第10章 冷冻干燥技术

②预冻最优速率 在溶液预冻过程中，预冻速率的快慢往往会影响着生物活性以及形成晶体的大小，
进而影响后续升华干燥速率及干燥产品的性状。 因此，进行真空冷冻干燥操作前，须根据具体的干燥产品测定出预冻的最优速率，
控制预冻操作。
例如：对细胞悬浮液进行冷冻。 若预冻时间缓慢，悬浮液大量的冰生成，会使细胞挤在冰空隙中；空隙中，因 冰的形成使溶液浓缩，迫使细胞内水渗透出，造成细胞内细胞质的浓缩，不易结冰。 同时，冰的形成还将迫使细胞变小、变形。 若进行快速预冻，则可形成胞内冰。一般来说，冷冻速度越快，温度越低， 胞内冰的形成越多。
常用的冻干保护剂有：
• 糖类与多醇类：蔗糖、葡萄糖、甘露醇等； • 聚合物：PVP、PEG等； • 无水溶剂：甘油、DMSO等； • 表面活性剂：吐温80等；
紫杉醇纳米制剂冻融前后粒子大小和分散系数变化
a, before frozen; b, after freeze-thaw; ***, redisperison can not be possible.
D
O
A
气相区
T
水的平衡相图(p－T图)
当水的气－液平衡曲线(OC线)达到临界点(C点)后，平衡体系的性质变得均一，
气－液相界面消失，体系不在分为气体和液体。
2.真空冷冻干燥原理
真空冷冻干燥就是先将固体湿料冷冻到
p B
“三相点”以下，使湿料中的水分变成固态 （冰）；然后在真空环境下加热，使冰直接升
固相区 液相区 C
冻干胡萝卜块
②物料装填厚度 物料的装填厚度直接影响着升华干燥速率，物料装填越厚，所需的升华干燥时
间越长；反之，物料装填越薄，所需的升华干燥时间越短。
•
③崩解温度(collapse temperature) ——产品发生塌陷的的临界温度，即冻干制品所能承受的最高温度。 冻干产品在升华干燥阶段，已干层产品结构应该是疏松多孔的，以
崩解温度
• 升华干燥首先是恒温减压过程，然后再抽气的条件下，恒压升温，使 固态水升华出去。升华干燥法分两种：一次升华法和反复冷冻升华法。
• 一次升华法：适合于共熔点为-10~-20℃的制品，且溶液粘度不大。 它首先将预冻后的制品减压，待真空度达到要求时，启动加热系统缓 缓加热，使得制品中的冰升华，此时约除去全部水分的90％左右。
• 将含水物料冻结至固态，在低温及真空条件下，利用 冰的升华性能使得物料低温脱水，从而达到干燥物料 的一种真空低温干燥方法。
升华干燥
冷冻干燥的发展历史
1 国外冷冻干燥历史
冻干人血浆
索菲亚成立了低温生物和冷 冻干燥技术研究所
1811年
1940年
1943年
1989年
应用于医学界
丹麦出现冻干设备
2 国内冷冻干燥发展历史
升华时产品温度测定方法(了解）
➢接触式测温 ➢压力测温法 ➢电阻测量法
接触式测温
这是冻干生产过程中常用的测温方法，测温元件一般为热电偶或热敏电阻，它只能准确 反应所处局部位置的温度状况，若不插入冻干物品内部，它不能测量出该物品内部的温 度状况；但插入冻干物品内部，测温元件附近的冻干物品的结构就被破坏，换句话说， 导致在测温元件局部的结构与冻干物品整体结构不同。
⑴⑴预冻预冻
预冻是指干燥前须将物料进行在低温下冻结，使物料固定，为升华干燥做准备。 或者说，预冻是真空冷冻干燥操作的准备阶段。
在实际操作中，预冻阶段的最低温度、预冻速率、预冻时间和冻干保护剂是重要 的工艺条件。
①预冻最低温度
预冻温度应根据产品的共熔点来决定，多数产品的共熔点在-15℃~-30℃之 间，预冻的最终温度应低于产品的共熔点温度，通常要比共熔点低5~10℃。 对无条件检测共熔点时，一般将最终温度定为-40~-50℃。
⑵连线 OA 线是冰与水蒸气两相平衡共存曲线，
又称为“升华曲线”；它表示固－气平衡时， 温度与蒸气压的对应关系。
固相区 液相区 C
D
O
A
气相区
T
水的平衡相图(p－T图)
OC 线是水蒸气与水两相平衡共存曲线，又称为“蒸发曲线”；它表示气－液
平衡时，温度与蒸气压的对应关系。
OB 线是冰与水两相平衡共存曲线，又称为“熔化曲线”；表示固－液平衡时， 温度与蒸气压的对应关系。
10%
80.5
0.106
81.4
15%
81.1
0.116
80.8
Sorbitol
1%
79.7
0.122
***
5%
79.8
0.115
82.9
10%
80.4
0.111
86.5
15%
81.1
0.106
81.3
Lactose
1%
79.7
0.106
***
5%
79.7
0.106
***
10%
81.2
0.108
***
压力测温法
它是基于在平衡状态下，冰晶温度与其饱和蒸汽压为单值函数这一基本规律，在 升华干燥过程中，突然中断从冻干室流向冷阱的水蒸气流，通过测量冻干室内压力 回升情况去推算升华界面的温度。
这种方法是一种非接触式测温方法，既不破坏冻干样品的结构，又能较准确的反应 冻干移动升华界面的温度，并可用于确定升华干燥终点。
OC 线能向下延伸为虚线OD曲线，是过冷水与水蒸气平衡共存曲线；这种状态 是一种不稳定的状态，称为“亚稳状态”。
⑶单相区
p
相图中的三个区域为单相区 区是液相区，AOC区是气相区。
超临界区
固相区 液相区 C
若我们继续对气－液平衡体系进行增加 压强（或升温）实验，则会得到水的超临界 区。其中，C点就是临界点。
预冻速率
预冻时形成的冰晶大小会影响干燥速率和干燥后产品的溶 解度，所以应根据产品不同而试验出一个最佳冷冻速率。 • 快速冻结法：一种是先将干燥箱隔板冷却到-40℃左右，
再将产品放入，称为速冻。 • 缓慢冻结法：将产品放进干燥箱中后再开始对隔板降温，
这样的冷冻过程稍长，温度的变化比较缓慢，称为慢冻。
晶点以下10左右。 产品温度与许多因素有关，如产品本身的性质、冷凝器制冷量与制
冷面积、系统真空度等，因此搁板温度控制在怎样的水平，需根据实 际情况定。
升华速率——整个冻干过程中的一个重要参数，它直接影响
整个冻干过程的时间。
通常提高升华速率的措施主要有： (1)提高已干层的导热性能； (2)减小已干层的厚度； (3)改变干燥室的压力； (4)尽可能提高升华温度； (5)改进低温冷凝的方法。
冰(s)
熔化 水(l) 凝固
升华
气化水蒸气(g) 液化
凝华
p B
若根据实验数据，将水在各种平衡条件下，
温度和压力的对应关系绘制成图，就得到水的平
C
衡相图(p－T图)。
D
O
A T
水的平衡相图(p－T图)
⑴三相点 相图中的 O点是水蒸气、水、冰三相平衡
共存的点，称为“三相点”，常称为水的“冰
p B
点”。
第十章 冷冻干燥技术
基本内容：
➢冷冻干燥的基本原理 ➢冷冻干燥的流程及参数控制（重点） ➢预冻过程及共熔点的测定（重点） ➢冻干曲线的绘制（重点） ➢冻干干燥的优缺点（重点） ➢冷冻干燥在制药中的应用 ➢冷冻干燥设备
冷冻干燥的基本概念
• 冷冻干燥（freeze-drying）
全称真空冷冻干燥，简称冻干
60年代
50年代
中国冻干技术开始起步 引进的同时，自行设计制造
70年代
冻干技术发展缓慢
80年代
90年代
冻干技术得到快速发展
冷冻干燥的基本原理
1.水的平衡相图
生产中采用真空冷冻技术对固体湿物料的干燥，通常是除去物料中的水分。因 此，要了解真空冷冻原理，首先须了解水的有关物性。
我们知道，水通常有三种聚集状态，在指定的温度、压力下可以互成平衡。即：
③预冻时间
预冻时间与预冻速率是相关的，可根据冻干物料种类及冷冻设备情况确定。
适宜的预冻时间应确保抽真空之前所有的产品均已冻实，即保证抽
真空时不致喷瓶，通常根据冻干机的情况来决定。
冻干箱内存在温度差，一般在达到规定的预冻温度以后，还需要保
温一定时间，通常为2h左右。
精子冷冻
④冻干保护剂
为了保护药品的活性，通常在药品配方中添加适当的活 性物质作为保护剂。这些保护剂通常需要具备四个特性： 玻璃化转变温度高、吸水性差、结晶率低和不含还原基。
电阻测量法
如果测得产品的电阻大于共熔点时的电阻数值，则说明产品的温度低于共熔点的 温度；如果测得的电阻接近共熔点时的电阻数值，则说明产品温度已接近或达到共 熔点的温度。
影响升华干燥过程的主要因素:
升华界面的温度(或供热量)和水蒸气逸出产品的能力。 前者主要由搁板温度和干燥箱的压力(真空度)控制，后者主要 由升华界面的温度所对应的水蒸气饱和压力和箱内空间的水 蒸气分压差来决定。 故为提高冻干产品的质量和重现性，需控制搁板温度、干燥箱 的真空度和水蒸气分压
共晶点（共熔点）
• 多组分的冻干溶液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，固体的数量不断增加，最后才全部凝结的。
• 冷却时开始析出晶体的温度称为冰点温度 • 溶液全部凝结的温度叫做溶液的凝固点。由于凝固点就是融化的开始点（熔
点），对于溶液来说也就是溶质和溶剂共同融化的点，所以又叫做共晶点或共 熔点。 • 共晶点（共熔点）才是溶液真正全部凝成固体的温度。
使冻干失败，这个临界温度叫做崩解温度。
崩解温度
• 产品的崩解温度由溶液的成分决定，即取决于产品本身的理化性质
和保护剂种类，过低的崩解温度会延长干燥时间。一般混合物的崩解 温度取决于各组分的崩解温度，因此应选择具有较高崩解温度的冻干 保护剂以提高药液的崩解温度，使升华干燥能在不太低的温度下进行， 可节省冻干时间和能耗，提高生产效率，降低成本。 • 产品的崩解温度一般由试验来确定，通过冻干显微镜，直接观察到崩 解现象，从而确定崩解温度。
辐射加热：应用也较多。 微波加热：更适合于较厚的物料和具有较低的热降解温度或高附加值的
物料，可使加热周期大大缩短，加工成本低。
升华时的温度限制：
(1)产品冻结部分的温度应低于产品共熔点温度； (2)产品干燥部分的温度必须低于其崩解温度或允许的最高温度(不烧焦或
变性)； (3)最高搁板温度：在冻干过程中应控制搁板温度，使产品温度维持在共
华为水蒸气逸出；并通过不断移走水蒸气，使
D
O
物料脱水而干燥。即：
A
气相区
水分
Tf
T
水的平衡相图(p－T图)
湿物料
预冻
(物料冻结)
升华干燥
(除非结晶水)
解析干燥
(除残余水分)
真空冷冻干燥流程框图
冻干产品
冻干过程的的流程：三个阶段
预冻
升华干燥
湿物料 （物料冻结）（除非结晶水））解析干燥
（除残余水分）
包装
Cryoprotectant
Concentration
Z-Ave(nm)a
PDIa
Z-Ave(nm)b
Sucrose
1%
80.6
0.102
***
5%
81.2
0.118
81.9
10%
80.3
0.099
81.0
15%
81.5
0.115
80.9
Glucose
1%
80.3
0.1
***
5%
80.0
0.084
***
15%
83.3
0.121
***
Trehalose
1%
79.9
0.112
***
5%
80.2
0.123
83.1
10%
80.7
0.106
82.7
15%
80.7
0.119
83.8
PDIb *** 0.119 0.126 0.111 *** *** 0.115 0.117 *** 0.104 0.155 0.112 *** *** *** *** *** 0.129 0.131 0.166
紫杉醇纳米制剂冻干前后粒子大小和分散系数变化
⑵⑵升升华华干干燥燥
升华干燥是使冻结物料中的冰升华为水蒸气，使物料脱水。升华阶段称为第一 阶段干燥，主要除去冻结物料中大部分（约90％）非结晶水。
①物料种类 不同种类的冻结物料，所需的升华干燥时间
不同。一般而言，共熔点温度较高的物料易于干 燥，所需的升华干燥时间较短；反之，共熔点温 度较低的物料难以干燥，所需的升华干燥时间较 长。
便冻结层升华出来的水蒸汽顺利通过，使全部产品都能干燥。但有时当
温度上升到一定数值时，已干层构成的“骨架”刚性会降低而出现类似
“塌陷”的现象，干燥产品出现发黏、比重增加等现象，导致堵塞了冻
结层水蒸汽升华逸出的通路，阻止升华的进行，并引起冻结层产品温度
上升，当温度上升至共晶点温度以上时，产品会发生熔化或发泡现象，
• 反复冷冻升华法：该法的减压和加热升华过程与一次升华发相同，只 是预冻过程须在共熔点与共熔点一下20℃之间反复升降预冻，而不是 一次降温完成。本法适合于结构复杂、稠度大及熔点较低的产品，如： 蜂蜜、蜂王浆等
真空冷冻干燥中的加热方式
接触供热：溶液类产品冻结后形成的冰块导热性能好，采用搁板、玻璃 瓶壁到产品的接触供热效果好；搁板用循环介质间接加热，其板温均 匀，所以医药冻干机广泛采用搁板接触供热的加热方式