凍干機(jī)由以下三個(gè)基本模塊組成：

樣品腔：內(nèi)部有多個(gè)板層，用于放置樣品。溫度受控的導(dǎo)熱流體(硅油)在板層內(nèi)循環(huán)流動(dòng)是的板層達(dá)到需要的溫度;腔體密封，以達(dá)到凍干所需要的真空度;

冷阱：通常為另一個(gè)單獨(dú)容器，通過(guò)中隔閥和樣品腔連接。冷阱內(nèi)或外部為制冷盤(pán)管，幫助冷阱降低到低溫以捕捉樣品腔升華出來(lái)的水汽;

制冷、加熱、真空系統(tǒng)：用于實(shí)現(xiàn)板層溫度和腔體壓力的控制，以及實(shí)現(xiàn)冷阱低

圖二：凍干機(jī)PID圖(未包含CIP\SIP系統(tǒng))

這三個(gè)組件負(fù)責(zé)控制樣品的總體傳熱速率和西林瓶中水蒸氣的傳質(zhì)速率;

這些熱量和質(zhì)量傳遞過(guò)程的速率決定了最終的工藝時(shí)長(zhǎng)和產(chǎn)品質(zhì)量。

即使用戶設(shè)定的凍干工藝參數(shù)(即板層溫度，腔室壓力和時(shí)間)是相同的，傳熱和傳質(zhì)率可能因凍干機(jī)的設(shè)計(jì)和性能而異。

因此，在凍干放大過(guò)程中，了解設(shè)備在兩種不同規(guī)模下的差異及其對(duì)凍干過(guò)程動(dòng)力學(xué)的影響非常重要;

在放大過(guò)程中發(fā)生了那些變化

圖三：影響凍干過(guò)程的參數(shù)

圖三說(shuō)明了影響凍干過(guò)程和凍干產(chǎn)品特性的各種參數(shù)。

在列出的參數(shù)中，“設(shè)備變量”在實(shí)際工作過(guò)程中最難匹配，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量的可比性，可能需要對(duì)“工藝參數(shù)”進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到最終產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

圖四：中試設(shè)備向工業(yè)設(shè)備的工藝轉(zhuǎn)移

下面將對(duì)其中的一些變量進(jìn)行更詳細(xì)的討論

加工區(qū)的環(huán)境條件

生產(chǎn)規(guī)模的凍干機(jī)通常在潔凈室環(huán)境中運(yùn)行，而中試規(guī)模的操作通常在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行;

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境通常具有明顯更高的顆粒負(fù)荷。溶液在灌裝和上料過(guò)程中，來(lái)自環(huán)境的顆粒會(huì)可能引入溶液中;

與生產(chǎn)規(guī)模相比，這些顆?？梢栽陬A(yù)凍的過(guò)程中作為成核位點(diǎn)，導(dǎo)致在預(yù)凍過(guò)程中更高的冰成核溫度，形成更大的冰晶，影響后續(xù)一次干燥階段的阻力和二次干燥產(chǎn)品比表面積。最終導(dǎo)致一次干燥時(shí)長(zhǎng)和二次干燥結(jié)束后產(chǎn)品最終水分的不同;

生產(chǎn)規(guī)模，潔凈度更高，成核溫度更低，冰晶尺寸更小。較小的冰晶尺寸增加了粉餅在一次干燥過(guò)程中產(chǎn)生的傳質(zhì)阻力，因此生產(chǎn)規(guī)模上的產(chǎn)品可能會(huì)經(jīng)歷較慢的冰升華和較高的產(chǎn)品溫度。

為了盡量減少放大過(guò)程中環(huán)境差異的影響，在生成中試規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)小心謹(jǐn)慎，主要包括：

使用與生產(chǎn)規(guī)模相當(dāng)?shù)墓に嚽逑催^(guò)的西林瓶和瓶塞;

在生物安全柜、超凈工作臺(tái)、層流罩等潔凈空間下進(jìn)行灌裝;

灌裝前使用和制造規(guī)模相當(dāng)?shù)倪^(guò)濾器對(duì)散裝溶液進(jìn)行過(guò)濾;

在物料搬運(yùn)和灌裝過(guò)程中使用無(wú)粉手套、實(shí)驗(yàn)室外套和發(fā)罩;

及時(shí)將灌裝和部分塞好的小瓶轉(zhuǎn)移到凍干機(jī)中;

凍干機(jī)每次上料前用擦拭的方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行盡可能地清潔;

板層表面溫度

凍干過(guò)程產(chǎn)品所經(jīng)歷的溫度是板層表面溫度;

凍干機(jī)設(shè)備對(duì)板層溫度的控制，通常通過(guò)對(duì)硅油入口溫度的控制來(lái)達(dá)成;

由于設(shè)備設(shè)計(jì)和板層溫度控制策略的不同，即使保持相同的板層溫度設(shè)定參數(shù)，不同機(jī)器的板層表面溫度也可能不同;

此外，生產(chǎn)規(guī)模的機(jī)器往往在板層之間有更大的溫度變化，特別是在重?zé)嶝?fù)荷下;

預(yù)凍的降溫階段和一次干燥的初始階段，常常觀察到板層的入口和出口之間的溫差為2℃到5℃;

這可能會(huì)導(dǎo)致板層不同位置的西林瓶在升降溫速率、退火程度和升華速率方面存在更大的差異。

圖五顯示了一個(gè)制造規(guī)模的凍干機(jī)的板層入口和出口溫度曲線的例子。

圖五：5㎡凍干機(jī)裝載45kg水，硅油進(jìn)出口溫度差

實(shí)線為硅油進(jìn)口溫度，虛線為硅油出口溫度

顯然，在這種情況下，與靠近板層流體入口的小瓶相比，靠近板層流體出口的小瓶會(huì)經(jīng)歷更慢的降溫速率和更低的板層溫度。

盡管存在著這種差異，但生產(chǎn)全部符合關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)的產(chǎn)品的目標(biāo)是不變的，因此工藝需要經(jīng)過(guò)合適的設(shè)計(jì)以留有足夠空間以容納這些差異;

另外，由此也可以幫助我們確定“最差條件點(diǎn)”以便監(jiān)控來(lái)自這些位置的產(chǎn)品，從而作為驗(yàn)證和批放行的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

輻射的影響

對(duì)于正在進(jìn)行凍干的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，主要的熱傳遞方式是氣體對(duì)流傳熱和板層對(duì)瓶?jī)?nèi)產(chǎn)品的熱傳導(dǎo);然而實(shí)際生產(chǎn)(工藝摸索)過(guò)程中，輻射傳熱也一直在發(fā)生;

傳導(dǎo)和對(duì)流，通過(guò)我們對(duì)腔體壓力和板層溫度的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)，是我們通過(guò)工藝參數(shù)可以定量進(jìn)行控制的;

輻射傳熱，無(wú)法通過(guò)在凍干機(jī)輸入特定數(shù)值實(shí)現(xiàn)，一直在發(fā)生，但也是常常被我們忽略的熱傳遞因素，因此也是實(shí)際工作中的各種問(wèn)題的源頭;

板層間距、凍干機(jī)內(nèi)壁的溫度以及凍干機(jī)內(nèi)壁與西林瓶之間距離的不同，可能會(huì)導(dǎo)致不同尺度上輻射貢獻(xiàn)程度的不同;

圖六：板層不同位置樣品溫度

圖六展示了位于板層不同區(qū)域樣品的溫度：

一次干燥階段，靠近板層邊緣的西林瓶溫度比板層中心位置西林瓶溫度高，也更早完成一次干燥;

此外，在一次干燥結(jié)束時(shí)，靠近板層邊緣的西林瓶會(huì)達(dá)到一個(gè)高于板層的溫度。

關(guān)于導(dǎo)致這個(gè)溫度差異的詳細(xì)介紹，參見(jiàn)之前的文章：

究竟是誰(shuí)在影響，一次干燥過(guò)程中的產(chǎn)品溫度?

板層溫度和產(chǎn)品溫度之間的關(guān)系(一)

這兩種現(xiàn)象都是由于腔體壁或環(huán)境通過(guò)輻射向邊緣瓶子傳遞熱量所導(dǎo)致的。這種現(xiàn)象也被稱(chēng)做“邊緣瓶效應(yīng)”;

邊緣瓶效應(yīng)的程度取決于板層溫度和腔體壁之間的溫度差以及腔體壓力設(shè)定;

目前市場(chǎng)上有控制室壁溫度的凍干機(jī)銷(xiāo)售，但本文作者的觀點(diǎn)是對(duì)于大多數(shù)樣品工藝來(lái)說(shuō)，選擇這種設(shè)備主要是由于工藝摸索人員對(duì)工藝的理解不夠深入，從而無(wú)法在工藝摸索過(guò)程中留下足夠同時(shí)又適當(dāng)?shù)陌踩珔^(qū)間所致。這是一個(gè)通過(guò)“科學(xué)工藝路徑”可以更快更好解決的問(wèn)題，但卻通過(guò)讓設(shè)備構(gòu)造變得更復(fù)雜來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種做法最終可能導(dǎo)致更多的問(wèn)題(因?yàn)閷?duì)于凍干工藝?yán)斫獾牟簧钊胪ǔＪ侨娴?，不止這一個(gè)點(diǎn)會(huì)讓你的工藝出問(wèn)題);

熱輻射效應(yīng)傳遞熱量的多少，距離有關(guān)，和溫差有關(guān)。

因此不同設(shè)備，不同位置，不同處方、不同工藝(板層溫度、腔體壓力、干相產(chǎn)品阻力)都會(huì)導(dǎo)致這個(gè)效應(yīng)傳遞的溫度不同;

因此在工藝摸索過(guò)程中，產(chǎn)品溫度探頭放置在什么位置的西林瓶?jī)?nèi)，給出的數(shù)據(jù)所代表的意義會(huì)有很大不同;

腔體壓力控制

不同凍干機(jī)，采用不同的壓力控制策略從而導(dǎo)致壓力控制精度以及影響腔體氣體組成的影響而影響整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程;

腔體壓力控制方式的不同，主要帶來(lái)兩方面的影響：

1、腔體內(nèi)氣體組成的不同

當(dāng)今大多數(shù)商業(yè)規(guī)模的凍干機(jī)都通過(guò)上游真空控制，通過(guò)引入氮?dú)鈦?lái)維持腔室壓力;

一些較老的研發(fā)型凍干機(jī)可能采用下游“開(kāi)/關(guān)”控制，即通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉泵阱閥閥來(lái)控制腔室內(nèi)的壓力，無(wú)法引入氮?dú)?

當(dāng)使用氮?dú)饪刂魄皇覊毫r(shí)，干燥過(guò)程中水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)小于 1.對(duì)于裝量較小的樣品或升華率較低的凍干工藝循環(huán)時(shí)，這一點(diǎn)非常重要;

另一方面，使用下游泵阱閥“開(kāi)/關(guān)”控制時(shí)，腔體中只含有水蒸氣。因?yàn)橐淮胃稍镞^(guò)程中占傳熱比重最大的通常是對(duì)流傳熱，而氮?dú)獾膫鲗?dǎo)性低于水蒸氣，因此干燥室氣體成分的不同可能導(dǎo)致傳熱速率的不同，進(jìn)而導(dǎo)致一次干燥時(shí)間的不同。

2、不同控制方式導(dǎo)致的壓力控制精度的不同

一次干燥階段，影響產(chǎn)品升華界面溫度的主要因素是腔體壓力;

不同硬件配置導(dǎo)致的壓力控制精度不同(壓力波動(dòng)區(qū)間);

原理參見(jiàn)：凍干機(jī)的壓力控制詳解---波動(dòng)篇

我們當(dāng)然希望凍干機(jī)始終可以將壓力控制的穩(wěn)定在我們輸入的設(shè)定數(shù)值，但實(shí)際過(guò)程中可以看到，每臺(tái)凍干機(jī)可以達(dá)到的最高控制精度差異很大：±3pa，±5pa還是更多;

更好的硬件配置(自動(dòng)比例閥)疊加龐大數(shù)據(jù)庫(kù)支持的PID系統(tǒng)，可以獲得±0.1pa 的壓力控制精度;

為了保證在不同壓力控制精度的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)成功的工藝放大和轉(zhuǎn)移，我們需要用控制精度更高的設(shè)備畫(huà)出工藝的壓力邊界;

在比較不同規(guī)模、不同裝量和不同壓力控制策略設(shè)備的工藝放大或轉(zhuǎn)移時(shí)，這些相關(guān)性因素必須要考慮。

凍干技術(shù)是一種采用低溫和真空技術(shù)將水分含量高的物質(zhì)經(jīng)過(guò)冷凍處理后，利用升華技術(shù)將其水分去除的方法。這種技術(shù)可以保持食品原有的營(yíng)養(yǎng)成分和口感，有效地延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。在酶制劑加工中，中試凍干機(jī)有著廣泛的應(yīng)用。
　　一、凍干技術(shù)在酶制劑生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)
　　1、保持酶的活性
　　酶是一種高靈敏的生物催化劑，容易被熱等因素破壞。而凍干技術(shù)的低溫、真空和升華三個(gè)工藝環(huán)節(jié)可以保證酶的生物活性和穩(wěn)定性，從而保證酶制劑的活性。
　　2、方便酶制劑的運(yùn)輸和儲(chǔ)藏
　　普通的酶制劑往往需要在低溫下運(yùn)輸和儲(chǔ)存，且需要密閉、濕度穩(wěn)定的環(huán)境，而凍干的酶制劑無(wú)需低溫儲(chǔ)藏，運(yùn)輸也更加方便。
　　3、延長(zhǎng)酶制劑的保質(zhì)期
　　凍干技術(shù)可以將酶制劑制成可長(zhǎng)時(shí)間保存的干粉狀，從而有效延長(zhǎng)酶制劑的保質(zhì)期。
　　二、中試凍干機(jī)在酶制劑加工中的應(yīng)用
　　1、提取酶液
　　酶液是制備酶制劑的原始材料，提取酶液是制備酶制劑的第一步。利用中試凍干機(jī)可以有效地提取酶液，將其中的水分去除，得到干燥的酶粉末。
　　2、酶制劑的凍干加工
　　酶制劑在制備時(shí)需要將酶液凍結(jié)，然后再通過(guò)凍干技術(shù)將其中的水分去除，得到干燥的酶制劑。中試凍干機(jī)可以實(shí)現(xiàn)酶制劑的大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)保持酶制劑的活性和穩(wěn)定性。
　　3、質(zhì)量控制
　　凍干技術(shù)可以對(duì)酶制劑的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定，如含水率、純度、活性等指標(biāo)，從而幫助制藥廠家進(jìn)行質(zhì)量控制和質(zhì)量保障。
　　三、中試凍干機(jī)在酶制劑加工中存在的問(wèn)題和改進(jìn)方案
　　1、中試凍干機(jī)占地面積大、設(shè)備成本較高。
　　為了降低該問(wèn)題的影響，可以通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)降低中試凍干機(jī)的占地面積和設(shè)備成本，提高產(chǎn)能和生產(chǎn)效率。
　　2、對(duì)于不同類(lèi)型酶制劑的制備需要不同的凍干條件。
　　提高中試凍干機(jī)的多樣化和智能化程度，實(shí)現(xiàn)多功能的凍干技術(shù)。同時(shí)，利用模擬軟件模擬不同類(lèi)型酶制劑制備過(guò)程，精確控制凍干環(huán)境參數(shù)。
　　3、中試凍干機(jī)中的控制系統(tǒng)需要不斷升級(jí)和改進(jìn)。
　　中試凍干機(jī)的控制系統(tǒng)需要不斷升級(jí)和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)更加精確、方便的控制方式和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
　　四、結(jié)論
　　中試凍干機(jī)在酶制劑加工中具有廣泛的應(yīng)用前景，可以提高酶制劑質(zhì)量和產(chǎn)量，縮短制備周期，同時(shí)也存在一定的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。在這種情況下，我們需要不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，提高中試凍干機(jī)的生產(chǎn)效率、質(zhì)量和穩(wěn)定性。