冻干讲义(东富龙)

1、 上海东富龙有限公司第一章 前 言 _3第一节 冷冻干燥的原理 _8第二节 冷冻干燥的一般过程 _10第四节 冻干过程中主要参数的控制 _16第二章 冻干工艺的一般原则和标准操作规程 _18第一节 冻干工艺的一般原则 _18第二节 真空冷冻干燥的标准操作规程 _22第三章 冷冻干燥设备的安装与调试 _24第一节 冻干机的安装要求 _24第二节 冻干机的运行调试 _25第三节 系统常见故障分析及日常维护 _26第四章 制药冻干机设备的 GMP 验证 _28第一节 GMP 验证的基本概念 _28第二节 验证的类型 _28第五节 冻干机验证的一般步骤及主要内容 _31第五章 药品冷冻干燥的 GMP

2、工艺验证 _35第六章 药品冷冻干燥工艺的放大 _46第一节 中间试验放大的问题点 _47第二节 瓶药传热及升华速度的理论解析 _47第三节 将试验机的冻干结果往生产装置上放大工艺 _49附录一 专业术语 _52附录二 系统的常见故障分析 _53附录三 常用单位换算 _56附录四 水的饱和蒸汽压力（-99 -1） _58附录五 东富龙公司真空冷冻干燥系统验证方案 _59第一章第一章 前前 言言一、国内、外真空冷冻干燥技术的发展1、 国外真空冷冻干燥技术的发展历程及现状冷冻干燥技术是指将水溶液在低温下冻结，而后在真空状态下将其中的水分不经过液体状态而直接升华，这样干燥后的物质，其物理、化学和形状

3、基本不变，有效成分损失小，复水性好，密封保存周期长。冷冻干燥能很好的保存食物早就为人们所知，古代北欧的海盗利用干寒空气的自然条件来干燥和保存食物，就是其中一例。但是，将冷冻干燥作为科学技术，还是近百年来的事。1890 年阿特曼（Altmann）改变过去制作标本的方法，采用冷冻干燥的方法成功冻干保存了各种器官和组织，他的工作确立了生物标本系统的冻干程序，这是冻干在制作生物标本中的最早应用。1909 年谢盖尔（Shackell）将冻干引入细菌学和血清学领域。他采用盐冰预冻，在真空状态下，用硫酸作吸水剂，对补体、抗毒素、狂犬病毒等进行冻干，其设备虽十分简陋，但却是后世先进冻干机的雏形。1912 年卡

4、瑞尔（Carrel）首先提出用冻干技术为外科移植保存组织。1935 年第一台商业用冻干机问世，1940 年冻干人血浆开始投入市场。第二次世界大战中，由于冻干人血浆和青霉素的大量需求，推动了冻干在医药、血液制品等方面的应用和迅速发展。战后，冻干法又迅速扩展到各种疫苗、药品等领域。1930 年弗洛斯道夫进行了食品冻干的试验，1949 年他在著作中展望了冻干在食品中和其他疏松材料方面应用的前景。二次世界大战后，英国食品部在阿伯丁的试验工厂也进行了食品冻干的研究。他们在综合了当时一些研究成果的基础上，于 1961 年公布了试验成果，证明冻干法用于食品加工是一种能获得优质食品的方法。随后在美、日、英、加

5、等国相继建立起冻干食品的工厂，到 1965 年全球已有食品冻干厂 50 多家。现在冻干食品除在宇宙航行、军队、登山、航海、探险等特殊场合受到欢迎外，在一般的民用食品中也确立了稳固的地位。目前，世界上已有较大规模的真空冷冻干燥食品企业130 多家.真空冻干食品也在欧美日等国市场迅速流行。美国和日本市场上出售的脱水食品中冻干食品占了 40%以上。随着冻干技术的应用和发展，冻干机理和技术的研究也随之发展起来，1949 年弗洛斯道夫出版了他的世界上第一本有关冻干的技术及理论的专著。1951 年和 1958 年先后在英国伦敦召开了第一届和第二届以冻干为主题的专题讨论会。经过半个世纪的发展，冻干设备和技术

6、已趋于完善。现代先进的冻干设备不仅能满足各种冻干工艺加工的要求，在操作控制上已成功地采用了电子计算机全自动控制；在工艺上发明了为改善加热条件，缩短冻干周期的循环压力法，调压升华法和监控干燥结束的压力检查法；在医药冻干中，可在真空条件下对小瓶自动加塞，对安瓿的自动熔封等。2、 国内真空冷冻干燥技术的发展历程及现状二十世纪三、四十年代，我国已有微生物学家用盐水预冻，在蒸发器内抽真空，用吸水剂的方法冻干菌毒种作保存用。到五十年代初期，哈尔滨、郑州和南昌等地的兽药厂开始生产冻干疫苗，并逐渐形成一定生产能力。六十年代开始批量生产冻干疫苗及冻干人血浆，并在制药和食品工业应用冷冻干燥技术。1965 年北京人

7、民食品厂用英国的试验装置对果蔬、肉类等品种进行冻干试验。1967 年旅大冷冻食品厂试制成一台日产 500Kg 的冻干装置并进行生产。七十年代中期上海梅林食品厂建立了年产 300 吨的食品冻干车间。八十年代后，冻干食品在我国有了较大的发展，青岛市第二食品厂，引进了日本冻干设备生产冻干香葱、姜片等用于出口。我国在冻干设备制造方面的发展也十分迅速，1951 年由武汉生物制品研究所陈畴等设计并由上海合众机器厂（上海第一冷冻机厂前身）最先制造了一台 9m2冻干机。1972 年上海医用分析仪器厂、天津实验仪器厂、南京药械厂等仿制了一批中、小型冻干机。1975 年华中科技大学林秀诚、赵鹤皋等和湖北兽医生物药

8、品厂共同研制一台大型冻干机，这是我国第一台自行设计制造的能在冻干箱内进行自动加塞的冻干机。1983 年上海医械专机厂为广西南宁兽医生物药厂研制成功 10m2兽药冻干机。1984 年浙江缙云电子技术研究所研制了小型半导体冻干机，华中科技大学利用 R12/R13 混合工质制冷系统，用单级压缩实现-65的低温并应用于小型冻干机。1998 年，烟台冰轮集团有限公司引进俄罗斯技术成功地研制了 40m2 的食品冻干机。中国科学院兰州物理研究研发的 DG 系列冻干机在食品冻干设备中发展迅速，从 1996 年2001年间，共生产了 32 套食品冷冻干燥机。在目前医药冻干机的众多生产厂家中，其中上海东富龙科技有

9、限公司、北京天利深冷设备股份有限公司、北京速原真空技术有限公司、上海浦东冷冻干燥设备厂等四家在国内的冻干机市场占有率较高。二十世纪八十年代初期，中国科技大学和天津石油化工公司利用冻干技术开发新型高比表面稀土钙钛矿型催化剂，是较早利用冻干机进行纳米材料制备的研究。二十世纪八十年代后期，国内开始对食品冻干工艺的研究。华中科技大学首先进行了大蒜冻干的实验研究；华南理工大学对新鲜蛇肉的冻干工艺进行研究，制订了冻干曲线；华南理工大学对草菇冻干过程压力循环法进行研究，采用循环压力法可使干燥时间缩短和节能，华南理工大学还对菠菜的冻干工艺进行了研究。上海理工大学则进行了苹果、草莓冻干过程的实验研究，比较了不同

10、的降温速率、真空度、加热温度和冷阱温度对冷冻干燥过程的影响。此外，东北大学进行了冻干大鼠皮肤以及冻干家兔眼角膜复水再植的试验研究，武汉大学中国典型培养物保藏中心为有效保存极端嗜盐古细菌，对其冻干条件进行优化，并研究了海藻糖对极端嗜盐菌的冻干保护作用。随着生活水平的不断提高，人们对消费品的品质将提出更高的要求，环保意识、健康意识在进一步加强，对于各类药品、保健品及冻干食品的需求将越来越大。而为不断满足各类药品，生物保健品，冻干食品以及固体微粉制备的需要，特别是生物工程的发展又将带来研制新药和生物类药物的新高潮，这一切都将有力地推动真空冷冻干燥技术的进一步发展，使其应用规模不断扩大、应用领域不断扩

11、展。二、真空冷冻干燥技术面临的问题 真空冷冻干燥技术发展到今天，已在许多领域得到成功应用。但与其它干燥方法相比，设备投资依然较大、能源消耗及产品成本依然较高，限制了该技术的进一步发展。因此，如何在确保产品质量的同时，实现节能降耗，降低生产成本是真空冷冻干燥技术当前面临的最主要的问题。真空冷冻干燥设备已相对趋于完善，但由于该技术的发展历程较为曲折，近年来应用推广又非常迅速，使得基础理论的研究显得相对滞后、相对薄弱。而我国在这方面的研究与国外的差距仍然很大，缺乏对冻干过程理论及相关学科的系统研究。此外，我国的冻干设备同进口设备相比，也有一定差距。另外，由于冻干机所使用场所的特殊性，设备要求十分苛刻

12、，运行环境恶劣，这都对冻干机的运行可靠性、合理性、方便性提出了更高的要求。新技术、新标准、新法规的出台，都对冻干技术提出了更多的要求。这为冻干领域的发展提出了更多的研究课题。相关法规的建立在医药品的生产中，冻干机主要在冻干注射制剂（无菌药品） ，血液、生物制剂，无菌粉体制剂，口服医药用粉体制剂，对体外、内诊断药等领域中得到广泛应用。为了满足药品生产质量管理的要求，确保生化药品质量，GMP（医药制造管理和品质管理规则）应运而生。自 1963 年 GMP 在美国实施以来，已历经了四十多个春秋，在世界各国得到推广。现在 GMP 已成为当今国际社会药品生产通行必须实施的制度，是药品全面质量管理（TQC

13、）的重要组成部分。药品 GMP 认证已成为国际间药品贸易通行的惯例。最初，GMP 是由美国坦普尔大学 6 名教授编写制定，经 FDA 官员多次讨论修改而成， 于 1963 年时美国国会颁布的。GMP 的理论在之后的几年实践中经受了考验，获得了发展，它在药品生产和质量保证中的积极作用逐渐被各国政府所接受。1969 年 WHO(世界卫生组织)GMP 的公布标志着 GMP 的理论和实践从那时候起已经从一国走向世界，到目前为止，世界上已有 100 多个国家、地区实施了 GMP 或准备实施 GMP。美国现行实施的 GMP 即 cGMP(Current Good Manufacturing practic

14、es)是 FDA 在 1993 年印出的最新版本，体现了最新的技术水平。在美国，在联邦食品医药品化妆品法（FD&Cact）之下作为规则有 cGMP；作为导则的有无菌制剂的导则草案；作为监查导则有 Guide to Inspection of Lyophilization of Parenterals (冻干无菌制剂的监查导则 93) 。在日本，1973 年日本制药工业协会提出了自己的 GMP，1974 年日本政府颁布 GMP，进行指导推行，1980 年日本决定正式实施 GMP。1988 年日本政府制定了原料药 GMP，1990年正式实施；94 年对药事法作了改正；GMP 从遵守事项变更

15、成为许可必要条件；96 年增加了过程验证部分。1967 年世界卫生组织(the World Health Organization,WHO)在出版的国际药典(1967 年版)的附录中对 GMP 进行了收载。1969 年第 22 届世界卫生大会 WHO 建议各成员国的药品生产采用 GMP 制度，以确保药品质量和参加“国际贸易药品质量签证体制” (Certification Scheme On the Quality Of Pharmaceutical Products Moving in International Commerce，简称签证体制)。1975 年 11 月 WHO 正式公布 GM

16、P,1977 年第 28 届世界卫生大会时 WHO 再次向成员国推荐 GMP，并确定为 WHO 的法规.GMP 经过修订后，收载于世界卫生组织正式记录第 226 号附件 12 中。WHO 提出的 GMP 制度是药品生产全面质量管理的一个重要组成部分，是保证药品质量，并把发生差错事故、混药、各类污染的可能性降到最低程度所规定的必要条件和最可靠的办法。1990 年 WHO 在对 GMP 修订后，1992 年再次修订，其包括以下四方面内容:导言、总论和术语：介绍了 GMP 的产生、作用和 GMP 中所使用的术语制药工业中的质量管理宗旨和基本要素。这一部分包括 QA, GMP, QC, 环境和卫生、验

17、证、用户投诉、产品收回、合同生产与合同分析、自检与质量审查、人员、厂房、设备、物料和文件共 14 个方面。生产和质量控制：这部分包括生产、质量控制两项内容。增补的指导原则：包括灭菌药品及活性药物组分(原料药)的 GMP。在国际上 94 年 WHO-GMP，96 年 EU-GMP 被改正，其后，EU-GMP 率先导出的事项已成为今天的中心课题。这是有关无菌操作法的概念，明确重要操作区域的规定，将该区域中清净度规定的操作时（In Operation）的标准明确化。而且在无菌调整作业（Aseptic Preparation）项目中，对无菌操作作了严格的规定。进而关于冻干机的灭菌及其过程验证也非常严格

18、地规定了其方法。在我国，GMP 全称为“药品生产质量管理规范”，在 20 世纪 70 年代末随着对外开放政策和出口药品的需要而受到各方面的重视。 1982 年由当时负责行业管理的中国医药工业公司制订了药品生产管理规范(试行本) ，并开始在一些制药企业试行。1985 年经修改,由原国家医药管理局作为药品生产管理规范推行本颁发；由中国医药工业公司等编制了药品生产管理规范实施指南 （1985 年版） ，于当年 12 月颁发。1988 年，根据药品管理法 ，国家卫生部颁布了我国第一部药品生产质量管理规范 （1988 年版） ，作为正式法规执行，在此之后又进行了修订，颁布了 1992 年修订版。1992

19、 年，中国医药工业公司为了使药品生产企业更好地实施 GMP，出版了 GMP 实施指南。1998 年，国家药品监督管理局总结近几年来实施 GMP 的情况，对 1992 年修订的 GMP 进行修订，于 1999 年 6 月18 日颁布了药品生产质量管理规范 （1998 年修订） ，使我国的 GMP 更加完善，更加切合国情、更加严谨，便于药品生产企业执行。2、设备的完善GMP 对药品在生产过程中的污染提出了较以前更高的要求，因此贯彻 GMP 以后冻干机的改进主要围绕防止生产过程中可能造成的污染来进行。大致在以下几方面有较大的改进。干燥箱、冷阱内部的构件均用具有防晶腐蚀性能的 316L（OOCr17N

20、i14Mo2）不锈钢和其他无污染防腐蚀的材料制造。其表面形状需利于清洗，无积水凹坑。表面光滑，其粗糙度小于 0.5m。设在位自动清洗装置(CIP)和在位灭菌装置 SIP(121蒸汽灭菌,双氧水灭菌装置)。开发干燥箱自动装、卸制品的机构，使制品从灌装、半加塞、进箱、冻干、压塞、出箱的整个过程实现了无手工操作的全自动运行，杜绝手工接触制品和托盘可能带来的污染。在生产过程中可能带入污染物的物体（如压塞的活塞杆、校正漏孔引入的空气、机房漏入的空气、冻干结束充空气等）均采用屏蔽或事先灭菌干燥措施，并验证其有效性。提高生物制品的存活率，要求冻干机具有调节控制预冻速率的功能。对干燥过程主要参数（如：搁板温度

21、、箱内真空度）进行控制，获得相同的冻干条件，使干燥过程具有“再现性” 。 新技术的应用冷冻干燥设备技术内容涉及广，运行工况要求严格，常常需要采取更为严格的方式来达到运行要求。将更新的技术应用到当中，会比较合理的达到设备的要求。因此，大量的新技术也不断的在冻干设备上体现出来。1、 螺杆式制冷机组制冷系统作为“冻干机的心脏” ，其运行效率、稳定性、可靠性是生产厂商十分关心的问题。将制冷中的新技术应用于该领域是冻干机发展的趋势。螺杆式制冷压缩机与传统的往复式制冷压缩机相比，具有非常大的优势。特点如下：1） 、工作效率高。由于螺杆式不需要像往复式压缩机那样，将旋转运动转化为往复运动，也就减少了由此带来

22、的机械损失；螺杆式制冷压缩机不会出现没有余隙容积中剩余气体的再膨胀过程，无滑动摩擦，不需要设置吸、排气阀片，所以它的指示效率和机械效率都比较高，在产生相同制冷量的同时，所损耗的功要比往复式压缩机少。2） 、良好的能量调节方式。在冷冻干燥设备中，冷量的变化量相当大。在前期预冻过程中，需要在 60 分钟内，将制品由常温降到-40。所需要的制冷量相当大，而到了后期（解析干燥过程） ，由于只有少量水分蒸发，冷量的需求也大为减少，在此阶段下，常常要求进行能量调节，在这方面，往复式压缩机相对调节能力较差，而螺杆式压缩机在此方面表现突出，其制冷量可在 15%100%之间无级调节，当冷量在 60%100%之间

23、调节时，其耗功率与制冷量以相同比例变化。3） 、运行性能好。由于螺杆式制冷压缩机的结构简单，零件数仅为活塞式的 1/10，压缩机运行可靠、安全、振幅小、适应性强，在高、低制冷范围内的应用中均有良好性能。2、 电子膨胀阀在常规的制冷系统中，常常使用热力膨胀阀作为系统的节流元件，由于热力膨胀阀主要依靠压差的变化进行能量调节，其热惯性较大，对于能量的调节相对比较滞后，冻干过程的控制也存在滞后性。而采用电子膨胀阀，对于制冷剂流量的调节反应灵敏，可在高精度的范围内控制制冷剂流量。是一种比较理想的能量调节元件。3、 新型制冷工质的替代冻干机中目前制冷系统常用的制冷剂有 R22、R502，而复叠式制冷系统的

24、低温级则采用R13。但在对以上 CFC 类的工质使用当中，人们逐渐发现，它对臭氧层的破坏极大，严重威胁到了全球环境。为了保护我们赖以生存的地球，国际社会达成共识，拟定了著名的蒙特利尔议定书 ，对现有 CFC 制冷剂进行替代。由于综合考虑环境可接受性，安全性，功耗，机器尺寸和系统价格等多方面的因素，当前对于 CFC 的替代技术研究是一项最重要也是难度最大的工作。经过多年的研究，已经相应的生产出了一些比较理想的替代工质。R22 比较成熟的替代工质有：R407C、R410A、R134a、R717A；R502 的替代工质有：R404A、R507A，而对于复叠式制冷系统中常用的 R13，其替代工质中呼声

25、较高的是R23，目前正在研究的还有 R508。另外，R744（CO2）也是一种非常理想的低温级制冷剂。虽然，已经有多种的替代工质成功应用到实际当中，但仍有问题有待解决。如：压缩机密封件的更换，润滑油的替代，制冷系统各部件的更换。还包括设备在使用过程中的维护、工质加注的方便性、系统的泄漏要求、系统的性能等，都需要在不断的使用中进行研究，为人们所接受。对于现有制冷设备而言，上面所提到的替代工质，也并不是最为理想的。需要在以后的研究中不断发展，研制更为理想的工质应用于冻干系统当中。4、 液氮制冷系统的采用在常规的冻干设备中，当冷阱温度要求达到-80-120时，往往采用复迭式制冷循环系统。其结构复杂，

26、运行烦琐，维护困难、费用高。如要想将温度进一步下降，将十分困难。采用液氮制冷系统作为冷源，会带来很多的好处。首先，该制冷系统结构简单，维护方便，一次性投入小；其次，液氮的蒸发温度为-196，以此作冷源，将会满足冷阱更低的温度要求，使用范围广。5、 干式真空泵的应用真空泵作为真空系统的重要部件，常常采用油封式真空泵。在使用的过程中，总是会出现水蒸气进入真空泵的情况，影响真空泵的润滑性能，往往此类的真空泵中常常装有气镇阀，减少水蒸气带来的影响；再有，在油封式真空泵的抽气口处常常加一高真空充气阀，以防止润滑油倒流到冷阱。这些措施使得整个真空系统变得复杂化。 而采用干式真空泵，将很好的解决以上问题。由

27、于该类型泵采用自润滑旋片，无需润滑油，减少了供油系统及油汽分离装置，使结构大大简化。同时也防止了停机后，压力恢复而产生润滑油倒流进冷阱的情况。且此类真空泵维修保养简易，易损件数量少，使用成本低。6、 自动进料系统作为冻干过程的主要设备，对冻干机的卫生要求十分高，由于人在冻干生产过程中的介入，增加了对药品的污染可能性。另外在大型的冻干机中，一批药的生产量非常大，光靠人来完成冻干产品的进、出料，工作量非常大，且生产周期也会延长。采用人不介入的自动进料方式，将大大减少了冻干车间人员的工作量，同时也最大程度地减少了人对药品的污染。三、上海东富龙科技有限公司发展理念上海东富龙科技有限公司成立于一九九三年

28、，本着振兴中国制药行业的信念，开始专业生产中国自己的真空冷冻干燥设备。经过十年的发展，已由十几人的小公司成长为国内公认的著名冻干机专业生产厂商。在中国拥有众多的用户，目前已成为中国最大的冻干机研发和制造基地，产品遍及大江南北。东富龙冻干机被广泛应用于生物工程、生物制品（疫苗、血制品） 、中西药制造、抗菌素、兽药和保健品等。一九九六年，通过设计人员及生产制造人员的努力，东富龙公司生产出国内第一台主件全部由进口件组成的冻干机，并且性能指标与进口设备一致，命名为Lyo 系列。 对于 GMP 要求，如何有效的消毒是很关键的，各种的消毒方法只要能够获得同样有效的消毒结果都是符合 GMP 的，但是 GMP

29、 推荐的消毒方法是在线纯蒸汽灭菌，九七年，东富龙公司为了能够开拓市场，开始研发 SIP 机型的冻干机，最终研制成功，并得到了广泛的应用，目前，公司已生产销售了 50 多台具有 SIP 功能的冻干机，是目前国内冻干机生产企业中销售量最大的企业。 九八年， “东富龙”品牌已在国内制药行业已具有了一定的知名度，为了证明公司实力，公司向上海市医药管理局提出鉴定要求，顺利的通过鉴定，同年又通过国家医药管理局天津制药机械检测中心的检测，这一切均表明“东富龙”冻干机的各项性能指标均已达到国际水平。 为了满足不断扩大的冻干机需求量，公司于九九年在上海市的新兴工业区、常青工业区兴建了新的车间与厂房。 2000

30、年东富龙公司的产值不断的飞跃，一跃成为国内产量、销量位居第一的冻干机生产企业。并且开始与日本最大的冻干机生产企业日本共和真空株式会社合作，开始研发免维修、无人操作型机型。 经过将近半年的前期准备，公司于 2001 年通过了德国 TUV 公司 ISO 9001 质量体系认证。 2002 年，公司积极贯彻 GMP 标准，在国内首先通过制药装备 GMP 认证，成为目前国内唯一通过的冻干机生产企业。这充分证明，东富龙冻干机在符合 GMP 方面的出色成绩。同年被评为上海市高新技术企业。 公司自 99 年起，冻干机的销售量每年都在不断递增，2003 年东富龙冻干机已销往各地 360 多台，旧的冻干车间已无

31、法满足现有的生产需要，2003 年 5 月东富龙新厂房落成，使东富龙公司一跃成为可年产 150 台冻干机的生产企业。成为了目前中国最大的冻干机供应商。今天，东富龙科技有限公司拥有一支长期从事制药机械设备的开发、研制和生产的科技人员及经验丰富的技术工人队伍，具有一整套完整的冻干机制造工艺和生产线，并为顾客提供产品的安装调试、技术培训、维修保养、零配件供应和优化冻干工艺等一系列优质服务。为了适应中国的 GMP 实施与推进，不断的满足中国冻干机用户的需求，公司不断扩大设计研发力量，通过改良及更新设计、制造工艺，使东富龙生产的冻干机具有了国际化的水平，并且已有部分冻干机面向海外销售，产品在东南亚及南美

32、获得一致好评。在公司飞速发展的同时，对于今后的发展也制订了详细的规划。通过对技术的不断投入，优化自身产品的性能，在技术方面与世界冻干机的发展同步。通过与客户形式多样的技术交流，为客户制造出性能更加优良，设计更加合理，操作更为方便的冻干设备。在引进人才方面，大刀阔斧，将更优秀的人才吸纳到公司的团队中来。通过对技术人员及工人队伍进行定期培训，不断提高技术人员与工人的素质，将高超的研发、技术实力，配以一流的生产装备，以专业的态度服务于冻干机的生产。在保证国内市场要求的同时，准备走出国门，将中国制造的冻干设备展示给世界。通过请进来，走出去的战略，向世界优秀冻干机厂商学习，进一步加强自身产品的质量及性能

33、，朝着一流的冻干机生产厂商迈进。我们相信，上海东富龙科技有限公司依托中国，面向世界，前途一片光明。在不久的将来，“TOFFLON”这个品牌将为世界冻干行业所熟知，成为中国人的骄傲。冷冻干燥基础理论第一节第一节 冷冻干燥的原理冷冻干燥的原理一、冻干的概念、目的及应用冷冻干燥就是把含有大量水分的物质，预先进行降温冻结成固体。然后在真空的条件下使水蒸汽直接从固体中升华出来，而物质本身留在冻结的冰架子中，从而使得干燥制品不失原有的固体骨架结构，保持物料原有的形态,且制品复水性极好。利用冷冻干燥目的是为了贮存潮湿的物质，通常是含有微生物组织的水溶液，或不含微生物组织的水溶液。产品在冻结之后置于一个低气压

34、下，这时包含冰的升华，直接由固态在不发生熔化的情况下变成汽态。与其他干燥方式相比避免了化学、物理和酶的变化，从而确保了制品物性在保存时不易改变。实际需要的低水汽压是靠真空的状况下达到的。真空冷冻干燥技术主要应用于：热稳定性差的生物制品，生化类制品，血液制品，基因工程类制品等药物冻干；为保持生物组织结构和活性，外科手术用的皮层、骨骼、角膜、心瓣膜等生物组织的处理；以保持食物色、香、味和营养成分以及能迅速复水的咖啡、调料、肉类、海产品、果蔬的冻干；在微胶囊制备、药品控释材料等方面的应用。 以保持生鲜物质不变性的人参、蜂皇浆、龟鳖等保健品及中草药制剂的加工；超微细粉末功能材料如：光导纤维、超导材料、

35、微波介质材料、磁粉以及能加速反应工程的催化剂的处理等。二、冷冻干燥的原理及优点1、 水的状态平衡图物质有固、液、汽三态，物质的状态与其温度和压力有关。图 1-1 示出水（H2O）的状态平衡图。图中 OA、OB、OC 三条曲线分别表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽两相共存时其压力和温度之间的关系。分别称为溶化线、沸腾线和升华线。此三条曲线将图面分为、三个区域，分别称为固相区、液相区和气相区。箭头 1、2、3 分别表示冰溶化成水，水汽化成水蒸汽和冰升华成水蒸汽的过程。曲线 OB 的顶端有一点 K，其温度为374，称为临界点。若水蒸汽的温度高于其临界温度 374时，无论怎样加大压力，水蒸汽也不能变成

36、水。三曲线的交点 O，为固、液、汽三相其存的状态，称为三相点，其温度为 0.01，压力为 610Pa。在三相点以下，不存在液相。 若将冰面的压力保持低于610Pa，且给冰加热，冰就会不经液相直接变成汽相，这一过程称为升华。 图 2-1 水的三相平衡图 真空冷冻干燥是先将湿料冻结到共晶点温度以下,使水分变成固态的冰,然后在较高的真空度下,使冰直接升华为水蒸气,再用真空系统中的水汽凝结器将水蒸气冷凝,从而获得干燥制品的技术。干燥过程是水的物态变化和移动的过程。这种变化和移动发生在低温低压下。因此，真空冷冻干燥的基本原理就是低温低压下传质传热的机理。2、 冷冻干燥的优点冷冻干燥与常规的晒干、烘干、煮

37、干、喷雾干燥及真空干燥相比，有许多突出的优点：冷冻干燥在低温下进行，因此在对于许多热敏性的物质特别适用。如蛋白质、微生物之类，不会发生变性或失去生物活力。在冻干过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行。因此能保持原来的性状。在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成份和受热变性的营养成分损失很小，适合一些化学制品、药品和食品的干燥。由于在冻结的状态下进行干燥，因此制品的体积、形状几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。干燥后的物质疏松多孔，呈海绵状，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。在真空下进行干燥，物料处于高度缺氧状态下，容易氧化的物质得到了保护。干燥能排除 95-99%以上的水份

38、，使干燥后产品能长期保存而不变质。第二节第二节 冷冻干燥的一般过程冷冻干燥的一般过程需要冻干的物品需配制成一定浓度的液体，为了能保证干燥后有一定的形状，一般冻干产品应配制成含固体物质浓度在4%25%之间的稀溶液，以浓度为10%15%最佳。这种溶液中的水，大部分是以分子的形式存在于溶液中的自由水；少部分是以分子吸附在固体物质晶格间隙中或以氢键方式结合在一些极性基团上的结合水。固定于生物体和细胞中的水，大部分是可以冻结和升华的自由水，还有一部分不能冻结、很难除去的结合水。冻干就是在低温、真空环境中除却物质中的自由水和一部分的吸附于固体晶格间隙中的结合水。因此，冷冻干燥过程一般分三步进行，即预冻结、

39、升华干燥（或称第一阶段干燥） 、解析干燥（或称第二阶段干燥） 。一、预冻结预冻就是将溶液中的自由水固化，赋予干后产品与干燥前相同的形态，防止抽空干燥时起泡、浓缩和溶质移动等不可逆变化发生，尽量减少由温度引起的物质可溶性减少和生命特性的变化。1、 预冻的方法溶液的预冻方法有两种：冻干箱内预冻法和箱外预冻法。箱内预冻法是直接把产品放置在冻干机内的多层搁板上，由冻干机的冷冻机来进行冷冻，大量的小瓶和安瓶进行冻干时为了进箱和出箱方便，一般把小瓶分放在若干金属盘内，再装进箱子，为了改善热传递。有些金属盘制成可抽活底式，进箱时把底抽走，让小瓶直接与冻干箱的金属板接触；对于不可抽底的盘子，要求盘底平整，以获

40、得产品的均一性。采用旋冻法的大血浆瓶要事先冻好后加上导热用的金属架后再进箱进行冷冻。箱外预冻法有二种方法。有些小型冻干机没有进行预冻产品的装置，只能利用低温冰箱或酒精加干冰来进行预冻。另一种是专用的旋冻器，它可把大瓶的产品边旋转边冷冻成壳状结构，然后再进入冻干箱内。 图 2-2 旋转型冷冻还有一种特殊的离心式预冻法，离心式冻干机就采用此法。利用在真空下液体迅速蒸发，吸收本身的热量而冻结。旋转的离心力防止产品的气体逸出，使产品能“平静地”冻结成一定的形状。转速一般为 800 转/分左右。图 23 靠离心或旋转液体形成楔状或壳状2、 预冻的过程：水溶液温度降到一定时，根据溶液共晶浓度，浓度淡溶液里

41、开始结冰，这个温度就叫结冰点。一般来说结冰点受浓度的支配与浓度一起下降。溶液温度低于结冰点时，溶液中的一部分会结晶析出，剩下的溶液浓度将会上升，就这样结冰点下降，接着继续冷却，冰结晶随着冷却而增加，剩下的溶液浓度随之而增大。可是温度降到某一点时剩下的溶液就全部冻结，这时的冻结物里混杂着冰晶体，这时的温度就是共晶点。 溶液需过冷到冰点以后，其内产生晶核以后，自由水才会开始以冰的形式结晶，同时放出结晶热使其温度上升到冰点，随着晶体的生长，溶液浓度的增加，当浓度达到共晶浓度，温度下降到共晶点以下时，溶液就会全部冻结。溶液结晶的晶粒数量和大小除了与溶液本身的性质有关以外，还与晶核生成速率和晶体生长速率

42、有关。而晶核生成速率和晶体生长速率这两个因素又是随温度和压强的变化而变化的，因此，我们可以通过控制温度和压强来控制溶液结晶的晶粒数量和大小。一般来说，冷却速度越快，过冷温度越低，所形成的晶核数量越多，晶体来不及生长就被冻结，此时所形成的晶粒数量越多，晶粒越细；反之晶粒数量越少，晶粒越大。晶体的形状也与冻结温度有关。在 0附近开始冻结时，冰晶呈六角对称形，在六个主轴方向向前生长，同时，还会出现若干副轴，所有冰晶连接起来，在溶液中形成一个网络结构。随着过冷度的增加，冰晶将逐渐丧失容量辨认的六角对称形式，加之成核数多，冻结速度快,可能形成一种不规则的树枝型，它们有任意数目的轴向柱状体，而不象六方晶型

43、那样只有六条。图 2-4 冷冻干燥碎片，表示冰升华后空隙（无比例）生物体液（如血液血浆、肌肉浆液、玻璃体液等）结冰形成的结晶单元，往往与单一成分的水溶液形成的冰晶类型相似。结晶类型主要取决于冷却速度和体液浓度，例如血浆、肌肉浆液等在正常浓度下结冰时，在较高零下温度、慢冷却速度下形成六方结晶单元，快速冷却至低温时形成不规则树枝状晶体。细胞悬浮液（如红血球、白血球、精子、细菌等悬浮于蒸馏水、血浆或其他悬浮介质中） ，在高零下温度缓慢结冰时，悬浮液中大量的冰生长，将细胞挤在两冰柱之间的狭窄管道中，管道内的悬浮介质因水析出结冰而溶质浓缩，细胞内的水通过细胞膜渗透出细胞，又造成细胞内溶质的浓缩。与此同时

44、，胞外冰的生长，还将迫使细胞物质体积缩小、变形。但此时细胞内不结冰。当在低温下快速结冰时，则细胞内将形成胞内冰。冰的大小、形状和分布与冷却速度、保护剂的存在与否、保护剂的性质以及细胞内水的含量有关，一般说来，冷却速度越快、温度越低，细胞内形成的冰越多。悬浮液中添加非渗透性保护剂，可以使快速结冰时细胞内形成的冰数目减少。 溶液结晶的形式对冻干速率有直接的影响。冰晶升华后留下的空隙是后续冰晶升华时水蒸气的逸出通道，大而连续的六方晶体升华后形成的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干燥速度快，反之树枝形和不连续的球状冰晶通道小或不连续，水蒸汽靠扩散或渗透才能逸出，因而干燥速度慢。因此仅从干燥速率

45、来考虑，慢冻为好。此外，冻结的速率还与冻结设备的种类、能力和传热介质等有关。预冻会对细胞和生命产生一定的破坏作用，其机理是非常复杂的，一般认为，预冻过程中水结冰所产生的机械效应和溶质效应是引起生化药品在冻干过程中失活或变性的重要因素。机械效应是指水结冰时体积增大，致使活性物质活性部位中一些弱分子力键受到破坏，从而使活性损失；溶质效应是指水结冰以后引起溶质浓度上升以及由于各种溶质在各种温度条件下溶解度变化不一致引起 pH 值的变化，导致活性物质所处的环境发生变化而造成失活或变性。对这种现象可采用下列措施解决：预冻采用速冻法，先将搁板温度降至-45，再放入产品急速冷冻，形成细微冰晶，使其来不及产生

46、机械效应。选用缓冲剂时要选用溶解度相当的缓冲配对盐。加入产品保护剂。升华阶段时间的长短与下列因素有关： 产品的品种：共熔点温度较高的产品容易干燥，升华的时间短些； 每瓶内的装量（正常的干燥速率大约为 1mm/h） 、总装量、玻璃容器的形状、规格； 升华时提供的热量； 冻干机本身的性能。二、升华干燥（第一阶段干燥）升华干燥也称为第一阶段干燥。将冻结后的产品置于密封的真空容器中加热，其冰晶就会升华成水蒸汽逸出而使产品脱水干燥。干燥是从外表面开始逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的空隙变成尔后升华水蒸汽的逸出通道。已干燥层和冻结部分的分界面称为升华界面。在生物制品干燥中，升华界面约为每小时 1mm 的

47、速度向下推进。当全部冰晶除去时，第一阶段干燥就完成了，此时约除去全部水分的 90%左右。产品在升华干燥时要吸收热量，一克冰全部变成水蒸汽大约需要吸收 670 卡左右的热量。因此升华阶段必须对产品进行加热。当冻干箱内的真空度降至 10Pa（可根据制品要求而定）以下，就可以开始给制品加热，为产品升华提供能量，且冻干箱内的真空度应控制在 10-30Pa 之间最有利于热量的传递，利于升华的进行。第一阶段升华干燥是冷冻干燥的关键阶段，大部分的水在这一阶段被升华。若控制不好，会直接影响产品的外观质量和冻干时间。若搁板的温度过高，搁板向产品提供的热量大于水分升华所吸收的热量，则产品温度持续上升，当产品温度超

48、过其共熔点时，则产生喷瓶或瓶底变空的现象，影响产品的外观质量。赋形剂的选择和用量对冻干生化药品的外观影响很大。由于各个产品的性质不相同、配方各不同、离子浓度各不相同，对赋形剂选择和用量要求各不一样，若控制不好，冻干后的产品外观成为不易溶解的蜂窝状或粉状，而不能成为结构疏松、易于溶解的网状结构，影响药品的外观质量。但由于产品升华时，升华面不是固定的。而是在不断的变化，并且随着升华的进行，冻结产品越来越少。因此造成对产品温度测量的困难，利用温度计来测量均会有一定的误差。可以利用气压测量法来确定升华时产品的温度，把冻干箱和冷凝器之间的阀门迅速地关闭 12 秒的时间（切不可太长） 。然后又迅速打开，在

49、关闭的瞬间观察冻干箱内的压强升高情况，计下压强升高到某一点的最高数值。从冰的不同温度的饱和蒸汽压曲线或表上可以查出相应数值，这个温度值就是升华时产品的温度。产品的温度也能通过对升华产品的电阻的测量来推断。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。第一阶段干燥结束可以通过以下现象判断：干燥层和冻结层的交界面到达瓶底并消失。产品温度上升到接近产品共溶点的温度。冻干箱的压力和冷凝器的压力接近，且两者间压力差维持不变当关闭干燥室与冷凝器之间的阀门时，压强上升速率与渗漏相压器近（需要预先检查渗

50、漏的速率） 。当在多歧管上干燥时，容器表面上的冰或水珠消失，其温度达到环境温度。通常在此基础上还要延长 30 分钟到 1 小时的时间再转到第二步干燥，以保证没有残留的冰。三、解析干燥（第二阶段干燥）解析干燥也称第二阶段干燥。在第一阶段干燥结束后，产品内还存在 10%左右的水分吸附在干燥物质的毛细管壁和极性基团上，这一部分的水是未被冻结的。当它们达到一定含量，就为微生物的生长繁殖和某些化学反应提供了条件。实验证明：即使是单分子层吸附以下的低含水量，也可以成为某些化合物的溶液，产生与水溶液相同的移动性和反应性。因此为了改善产品的贮存稳定性，延长其保存期，需要除去这些水分。这就是解析干燥的目的。 由

51、于这一部分水分是通过范德华力、氢键等弱分子力吸附在药品上的结合水，因此要除去这部分水，需要克服分子间的力，需要更多的能量。此时可以把制品温度加热到其允许的最高温度以下（产品的允许温度视产品的品种而定，一般为 25-40左右。病毒性产品为 25，细菌性产品为 30，血清、抗菌素等可高达 40） ，维持一定的时间（由制品特点而定） ，使残余水分含量达到预定值，整个冻干过程结束。如果制品共晶点较高，系统的真空度也能保持良好，凝结器的制冷能力充裕，则也可采用一定的升温速度，将搁板温度升高至允许的最高温度，直至冻干结束，但也需保证制品在大量升华时的温度不得超过共晶点。 在解析干燥阶段由于产品内逸出水份的

52、减少，冷凝器温度的下降又引起系统内水蒸气压力的下降，这样往往使冻干箱的总压力下降到低于 10Pa，这就使冻干箱内对流的热传递几乎消失。为了改进冻干箱传热，使产品温度较快地达到最高允许温度，以缩短解析干燥阶段时间，要对冻干箱内的压强进行控制，控制的压强范围在 1530Pa 之间。产品温度到达许可温度之后，为了进一步降低产品内的残余水份含量，需要恢复高真空度，同时，冷凝器由于负荷减少也达到了极限低温，这样冻干箱和冷凝器之间水蒸气压力差达到了最大值。这种状况非常有利于产品内残余水份的逸出。由于冻干药品中的残留水分对冻干生化药品的影响很大，残留水分过多，生化活性物质容易失活，大大降低了稳定性。控制冻干

53、药品中的残留水分，关键在于第二阶段再干燥的控制。在这一阶段中，温度要选择能允许的最高温度；真空度的控制尽可能提高，有利于残留水分的逸出；持续的时间越长越好，一般过程需要 4-6 小时；对自动化程度较高的冻干机可采取压力升高试验对残留水分进行控制，保证冻干药品的水分含量少于 3%。冻干曲线的制定生物制品的冷冻干燥产品，需要有一定的物理形态、均一的颜色、合格的残余水份含量、良好的溶解性、高的存活率或效价，长的保存期。因此，不仅要对配制过程和冻干后的密封保存进行控制。更重要的是对冷冻干燥过程的每一阶段的各参数进行全面的控制，才能得到优质的产品。冻干曲线和时序就是进行冷冻干燥过程控制的基本依据。冻干曲

54、线就是表示冻干过程中产品的温度、压力随时间变化的关系曲线；冻干时序是在冻干过程中不同时间，各种设备的启闭运行情况。冻干加工中最重要的过程参数是制品的温度和干燥箱内的压力。对于某一具体的冻干机，由于制品的温度与搁板温度或箱内空间温度有一定依从关系，许多设备又不能控制产品表面的压力，所以实践中冻干曲线往往用搁板温度（或箱内空间温度）与时间的关系曲线来表示。为了监测冻干过程的主要参数，配自动记录仪的冻干机一般均自动记录下搁板的温度、制品温度、水汽凝结器温度、冻干箱压力等四个参数和时间的曲线。这些曲线均为冻干曲线。图 2-5 典型的冷冻曲线比较典型的冻干曲线将搁板升温分为两个阶段，在大量升华时搁板温度

55、保持较低，根据实际情况，一般可控制在-10+10之间。第二阶段则根据制品性质将搁板温度适当调高，此法适用于其熔点较低的制品。若对制品的性能尚不清楚，机器性能较差或其工作不够稳定时，用此法也比较稳妥。 图 2-6 冻干过程中各设备的运行程序实际上，冻干曲线的形状与产品的性能、装量的多少、分装容量的种类、设备条件等许多因素有关。制定冻干曲线要考虑下列因素： 产品的品种：有些产品受冷冻的影响较大，有些产品则影响较小；一般细菌性的产品受冷冻的影响较大，病毒性的产品受冷冻的影响较小。共熔点低的产品要求预冻的温度低，加热时板层的温度亦相应要低些；为了长期保存产品，残余水份含量要求低的产品，冻干时间需长些。

56、残余水份含量要求高的产品，冻干时间可缩短； 装液量：总装液量和每一容器内产品装液量的多少，装液量多则冻干时间长； 容器的品种：底部平整则传热较好。底部不平或玻璃较厚则传热较差，后者显然冻干时间较长； 冻干机性能：生产厂家不同，冻干曲线也不完全一样。生产中应根据各自的具体条件，从试验中制定出最佳的冻干曲线。制定冻干曲线和冻干时序主要确定下列数据:预冻速率预冻速率的快慢，对产品冻结中晶粒的大小、活菌的存活率和升华的速率均有直接的影响。一般来说，慢冻晶粒大，产品外观粗糙、不容易损伤活菌，但升华速率快，而速冻则与此相反。通常冻干机是不能调节冻结速率的。如需冻结得快一些，则先将干燥室（箱）预冷至较低温度

57、，再将制品入箱冻结。若使干燥箱与制品一起降温，其冻结速率较慢。预冻温度 根据预冻方法不同而略有差异。一般来说，搁板温度应低于制品共熔点 510。预冻时间预冻所需的时间要根据不同的具体条件而定，总的原则是应使产品的各部分完全冻牢。一般来说，制品装量多，分装的容器底不平，托盘与搁板接触传热不良，冻干机制冷能力小，产品的过冷度小，搁板间的温差大等均应延长预冻时间。反之预冻时间可以缩短。通常搁板式冻干机，干燥箱的搁板从室温 30降到-40约需 24 个小时，在制品样品温度降到预定的最低温度后，还需在此温度下保持 12 小时，才能升华。水汽凝结器的降温时间与温度在产品预冻结束前 30-50 分钟（视其制

58、冷能力决定时间长短）就应使水汽凝结器降温。温度降到-40左右，起动真空泵抽真空，当产品表面压力降至 10-20Pa 以下，起动加热循环泵，给产品供热升华。 抽真空时间预冻结束就是开始抽真空，要求在 0.5h 左右的时间真空度能达到 10Pa；预冻结束就是停止冻干箱冷冻机的运转，通常在抽真空的同时或真空抽到规定要求时停止冷冻机的运转。预冻结束的时间预冻结束就是停止冻干箱板层的降温，通常在抽真空的同时或真空抽到规定要求时停止板层的降温。开始加热时间 一般认为开始加热的时间始于抽真空（实际上抽真空开始，升华即已开始） 。开始加热是在真空度达到 10Pa 之后，有些冻干机利用真空继电器自动接通加热，即

59、真空度达到 10Pa 时，加热便自动开始；有些冻干机是在抽真空之后半小时开始加热，这时真空度已达到 10Pa 甚至更高。真空报警工作时间 由于真空度对于升华是极其重要的，因此新式的冻干机均设有真空报警装置。真空报警装置的工作时间在加热开始之时到校正漏孔使用之前，或从开始一直到冻干结束。一旦在升华过程中真空度下降而发生真空报警时，一方面发出报警信号，一方面自动切断冻干箱的加热。同时还启动冻干箱的冷冻机对产品进行降温，以保护产品不致发生熔化。真空控制的工作时间真空控制的目的是为了改进冻干箱内的热量传递，通常在第二阶段干燥时使用，待产品温度达到最高许可温度之后即可停止，继续恢复真空状态，使用时间的长

60、短由产品的品种、装量和真空度的数值所决定。也可第一阶段干燥时使用。产品加热的最高许可温度 板层加热的最高许可温度根据产品来决定，在升华时板层的加热温度可以超过产品的最高许可温度因为这时产品仍停留在低温阶段，提高板层温度可促进升华；但冻干后期板层温度需下降到与产品的最高许可温度相一致。由于传热的温差，板层的温度可比产品的最高许可温度略高少许。冻干的总时间冻干的总时间是预冻时间，加上升华时间和第二阶段工作的时间。总时间确定，冻干结束时间也确定。冻干总时间根据产品的品种、瓶子的品种、装箱方式、装量、机器性能等来决定，一般冷冻工作的时间较长，在 1824h 左右，有些产品需要几天的时间。第四节第四节 冻干过程