb i n a r ya n dt e r n a r ya q u e o u s p h a r mr e s ， 2 0 0 2 ，1 9 ( 6 ) ：9 0 1 9 0 8 2 6 e v g e n y i y ，s h a l a e v ，t i f f a n yd j o h n s o n e 1 t o n ，l i u q u a nc h a n g ，e t a 1 t h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e so fp h a r m a c e u t i c a l l yc o m p a t i b l eb u f f e r sa ts u b z e r o t e m p e r a t u r e s ：i m p l i c a t i o n sf o rf r e e z e d r y i n gp h a r m r e s ，2 0 0 2 ，1 9 ( 2 ) ： 1 9 5 2 0 l 2 7 劉占杰，華澤釗，陶樂仁等不同保護(hù)荊濃度和不同降溫速率對(duì)脂質(zhì)體玻璃化轉(zhuǎn)變溫 度的影響低溫工程，2 0 0 0 ，6 ：卜5 2 8 t h e o d o r ew r a n d o l p h j a m e sa s e a r l e s f r e e z i n ga n da n n e a l i n g