冷冻干燥( Freeze2Drying) 全名为真空冷冻干燥(Vacuum Freeze Drying) , 简称冻干, 又名升华干燥(Drying by Sublimation) ,是将被干燥液体物料冷冻成固体,在低温减压条件下利用冰的升华性能,使物料低温脱水而达到干燥目的的一种方法[1 ] 。冷冻干燥是一门综合性专业技术,属于边缘学科,涉及到物理学、化学、生物学等知识,包括机械、制冷、真空、电工、电子、仪表等技术。 1 　冻干技术原理及其特点 1.1 　冻干技术原理　冷冻干燥的机理就是将需干燥的物料在低温下先行冻结至其共熔点以下,使物料中的水分变成固态的冰,然后在适当的真空环境下,通过加热,使冰直接升华为水蒸气而除去,从而获得干燥的制品。 1.2 　冻干技术特点　冻干是一种使物料在低温低压下脱水的干燥工艺,与其他干燥方法相比,具有药品不变质、易长期储存、药剂定量准确、脱水彻底、易复水再生、易进行无菌操作、利于热敏性药物保持活性、挥发成分损失少等优点[2～4 ] ;但也存在设备要求高、投资大、干燥速率低、时间长、能耗高、产品成本高等缺点和不足[5 ] 。 2 　冻干过程的技术指标 2.1 　产品的预冻　预冻主要为了固定产品、形成有利于升华的结晶、保证全部产品获得相同细微结构。预冻不仅影响干燥速率,而且影响冻干产品质量。因此在冻结过程中必须考虑配方、冻结速率、冻结方式、冻结时间以及是否退火等问题。 2.1.1 　配方的影响　如果配方中固体含量太少,冻干药品结构的机械性能不稳定,外观可能会塌陷。尤其在干燥过程中,药品微粒不能粘在基质上,逸出的水蒸气会把这些微粒带到小瓶的塞子上,甚至会带到真空室中[6 ] 。若用量太多,除增加成本外,还会影响到配制过程,如溶解度问题、冻干后的复溶等。为获得均匀一致、表面光滑、稳定的产品,配方中须有填充剂、赋形剂、稳定剂等保护剂,文献[7～9 ] 对不同的保护剂进行了详尽的研究。 2.1.2 　冻结方式的影响　冻结方式不同,产生的冰晶形态大小不同,干燥速率也不同。冻结分为全域过冷结晶和定向结晶两类[10 ] ,全域过冷结晶指全部药液处于相同或相近的过冷度下进行冻结的方式,分慢速冻结(制品每分钟降温1 ℃) 和快速冻结(制品每分钟降温10～15 ℃) [11 ] 。速冻的冰晶细小,没有冻结浓缩现象,但升华阻力大,存在不完全冻结现象。而慢冻晶格较大,存在冻结浓缩的现象[12 ] 。定向结晶指一小部分药液处于过冷状态下进行冻结的方式。Thomas[13 ] 将溶液用湿冰冷却,瓶底用干冰冷却,形成晶核,然后放到- 50 ℃的搁板上冻结得到了表面无冻结浓缩层,结构均一的样品。Martin[14 ] 在真空为011 kPa ,搁板温度为+ 10 ℃的条件下,让溶液开始表面冻结,形成1～3 mm 的冰晶薄层。然后解除真空,降低搁板温度到结晶温度以下进行冻结,同样实现了定向冻结。实验证明,定向结晶冻结的干燥速率比全域过冷结晶的快。 2.1.3 　预冻速率的影响　预冻过程产生的机械效应和溶质效应会对生物细胞产生一定的破坏作用并引起生化药品失活或变性[15 ] 。对这种现象可采用下列措施解决: ①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 其来不及产生机械效应和溶质效应。②缓冲液要选用溶解度相当的缓冲配对盐。③加入产品保护剂[16 ,17 ] 。实验证明,快速冻结导致升华速率低,解吸速率快;慢速冻结导致升华速率快,解吸速率慢[18 ] 。 2.1.4 　最低冻结温度的影响　最低冻结温度和所冻样品的共熔点有关,安全的冻结温度低于共熔点10 ℃左右。若温度太低,则会造成能源浪费。 2.1.5 　冻结时间的影响　适宜的冻结时间可以确保抽真空之前所有的产品都能冻实,避免因抽真空而喷瓶。由于物体的传热先表后里,冻干箱内的产品存在一定的温度梯度,因此需要相应的保温时间和改善传热效率来缩小温差。 2.1.6 　退火　退火是指把冻结药品升温接近共熔点,保温一段时间,再降低到冻结温度的过程[19 ] 。增加退火的原因: ①强化结晶[20 ] 。在冻结特别是快速冻结过程中,配方中结晶成分往往来不及完全结晶,冻结浓缩液中还会有一部分水达不到最大浓缩状态。当退火的温度高于配方的最大浓缩玻璃化转变温度Tg’时,会促进再结晶的形成使结晶成分和未冻结水结晶完全[21 ,22 ] 。②提高非晶相的最大浓缩液玻璃化转变温度。从非晶相中除去Tg’较低的结晶成分,能够提高非晶相的Tg’。Barry[23 ] 在研究非晶态碳水化合物的水合物结晶规律时发现,经过退火之后的海藻糖干燥溶液的Tg’由31 ℃上升到79 ℃,大大提高了稳定作用。③改变冰晶形态和大小分布,提高干燥效率。James[21 ] 认为不同成核温度产生不同的冰晶形态和粒径大小,继而导致升华干燥的速率不均匀。而一个过程中的干燥速率是由最慢的干燥药品确定的,因此不均匀的干燥速率会影响药品质量和生产经济性。退火过程中的相行为和重结晶可以减小由于成核温度差异造成的冰晶尺寸差异及干燥速率的不均匀性,提高干燥效率和药品均匀性。但由于目前实验手段不够先进和理论知识缺乏,退火机理尚有疑问,加热速率、退火温度、退火时间等参数的选取还没有依据。 2.2 　升华干燥的干燥特性及干燥结束的判断方式[24 ] 2.2.1 　升华干燥的干燥特性　升华从物料表面开始到物料内部,水蒸气必经过已干物料表层,所以干燥过程的快慢不仅依赖于冰物料所必需的升华热,而且依赖于整个冻干系统水蒸气的传递和排出速率。干燥过程中升华所需的热量以对流、传导及辐射的方式提供,干燥箱内的压力随着温度变化而变化[25 ] 。在升华进行一段时间后,物料表面不再需要升华热,需要热量的是物料的冰核心层。冰核心随着升华的进行而缩小,最后缩小至物料中心。由于干层的导热能力差,可能使干燥过程局部热传递不畅,导致物料干层温度升高,所以必须使提供给冰核心表层的热量与其升华所需的热量保持平衡,避免因升华面的任何过热使物料损坏。 2.2.2 　升华时温度的限制　产品升华主要受下列几种温度限制: ①产品冻结部分的温度应低于产品共熔点; ②产品干燥部分的温度必须低于其崩解温度[26 ] 或容许的最高温度(不烧焦或变形) ; ③最高搁板温度[27 ] 。