第四章 冻干机工艺的一般原则和标准操作规程

第四章冻干工艺的一般原则和标准操作规程

第一节冻干工艺的一般原则

制品的冻干过程是一个较为复杂的工艺过程。它不仅要求该过程严格遵守制品的冻干工艺曲线，而且要求所使用的冻干设备也同时能够满足它的要求。本章节对冻干工艺的一般过程提出一些指导性原则,仅供操作人员在使用的过程中，结合自身制品的特性进行参考。

冷冻干燥过程共分三个过程，即预冻结过程、升华干燥（第一阶段干燥）过程、解析干燥（第二阶段干燥）过程。

一、预冻结过程

预冻是冷冻干燥的第一步，在预冻结过程中，预冻速率、预冻温度和预冻时间是影响后面过程的主要因素。若预冻没有冻好，产品冻结不实，在进入第一阶段升华干燥时，产品可能出现“沸腾”现象而引起喷瓶，或冻干后制品表面凹凸不平，影响外观；如果冷的过低，则不仅浪费了能源和时间。而且对某些产品还会降低存活率。因此预冻之前应确定以上三个数据。

1、预冻速率

预冻速率的快慢，对制品冻结中晶粒的大小、活菌的存活率和升华的速率均有影响。一般来说，慢冻晶粒大，产品外观粗糙，不容易损伤活菌，但升华速度快；而速冻则与此相反。

因此，需要选择一个合理的冷却速度，以得到较高的存活率，较好的物理性状和溶解度，且利于干燥过程中的升华。

2、预冻温度

预冻温度必须低于制品的共晶点温度，根据预冻的方法不同而略有差异，一般来说，搁板温度应低于制品共晶点5～10℃。各种制品的共晶点温度是不同的，同一制品而不同浓度的制品的共晶点温度也会有所不同。需要进行严格的测试才能得到。

3、预冻时间

预冻所需的时间要根据不同的具体条件来确定。总的原则是，应使制品的各部分完全冻牢。

通常冻干箱的搁板从室温25℃降到-40℃约1.5小时。在达到预冻温度后再保持1～2小时，确保整箱全部制品完全冻结。预冻时间仅是个经验值，根据冻干机不同，总装量不同，物品与搁板之间接触不同，预冻的时间会有差异。具体预冻时间可由实验测得。

二、升华干燥过程

在升华干燥阶段要考虑三方面的因素：产品中的温度分布，升华时的温度限制，升华速率。1、产品中温度分布

产品中冰的升华是在升华界面处进行，升华时所需的热量由加热设备（通过搁板）提供。

图4-1升华界面和升华时的传热传质

图中：T―搁板温度；TE―冰核温度；

Tp―已干制品温度；T2―升华界面温度；

P―压力；Ps―升华界面压力。

如上图所示：图中T为搁板温度；TE为冰核温度；TP为已干制品温度；TS为升华界面温度；P 为压力；PS为升华界面压力。从搁板传来的热量由下列途径传至升华界面：（1）固体的传导。由玻璃瓶底与搁板接触部位传到玻璃瓶底，穿过瓶底和产品的冻结部分到达升华界面；（2）辐射。上搁板的下表面和下搁板的上表面向玻璃瓶及产品干燥层上面辐射，再通过玻璃瓶及冻结层或已干燥层的导热到达升华界面；（3）通过搁板与玻璃瓶外表面间残存的气体的对流。由于传热中必需有传热温差，且各段传热温差与其相应热阻成正比，所以产品中形成了图中所示的温度分布。

2、升华时的温度限制

产品升华时受下列几种温度限制：

（1）产品的冻结部分的温度应低于产品共溶点温度；

（2）产品干燥部分的温度必须低于其崩解温度或容许的最高温度（不烧焦或性变）；

（3）最高搁板温度。

当温度上升到一定数值时，液态产品已干部分构成的“骨架”，钢度降低，变得有粘性而塌陷，封闭了已干部分的海绵状微孔，阻止升华的进行，升华速率减慢，所需热量减少，产品热过剩而熔化报废，这种现象称为崩解。发生崩解的温度叫崩解温度。所以掌握产品的崩解温度是很重要的。崩解温度主要由溶液和成分所决定。过低的崩解温度会延长干燥时间，甚至是设备所不能达到的。这可以通过选择合适的添加剂来提高崩解温度。

搁板的温度应根据产品的温度、冻干箱真空度、冷凝器的温度来确定。为了提高第一阶段的升华速度，可将搁板温度一次升高至制品允许的最高温度以上；待大量升华阶段基本结束时，再将板温降至允许的最高温度，但是为了避免搁板温度过高而产生变性或烧坏，搁板温度应限制在某一安全值以下。

3、升华速率

纯冰的升华速率：纯冰的绝对升华速率是随冰升华面温度T时饱和蒸汽压的增大而增大，升华的饱和蒸汽压是与升华面温度T成正比，因此，升华速率是随着升华面温度的升高而增大的。所以升华面温度越高，其升华量G也越大。

在冷冻干燥产品时，若传给升华界面的热量等于从升华界面逸出的水蒸汽升华时所需的热量时，则升华界面的温度和压力均达到平衡，升华正常进行。若供给的热量不足，水的升华夺走了制品自身的热量而使升华界面的温度降低，若逸出的水蒸汽少于升华的水蒸汽，多余的水蒸汽聚集在升华界面使其压力增高，升华温度提高，最后将导致制品溶化。所以，冷冻干燥的升华速率一方面取决于提供

的给升华界面热量的多少；另一方面取决于从升华界面通过干燥层逸出水蒸汽的快慢。

产品的升华速率主要由给搁板的供热能力和冷凝器的捕水能力决定。在操作上只要是干燥箱的压力维持在允许的最高压力以下，升温速率就允许进一步提高。干燥时间决定于升华速率，而升华速率又决定于制品允许的最高温度、向制品供热的多少和排除升华水蒸汽的快慢。这些因素都可以用控制搁板的最高温度和箱内压力来控制。

正常的升华速率大约每小时使产品下降1毫米的厚度，因产品的分装厚度不同，升华时间会增加或减少。厚度大，升华时间也长。

要提高升华速率，可以从以下几个方面来控制：

（1）冻层底部或干层表面的温度在允许的最高值以下尽可能高。

（2）制品厚度越薄其热阻和流动阻力越小，热量和质量传输越快，升华速率越高，但每批制品的产量与厚度成正比，而每批加工的辅助工作量又大致相等，因而制品太薄会造成产品总成本的提高。由厚到薄之间存在一个总成本最低的最佳温度。一般来说，生物制品的厚度为１０～１５mm

（3）冻结层的导热系数主要决定于制品的成分，已干燥层的导热系数还决定于其压力和气体的成分。为了提高冻干层的导热系数，箱内压力越高越好，但箱内压力越高，也可视为Pe越高，又会使水蒸汽不易从升华面逸出，造成升华面温度过高，冻层溶化和干层崩解。为了两者兼顾，根据产品的不同一般可将箱内压力控制在13Pa-130Pa之间。

（4）水蒸气的排除还取决于干燥层的阻力Rd和干燥层表面到水汽凝结器之间的空间阻力Rs。由实验可知，Rd 比RS 大6～10倍，也就是说，穿过已干多孔层的水蒸汽的流率大体上决定了干燥速率。而Rd主要与干燥层厚度和晶料大小形状有关。一般来说，粗大而连续的网状冰晶，升华后也形成粗大而连续的网状网状间隙通道，水蒸汽逸出时流动阻力较小，升华速率快。细小而不连续的冰晶结构则相反，不仅水蒸汽逸出通道小，而且在这些不连续的空隙之间，水蒸汽是靠渗透穿过已干的固体膜层的，很难干燥。

三、解析干燥过程

解析阶段的时间长短取决于下列因素：

①产品的品种：最高许可温度较高的产品时间可相应短些；

②残余水份的含量要求低的产品，干燥时间较长，产品的残余水份的含量应有利于该产品的长期存放，太高太低均不好；

③冻干机的性能：真空度高、冷凝器降温强度高的冻干机，其解吸干燥的时间可短些；④是否采用压强控制法，此法改进传热，可以缩短解析干燥的时间。

四、冻干过程结束点的判断

是否结束冻干的判断方法如下：

产品温度已达到最高许可温度，并在这个温度保持2h以上的时间；关闭冻干箱和冷凝器之间的阀门，注意观察冻干箱的压力升高情况（这时关闭的时间应长些，约30-60s）。如果冻干箱内的压力

没有明显的升高，则说明干燥已基本完成，可以结束冻干。如果压力有明显升高，则说明还有水份逸出，要延长时间继续进行干燥。直到关闭冻干箱冷凝器之间的阀门之后无明显上升为止。

五、冷冻干燥工艺控制实例

冻干工艺主要包括前处理、预冻、干燥和后处理。对某种物料都应该制定出合理的冻干工艺曲线，并给出冻干机的操作时序。下面是南海朗肽药品生产工艺控制的两个实例:

图4-2 国家一类新药bFGF的冷冻干燥进程图

图4-3 外用重组人碱性成纤维细胞生长因子冷冻干燥进程图

第二节真空冷冻干燥的标准操作规程

在冻干机运行中，操作者应严格按照操作规程进行各项操作，具体参数如温度、真空度、时间等，可根据具体冻干制品，根据工艺要求进行调整。

一、冷冻干燥的操作规程

在水压力，气压力满足启动条件时，方可进入前箱预冷阶段。

1、前箱预冷

进入前箱预冷阶段后，按设定选择开启循环泵；然后开启第一压缩机及对应的板冷阀；随后再分别开启另外一台压缩机及相应板冷阀。

当制品温度已达到设定值时，用一台压缩机继续对前箱进行制冷，保持设定的温度值一段时间（2～3小时），另外的压缩机则可转入下一阶段，对后箱进行制冷。当运行阶段到达设定的“开始升华”设定值时，前箱预冷完成，开始进行后箱预冷。

2、后箱预冷

后箱预冷时，首先，应关闭所有板冷阀；再开启各自冷凝器阀。

在后箱制冷的过程中，可将压缩机进行前、后箱供冷切换，以保证前箱预冷过程中，制品温度的恒定。当后箱盘管温度达到设定值时，开始运行预抽真空。

3、预抽真空

预抽真空要先开启真空泵；再开启小蝶阀；然后再开启中隔阀；当到达设定的时间，内真空度达到设定要求；则开始运行升华控制。

4、升华控制

首先开启电加热，再关闭掺冷阀。

升华过程共分为二个阶段：第一阶段干燥和第二阶段干燥。第一阶段干燥也称为升华干燥，此过程将有大量的水分从制品中升华出来，因此需严格控制真空度。对制品的加热速度不易过快，真空度的控制，以其对应的温度不超过制品的共熔点为准。第二阶段干燥又称为解析干燥。在此过程中，由于水分不易升华，可通过调节干燥箱内的真空度来加速升华速率（循环压力法），上限压力可根据制品的冻干工艺进行设置。运行阶段到达设定的最后阶段并且温度、时间都满足要求时，即可结束升华控制，并进行终点判断。

5、终点判断

判断终点首先要关闭中隔阀，达到设定的时间后才能进行终点判断，如果泄漏量低于设定值则会自动运行结束；泄漏量高于设定值则报警，继续进行第二次阶段干燥，直到泄漏量低于设定值为止。

6、自动结束

先关闭小蝶阀；然后依次关闭真空泵；压缩机；冷凝器阀；循环泵。

二、在位消毒的操作规程

在消毒之前，要打开夹套排水阀，排空夹套中的水。在水压力、蒸汽压力、压缩空气压力满足要求的条件下方可启动消毒程序。

1、建立真空系统

在开启水环泵进水阀之后，依次开启水环泵；水环泵隔离阀、后箱排出阀；在此操作结束后再开启中隔阀；然后开启前箱排出阀；判断门插销是否已全部插入，如果有门插销信号，则门插销进。时间到后，关闭水环泵隔离阀；之后依次关闭水环泵、水环泵进水阀；进水进汽阀；蒸汽总阀。

2、蒸汽消毒

蒸汽进入箱体，后箱内的压力会逐渐升高，当箱内压力大于或等于30Kpa时，打开总排出阀；之后再关闭总排出阀,打开疏水器阀，开始累计消毒时间。当消毒温度大于或等于设定温度时，开始累计计时。当消毒时间和F0值都达到设定要求，消毒结束。关闭蒸汽总阀；关闭疏水器阀；打开总排出阀。

3、消毒干燥

首先判断箱内压力是否降到10KPa，达到后，关闭总排出阀、门插销进；之后依次打开水环泵进水阀；打开水环泵；打开水环泵隔离阀时开始记录干燥时间。关闭进水进汽阀；消毒干燥时间到后判断是否有门信号？如果有，开启门插销出。判断门插销是否全部拔出？时间到后未全部拔出则报警，若时间内或报警后拔出则依次关闭水环泵隔离阀、水环泵、水环泵进水阀、前箱出水阀、后箱出水阀、中隔阀；再打开前箱进气阀和后箱进气阀。

4、进气

无菌空气进入箱体直至箱内压力为大气压，关闭前箱进气阀、后箱进气阀，消毒结束。

5、箱体消毒后的冷却

消毒结束后冻干箱冷却方式有两种：一种是自然冷却法，另一种是利用夹套水冷却。

夹套水冷却的使用方法：先打开夹套进水阀放水进夹套内，待前、后箱温度达到要求后关闭夹套进水阀，打开夹套出水阀排尽夹套内的冷却水。

注意：夹套冷却结束后一定要将夹套内的水排放干净，否则夹套内残余水会在下次冷冻干燥过程中结冰，会导致夹套管路胀裂。

在位消毒自动时参数设定的二个注意事项：

1、消毒压力和消毒的温度相对应，压力低，箱内的温度达不到F0值不能记录；压力高，箱内温度高，F0比消毒时间早到。

2、干燥时间最好由实际的经验来确定，在消毒时严禁断掉压缩空气。

三、在位清洗的操作规程

1、操作前准备

（1）确认注射用水﹑纯水﹑冷却水﹑压缩空气﹑总电源的稳定供应。

（2）确认板层升降时不会将测温探头拉断或压坏。

2、清洗、化霜

2.1冻干箱的清洗

（1）关好冻干箱门

（2）插门销:先打开水环泵进水阀,接着打开水环泵,再打开水环泵隔离阀、前箱排出阀,对冻干箱抽真空。当左上方的门信号灯亮了,打开门插销进,当所有的门插销到位,依次关闭水环泵隔离阀、水环泵、水环泵进水阀。

（3）打开总排出阀。

（4）打开进水/进汽阀1、进水/进汽阀2，再打开清洗总阀进行清洗,在清洗的过程中,要板层不停的上下移动,使的板层的上下表面也能被清洗。当板层下降最低时，到上面的旋转喷头对箱壁进行冲洗。中隔阀正对面有一个专门的喷头直接对着中隔阀冲洗，使清洗效果更佳。

（5）清洗20分钟后先关闭清洗总阀，再关闭进水/进汽阀1、2。

（6）打开前箱进气阀进行进气排水。

（7）待水全部排完关闭前箱进气阀。

（8）关闭总排出阀，打开水环泵进水阀、水环泵、水环泵隔离阀进行真空干燥，30分钟后关闭水环泵隔离阀、水环泵、水环泵进水阀、前箱排出阀，冻干箱清洗结束。

在清洗结束时一定要先关闭进水总阀，再关闭进水阀，否则安全阀处会有水喷出。

2.2冷凝器化霜（后箱捕水器）

在每个冻干周期结束后都必须进行化霜，可采用喷淋式化霜。

化霜前应注意事项：

1.）事先要检查中隔阀、小蝶阀是否关闭。

2.）确保压缩空气压力＞0.5Mpa。

3.）喷淋式化霜应注意水温应在50～80℃。

喷淋化霜

开后箱排出阀、进水/进汽阀3，清洗总阀,再打开管路上的手阀控制水的流量，将盘管上的冰逐渐融掉。

从以下两点判断是否结束：

1）透过视镜窗观察冷凝器盘管上是否还有霜未被化掉。

2）观察触摸屏上所显示的冷凝器温度（一般应大于等于20℃）。

四、冻干产品的保存处理

已干燥的产品是一种疏松的多孔物质，有很大的内表面积。如果暴露于空气之中，就会吸收空气中的水分而潮解，增加产品的残余水分含量。其次，空气中的氧、二氧化碳与产品接触，一些活性基因就会很快与氧结合产生不可逆的氧化作用。此外，空气中如含有杂菌，还会污染产品。因此，在产品干燥的后处理不容忽视。

后处理主要内容是包装，制品不同包装也不同。

对于生物制品，冻干结束要向箱内充入干燥无菌的空气和氮气，然后在无菌室内将容器封口，或在干燥结束时，在冻干箱内真空加塞。

对于食品，干燥终了时也要充入干空气或氮气，包装时室内保持相对湿度为20%左右，最好采用真空包装或真空充气包装。对冻干食品包装的要求有：密封性；防护性；易于运输；遮光性。