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1、 浅谈真空冷冻干燥技术用于生物制药的控制要点【中文摘要】随着干燥技术的不断发展，真空冷冻干燥技术这一技术越发凸显其优势！尤其是在生物制品的制剂生产。真空冷冻干燥技术与传统的干燥技术相比能够保留产品的生物和化学结构及其活性的完整性，特别是在蛋白多肽类药物的运用上，对于不耐热的药物也非常适合，工艺过程对组分的破坏程度小，复水性能好，便于临床运用。当然，冷冻干燥也存在着质量风险，我们可以通过控制生产过程中的管理要点，加强过程的控制。从而提高非最终灭菌制剂的无菌保证。【关键词】冷冻干燥，生物制药，质量风险真空冷冻干燥是将湿物料冻结到共晶点温度下，使物料中的水分变成固态冰，然后在较高真空环境下，通过给物
2、料加热，将冰直接升华成水蒸气，再用真空系统中的水汽凝结器将水蒸气冷凝，从而获得干燥制品的技术。该方法由于在低温及真空状态下完成对制品的脱水干燥，尤其是在生物药品中运用广范，因而成为医学生物制品中首选的干燥保存方法。1 冷冻干燥技术的历史早在1813年，英国的华莱斯顿(wollaston)发明了真空冷冻干燥技术；1890年Altman在制作显微镜下观察的组织和细胞切片时，为了保持原来的成分又不使样品变形，使用了该技术，从而创建了生物制品的冷冻干燥技术。真空冷冻干燥是将湿物料冻结到共晶点温度下，使物料中的水分变成固态冰，然后在较高真空环境下，通过给物料加热，将冰直接升华成水蒸气，再用真空系统中的水
3、汽凝结器将水蒸气冷凝，从而获得干燥制品的技术。真正真空冷冻干燥技术用于医药生物工业中，是在二战之后，人们冻干菌种、荷尔蒙、维生素、人血浆等等，各种形式的冷冻干燥设备在这个时侯相继出现，技术得到了进一步的提高。从国家药品监督管理局数据库得知，目前国内已有注射用重组人粒细胞巨噬细胞集落刺激因子、注射用重组人干扰素a2b、冻干鼠表皮生长因子、外用冻干重组人表皮生长因子、注射用重组链激酶、注射用重组人白介素-2、注射用重组人生长激素、注射用A群链球菌、注射用重组人干扰素a2b、冻干人凝血因子V、冻干人纤维蛋白原向苯三酚口服冻干片等冻干药品获准上市。2 真空冷冻干燥原理及过程中几个影响因素冷冻干燥过程是
4、水的物态变化和移动的过程，这种过程发生在低温低压的条件下，冷冻干燥是通过(低温)升华从冻结的生物产品中去掉水分或其他溶剂。水有3种聚合态(又称相态)，即固态、液态和气态，这3种相态之间达到平衡时必有一定的条件，这种条件称为相平衡关系。在水发生相变的过程中，当压力低于3相点的压力时，固态冰可直接转化为气态的水蒸气，这就是真空冷冻干燥原理的物理学基础。如图1由图1可知，水的三相点A (气、液、固三相共存)温度为0，压力为61033 Pa，在低于A点的固、气两相平衡线上，若给以足够的热量(升华潜热)，固态的冰可以直接升华为气态的水蒸汽逸出，而不经过转化为液态水的过程。药品冷冻干燥一般分3步进行，即预
5、冻结、升华干燥(或称第一阶段干燥)、解析干燥(或称第二阶段干燥)。2.1 预冻干燥阶段各种制品品在预冻后通常形成一种共晶状态，因此对于每一种需进行冷冻干燥处理的制品，都应找出其相应的共晶点温度，即制品中结构水冻结时的温度，而预冻温度也要求低于共晶点温度，最好低5-10。物料的冻结过程是放热过程，需要一定时间。为使全部产品冻结，一般在产品达到规定的预冻温度后，保持2h左右的时间。预冻的温度过高或者过低对冻干的结果都会具有影响。温度过高产品没有完全冻结，抽真空时会引起起泡、收缩、浓缩、喷瓶等不可逆变化的发生，不仅影响产品外观，更有可能造成冻干失败；温度过低不仅造成资源浪费，而且还会影响产品成型。所
6、以，我们需要试验一个合适的冷却速度，以得到较高的存活率、较好的物理性状和溶解度，且有利于干燥过程中的升华。预冻干燥中还需注意的就是真空度，真空系统的作用是排出从干燥室中抽出的不可凝性气体和空气，以建立能保持制品升华速率的真空度。高真空度有效地降低了水蒸气气流的阻力，同时在干燥过程中由于没有空气的存在，也就避免了氧化作用。但是产品降温阶段，由于板层温度始终低于制品温度，此温差引起压力梯度，导致产品中的水分不抽真空也会升华，在实际生产中，此时的升华所致的干燥层大多会阻碍以后的升华，使产品发生起皮、萎缩、分层等现象，严重时会造成冻干失败。对于此种情况，一般来说在产品入冻干柜后充人一定量的惰性气体，使
7、箱内成正压而减轻预冻阶段产品的升华可解决此问题。2.2 升华干燥阶段这是冷冻干燥中最主要的过程，目的是将上一阶段随产生的冰直接通过升华逸出。影响本阶段最主要的两个因素是压强和温度。2.2.1 升华干燥时的温度一般情况下升华阶段的温度应设定在共熔点以下，且越接近共熔点，升华速度越快。但在具体生产中，应该视产品的实际情况而定。对一些性质稳定、容易成型或加甘露醇等辅料比例较大的产品可以将温度一次升到允许的最高温度，升温时间可相应设置较长一些，虽然导热媒温度高于制品共熔点，但在一定真空条件下，开始时的热量都用于产品中水分的升华，而产品本身的温度并不会升高，因此并不会造成冻干失败，同时可以方便操作及缩短
8、生产周期。对于产品性状不稳定、较难生产或正在工艺摸索中的产品冻干，建议温度设定在在共熔点以下25升华，并进行阶梯式升温干燥，这样不仅安全有效，而且有利于观察各温度段产品的变化情况，进而完善冻干工艺。2.2.2 升华干燥时的真空度从理论上讲，压强越低(即真空度越高)，越利于升华。但实际操作中，在一定真空范围内更有利于产品升华。这主要是因为真空度对热量的传递和水分子的扩散均产生重要影响：真空度过低，导致升华速率明显下降；真空度过高，由于热对流传导太差，反而会使冻干速率下降。合适的真空度是缩生产周期和保证产品质量的前提，因此升华干燥阶段进行压强控制是十分必要的，且一般控制为153O Pa，该范围可将
9、冻干周期缩短至原来的1/22/3。2.3 解析干燥阶段在升华干燥结束后，产品内还存在着10%左右的水分吸附在干燥物质的毛细管壁和极性基团上，这一部分的水是未被冻结的。当它们达到一定含量，就为微生物的生长繁殖和某些化学反应提供了有效地条件。因此为了改善产品的储存稳定性，延长保存期，需要除去这些多余的水分，这也是解析干燥的目的所在：把残余的未冻结水分降低，使其质量分数达到2%左右。要除去这部分水，就需要克服分子间的力，因此需要更多的能量。可以把制品温度加热到允许的最高温度以下（以不破坏产品的生物活性为宜），维持一定的时间，如果制品共晶点较高，系统真空度也保持良好，也可采用一定的升温温度。但需要保证
10、制品在大量升华时温度不得超过共晶点。冻干药品中残留水分对冻干生物药品的影响很大，残留水分过多，生物活性物质容易失活，大大降低了稳定性，控制冻干药品中残留水分，关键在于解析干燥中再干燥的控制，温度要选择允许的最高温度，真空度的控制尽可能提高，持续时间越长越好，一般需要46小时。对于自动化程度较高的冻干机采取压力升高对残留水分进行控制，能够保证冻干药品的水分含量少于3%。此时压力控制的关键是回复高真空的时间，这样可加快升华速度，缩短干燥时间。3 冷冻干燥技术的质量分析及控制要点不同的生物制品有不同的质量指标。比如制品的含水率、储存的稳定性、还原性、活菌的存活率、疫苗的效价、活性等等。这些指标需要许
11、多专门仪器设备进行检验。如在冻干现场，全要根据制品的外形进行分析判断3.1 外形冻干制品正常情况下颜色均匀、保持冻干前体积，形状基本不变。如出现有硬壳、塌陷、破碎等现象，均属不正常外形，为不合格产品。制品出箱时，发现有干缩、塌陷、空洞等缺陷。主要原因是冻结温度过高或者冻结时间过短，制品没有完全冻结或第一阶段干燥时温度过高，压力过大，使部分制品熔化所致。在尚未冻牢时抽空升华，外部压力迅速降低而引起鼓泡熔化了的制品产生蒸发浓缩，就会呈萎缩形状，部分未干制品因加热过猛而熔化，则将会使已干部分的固体物质溶解于其中，造成已干部分熔化成空洞或塌陷。还有可能是干燥时间不够或者温度太低，若温度计、真空表正常，
12、连续几批次制品出现出箱后不久萎缩，干燥不彻底的情况，则应延长干燥时间，在尽可能的情况下提高升华温度。因此，操作时，一定要使产品冻牢，完全掌握其冻干时间。升华时不能超过产品的共晶点温度，其固体部分不能超过崩解温度。冻干制品颜色不均匀，主要原因是分装后搁置时间太长，溶液中部分物质析出或不溶成分发生沉淀。操作时，需注意时间，并且指定详细的时间表，严格按照规定的时间生产。冻结速率太快、晶体过细，会引起冻干制品发生灰散、破碎、空洞、升华速率也会随之减慢。需要延长干燥时间，或降低冻结速率。参考文献1 胡纲. 真空冷冻干燥过程中几个影响因素J. 化工装备技术,2004,25(6)2 李志平 真空冷冻干燥技术分析研究及应用J四川食品与发酵,2005,41(3):51-543 韩娜. 真空冷冻干燥技术研究进展J. 食品工程,20074 姚明春. 药品冷冻干燥技术的研究J 中国医药导报,2007,4(36):245-2465 曹筑荣,贺丽清,梁铃. 冷冻干燥技术用于生物制药的研究进展J. 长江大学学报(自然科学版),2010,7(2)第 5 页 共 5 页