工艺概述
冷冻干燥（Lyophilization or Freeze-drying）是将溶剂冷冻，然后通过升华（一次干燥）和解吸（二次干燥）将其从样品中去除的过程。
冷冻干燥技术现今已被广泛应用于多个领域、多种用途。其中最常见的仍是应用于食品和制药行业。这种低温干燥技术适用于某些化学药品和生物制剂的生产，这些产品在水溶液中长期储存时不耐热或不稳定，但在干燥状态下很稳定。“Lyophilization”一词描述的正是一种生产“喜欢干燥状态”的产品的工艺。
冷冻干燥工艺应用于药物制剂生产的优缺点可总结如下：
冷冻干燥的目的是在低温状态下去除水，其原理便是升华，即水不经过液态而直接从固态（冰）进入气态（水蒸气）。水的升华可在低于三相点（即6.1 mbar和0.0098°C）的压力和温度下发生。待干燥的材料首先被冻结，然后在高真空下受热（通过热传导、热辐射），这样冻结的液体就会升华，只留下原液体中的固态干燥成分。干燥界面和冷凝器之间的水蒸气浓度梯度是冻干过程中去除水分的驱动力。
图1. 水的相图
自然界中的水在不同压力和温度下，存在固态、液态和气态三相。在三相点以下，只存在固态和气态（图 1）。冷冻/升华干燥的原理就是基于这一物理事实。如果环境中的水蒸气分压低于对应温度下冰的分压（表 1），产品中的冰就会直接转化为水蒸气（无需经过“流体状态”）。因此，合理地控制温度和压力，就可以有效地干燥目标产品。
药用冷冻干燥设备的基本构造
药用冷冻干燥机通过控制温度和真空度来制备冻干产品，它的基本组成如图 2所示， 包含以下三个系统。
图2. 药用冷冻干燥机示意图
l搁板传热系统：主体为样品腔（前箱），用于与产品互相传递热量。制剂样品通常装在内包装（西林瓶或泡罩）中放置在前箱的搁板上，搁板内有通道，可使导热液体（通常是硅油）在其中流动。导热油循环到压缩机中降温、通过电加热器升温，以控制搁板的温度。通常可控温-50°C ~ 60°C。
l冷凝器捕集系统：主体为冷阱（后箱），包含用于捕集产品水蒸气的冷凝盘管。同样由压缩机循环导热油为其降温。通常可控温至-75°C以下。
l真空系统：连接着后箱的真空泵，控制整个腔内的真空度。可控制腔内极限真空度达到0.005 mbar~0.5 mbar之间。
用于生产无菌注射剂的生产型冷冻干燥机还配有腔体和冷凝器的消毒系统，通常还配有用于清洁的内部喷淋器。
冷冻干燥的基本过程
要想在实践中有效地运用冷冻干燥设备去除制剂中的水分，首先，我们需要对冷冻干燥的基本过程和此干燥过程中水的物态变化与移动过程有充分的理解。实际上，真空冷冻干燥的基本原理就是低温低压下的传热传质。
以下几张图将简单描述一个产品在冻干过程中的温度、压力变化和水相转变情况。其中图 3的第一张图正是我们常见的冻干曲线图，结合对应阶段（A→I）的水分变化图和水相图，我们将更充分地理解水在冻干过程中的经历。
一个基本的冻干过程包括：
l预冻（Freezing）（A→E）
l一次干燥/升华干燥（Primary drying/ Sublimation）（E→G）
l二次干燥/解吸干燥（Secondary drying/ Desorption）（G→I）
图3. 冻干过程的图形描述（Tf=平衡冻结温度；Tn=成核温度）
· 预冻（Freezing）
如图 3所示，预冻步骤涉及不同的物理化学转变。在预冻阶段，溶液被冷冻成固态，溶剂（通常是水）和溶质相分离，这是冻干的关键现象。如果二者不分离产品就无法被干燥。在预冻的第一个转变过程中，溶液冷却到平衡冻结温度（Equilibrium Freezing Temperature，Tf），即A点，形成所谓的冷溶液（Cold Solution）。然而，有些溶液并不是在其 Tf 开始结冰（比如降温到0°C的水池不一定会结冰），即在其 Tf以下（A点→B点）仍保持溶液状态，这种现象称为过冷（Supercooling）。过冷温度是可变的，取决于以下几个因素：
在B点，过冷溶液中形成稳定的冰核，溶液开始结冰。第一个冰核开始形成时的温度称为成核温度（Nucleation Temperature，Tn），这一过程称为一次成核（Primary Nucleation）。由于结晶是一个放热过程，溶液温度会迅速升高到 Tf（C点）。在成核期间，也即二次成核（Secondary Nucleation）（B点→C点），会生成许多冰晶，蔓延溶液的整体。
二次成核过程中形成的冰晶数量取决于过冷温度。溶液温度因结晶放热而升高。进一步冷却后，成核期间生成的冰晶会继续生长，溶液会继续冻结（C点→D点）。简单地降温至最终冻结温度，并不能保证溶液完全凝固。因此，需要在最终冻结温度（D点→E点）下保持一段时间，以保证可冻结溶液得以完全凝固。
在溶液凝固过程中，溶质浓度会显著增加，因为可用的液态溶剂会以固态形式被移除，同时吸附的溶剂量也会增加（B点→E点）。冻结界面和吸附界面都在不断变化，直到达到临界溶质浓度（Critical Solute Concentration），超过该浓度溶剂就无法继续冻结或吸附。此时，溶液被视为完全凝固（E点）。此时可见，图 3中仍有多达10%的初始水未冻结，被结合或吸附在溶质基质中。未冻结的水量取决于溶质类型/浓度，通常在5%到20%之间。预冻完成后，水以三种形式存在于产品中：
以上过程（A点→E点）对应在水的相图（图 4）中，在大气压力（Patm）下，温度降低，液态水穿过融化/冻结界面发生冻结。
图4. 冷冻干燥过程在水的三相图中的变化
图4表明了，冷冻干燥过程在水的三相图中的变化（Patm=大气压力；Pcm2°=二次干燥的最大腔体压力；Pcm1°=一次干燥的最大腔体压力；Pct1°=一次干燥的目标腔体压力；Tpt1°=一次干燥的目标产品温度；Tpt2°=二次干燥的目标产品温度）。
· 一次干燥/升华干燥（Primary drying/Sublimation）
当所有可冻结溶液凝固后，通过降低冻干机腔体压力（E点）并将搁板温度升高到预定值（F点）,水分开始升华。在升华过程中，需要严格控制产品温度，因为这决定了产品质量和干燥速度。然而，在冷冻干燥过程中，无法直接控制产品温度，通常要通过控制腔体压力和搁板温度来控制。腔体压力和搁板温度的最佳组合可达到所需的产品温度，然后保持这一组合，直至所有冷冻溶剂升华（G点）。
一次干燥过程中，会将冷阱的温度降至-60°C以下，并将系统排空至低于一次干燥目标产品温度下冰的蒸汽压力。如图 5所示，假设一次干燥目标产品温度为-30°C（Tpt1°），一次干燥的最大腔体压力为0.370 mbar（Pcm1°），相当于Tpt1°时冰的蒸汽压力（见表 1）。当腔体压力降低到0.370 mbar（Pcm1°）时，冰就会升华。然而，此时的升华驱动力（即Tpt1°时冰的蒸汽压力与腔体压力之差）为零，因此升华极其缓慢或根本不会发生。为了加速升华，在-30°C（Tpt1°）时，腔体压力应设置低于一次干燥的目标腔体压力，如0.100 mbar (Pct1°)。在给定的Tpt1°下，腔体压力越低，升华驱动力越大，干燥速度越快。然而，最小腔体压力受到冻干设备在整个一次干燥阶段保压能力（真空泄露率）的限制。
图5. 冷冻干燥过程在水的三相图中的变化
图5表明了冷冻干燥过程在水的三相图中的变化（Patm=大气压力；Pcm2°=二次干燥的最大腔体压力；Pcm1°=一次干燥的最大腔体压力；Pct1°=一次干燥的目标腔体压力；Tpt1°=一次干燥的目标产品温度；Tpt2°=二次干燥的目标产品温度）。
冰升华时会释放出大量水蒸气，导致腔体压力升高。如果不除去这些水蒸气，腔体压力就会达到动态平衡，冰的升华也会停止。因此，持续除去系统中的水蒸气，对于冰升华的连续性至关重要。冷阱的作用就是持续捕集升华过程中产生的水蒸气，保持腔体压力。冷阱捕集水蒸气的基本原理是在冷阱的温度（通常为-80 ~ -60°C）和压力（通常为0.05 ~ 0.20 mbar ）下，水以固相形式存在，于是从产品中逃逸的水蒸气以冰的形式，重又凝华附着在冷阱盘管上。
此时，产品中的水已完成了“液体→固体→气体→固体”的相转变过程（图 6），冷冻干燥设备提供了水的相转变所需的大量热量。当产品中的可冻结溶液全部升华，一次干燥就完成了。
图 6. 水的物态变化
在一次干燥过程中，可以观察到一个明显的升华前沿（水迹线）在冻干产品中移动（见图 7）。
图 7.一次干燥过程中观察的水迹线
物料中的冰晶消失，原先被冰晶所占据的空间成为空穴通道，干燥部分形成蜂窝状结构（见图 8），升华的水蒸气经通道离开物料。
图 8. 冻干产品的扫描电镜显微（SEM）照片
当温度达到某一临界值时，即塌陷温度（Collapse temperature, Tc），固体基质的刚性不足以维持原结构，发生塌陷后将原先的通道封闭，将导致产品最终水分较高。虽然产品塌陷背后的根本原因是冷冻浓缩材料的玻璃化转变，但并不总是在玻璃化转变温度（Glass transition temperature, Tg'）下观察到样品塌陷。其原因是，尽管一次干燥和二次干燥是干燥过程的不同阶段，但一旦升华前沿穿过产品特定部分，即使产品的其他区域仍有冰存在，该干燥部分的二次干燥就开始了。随着二次干燥的进行，未冻结的吸附水被除去，从而使物料失去弹性，导致干燥部分的玻璃化转变温度升高。高出多少取决于一次干燥的速度和二次干燥的速度，但通常是3°C。
· 二次干燥/解吸干燥（Secondary drying/Desorption）
一旦所有冷冻溶剂升华完毕（图 3，G点），产品温度将在低腔压下升高（图 3，H点），然后通过解吸（即蒸发掉吸附在干燥产品上的水分）去除吸附（未冻结）的溶剂。解吸过程一直持续到产品达到目标水分为止（图 3，I点）。图 9显示了吸附水的解吸过程，在此过程中，产品温度升高到超过水的三相点。假设二次干燥的目标产品温度为30°C（Tpt2°）下，二次干燥的最大腔体压力为42.455 mbar（Pcm2°）与30°C（Tpt2°）时液态水的蒸汽压力一致。然而，此时的蒸发动力（即实际产品温度 Tpt2° 与Pcm2°的蒸发温度之差）为零，解吸不会发生或极其缓慢。为了提高解吸速率，应尽可能降低腔体压力，如0.05 mbar。低腔体压力会降低液态水的蒸发温度，从而增加Tpt2°处的蒸发动力。
图 9. 冷冻干燥过程在水的三相图中的变化
图 9表明了冷冻干燥过程在水的三相图中的变化（Patm=大气压力；Pcm2°=二次干燥的最大腔体压力；Pcm1°=一次干燥的最大腔体压力；Pct1°=一次干燥的目标腔体压力；Tpt1°=一次干燥的目标产品温度；Tpt2°=二次干燥的目标产品温度）。
冷冻干燥开发应用
· · 药石冻干制剂产品的开发能力及案例
药石科技在冷冻干燥工艺制备热不稳定的无菌注射剂方面，累积了丰富的产品交付经验。公司现有一台实验室规模的0.5m2冻干机，构造组成与生产型冻干机一致，采用中隔阀隔断前箱与冷阱的构造，并配备皮拉尼真空计和电容真空计，可通过多种方式判断干燥终点。配套有配制、灌装、包装、检验设备，能够进行无菌注射剂（大输液/水针/冻干粉针）的处方及工艺开发和技术转移、创新药IND阶段的GLP毒理制剂的制备。以下案例基于前述冷冻干燥基本过程中的传热传质和塌陷温度的概念，展示了创新药化合物的冷冻干燥工艺配方设计思路。
借用冻干显微镜模拟实际冻干过程，先快速降温至预冻极限温度并保持一段时间，进行抽真空，缓慢进行升温，在升温过程中可以观察样品崩解点及晶型变化等现象（图 10）。
图 10. 冻干显微镜观察示意图
冻干显微镜中观察到案例产品温度-35.00°C时，晶型结构出现亮点分界（图 11），产品已发生崩解。即该处方样品的塌陷温度（Collapse temperature, Tc）为-35°C。根据冰的蒸汽压力数据（表1），可得到产品冻干允许的最高温度（-35°C）所对应的平衡蒸汽压力为0.22mbar。设定一次干燥的真空度为0.22mbar的1/2，即0.11mbar，对应的安全的产品升华前沿温度为-41°C。一次升华过程中，搁板温度与产品温度约有15°C的温差，这是由于样品所吸收的能量主要提供使物质发生相转变的潜热，当相转变停止即冰全部升华后，这些能量才转为提高温度的感热，产品温度才会有一个明显的升高，直至超过搁板温度。因此本项目样品的冻干工艺中，一次升华的搁板温度可设置为-26°C，真空度为0.11mbar。该冻干工艺下制备的样品与对照组（搁板温度-10°C，真空度0.20mbar）相比，外观无塌陷，产品水分更低（表 2）。该项目为创新药无菌注射剂，已顺利完成制剂开发、临床样品生产及IND申报。
图 11. 案例产品冻干显微镜参数与崩解点观察图
药石科技作为全球领先的CDMO服务平台，拥有全套的冷冻干燥与无菌注射剂开发设备和成熟完善的研发流程，已助力客户推动从GLP样品制备至临床样品生产的多个项目落地，满足不同阶段对创新药注射剂的需求。借助丰富的研发经验和强大的GMP生产能力提供从实验室阶段到临床阶段的生产。
药石科技制剂研发生产服务平台
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