北京四环——冻干工艺优化方法之退火工艺设计（一）

前言

冷冻干燥工艺三个步骤：

预冻

—次干燥

二次干燥

其中预冻阶段除了将液体冻结为固体，还有将溶质与溶液通过相变进行分离的作用，因此一个好的预冻工艺不仅决定了后续步骤中干燥的效率，也会影响产品的关键质量属性（如：产品的水分，复溶速率等）。而在预冻工艺的设计中，退火是优化冻干工艺非常重要的一个手段。

预冻过程介绍

在退火程序开始前，溶液已经经历了一次预冻过程被冻结成固体，此时固体的组成对研究退火工艺至关重要。可以通过二元相图进行简要的描述预冻过程。

阶段一：

(A→B→C→D)溶液从室温A开始降温，到达冰点B，由于无晶核存在，不发生结晶，从而形成过冷溶液，当到达C点时，形成晶核，发生结晶，整个溶液温度会回到冰点D点让水继续结晶。

阶段二：

(D→Te)随着水结晶增多，未冻结相溶质浓度增大，当到达共晶点Te时，理论上会形成共晶体，但是实际上会有部分溶液无法形成共晶（根据溶质性质，形成共晶的比例会不同)

阶段三：

(Te→E→Tg’）非晶态溶液继续降温形成过饱和溶液，最终在Tg’点完全固化，形成玻璃体，同时玻璃体中也会包含部分未来得及结晶的水分子即结合水。

阶段四:

(Tg’→F）进一步降温，这时结晶相和非晶相比例不会改变，此时形成了一个即有水的冰晶，共晶体，玻璃体的混合物。

以上的四个阶段都是理想的状况，而实际的预冻过程会更加复杂，预冻速率的加快会加重这种复杂程度，首先有部分水分子没有来得及按照理想状况形成晶格，而被包裹进非晶相溶液中；其次结晶快速生长会将非均相溶液分散隔绝开，不同区域内溶质浓度、性质区别也很大，如表面富集现象。

退火的原理

退火程序是将已冻结样品由温度F点升高到一定温度维持，再降低到F点冻结的过程。

从动力学角度来看，退火过程遵循吉布斯-居里-乌洛普的表面能理论：晶体的平衡形状应该是使晶体单位体积具有最小的总表面积自由能，简单来说就是表面积；体积比值趋向于最小化，即小的体积变成大体积，片状变成球状或圆柱状。

从热力学角度来看，退火过程中存在两个变化，非晶态物质在高于Tg’时粘度会随温度升高而降低，从而发生流动、聚合；晶态的物质，小的冰晶分子会向大的冰晶迁移。

四环冻干机

四环福瑞科仪科技发展（北京）有限公司法人由原北京四环科学仪器厂有 限公司技术研发和管理负责人担任，是为客户提供专业真空冷冻干燥设备及解 决方案的服务供应商。我们秉承“以客户为中心，追求最高的客户满意度”的 服务理念，个性服务、创新设计、高效处理、可靠保障，可根据用户需求提供 和设计单个或多个符合 GMP 相关标准的冻干设备配套系统，如负压和无菌隔 离器、自动进出料及外置 CIP 等系统。 

我们以共赢发展为本，技术服务为根，在臻于完善中与众不同，在持续发 展中追求卓越。

#01 退火工艺参数的设计：

依据预冻过程和退火的原理可知，退火涉及三个关键工艺参数:退火温度，退火维持时间，退火后降温时间。

根据热力学原理，退火温度应高于最大浓缩液玻璃化转变温度(temperature of vitreoustransformation) Tg’，因为只有高于此温度时，已固化的非晶相才会回复成溶液状态，促进非晶态溶液中的水和其他物质重新结晶。有的文献认为应小于或等于共熔温度，因为在此温度才更有利于重结晶，而有的重结晶现象可以直接在热分析图谱中直接看到。因此DSC热分析是研究退火条件的重要手段。

甘露醇/蛋白溶液DSC分析曲线

退火维持时间，应该由溶质的结晶性质，退火的温度和装载高度等诸多因素决定，因此目前还没有合适的数学模型。

#02 退火的意义：

退火能够促进结晶增长，扩大升华孔道，减小升华阻力，缩短冻干时间，并且容易获得优雅的外观。有实验研究表明，2%甘露醇冻干后的横截面，在-3℃退火4小时后，孔径由原来90μm变成了120m孔，初次干燥时间由1030min减小到790min。(以下两组照片能明显看出不同预冻速率冻干后粉饼区别)

初次冻结过程由于成核温度的差异产生不同的晶粒形态和大小，从而使升华干燥不均匀，退火过程中的重结晶可减小这种差异，使产品更加均一。

退火过程能够释放出非晶态中可结晶物，提高非晶相Tg’，如甘氨酸和蔗糖(1:1）配方在-20°℃下退火，可使甘氨酸结晶析出，产品的Tg’由-44℃升高至-33℃，而且充足的结晶性骨架可以保证粉饼即使在高于Tg’的温度进行初次干燥，依然能维持良好的外观，这样就能大大提高允许的干燥温度，缩短冻干周期。

退火过程能够释放出非晶态中的水分，使其重结晶，而使解析干燥变得容易。同时使冻干粉Tg升高，从而提高稳定性。但是需要注意的是，退火过程会造成冷冻浓缩液相分离，浓缩液中蛋白质在固液界面处可能发生变性。

总结

应用QbD的理念，在设计冻干工艺过程中，预冻阶段是否退火及退火工艺参数的是必须要考虑的内容，可以通过溶质的性质，装填体积等信息及DSC热分析，电镜扫描等检测结果进行综合考虑。一个经过良好设计的退火工艺不仅能大大缩短冻干周期，而且能够提高冻干粉的稳定性。

四环冻干机

四环福瑞科仪科技发展（北京）有限公司法人由原北京四环科学仪器厂有 限公司技术研发和管理负责人担任，是为客户提供专业真空冷冻干燥设备及解 决方案的服务供应商。我们秉承“以客户为中心，追求最高的客户满意度”的 服务理念，个性服务、创新设计、高效处理、可靠保障，可根据用户需求提供 和设计单个或多个符合 GMP 相关标准的冻干设备配套系统，如负压和无菌隔 离器、自动进出料及外置 CIP 等系统。 

我们以共赢发展为本，技术服务为根，在臻于完善中与众不同，在持续发 展中追求卓越。

药品冷冻干燥原理

       原理:指把药品溶液在低温下冻结，然后在真空条件下升华干燥，除去冰晶，待升华结束后再进行解吸干燥，除去部分结合水的干燥方法。该过程主要可分为:药品准备、预冻、一次干燥(升华干燥 )和二次干燥(解吸干燥)、密封保存等五个步骤。药品按上述方法冻干后，可在室温下避光长期贮存，需要使用时，加蒸馏水或生理盐水制成悬浮液，即可恢复到冻干前的状态。

技术优势

与其它干燥方法相比，药品冷冻干燥法具有非常突出的

优点和特点:

• 药液在冻结前分装，剂量准确；

• 在低温下干燥，能使被干燥药品中的热敏物质保留下来；

• 在低压下干燥，被干燥药品不易氧化变质，同时能因缺氧而灭菌或抑制某些细菌的活力;

• 冻结时被干燥药品可形成“骨架”，干燥后能保持原形，形成多孔结构而且颜色基本不变;

• 复水性好，冻干药品可迅速吸水还原成冻干前的状态;

• 脱水彻底，适合长途运输和长期保存。
  

冻干曲线设计（预冻过程）

冻干曲线设计（升华干燥）

冻干曲线设计（解析干燥）

四环冻干产品系列

关于四环冻干

       四环福瑞科仪科技发展（北京）有限公司法人由原北京四环科学仪器厂有 限公司技术研发和管理负责人担任，是为客户提供专业真空冷冻干燥设备及解 决方案的服务供应商。我们秉承“以客户为中心，追求最高的客户满意度”的 服务理念，个性服务、创新设计、高效处理、可靠保障，可根据用户需求提供 和设计单个或多个符合 GMP 相关标准的冻干设备配套系统，如负压和无菌隔 离器、自动进出料及外置 CIP 等系统。 我们以共赢发展为本，技术服务为根，在臻于完善中与众不同，在持续发 展中追求卓越。 

个性服务：

专业沟通，科学分析，根据用户需求和物料 特性提供精准设备方案。

创新设计：

需求牵引，高端配置，结构紧凑，操作维护简单。

高效处理：

数字全程控制，实现系统优化，物料冻干高效。

技术保障：

快捷高品质的全寿命质量周期服务，保障产 品稳定可靠安全运行。

冷冻干燥技术是将含水物料预先冻结后在真空状态下进行升华而获得干燥物料的方法，干燥后物料原有的化学、生物特性基本不变，易于长期保存，是一种优良的干燥方法，被广泛应用于食品、生物制品、医药、化工、材料制备等各个领域。而在冷冻干燥过程中，物料的共晶点和共熔点是冻干工艺中重要的2个参数。物料的共晶点是指物料中的水分全部冻结时的温度。物料的共熔点是指完全冻结的物料，当温度升至某一值时，物料内部的冰晶开始熔化时的温度。由于冷冻干燥是在真空状态下进行，只有产品全部冻结后才能在真空下进行升华，否则有部分液体存在时，在真空下不仅会迅速蒸发，造成冻干产品鼓泡，因此冻干产品升华时物料预冻温度要低于物料共晶点5～10℃，保证物料完全冻结，同时在干燥时加热温度不能高于物料的共熔点，否则在物料内部将会产生气泡或充气膨胀，出现融化和干缩现象，影响冻干制品的质量。

北京四环福瑞冻干技术适用于液态物料的共晶点和共熔点测试。

一、共熔点测试

需要冻干的产品，一般是预先配制成水的溶液或悬浊液，因此它的冰点与水就不相同了，水在0℃时结冰，而海水却要在低于0℃的温度才结冰，因为海水也是多种物质的水溶液。实验指出溶液的冰点将低于溶媒的冰点。
   另外，溶液的结冰过程与纯液体也不一样，纯液体如水在0℃时结冰，水的温度并不下降，直到全部水结冰之后温度才下降，这说明纯液体有一个固定的结冰点。而溶液却不一样，它不是在某一固定温度完全凝结成固体，而是在某一温度时，晶体开始析出，随着温度的下降，晶体的数量不断增加，直到Z后，溶液才全部凝结。这样，溶液并不是在某一固定温度时凝结。而是在某一温度范围内凝结，当冷却时开始析出晶体的温度称为溶液的冰点。而溶液全部凝结的温度叫做溶液的凝固点。因为凝固点就是融化的开始点（既熔点），对于溶液来说也就是溶质和溶媒共同熔化的点，所以又叫做共熔点。共熔点才是溶液真正全部凝成固体的温度。
    共熔点的概念对于冷冻干燥是重要的，因为冻干产品可能有盐类、糖类、明胶、蛋白质、血球、组织、病毒、细菌等等的物质。由于冷冻干燥是在真空状态下进行，只有产品全部冻结后才能在真空下进行升华，否则有部分液体存在时，在真空下不仅会迅速蒸发，造成液体的浓缩使冻干产品的体积缩小；而且溶解在水中的气体在真空下会迅速冒出来，造成象液体沸腾的样子，使冻干产品鼓泡，甚至冒出瓶外。为此冻干产品在升华开始时必须要冷到共熔点以下的温度，使冻干产品真正全部冻结。
二、共晶点测试

共晶点是指物料中水分完全冻结成冰晶时的温度。在升华过程中，物料温度应维持在低于而又接近共融点的温度。也指物料中游离水分完全冻结成冰晶时的温度。在溶液的冻干过程中，非常有必要知道溶液的共晶点，因为这将有助于控制预冻和升华过程。在真空冷冻干燥过程中Z关键的条件就是控制物料温度保持在共晶点温度以下10-15℃，从而保证物料不熔化，维持微孔结构和理化性质保持完好不变。

在冻干过程中，物料预冻的Z终温度以其共晶点为依据，干燥加热时物料的温度以其共熔点为依据。物料的共晶点是指物料中的水分全部冻结时的温度。为保证物料完全冻结，预冻温度要比物料的共晶点低5-10℃。若预冻温度过低，则增加能耗和生产成本；若预冻温度高于共晶点，则不能保证物料中的水分完全冻结，物料内部水分将不能完全以冰的形式升华，导致物料在干燥过程中发生收缩和失形等问题。另外，未冻结的水分中所含溶质，在干燥过程中可能随内部水分向物料表面迁移，出现冻干制品表面硬化现象。物料共熔点是指完全冻结的物料，当温度升至某一值时，物料内部的冰晶开始熔化时的温度。干燥时加热温度不能高于物料的共熔点，否则在物料内部将会产生气泡或充气膨胀，影响冻干制品的质量。

常规测定共晶点/共熔点的方法是电阻法，故准确地测定物料的共晶点与共熔点，对冷冻干燥工艺的制定和冻干过程的优化控制就显得尤为重要。

三、测试仪的主要特点

1. 智能化自动判断物料共晶点和共熔点。

2. 采用两行式液晶显示屏，直接显示物料的共晶点和共熔点。

3. 实时显示当前物料温度。

4. 性能稳定、可靠，操作简单。

四、使用条件

1. 正常工作条件：环境温度：5℃～30℃

相对湿度≤85%

电源电压：AC（220V±22）V  （50±1）Hz

工作环境应通风良好，没有导电尘埃、爆炸性、腐蚀性气体及强电磁场干扰。

2. 运输贮存条件：环境温度：≤30℃

相对湿度：≤85%

贮存环境应通风良好，无腐蚀性气体。

五、操作步骤

1、共熔点测量法

1）将一对白金电极浸入液体产品之中，并在产品中插一温度计，把它们冷却到-40℃以下的低温，然后将冻结产品慢慢升温。

2）用惠斯顿电桥来测量其电阻，当发生电阻突然降低时，这时的温度即为产品的共熔点。电桥要用交流电供电，因为直流电会发生电解作用，整个过程由仪表记录。

2、共晶点测试仪测量方法

1）将待测试的物料装入西林瓶中，调节支架高度，使共晶点测试仪的探头能浸入物料液面下，再锁紧调节螺钉。

2）将测试仪探头、支架以及装有物料的西林瓶放入冻干机内，关闭冻干机门。

3）将共晶点测试仪的电源插头连接上220V交流电源插座中。

4）打开电源开关，共晶点测试仪即自动进入共晶点共熔点测定程序。此时开启冻干机进行相应冷冻与加热操作即可。

1.冻干的应用

干燥是保持物质不致腐败变质的方法之一。干燥的方法许多，如晒干、煮干、烘干、喷雾干燥和真空干燥等。但这些干燥方法都是在0℃以上或更高的温度下进行。干燥所得的产品，一般是体积缩小、质地变硬，有些物质发生了氧化，一些易挥发的成分大部分会损失掉，有些热敏性的物质，如蛋白质、维生素会发生变性。微生物会失去生物活力，干燥后的物质不易在水中溶解等，更谈不上外观或性能的恢复，因此干燥后的产品与干燥前相比在性状上有很大的差别。

冷冻干燥就是把含有大量水分的物质，预先进行降温冻结成固体，然后在真空的条件下使水蒸汽直接升华出来，而物质本身剩留在冻结时的冰架中，因此它干燥后体积不变，疏松多孔。

冻干过程

1.1.冷冻干燥的特点∶

一．冷冻干燥在低温下进行，因此对于许多热敏性的物质特别适用。如蛋白质、微生物之类不会发生变性或失去生物活力。食品的营养成分和风味损失很少，可以ZD限度地保留原有的成分、味道、色泽和芳香。因此在医药、食品、植物学等方面得到广泛地应用。

二．在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小，适合一些化学产品，药品和食品干燥。

三．在冷冻干燥过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因此能保持原来的性状。

四.由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。

五．由于物料在升华脱水以前先经冻结，形成稳定的固体骨架，所以水分升华以后，固体骨架基本保持不变、干制品不失原有的固体结构，保持着原有形状，多孔结构的制品呈海绵状具有很理想的速溶性和快速复水性。

冻干后的产品结构

六.由于物料中水分在预冻以后以冰晶的形态存在，原来溶于水的无机盐之类的溶解物质被均匀分配在物料之中。升华时溶于水中的溶解物质就地析出，避免了一般干燥方法中因物料内部水分向表面迁移所携带的无机盐在表面析出而造成表面硬化。

七．由于干燥在真空下进行，氧气极少，因此一些易氧化的物质得到了保护，同时因低温缺氧能灭菌或YZ某些细菌的活动。

八.干燥能排除 95-99%以上的水份，使干燥后产品能长期保存而不致变质。因脱水彻底、重量轻、 适合长途运输和长期保存。在常温下采用真空包装保质期可达3—5年。冷冻干燥是保存生物特性敏感的组织及组织成份的ZJ方法。因此，冷冻干燥目前在医药工业，食品工业，科研和其他部门得到广泛的应用。

九．真空冷冻干燥的主要缺点是设备的投资和运转费用高，冻干过程长，产品成本高，但由于冻干后产品重量减轻运输费用减少了，能长期贮存，减少了物料变质损失，对某些农副产品深加工后减少了资源的浪费，提高了自身的价值。例如干血浆、干粉针剂。

 四环福瑞科仪科技发展（北京）有限公司

            四环科仪科技发展河北有限责任公司 

欢迎咨询四环我们，我们有专业的顾问为您解答！