冻干工艺优化方法之退火工艺设计（二）

#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。

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。

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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。

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