1、冷凍干燥(以下簡稱凍干)是一個穩(wěn)定化的物質(zhì)干燥過程。是將含水的物質(zhì)，先凍結成固態(tài)，而后使其中的水分從固態(tài)直接升華變成氣態(tài)排除，以除去水分而保存物質(zhì)的方法。
 

　　2、溶液狀態(tài)的產(chǎn)品經(jīng)冷凍處理后，先后經(jīng)過升華和解吸作用，使產(chǎn)品中的溶劑減少到一定程度，從而阻止微生物的生成或溶質(zhì)與溶劑間的化學反應，使產(chǎn)品得以長時間保存并保持原有的性質(zhì)。
 

　　3、真空冷凍干燥法是液態(tài)→固態(tài)→氣態(tài)的過程。在凍干過程中，溶質(zhì)顆粒之間的“液態(tài)橋"已被凍成“固態(tài)橋"，兩顆粒間的相對位置已經(jīng)被固定下來，并且兩顆粒之間不存在氣液界面的表面張力。隨著溶劑的不斷升華，“固橋"不斷減少，但兩顆粒之間的相對位置已不再發(fā)生變化，直至“固態(tài)橋"*消失。
 

　　凍干的優(yōu)點 (和通常的干燥方法如曬干、烘干、煮干、噴霧干燥及真空干燥相比)
 

　　1、它是在低溫下干燥，不使蛋白質(zhì)產(chǎn)生變性，使微生物之類失去生物活力。
 

　　2、由于是低溫干燥，使物質(zhì)中的揮發(fā)性成分和受熱變性的營養(yǎng)成分和芳香成分損失很小 。
 

　　3、在低溫干燥過程中，微生物的生長和酶的作用幾乎無法進行，能*好 地保持物質(zhì)原來的性狀。
 

　　4、干燥后體積、形狀基本不變，復水性好。
 

　　5、因一般系真空下干燥，氧氣極少，使易氧化的物質(zhì)得到了保護。
 

　　6、能除去物質(zhì)中 95-99.5% 的水分 , 制品的保存期長。
 

　　凍干技術的運用
 

　　1、生物制品、藥品方面：如抗菌素、抗毒素、診斷用品和疫苗的保存。
 

　　2、微生物和藻類方面：如各種細菌、酵母、酵素、原生動物、微細藻類等的長期保存等。
 

　　3、生物標本、生物組織方面：如制作各種動植物標本，干燥保存用于動物異種或同種移植的皮膚、角膜、骨骼、主動脈、心瓣膜等邊緣組織。
 

　　4、制作用于光學顯微鏡、電子掃描和透射顯微鏡的小組織片。
 

　　5、食品的干燥方面：如咖啡、茶葉、肉魚蛋類、海藻、水果、蔬菜、調(diào)料、豆腐、方便食品等。
 

　　6、營養(yǎng)品及中草藥方面：如蜂王漿、蜂蜜、花粉、中草藥制劑等。
 

　　7、超細微粉的制備方面：如制取Al2O3、ZrO2、TiO2、Ba2Cu3O7～8、Ba2Ti9O20等超細微粉。
 

　　8、其他方面：如化工中的催化劑，凍干后可提高催化效率5～20倍；將植物葉子、土壤凍干保存，用以研究土壤、肥料、氣候?qū)χ参锷L的影響及生長因子的作用；潮濕的木制文物、淹壞的書籍稿件等用凍干法干燥，能大限度地保持原狀等。
 

　　水和溶液的性質(zhì)
 

　　物質(zhì)有固、液、汽三態(tài)。物質(zhì)的狀態(tài)與其溫度和壓力有關。如圖所示，水 (H2O )的狀態(tài)平衡圖。圖中 OA 、 OB 、 OC 三條曲線分別表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽兩相共存時其壓力和溫度之間的關系。分別稱為溶化線、沸騰線、升華線。此三條曲線將圖面分成 I 、 II 、 III 三個區(qū)域，分別稱為固相區(qū)、液相區(qū)和氣相區(qū)。箭頭 1 、 2 、 3 分別表示冰溶化成水，水汽化成水蒸汽和冰升華成水蒸汽的過程。曲線 OB 的頂端有一點 K ，其溫度為 374 ℃ ，稱為臨界點。若水蒸汽的溫度高于其臨界溫度 374 ℃ 時，無論怎樣加大壓力，水蒸汽也不能變成水。三曲線的交點 O，為固、液、 汽三相共存的狀態(tài)，稱為三相點，其溫度為 0.01 ℃ ，壓力為 610Pa 。在三相點以下，不存在液相。若將冰面的壓力保持低于 610Pa ，且給冰加熱，冰就會不經(jīng)液相直接變成氣相，這一過程稱為升華。
 

　　溶液的冷凍干燥過程
 

　　凍干溶液一般都是配置成含固體物質(zhì)4%-15%的稀溶液。
 

　　溶液里水的組成：
 

　　1、大部分水是以水分子的形式存在于溶液中的自由水。
 

　　2、少部分是吸附于固體物質(zhì)晶格間隙中或以氫鍵方式結合在一些極性基因團上的結合水。
 

　　3、固定于生物體和細胞中的水，大部分也是可以凍結和升華的自由水。也含有一些不能凍結、很難去除的結合水。
 

　　凍干的目的就是在低溫、真空環(huán)境中除去物質(zhì)中的自由水和一部分吸附于固體晶格間隙中的結合水。凍干過程分為以下幾個步驟：
 

　　預凍結
 

　　預凍是將溶液中的自由水固化，賦予產(chǎn)品干燥后與干燥前有相同的形態(tài)，防止抽空干燥時起泡、濃縮、收縮和溶質(zhì)移動等不可逆變化發(fā)生。
 

　　溶液在凍結過程中，需過冷到冰點以下，其內(nèi)部產(chǎn)生晶核以后，自由水才開始以純和冰的形式結晶，同時放出結晶熱，使其溫度上升到冰點，隨著晶體的生長，溶液濃度增加，當濃度到達共晶濃度，溫度下降到共晶點以下時，溶液就全部凍結。
 

　　冷卻速度愈快，過冷溫度越低，所形成的晶核數(shù)量越多，晶體來不及生長就被凍結，形成的晶粒數(shù)量越多，晶粒也細。冷卻速度慢，形成的晶粒數(shù)量越少，晶粒也粗大。凍干制品升華前，必須凍結到一定的溫度，這個溫度應設在制品的共溶點以下10至20℃左右，如不經(jīng)過預凍直接抽真空，當壓力降到一定程度時，液體就會被抽去。這種情況也叫蒸發(fā)，這種蒸汽叫做不飽和蒸汽，如果制品凍結不實而抽真空，液體中的氣體迅速逸出而引起“沸騰"的現(xiàn)象。制品如在“沸騰"中凍結，有部分可能逸出瓶外，引起藥物損失或使制品表面凹凸不平。由此可見，共溶點的溫度是保證產(chǎn)品正常干燥的安全的溫度，只能比它低，不能高于共溶點溫度。
 

　　升華干燥(一次干燥)
 

　　將凍結后的產(chǎn)品置于密閉的真空容器中加熱，其冰晶就會升華成水蒸氣逸出而使產(chǎn)品脫水干燥。干燥是從外表面開始逐步向內(nèi)推移的，冰晶升華后殘留下的空隙變成而后升華水蒸氣的逸出通道。已干燥層和凍結部分的分界面(實際上是一薄層)稱為升華界面。在生物制品干燥中，升華界面約以1mm/h的速度向內(nèi)推進。當全部冰晶去除時，升華干燥就完成了，此時可除去水分90%左右。制品中冰的升華是在升華界面處進行的。升華時所需要的熱量是由加熱設備(通過擱板)提供，從擱板傳來的熱量由以下幾種途徑傳至產(chǎn)品的升華界面：固體的傳導，輻射，氣體的對流。
 

　　設備升華時受以下幾個溫度限制：
 

　　產(chǎn)品凍結部分的溫度應低于產(chǎn)品共溶點的溫度。
 

　　產(chǎn)品干燥部分的溫度要低于其崩解溫度或容許的*高溫度(不燒焦或性變)。
 

　　*高擱板溫度。
 

　　解析干燥(二次干燥)
 

　　階段干燥是將水以冰晶的形式除去的，因此凍干層的溫度和升華界面的壓力都必須控制在產(chǎn)品共溶點(或崩解溫度)以下，才不致使冰晶溶化。但對于吸附水，其吸附能量高，如果不提供足夠的能量，水就不可能從吸附中解析出來。因此，這一階段產(chǎn)品的溫度應足夠地高，只要不超過允許的*高溫度，不燒毀產(chǎn)品和不造成產(chǎn)品過熱而變性就可。同時，為了使解吸出來的水蒸氣有足夠的推動力逸出產(chǎn)品，必須使產(chǎn)品內(nèi)外形成較大的蒸汽壓差，因此這一階段箱體內(nèi)要保持高真空。第二階段干燥后，產(chǎn)品殘余水分的含量一般可以控制在0.5%-4% 之間。
 

　　凍干過程的幾個關鍵概念
 

　　共晶溫度
 

　　幾種物質(zhì)組成的混合溶液，在凍結過程中，開始時某些組分結晶析出， 使剩下的溶液濃度發(fā)生變化。當達到某一溫度或溫度區(qū)域時，其液態(tài)和所形成的固態(tài)中的組分*相同，這時的溶液稱為共晶溶液，這時的
 

　　溫度或溫度區(qū)間稱為該溶液的共晶點或共晶區(qū)，也稱為*固化溫度，它是產(chǎn)品在冷卻過程中從液態(tài)結束轉(zhuǎn)向固態(tài)的*高溫度。共晶溫度為凍干過程中預凍應達到的*高溫度，一般預凍過程應低于其共晶溫度10-20℃。
 

　　共溶溫度
 

　　固態(tài)混合溶液在升溫融化過程中，當達到某一溫度時，固體中開始出現(xiàn)液態(tài)此溫度稱為溶液的共溶點，或稱開始溶化溫度。它是產(chǎn)品升溫過程中從固態(tài)開始出現(xiàn)液態(tài)的低溫度。在一次干燥中物料凍結層溫度一定要低于共溶點。
 

　　共晶點的測定有電阻測定法、熱差分析測定、低溫顯微鏡直接觀察、數(shù)字公式計算測定。 溶液凍結過程中，由于離子的漂移率隨溫度的下降而逐步降低，電阻增大，只要有液體存在，電流就可流動，一旦全部凍結，帶電離子不能移動，電阻會忽然增大，根據(jù)這個原理，測出溶液的共晶點。
 

　　塌陷溫度：
 

　　凍干時物料中的冰晶消失，原先為冰晶所占據(jù)的空間成為空穴，因此凍干層呈多孔蜂窩狀海綿體結構。此結構與溫度有關。當蜂窩狀結構體的固體基質(zhì)溫度較高時，其剛性降低。當溫度達到某一臨界值時，固體基質(zhì)的剛性不足以維持蜂窩狀結構，空穴的固形物基質(zhì)壁將發(fā)生塌陷，原先蒸汽擴散的通道被封閉，此臨界溫度稱為凍干物料的崩潰溫度或塌陷溫度。
 

　　玻璃化轉(zhuǎn)變溫度：
 

　　當溫度降低時，液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，有兩種不同狀態(tài)-晶態(tài)和非晶態(tài)。在非晶態(tài)固體材料中，原子、離子或分子的排列是無規(guī)則的。因為人們已習慣將融化物質(zhì)在冷卻過程中不發(fā)生結晶的無機物質(zhì)稱為玻璃，所以后來逐見地將其他非晶態(tài)均稱為玻璃態(tài)。由于在藥品凍干中要求更加嚴格，希望藥品在凍干過程中處于玻璃化溫度以下。但這里玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不是指*的玻璃化，因為*的玻璃化是指整個樣品都形成了玻璃態(tài)，實現(xiàn)*玻璃化要求*的降溫速率，幾乎是不可能的。凍干過程的玻璃化溫度指大凍結濃縮液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。因為在凍結過程中隨著冰晶的析出，剩余溶液的濃度逐漸增加，當達到一定濃度時，剩余的水分不再結晶，此時的溶液達到大凍結濃縮狀態(tài)，對應的溫度稱為大凍結濃縮液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度
 

　　凍干的三個關鍵要素
 

　　1、處方
 

　　確定處方是關鍵的步驟。
 

　　溶液的組成關系到冷凍、升華等步驟的實施。
 

　　處方包括：
 

　　活性成分；賦形劑；工藝用水。
 

　　2、重要的熱力學性能:(凍干工藝曲線)
 

　　過冷的程度；結晶的程度；崩解溫度或共晶溫度；亞穩(wěn)狀態(tài)間隙物
 

　　質(zhì)的相變化；溶液的結晶熱；間隙物質(zhì)的熔化溫度。
 

　　3、好的凍干機
 

　　滿足GMP要求；性能；能量隨意調(diào)節(jié)；重演性強。
 

　　凍干曲線的制定
 

　　凍干曲線是表示凍干過程中產(chǎn)品的溫度、壓力隨時間而變化的曲線。凍干曲線的形狀與產(chǎn)品的性能、裝量的多少、分裝容器的種類、設備條件等許多因素有關。制定凍干曲線，主要確定以下參數(shù)：
 

　　a、預凍速率
 

　　預凍速率的快慢，對產(chǎn)品中晶粒的大小、活菌的存活率和升華速率有直接影響。慢凍晶粒大，產(chǎn)品外觀粗糙，不易損傷活菌，但升華速率快。速凍晶粒小，產(chǎn)品外觀細膩，升華速率慢。
 

　　b、預凍溫度
 

　　制品溫度應低于其共溶點5-10℃。
 

　　c、預凍時間
 

　　預凍所需時間要根據(jù)不同的具體條件而定，總的原則是應使產(chǎn)品各部分*凍牢。在制品溫度降到預定的低溫度后，還需在此溫度下保持1-2h，才能進行升華。
 

　　d、冷凝器降溫時間和溫度
 

　　冷凝器溫度的高低，應根據(jù)制品升華的溫度而定。升華溫度低，相應要求冷凝器的溫度也低。升華的*佳速率是在產(chǎn)品升華溫度的飽和蒸汽壓力的二分之一左右。過低的壓力不僅不能加快升華，相反還會向產(chǎn)品的供熱性能差，降低升華速率。
 

　　e、升華速率和干燥時間
 

　　升華速率主要由給擱板的供熱能力和冷凝器的捕水能力而定。只要干燥箱內(nèi)的壓力維持在允許的*高壓力下，升溫速率就可提高。一次干燥時，可粗略的以每小時干燥制品厚度1mm計。可以根據(jù)下列現(xiàn)象來判斷：
 

　　1、干燥層和凍結層的交界面達到瓶底并消失。
 

　　2、產(chǎn)品溫度上升到接近導熱油的溫度。
 

　　3、干燥箱內(nèi)壓力下降到冷凝器的壓力，兩者接近且壓力維持不變。
 

　　4、關閉中隔閥，箱內(nèi)壓力上升速率與干箱的泄漏率接近。
 

　　上述現(xiàn)象發(fā)生后，再延長0.5-1h，一次干燥結束。
 

　　二次干燥時，產(chǎn)品的溫度可提高到允許的*高溫度以下，使結合水和吸附于
 

　　干燥層中的水獲得足夠的能量，從分子吸附中解析出來。二次干燥的時間為
 

　　一 次干燥時間的0.35-0.5倍。
 

　　要不斷去優(yōu)化凍干工藝曲線：一個好的凍干工藝應是個性化的，具有產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、時間短、能耗低的特征。在凍干工藝研究中，應用化學、分子學的觀點去觀察問題，用機械、電子、計算機的方法去控制問題。
 

　　幾種凍結升華方法
 

　　制品凍結方法(低溫快凍/低溫慢凍)
 

　　低溫快凍(10~15℃/分)對于保證質(zhì)量有利，形成的微結晶，得到的制品外觀好，溶解速度也快，但形成微結晶則不利于加快凍干速度。
 

　　低溫慢凍(1℃/分)形成粗結晶，對提高凍干效率有利，但是慢凍一般制品質(zhì)量，特別是含活性的酶類或活菌活病毒等的存活率極為不利。
 

　　對于合成藥物，快凍和慢凍的要求不是嚴格的，此兩種方法均可。
 

　　一次升華法：一般適用制品的共溶點要在-10～-20℃左右，以及結構單一，粘度、濃度均不高，裝置在10mm厚度或15mm厚度。只要將制品的溫度降低到其共融點以下-10℃～-21℃即可加熱升華，在加熱升華過程中需控制好升溫的速度，可保證制品干燥成功。
 

　　反復預凍升華法：某些共溶點較低的制品，即使很低的溫度下也不能達到*凍結。外觀看好象已經(jīng)凍結*，但在升華過程中，往往凍塊軟化，產(chǎn)生氣泡，并在制品表面形成粘稠狀網(wǎng)狀結構，影響升華干燥的進行，如蜂蜜、蜂皇漿等其物質(zhì)結構比較復雜，又粘稠的制品往往不易凍結，在升華中出現(xiàn)上述情況。可采用反復預凍方法來解決。應用此種方法，可提高凍干效率，也改善了制品的質(zhì)量，縮短凍干周期。
 

　　分格凍結升華法：在凍干中如用大盤子裝制品，而且厚度較厚或濃度過高等，在升華時，底面的水蒸汽無法利用逸出，使全部凍塊變形而脫開盤底，可將裝制品的盤子進行分格，同時提高熱傳導效率。
 

　　凍干制品不合格現(xiàn)象
 

　　1、產(chǎn)品抽空時有噴發(fā)現(xiàn)象：這是由于產(chǎn)品還沒有凍實時就抽真空的緣故，預凍溫度還沒有低于共晶點溫度，或者已低于共晶點溫度，但時間還不夠，產(chǎn)品的凍結還未完成。解決方法是降低預凍溫度和延長預凍時間。
 

　　2、產(chǎn)品有干縮和鼓泡現(xiàn)象：這是由于在升華干燥過程中出現(xiàn)了局部熔化，由液體蒸發(fā)為汽體，造成體積縮小，或者干燥產(chǎn)品溶入液體之中，造成體積縮小，嚴重的熔化會產(chǎn)生鼓泡現(xiàn)象，原因是加熱太高或局部真空不良使產(chǎn)品溫度超過了共晶點或崩解點溫度。解決方法是降低加熱溫度和提高凍干箱的真空度，應控制產(chǎn)品溫度，使它低于共晶點或崩解點溫度5℃。
 

　　3、無固定形狀：這是由于產(chǎn)品中的干物質(zhì)太少，產(chǎn)品濃度太低，沒有形成骨架，甚至已干燥的產(chǎn)品被升華汽流帶到容器的外邊。解決方法是增加產(chǎn)品濃度或添加賦形劑。
 

　　4、產(chǎn)品未干完：產(chǎn)品中還有凍結冰存在時就結束凍干，出箱后凍結部分熔化成液體，少量的液體被干燥產(chǎn)品吸走，形成一個“空缺"，液體量大時，干燥產(chǎn)品全部溶解到液體之中，成為濃縮的液體。這種產(chǎn)品出箱時若觸摸容器的底部，有冰涼的感覺，即使看起來產(chǎn)品良好，但殘水含量也不會合格。解決方法是增加熱量供應，提高板層溫度或采用真空調(diào)節(jié)，也可能是干燥時間不夠，需要延長升華干燥或解吸干燥的時間。
 

　　5、產(chǎn)品顏色不均勻：產(chǎn)品有結晶花紋，這是由于冷凍速率緩慢引起的，解決方法是提高冷凍速率，不在0℃左在的溫度停留，使產(chǎn)品凍結成較小的晶體。有時產(chǎn)品中能看到一圈顏色較深的分層線，這往往是升華中短時間真空不良造成的，短暫停電會產(chǎn)生這種
 

　　6、產(chǎn)品上層好，下層不好：升華階段尚未結束，提前進入解吸階段，這等于提前升高板層溫度，結果下層產(chǎn)品受熱過多而熔化，解決方法是延長升華階段的時間；有些產(chǎn)品由于裝載厚度太大，或干燥產(chǎn)品的阻力太大，當產(chǎn)品干燥到下層時，升華阻力增加，局部真空變壞也會引起下層產(chǎn)品的熔化。解決方法是降低板層溫度和提高凍干箱的真空度。
 

　　7、產(chǎn)品上層不好，下層好：冷凍時產(chǎn)品表面形成不透氣的玻璃樣結構，但未做回熱處理，升華開始不久產(chǎn)品升溫，部分產(chǎn)品發(fā)生熔化收縮，產(chǎn)品的收縮使表層破裂，因此下層的升華能正常進行。解決方法是預凍時做回熱處理
 

　　8、產(chǎn)品水分不合格：解吸階段的時間不夠，或者解吸干燥時沒有采用真空調(diào)節(jié)，或用了真空調(diào)節(jié)，但產(chǎn)品到達*高許可溫度后未恢復高真空。解決方法是延長解吸干燥的時間，使用真空調(diào)節(jié)并在產(chǎn)品到達*高許可溫度后恢復高真空。
 

　　9、產(chǎn)品溶解性差：產(chǎn)品干燥過程中有蒸發(fā)現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)品發(fā)生局部濃縮，例如產(chǎn)品內(nèi)部有夾心的硬塊，它是在升華中發(fā)生熔化，產(chǎn)生蒸發(fā)干燥，產(chǎn)品濃縮造成的。解決方法是適當降低板層溫度，提高凍干箱的真空度，或延長升華干燥的時間。
 

　　10、產(chǎn)品失真空：真空壓塞時，瓶內(nèi)真空良好，但貯存后不久即失真空，可能是瓶塞不配套或鋁帽壓得太松，漏氣而失真空，解決方法是更換瓶塞或調(diào)整壓鋁帽的松緊度；也可能是產(chǎn)品含水量太高，由水蒸汽壓力引起的失真空，解決方法是延長解吸階段的時間。另外還有一個與凍干曲線無關而影響產(chǎn)品的質(zhì)量問題，由于凍干箱內(nèi)滲漏硅油或液壓油。