冷凍干燥的基本理論

第二章冷凍干燥的基本理論2.4升華干燥過程升華干燥，也稱一次干燥,是將冷凍后的物料置于干燥室中，進行加熱，同時用真空泵抽空，物料中的冰晶就會升華成水蒸汽而逸出,使物料干燥。升華是從外表面開始逐步向內推移的，冰晶升華后留下的是多孔的干燥層。干燥層和凍結層的分界面稱為升華界面(sublimationfront)或冰峰(icefront)。升華所需的熱量,可以是輻射通過多孔干燥層向內傳入；也可以導熱通過凍結層傳入；或者用微波對物料直接加熱。升華的水蒸汽通過多孔干燥層中的空隙逸出。因此，傳熱傳質在升華過程中同時發(fā)生。當物料中的全部冰晶已通過升華而被除去時，升華干燥結束。此時，物料中最初水分的90%以上已被除去。1.冷凍干燥過程中傳熱傳質的典型形式(a)熱量完全從底部的凍結層導入；升華的水蒸汽只能沿頂部方向擴散出去。(b)熱量完全從頂部多孔干燥層傳入；升華的水蒸汽以相反的方向也從頂部擴散出去。(c)熱量從底部凍結層和頂部多孔干燥層同時傳入；升華水蒸汽只能從頂部干燥層擴散出去。多層擱板式凍干機的加熱方式近似于此種方式。(d)熱量從上下兩側的多孔干燥層同時傳入；升華的水蒸汽以相反方向從兩側擴散出去。物料內有兩個升華界面。

(e)熱量在物料內部產生，升華的水蒸汽從兩側傳出。用微波加熱時，屬于此種傳熱傳質方式。（f）是對應球形或長圓柱狀物料的傳熱與傳質方式。2.熱量傳遞（1）固體導熱加熱 物料放在料盤上，料盤與加熱擱板直接接觸。熱量穿過物料盤、物料的凍結層而到達升華界面。在接觸式傳導加熱的凍干設備中，不僅要求加熱板與料盤具有良好的導熱性能，還要求加熱板、料盤和物料之間接觸良好，這樣才能提高傳熱效果，并使熱量均勻分布。（2）輻射與微波加熱輻射是物體通過電磁波來傳遞能量，可以在真空中進行。物料懸于上、下兩塊擱板之間，與擱板不直接接觸；熱量通過上、下擱板向物料表面輻射，再通過干燥層的導熱到達升華表面。在輻射加熱的冷凍干燥設備中，不要求物料、容器（料盤）與擱板緊密接觸，這樣就便于實現(xiàn)物料整車進出干燥室，現(xiàn)在這種加熱方式被廣泛用在大型冷凍干燥設備中。微波加熱也屬于電磁波加熱，但與輻射加熱不同，微波加熱是物質本身直接作為發(fā)熱體，不需要從外部把熱量傳遞到內部，因此物料中心升溫快。由于微波加熱基本不受干燥層的影響，熱量能直接達到物料的升華面，因而物料表面和升華界面之間的溫差很小，可使冷凍層維持低于并接近物料允許的最高溫度。（3）對流加熱由于冷凍干燥是在接近真空的條件下進行，因此對流傳熱所起的作用很小，但近些年來常采用循環(huán)壓力法來實現(xiàn)強制對流傳熱以加速一次干燥的過程。所謂循環(huán)壓力法，也就是控制真空系統(tǒng)的壓力在一定范圍內上下波動，以提高傳熱傳質的效果。3.質量傳遞升華干燥中，將有大量的水蒸汽從物料中升華出來。這些水蒸汽必須被及時移走，否則凍干室內水蒸汽壓將升高，升華界面溫度也隨之升高，導致冰融化。升華產生的水蒸汽首先通過干燥層內部的擴散過程到達物料表面，再靠壓差的作用到達冷阱,重新結成霜。冷凍干燥中，冷阱應保持足夠低的溫度，以保證升華出來的水蒸汽有足夠的擴散驅動力。實踐表明，對于多數(shù)物料的冷凍干燥，冷阱表面溫度在-40～-50℃之間已能滿足要求。而對于某些玻璃化轉變溫度（或共晶點溫度）較低的物料，冷阱表面溫度必須足夠低，以保證水蒸汽的擴散驅動力。真空泵的主要作用是抽取系統(tǒng)中物料釋放出來的不凝性氣體和外部滲漏進來的氣體。4.物料中水分的分布物料中水分的含量，一般常用的表示法有兩種：一種是物料的含水量w，是指濕物料中的含水量，又稱濕基含水量，。w的數(shù)值可以從0至100%。另一種是干物料的含水量m，，又稱干基含水量。其數(shù)值可以從0至遠大于100%。顯然存在下列關系：理想情況下，凍結層與干燥層之間存在著明顯的界面，凍結層的水分含量為w0，干燥層的水分含量we。從凍結層到干燥層的界面上，水分含量有突然的下降。冰升華為水蒸汽，是在此分界面上進行，故此分界面又稱為升華界面。隨著干燥的進行，升華界面逐漸向物料內部移動。當凍結層厚度為零時，升華界面完全消失，升華干燥過程結束。實際情況下，在干燥層內存在著一定的濕度梯度；而且在凍結層與干燥層之間存在著一個過渡層，此層內雖然不含冰晶，但水分含量明顯高于干燥層。2.5解吸干燥過程二次干燥是在真空的條件下對已經過升華干燥的物料再進行升溫加熱，主要是取走被物料吸附的束縛水；加熱量主要用于被束縛水的解吸作用和蒸發(fā)。一次干燥和二次干燥的作用、機制和工藝操作參數(shù)是截然不同的。因此，如何判斷一次干燥已經結束，和開始進行二次干燥是十分重要的。過早或過晚進行“切換”，都會造成凍干品質的降低；或能量和時間的消耗。在二次干燥過程結束時，物料中的含水量應當達到最終要求的剩余含水量。凍干后物料中的剩余水分含量過高或過低都是不利的。剩余含水量過高不利于長期貯存；過低也會損傷物料的活性。經二次干燥后，凍干后物料中的剩余水分含量一般應低于5%。2.6凍干物料的儲存冷凍干燥的主要目的是增強制品的穩(wěn)定性，即通過減緩生物生長或化學反應，使制品的生命期由幾小時或幾天延長到幾個月甚至幾年。但是，即使在凍干過程結束時凍干品是穩(wěn)定的，在長期的貯存過程中也有可能會失去活性。凍干品的品質變化包括物理、化學以及微生物等方面的變化。物理方面，如蛋白質凝聚等；化學方面如去氨基、褐變（Maillard反應）、氧化、水解等。1.影響制品穩(wěn)定性的因素

(1)殘余水分含量殘余水分含量經?？刂浦鞍踪|的穩(wěn)定性，既包括物理方面的又包括化學方面的。水可以作為反應物直接參與反應，也可以作為增塑劑或反應媒介來間接影響凍干品的穩(wěn)定性。盡管凍干品的含水率很低，若酶活性未被鈍化，仍會發(fā)生酶促反應。作為增塑劑，水可以大大降低凍干品的玻璃化轉變溫度。如按Gordon-Taylor方程來進行估算，水分含量每增加1%，玻璃化轉變溫度Tg將下降5-10℃。在貯存過程中，凍干品也很容易吸濕使玻璃化溫度降低到貯存溫度以下，從而加速它的不穩(wěn)定性，甚至引起塌陷。凍干品的水分含量會因各種原因而發(fā)生改變，如包裝材料的泄漏、瓶塞水分釋放、無定形成分的結晶等。(2)儲存溫度溫度對固體制劑穩(wěn)定性的影響較復雜，一般來講，溫度越高，穩(wěn)定性越差。溫度高，將加速蛋白質的物理凝聚，這主要是因為高溫時蛋白質分子活動性增強，加劇蛋白質之間的相互作用。溫度升高時，已凍干的食品、藥物或一些輔料會熔化,以及出現(xiàn)多晶型轉變或水分減少等問題。另外，高溫也會使化學反應加快，引起物料降解。實際中物料是緩慢吸濕的，其相應的塌陷溫度逐漸下降。當塌陷溫度低于貯存溫度時，物料會出現(xiàn)結塊、變色、變味現(xiàn)象。貯存環(huán)境溫度應該根據(jù)食品剩余水分和含糖成分等確定，一般說來，溫度低些總是有利的。(3)包裝材料若藥物制劑不考慮包裝，即使對于最穩(wěn)定的處方，也不能得到優(yōu)質的成品。藥物貯存于室溫環(huán)境中，主要受熱、光、水汽及空氣（氧）的影響，包裝設計就是要排除這些因素的干擾。同時也要考慮包裝材料與藥物制劑的相互作用。包裝容器材料通常使用的有玻璃、塑料、橡膠及一些金屬。1）玻璃容器 玻璃理化性能穩(wěn)定，不易與藥物作用，不具透氣性，為目前應用最多的一類容器。但它有兩個缺點，即可能釋放堿性物質和脫落不溶性玻璃碎片，這些問題對注射劑特別重要。棕色玻璃能阻擋波長小于470nm的光線透過，故光敏感的藥物可用棕色玻璃包裝。2）塑料塑料是聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酯和聚碳酸酯等一類高分子聚合物的總稱。為了便于成形或防止老化等，常常在塑料中加入增塑劑、防老化劑等附加劑。有些附加劑具有毒性，藥用包裝塑料應選用無毒塑料制品。塑料容器存在以下問題： a．具有透氣性。制品中的氣體可能與大氣中的氣體進行交換，而使凍干品氧化、揮發(fā)。 b．具有透濕性。如聚氯乙烯膜，當膜的厚度為0.03mm時，在40℃、90%相對濕度條件下透濕速率為100g/(m2?d)。 c．具有吸著性。塑料中的物質可能遷移進入物料；同時制品中的物質（如防腐劑）也可以被塑料吸著，如尼龍就能吸著多種抑菌劑。高密度聚乙烯，其剛性、表面硬度、拉伸強度都較大；熔點、軟化點也較高；水蒸汽與氣體透過高密度聚乙烯的速率很低。所以，許多凍干品的包裝采用了高密度聚乙烯定形容器。3）橡膠橡膠主要用作玻璃容器的塞子，目前被廣泛使用。在橡膠成形過程中,加入了一些硫化劑、填充劑與防老劑等。在使用時這些添加劑可能污染凍干品；另外，橡膠也可能吸附藥物中的主藥和抑菌劑。特別是橡膠對于抑菌劑的吸附，會使抑菌效能降低。橡膠塞子中也會含有一定量的水份。貯存過程中橡膠塞子中水分的釋放，會對凍干品的品質產生一定的影響。試驗發(fā)現(xiàn)，對于橡膠塞子的瓶裝215mg的蔗糖凍干品，在室溫下貯存3個月，凍干品的水份含量從1.95％提高到2.65％。在平衡狀態(tài)下，水分從瓶塞中的解吸、水分被凍干品的吸收等過程，是與瓶塞的材料、瓶塞中水分含量以及凍干品的吸濕能力有關的；而且聚合物、橡膠硫化過程中的添加劑、填料，也都會影響瓶塞對水分的吸收和解吸。橡膠塞子的含水量，在很大程度上是與它“經歷的歷史”有關的。一般說來，經過蒸汽消毒的橡膠塞子，會吸收它本身重量1.1％的水份。這些水份要通過8個小時的真空干燥，或8小時的熱空氣干燥（110℃）才能降到0.1％。經蒸汽消毒后的塞子經過8小時的真空干燥后，釋放給乳糖的水份（曲線3），要比經蒸汽消毒后沒有經干燥處理的塞子傳給乳糖的水份（曲線1）少得多。

瓶裝凍干乳糖的水分含量與貯存時間和橡膠塞子處理方式的關系(4)玻璃化轉變溫度玻璃化轉變溫度可用來判斷凍干品的穩(wěn)定性。一般來說，凍干品的玻璃化轉變溫度越高，制品越穩(wěn)定。但玻璃化轉變溫度受水分含量、熱歷史等因素的影響而發(fā)生變化，即使對同樣的物料，凍干后的可能也會有所不同。水分含量越少，值越高。應當如何選擇貯存溫度，才能使凍干品長期保持穩(wěn)定?Frank認為，貯存溫度至少應該比玻璃化轉變溫度低20℃

，也就是說，如果希望在常溫下（25℃

）保持凍干品的穩(wěn)定性，那么物料的玻璃化轉變溫度值高于45℃

。(5)其他藥物多晶型處方中基質、復形劑與藥物之間的相互作用無定型保護劑的結晶

此外，凍干溶液的濃度、PH值、瓶內填充氣體的特性以及光照等因素均會對凍干品的穩(wěn)定性造成一定的影響。2.殘余水分含量在貯存過程中，殘余水分含量對制品的穩(wěn)定性有至關重要的影響。凍干生物制品的最終要求的剩余含水量（finalrequestedresidualmoisture）通?？刂圃?.0%～3.0%（wt/wt）之內，過多或過少的水分含量都會影響凍干品的質量。例如，過分干燥將導致活細胞死亡；而水分過多會導致蛋白質分子結構發(fā)生改變，而影響其活性。對凍干產品的含水量控制是十分重要的。防止封裝過程的再吸濕為了維持較低的水分含量，還必須防止凍干品在封裝過程中再次吸濕。例如，在凍干結束時立即將凍干室（如200升）直接打開，而進來的是20℃

、相對濕度為70%的空氣。此空氣的水分含量為1.3×10-2g/L，它則會將2.6g的水蒸汽帶進凍干室。如果干燥室中置有300個容積為1cm3的小瓶，每個小瓶中盛有1g的固體物料，那么待平衡時凍干物料的殘余水分含量將可能增加0.9%左右。瓶裝的凍干品最好在干燥箱中直接加蓋密封。對于體積較大的物料或是食品，干燥過程結束后，要向干燥室充入惰性氣體。如果充入的是干空氣，那么此干空氣中含水蒸氣的量必須極少。凍干物料中水分含量的測量方法常用的測量方法有重量測定法、KarlFischer法、熱重分析法等。在所有測量凍干品殘余水量的方法中，都必須確保凍干品不再從周圍環(huán)境吸收水分。例如，當把凍干品從一個容器轉移到另一個容器，或者對凍干品進行稱重，都必須在充滿惰性氣體或干燥氣體的隔離箱中進行，以防止凍干品吸濕。我們也可以在隔離箱中放置五氧化二磷，以保證干燥。操作時要帶上固定在箱體上的橡膠手套。原理：將被測產品放在真空容器中，在規(guī)定溫度和濕度下，用五氧化二磷作干燥劑吸收水蒸汽，從干燥過程中物料重量的減少來計算產品的含水量。此方法主要用來測量表面水和松散的束縛水。重量測量法要求房間內的空氣相對濕度維持在20～25%，溫度為20～25℃。實驗裝置包括分析天平、真空泵、電阻真空計、濕度計、干燥器等。測量前預先稱得空瓶重量G0；將凍干物料放至瓶中，在天平上稱得重量G1；然后置入干燥器中，用真空泵抽空，直至干燥器中的壓力低于13Pa；將干燥器密封，在真空狀態(tài)下放置三天后，通入干燥空氣，再次稱得重量G2，被測物料中的含水量（%）用下式計算含水量=用重量測量法來測量物料中水分含量時，待稱重的凍干品必須在100mg以上，必要時可以將幾個小瓶中的凍干品放在一起來稱量。重量測量法(GravimetricMethod)

卡氏滴定法(KarlFischerMethod) 卡氏滴定法屬于碘量法的一種，是德國人KarlFischer在1935年發(fā)明的。此法可以測量氣體、液體、固體物料的水分。原理是利用水與KarlFischer試劑的化學反應，根據(jù)容量分析法來確定含水量的。KarlFischer試劑是由碘、二氧化硫、吡啶以及甲醇組成。原理：碘氧化二氧化硫時需要一定量的水參與反應I2+SO2+2H2O→2HI+H2SO4

I2+SO2+H2O+3RN+R1OH→2RNHI+RNSO4R1此試劑中的碘起定量試劑作用；吡啶用來中和反應中產生的酸性物HI和H2SO4以確保反應的順利進行；二氧化硫是與碘結合，起到防止試劑蒸發(fā)的功能；甲醇既參與反應又作為反應生成物的溶劑。用卡氏滴定法測量時，所需的樣品量可以比重量分析法要少2-4倍。用卡氏滴定法來測量凍干品的殘留水分含量時，先將稱重后的凍干品溶于甲醇溶液中，用KarlFischer試劑進行滴定直到溶液由棕色變成黃色(甲基硫酸化合物(RNSO4R1))

時為止。“永停法”來判定卡氏反應的終點：在反應溶液中插入雙鉑電極，在兩電極之間加上一固定的電壓，若溶劑中有水存在時，則溶液中不會有電對存在，溶液不導電，當反應到達終點時，溶液中存在I2和I-電對，即：2I-=I2+2e因此，溶液的導電性會突然增大，在設有外加電壓的雙鉑電極之間的電流值突然增大，并且穩(wěn)定在我們事先設定一個閾值上面，即可判斷到了滴定終點，機器便會自動停止滴定，從而通過消耗KF試劑的體積計算出樣品的含水量。物料中含水量式中：a-滴定所需的KarlFischer試劑，ml；

f-KarlFischer試劑的滴定度，mg/ml；

m-物料質量，mg；以下幾種情況不適合用卡氏滴定法測量：凍干品與KarlFischer試劑中碘會起化學反應；凍干品不溶于甲醇；水分無法用甲醇提取出來。熱重（量）分析法(Thermogravimetry)

熱重分析法是測量試樣的質量變化與溫度關系的一種技術。熱重曲線是用熱天平記錄的。熱天平是由微量電天平、爐子、溫度程序器、氣氛控制器以及同時記錄這些輸出的儀器等部件所組成。測量時，將質量約在5-11mg范圍內的樣品放在樣品盤上。在程控升溫（如以10℃/min，從30℃升高至180℃）時，熱重曲線能紀錄樣品的質量損失的過程。此外，用來檢測凍干品殘余水分含量的方法還有氣相色譜法、水分分析儀、近紅外線光譜法、氚同位素法等。用重量法測出的凍干品的殘留水分含量，比用卡氏滴定法測量的結果要低0.3％－0.6％左右；而用熱重法測量的結果與用卡氏滴定法測量的結果比較接近。3.凍干品穩(wěn)定性的加速試驗測定方法

(1)長期試驗藥品的有效期或貯存限期，是指該藥品存放在規(guī)定容器或包裝中，并在標簽制定的條件下，貯存規(guī)定的時間后，藥品仍然能夠保持符合批準的質量標準的貯存時間。為了測定凍干物料的有效期，必須對它們進行長時間的穩(wěn)定性試驗。在各種穩(wěn)定性預測的試驗方法中，以室溫留樣的長期試驗最能準確地反映出實際情況，是制定制品有效期的依據(jù)。但其缺點是費時太長（數(shù)月至數(shù)年），不利于及時發(fā)現(xiàn)與糾正出現(xiàn)的問題。長期試驗是在藥品的實際貯存條件下進行，其目的是為制定藥物的有效期提供依據(jù)。市售包裝，在溫度25±2℃，相對濕度60%±10%的條件下放置12個月。每3個月取樣一次，分別于0、3、6、9和12個月，按穩(wěn)定性重點考察項目進行檢測。如12個月后仍需繼續(xù)考察，則分別于18、24和36個月取樣進行檢測。將結果與0月時的取樣進行性能比較，以確定藥品的長效期。(2)加速試驗加速試驗（acceleratedtesting）是在超常的條件下進行。其目的是通過提高溫度（如37℃

或42℃

）、加強光照等方式，以加速藥物的化學或物理變化，為藥品包裝、運輸及貯存提供必要的資料。按市售包裝，在溫度40±2℃

（或37±2℃），相對濕度75%±5%的條件下放置六個月。所用設備溫度的控制精度為±2℃，相對濕度的控制精度為±5%，并能對真實溫度與濕度進行監(jiān)測。在試驗期間分別于第1、2、3、和6個月取樣一次，按穩(wěn)定性重點考察項目檢測。高溫加速試驗光照加速試驗分別裝入透明容器內，放置在光櫥，或其他適宜的光照儀器內，在照度4500±500lx的條件下放置10天，于5天、10天時取樣，按穩(wěn)定性重點考察項目進行檢測，特別要注意供試品的外觀變化。關于光照裝置，建議采用定型設備“可調光照箱”；也可采用安裝日光燈的光櫥。櫥中試品臺高度可以調節(jié)，櫥上方安裝抽風機以排除可能產生的熱量。另外還配有照度計，可隨時檢測櫥內照度。光櫥應不受自然光的干擾，并保持