如何解决样品炸瓶？——冻干工艺关键温度给出答案

不知道大家在处理样品的冷冻干燥过程中有没有遇到这样一种情况？明明进行了预冻，但在后续低压干燥过程中，突然就出现了炸瓶！

并且，有这个问题的似乎不在少数！但很多时候，大家会把问题归结于仪器质量不过关等原因！

本着求知若渴的态度，我们咨询专业人士，给出的答案是——预冻不充分的样品在后续低压干燥中也可能会炸瓶！

                 图1：预冻不充分的样品可能会炸瓶

预冻不充分还会影响制品质量

冷冻干燥的预冻，是将溶液冷却到一定温度，在此温度下，水和固体被充分结晶或冰晶和固体被包围在一个非晶态浓缩固体，自由水固化，赋予产品干燥后与干燥前有相同的形态，防止抽空干燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不可逆变化发生。也就是把物料冷冻成固态，并形成一个适合干燥的结构(matrix)。

预冻非常重要，可以影响后续的两个干燥阶段，*影响制品的质量。

当温度降低时，液态转变为固态，有两种不同状态，一种是粘度极大，流动性差，形成一种玻璃态的无定型结构（amorphous），另外一种是规则的晶体结构（crystalline）。在预冻过程中，预冻的温度、速度和时间是重要的控制参数。

共晶温度在冻干工艺中的含义

共晶温度（Eutectic temperature, Te）：

几种物质组成的混合溶液，在冻结过程中，开始时某些组分结晶析出，使剩下的溶液浓度发生变化。当达到某一温度或温度区域时，其液态和所形成的固态中的组分完全相同，这时的溶液称为共晶溶液，这时的温度或温度区间称为该溶液的共晶点或共晶区，也称为完全固化温度，它是产品在冷却过程中从液态结束转向固态的最高温度。共晶温度为冻干过程中预冻应达到的最高温度，一般预冻过程应低于其共晶温度10-20℃。

如何形成晶体结构

溶液在冻结过程中，往往需过冷到冰点以下，称为过冷温度，其内部产生晶核以后，自由水才开始以纯冰的形式结晶，同时放出结晶热，使其温度上升到冰点，随着晶体的生长，溶液浓度增加，当浓度到达共晶浓度，这时温度下降到共晶点以下时，溶液就全部冻结，形成晶体结构。

塌陷温度在冻干工艺中的含义

塌陷温度(Collapse temperature, Tc)：

冻干时，当干燥层温度上升到一定数值后，物料中的冰晶消失，原先为冰晶所占据的空间成为空穴，因此冻干层呈多孔蜂窝状海绵体结构。此结构与温度有关。当蜂窝状结构体的固体基质温度较高时，其刚性降低。当温度达到某一临界值时，固体基质的刚性不足以维持蜂窝状结构，空穴的固形物基质壁将发生塌陷，原先蒸汽扩散的通道被封闭，此临界温度称为冻干物料的崩溃温度或塌陷温度。

玻璃化转变温度在冻干工艺中的含义

玻璃化转变温度（Glass transition temperature, Tg’）：

冻干过程的玻璃转化温度指*冻结浓缩液的玻璃化转变温度。在无定型结构材料中，原子、离子或分子的排列是无规则的。因为在冻结过程中随着冰晶的析出，剩余溶液的浓度逐渐增加，当达到一定浓度时，剩余的水分不再结晶，此时的溶液达到*冻结浓缩状态，对应的温度称为*冻结浓缩液的玻璃化转变温度。

制品结构与预冻的关系

在生物制药领域中，使用冻干工艺的绝大部分制品是无定型结构，小部分制品是晶体结构，或者是混合结构。除了与制品配方有关外，晶体结构的形成还与预冻温度和速度有关。

根据最近的研究表明，在Tg’温度下预冻，会形成无定型结构。在大于Tg’且小于Te的温度下预冻，则形成晶体结构。晶体结构可以更快和更容易冻干，但稳定性和溶解性稍差；无定形结构冻干比较难，但稳定性和溶解性好。

方法原理不同，但都是为了摸索工艺

共晶点、塌陷温度、玻璃转化温度，采用的测量方法和原理不同，都是为了找到预冻、主干燥的温度等，摸索工艺。

一般情况，塌陷温度Tc比共晶点温度Te稍高，共晶点温度Te较玻璃化温度Tg’高。多数情况下，塌陷温度Tc要比玻璃化温度Tg’高20K左右。冻干制品升华前，必须冻结到一定的温度，这个温度应设在制品的凝固温度以下10至20℃左右。该凝固温度，主要取决于样品冻干过程中需要固化的状态，是晶体结构还是无定型结构。晶体结构，对应温度为Te；无定型结构，对应温度是Tg’。

在回火(Annealing)的操作中，在低于Tg'情况下预冻，然后把隔板温度设定在高于Tg', 但低于Teu的温度，形成回火，再降温，在低于Tg'情况下预冻，可使制品凝结更加均匀。

                         图2：样品维持在＞Tg’且＜Teu温度的结晶情况

如图中所示，预冻后将样品维持在＞Tg’但＜Teu的温度一段时间后，结晶变得更加明显且均匀。

如何快速实现配方关键温度的测量

                   图3：冻干显微镜Lyostat5及搭配使用的DSC模块

英国Biopharma Group公司提供的冻干显微镜Lyostat5以及可与显微镜搭配使用的DSC模块，可以轻松实现配方关键温度的测量。

使用Lyostat5冻干显微镜进行塌陷温度的测量：

        图4.1：温度超过塌陷温度Tc后样品结构消失

         图4.2：再次降温冷冻后观察到新的干燥结构

使用DSC模块测量玻璃转化温度Tg’：

          图5：使用DSC模块测量的玻璃转化温度Tg’