冻干工艺研究的思考及方法-郭柏松

冻干工艺研究的思考及方法上海东富龙科技股份有限公司郭柏松2012.02.11目录二、冻干工艺研究的思考及方法三、药品冻干工艺风险分析一、冻干工艺介绍四、东富龙冻干工艺研究室的任务一、冻干工艺介绍1、冷冻干燥技术的定义冷冻干燥是一个是稳定化的物质干燥过程，在该过程中，溶剂先结晶，在产品中形成一定的结构，然后靠升华和解吸附作用将溶剂的量减少至不足以维持生物生长和化学反应的程度。2、冷冻干燥技术的意义•正常的存放条件下，无菌制剂的各种剂型，尤其水针剂要经受许多最后会导致变性的化学反应。这些反应的结果会使药品的活性下降或者出现不希望有的副产品，因而失去药用价值。药品的有效期和药物动力学有关。因此，稳定化的处理是必要的而且是无菌药物制剂的生产过程中最后的一个步骤。•第一种方法使产品冻结。•第二种方法冷冻（冻结）干燥。冷冻干燥的优点：a低温下干燥可减少热敏性产品变性；b液态物料剂量准确；c可控制最终产品的含水量；d冻干后产品形状基本不变；e冻干产品表面积增加，可快速复水。所以冷冻干燥是最柔和的干燥方法。水的三相点为0.01℃和610.62Pa。要使温度处于三相点温度以下的冰进行升华，有两个途径：加热升温；抽空降压。实际上，同时进行。水的三相图•实现冷冻干燥的三个条件：•物料冻结使其中水分变成冰晶。•降压并维持环境的压力至三相点压力以下。•适当升温，维持其温度在饱和温度之上，以提高升华速率。预冻一次升华解析干燥冷冻干燥工艺过程药品冻干工艺研究的内容:应是参数、预冻、升华、解析干燥。处方、传热传质。只有深入的了解冷冻干燥工艺研究的内容，才能解决冻干药品的质量问题。降低能耗。•参数：产品的冷冻参数有过冷温度、结晶度、共晶温度、冻结温度。产品的升华参数有崩解温度、共熔点、玻璃化转变温度。A)过冷度：•指的是低于结冰点温度的度数。在结冰点，冰开始形成。例如，纯水的结冰点是0℃，如果冰核在-9℃时，则水的过冷度是9℃。在东富龙冻干机记录的冻干工艺曲线中，会经常看到制品温度第一个下降再上升的过程，其最低点就是过冷温度。在过冷条件下冰的生长速率和过冷度的平方成正比。C.S.Lindmeyer等(1957)报道过冷度5度时，冰的生长速率是1.0cm/sec，高过冷度会提高晶体生长速率，但是形成冰晶非常小(R.I.N.Greaves(1941),E.C.G.Lanyon(1941))。B.Chalmers报道，在过冷条件下形成的冰晶体是树枝状结构，树枝冰结构和六角形饼结构明显不同。•过冷度D)结晶度：•我们来讨论配方的结晶度，5%质量百分比浓度的尿素溶液冷冻时可以形成完全的玻璃态，即水和尿素的复合物。在该方式下会阻碍冰晶体的形成。在这个意义上，水保持过冷状态。冷冻含有不同成分的配方可以形成冰晶体。但是冰晶之间的区域可能会含有过冷状态的水。配方冷冻时结冰的量被定义为结晶度（D）•当结晶度接近0.5时，得到的产品块就不会再有海绵状的外观了，并且对通过产品块的水蒸汽气流的阻碍作用增大。样品中可冻结水的总量样品中冰的量结晶度共晶点温度：•一种是溶质可以结晶的产品；温度下降到冰晶体和溶质晶体的共晶混合物时，这时的温度就是产品的共晶点温度。•另一种是溶质不结晶的产品，温度下降到冰晶体和溶质以玻璃态形式冻结，基质的间隙区没有共晶点存在。这就意味着，冷冻或升温过程中，在基质的间隙区，除了冰的形成，没有明确的相变发生。间隙区物质表现为玻璃态。冻结温度：•比崩解温度低10℃，水的移动性为0.崩解温度(Tc)崩解温度是指间隙区的水的流动性为零时温度通过Lyostat2观察产品在干燥过程中变形或坍塌温度。•••崩解温度是升华干燥最安全的参数。•录像共熔点：完全冻结的制品，当温度升高到某一点时，开始出现结晶溶化，该温度称为共熔点温度或简称共熔点。玻璃化转变温度：玻璃化转变温度是指非晶态脉间区从冻结的固态转化为高弹的橡胶状态的温度。一般冻干曲线制定工作程序为：a）测参数。b)预冻的变化。c)确定冻结温度。d)确定升华干燥温度。e)一次升华结束判断。f)确定解析干燥温度。g)分析结果。冷冻产品的冷冻是很关键的一个阶段，冷冻产品的结构决定了该产品能否彻底冻干和在何种条件下实现。•药品冻结的显微现象(1).冷冻过程溶液在冷冻过程中溶质和溶剂存在一个相互分离的过程，大多数冻干药品是以水为溶剂，所以以水为例来说明溶液的凝结过程。随着温度的下降到某一温度时，水开始结晶，这时的温度是制品的过冷温度。由于结晶放热，制品温度开始升高后再下降，随着水结晶的增加，溶液的浓度会增加。根据产品的性质不同，这时会有两种情况：A)溶质可以结晶的产品，随着制品温度的下降，稀溶液变为浓溶液，并逐步成为饱和溶液，温度继续降低时，由于溶解度降低，将会有溶质析出，最后成为冰晶体和溶质晶体的共晶混合物，晶体的大小和冷冻速率有关，这时的温度就是产品的共晶点温度。这个过程也是一个放热过程，在冷冻曲线上也出现过冷和平台。B)溶质不结晶的产品，随着制品温度的下降，稀溶液变为浓溶液，温度继续降低时，溶液以玻璃态形式冻结，这时的温度就是产品的冻结温度。在冰晶的间隙中就形成了微观的玻璃态结构产品冻结时会有一个从粥状到固化的过程。所以我们会看到制品有一个尖状突起，这是产品固化时体积膨胀对粥状冰挤压的结果。在产品完全固化（刚性）时的温度是冻结温度。2).冷冻期间溶质特性•冷冻期间溶质特性符合以下四种形式的一种：a.溶质在冷冻期间易于结晶产生冰和溶质的混合晶体（共晶特性）•b.溶质在缓慢速率冷冻期间结晶以冷冻产品c.溶质只在冷却块升温期间结晶（比如在冷冻干燥早期或当产品在预冷冻期间类似于退火或回火工艺的故意升温）d.溶质在预冷冻期间不会结晶，但与部分未冻结水在玻璃态内保持无定形状态，与冷冻状态无关忽略溶液精确冻结特性，冰晶形成将是不均匀的。注重溶液的冻结特性是研究冻干工艺的重要部分。(3).冷冻方式：这里我们只谈目前一般冻干机的冷冻方式。溶液结晶的晶粒数量和大小除与溶液本身性质有关外，还与晶核生成速率和晶体生长速率有关，而这二者又都随冷却速率和温度的不同而变化。冷冻方式要根据产品的特性，采用慢冻、快冻、预冻退火a)慢冻：二种方式，一种是较长时间达到冻结温度，另一种是在共晶点附近（粥状冰）维持一段时间，再下降温度。对于产品炸瓶问题非常有意义。b）快冻，包含三种方式：1，产品进冻干机后，机器全速制冷2，产品进冻干机后，维持板温0℃左右（以制品不结冰为准），使制品处于液态较低的温度，再机器全速制冷3，先制冷板层至-30℃—-35℃，再放入制品，机器全速制冷。目前多数产品采用第一种方式。c）预冻退火：退火是指以一定的升温速率把冻结制品从冷却终温加热到低于其熔点的某一特定温度，并保持一段时间，然后再以一定的降温速率把制品冷却到冷却终温的过程。退火的优点：（1）退火能够改变冰晶形态和大小分布。（2）退火能够强化结晶。（3）退火可以提高非晶相冻结浓缩液的玻璃化转变温度。退火不仅可以改变冰晶的形态和大小分布，而且可以改变非晶态基质的形态和浓度，而这些改变对后继的干燥过程和冻干药品品质有着重大的影响。•录像24.升华干燥将冻结后的产品置于密闭的真空容器中加热，其冰晶就会升华成水蒸汽逸出而使产品脱水干燥，干燥是从外表面开始逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的空隙变成尔后升华水蒸气的逸出通道。已干燥层和冻结部分的分界面称为升华界面。在生物制品干燥中，升华界面约以每小时1mm的速度向下推进。当全部冰晶除去时，升华干燥就完成了，此时约除去全部水分的90%左右。•升华所需的能量取决于升华温度，所需能量一般通过三种不同方式传递给冰：（1）通过热表面的传导（2）通过气体的对流（3）通过搁板和容器的固体接触传导；•西林瓶底部如图：•很明显只有很小的一块面积（A）和搁板接触。这个面积只占瓶底面积的2%-5%•10ml西林瓶基础面积的频率分布图理想干燥产品的平面形状和实验中产品的曲线形状。出现这种情况的原因是瓶底和搁板面积接触很小。升华干燥是决定剂型质量的主要因素，一般冻干药品剂型质量问题主要发生在升华干燥阶段，所以产品升华干燥应注意下列因素：（1）产品冰层部分的温度应低于产品的共熔点或崩解温度。（2）产品干燥部分的温度必须低于药品允许的最高温度（不烧焦或变性）。（3）升华界面的温度应低于制品的崩解温度。•升华的速度取决于压力和温度，传热困难的条件，应注意调节压力，以求得压力和温度的平衡。压力调节的范围应低于该样品的崩解温度、共熔点冰的饱和蒸汽压以下。•升华干燥的参数：导热油温度、箱内压力、制品温度。不同温度时水蒸汽的压力T温度（℃）P压力（Pa）T温度（℃)P压力（Pa）601987006105012663-5412459560-10259407350-15186355610-20103304230-2560.6253170-3038.0202330-4012.9151700-503.99101220-601.075869-700.26•在实际冻干操作中，监测制品的冰层温度非常重要，温度探点应在最后冰层消失的位置，即小瓶中心瓶底往上1mm左右位置。5.解吸干燥•解吸干燥也称第二阶段干燥。在此阶段要除去不能被冻结的水。水被束缚在结晶产品的晶体表面或包埋在非晶形产品的内部。•解吸干燥对大多数产品来说，只是注意最高温度和水分，对剂型质量影响较小。•在一定时间段内产品温度趋近于板层温度的状态代表了第二阶段干燥过程的完成。最终产品块的残余含水量一般为0.5%-4%，根据产品种类和要求不同而不同。•处方产品处方或许是冻干过程中最重要的单独环节。冻干过程的性质，时间和费用直接取决于处方的化学和物理特性。在冷冻和干燥过程中对产品质量的影响因素•主要有三种效应会导致制品中活性组分的变性：a低温效应b冻结效应，包括冰晶的形成与生长、离子浓度的增加、pH变化以及相分离等c脱水效应。在储藏过程中对产品质量的影响•有许多因素都会影响冻干制品在储藏过程中的稳定性：如储藏温度、玻璃化转变温度、剩余水分以及处方中其他组分的类型和浓度等。•在长期储藏中，以蛋白类制品为例；可能发生蛋白质凝聚、脱酰胺作用、美拉德反应、氧化反应和水解作用等。处方的作用：a.增加冻干块状物结构稳定性（填充剂）。b.保护药品生产过程及储藏期的有效性（保护剂）。c.改变冻干参数，提高冻干效率。尽管它是冻干工艺的最重要的单独环节，人们并没有很好地理解它对干燥过程和最终产品特性的影响。(3).为了使冻干的产品有良好的自我支撑结构，配方里的固体物质总量通常不应少于2%。对固体物质少于2%的配方，冻干产品在干燥过程中可能破裂，在已知的例子里，甚至可能脱离容器。干燥过程中产品的损失能导致各个瓶之间活性成含量的显著不同。当处方中的固态物质含量超过30%（质量百分比）时，冻干产品的浓度可能会很高，这样可能会严重阻碍干燥过程中水蒸气的流动，进而会导致冻干时间的延长和最终产品湿度的增加。就要稀释该配方来减少其浓度。(4).保护添加剂的分类•按相对分子量分类•按保护剂功能和性质分类•按物质的种类分类(6).按相对分子量分类•A)低分子化合物：又可以分为酸性物质（谷氨酸、天冬氨酸、苹果酸、乳酸等）；中性物质（葡萄糖、肌醇、乳糖、蔗糖、甘露醇等）；碱性物质（精氨酸、组氨酸等）。B)高分子化合物•主要有白蛋白、明胶、可溶性淀粉、糊精、脱脂牛奶、血清等。•一般认为，低分子化合物在冻干过程中直接发挥作用，高分子化合物则是促进低分子化合物的保护作用。因此，制备保护剂处方时，多将低、高分子化合物配合使用。(7).按保护剂功能和性质分类a）冻干保护剂如甘油、二甲亚砜、海藻糖、蔗糖、聚乙烯吡咯烷酮等。b)填充剂如甘露醇、乳糖、明胶。c)抗氧化剂如维生素D、维生素E、硫代硫酸钠等。e)酸碱调节剂(8).按物质的种类分类•糖/多元醇类、聚合物类、表面活性剂类、氨基酸类和盐类等。•在处方中，有些物质只能起到某一特定作用，而有些物质可以同时起到几方面的作用。(9).冻干保护•由于冷冻干燥过程存在多种应力损伤，因此保护剂保护药品活性的机理也是不同的，可以分为低温保护和冻干