凍干過(guò)程中，凍結階段冰核形成是一個(gè)隨機過(guò)程，會(huì )導致產(chǎn)品凍結不均勻。樣品通常在很寬的溫度范圍內成核，產(chǎn)生不同大小的冰晶，和不同的冰晶結構，導致干燥速度不同，最終導致外觀(guān)不同。高質(zhì)量的凍干產(chǎn)品取決于層板溫度、腔室壓力和時(shí)間等明確可控的關(guān)鍵工藝參數(CPP)。隨著(zhù)工藝轉移到大規模生產(chǎn)，這些參數可能需要優(yōu)化，特別是產(chǎn)品容器發(fā)生變化時(shí)。

批量?jì)龈赏ǔＪ褂媒饘偻斜P(pán)，其傳熱與普通西林瓶不同，具有較高的污染風(fēng)險，多次重復使用以及滅菌在金屬內的應力會(huì )導致托盤(pán)翹曲，傳熱效果發(fā)生改變。此外，散裝托盤(pán)邊緣樣品可能與中心樣品凍結的時(shí)間和溫度不同，導致散裝盤(pán)內出現不同尺寸的冰晶結構。

CONTROLYO®按需成核技術(shù)(NODT)，是一項創(chuàng )新技術(shù)，在凍干機內冷凍期間，使用惰性氣體對腔室進(jìn)行加壓和減壓，以促進(jìn)均勻成核。裝載完成之后加壓，待產(chǎn)品在設定的層板溫度下穩定后減壓，以產(chǎn)生瞬時(shí)的、均勻的冰核。在減壓之后，通常在-5°C的溫度下長(cháng)時(shí)間保持，使冰晶緩慢生長(cháng)，因此允許較大的冰晶尺寸產(chǎn)生。

ControLyo® VS 常規冷凍方法

研究散裝托盤(pán)中不同材料的凍干過(guò)程，將ControLyo®與常規冷凍方法進(jìn)行比較。對晶體材料和和無(wú)定型配方進(jìn)行了研究。晶體材料由甘露醇、USP(濃度為40 mg/mL)組成，無(wú)定型態(tài)由蔗糖、NF(濃度為40 mg/mL)組成。

具體實(shí)驗

在100級（A級）環(huán)境中用0.22微米過(guò)濾器過(guò)濾溶液。將溶液分配到四個(gè)不銹鋼托盤(pán)中，每個(gè)托盤(pán)的體積為2L。在4層層板（30×60cm）中試凍干機（SP Hull Model 8FS15C）中進(jìn)行冷凍干燥。在不銹鋼散裝盤(pán)內不同位置以及托盤(pán)外部均放置熱電偶測量產(chǎn)品溫度。采用Controlyo®工藝和常規冷凍工藝分別進(jìn)行。這兩個(gè)工藝，裝載關(guān)閉腔門(mén)后，均在5°C擱板溫度和大氣條件下平衡。

采用Controlyo®工藝，在5°C下使產(chǎn)品達到平衡后，進(jìn)行惰性氣體吹掃。將系統加壓至27.2psia并減壓至17.2psia，同樣進(jìn)行二次吹掃。在第二次吹掃后，將腔室加壓至33.2psia，并將擱板冷卻至-3℃平衡4小時(shí)。由于溶液中測得的產(chǎn)品溫度高于-3℃，因此將目標擱板溫度調節至-5℃，以使產(chǎn)品溫度在-3℃或更低的溫度下達到平衡。保持1小時(shí)后，從33.2psia瞬間減壓至16.2psia，促進(jìn)成核，擱板溫度在-5℃保持7小時(shí)促使冰晶生長(cháng)。

01 初次研究

在最初的研究中，使用保守的一次干燥參數，以便直接比較結晶溶質(zhì)甘露醇與無(wú)定型態(tài)溶質(zhì)蔗糖的干燥。兩種不同的冷凍技術(shù)在完成甘露醇一次干燥的時(shí)間上幾乎沒(méi)有差異。然而，不同的冷凍技術(shù)對蔗糖制劑的干燥結果有顯著(zhù)影響。

02 第二項研究

在第二項研究中，采用不同的一次干燥參數對甘露醇和蔗糖制劑進(jìn)行試驗。此一次干燥條件比第一項研究的條件明顯更激進(jìn)，對不同組分的樣品進(jìn)行相同關(guān)鍵工藝參數CPP的研究，研究組分的影響。

圖1：常規冷凍成核（不同溫度下的隨機成核）

圖2：Controlyo®成核（同時(shí)發(fā)生成核）

熱電偶跡線(xiàn)描述了常規凍結中成核的隨機性質(zhì)和ControLyo®過(guò)程中的瞬時(shí)成核(如圖1和圖2所示)。

成核事件是一個(gè)放熱過(guò)程，釋放的熱量導致熱電偶傳感器讀數瞬時(shí)增加，最終接近層板溫度。

在常規冷凍過(guò)程中，成核隨機發(fā)生，熱電偶顯示成核發(fā)生在不同的溫度和時(shí)間下?？刂瞥珊思夹g(shù)中，當系統減壓時(shí)，熱電偶立即記錄到同時(shí)成核的過(guò)程。需要認識到傳感器只測量托盤(pán)的某些區域，可能不能代表托盤(pán)全部。

圖3：蔗糖-常規冷凍（約72小時(shí)完成一次干燥）

圖4：蔗糖–Controlyo®（約59小時(shí)完成一次干燥）

在一次干燥階段，使用熱電偶傳感器記錄產(chǎn)品溫度，以幫助確定一次干燥的終點(diǎn)。當使用控制成核技術(shù)時(shí)，蔗糖制劑一次干燥提前13小時(shí)結束（如圖3和圖4所示）。

甘露醇制劑，無(wú)論使用何種冷凍技術(shù)和CPP，一次干燥時(shí)間僅有輕微的變化。在這些研究中，皮拉尼/電容壓力計的數據判斷初級干燥結束。

ControLyo® 技術(shù)優(yōu)勢

對兩種配方的成核均勻性、冷凍干燥行為和成品屬性進(jìn)行了觀(guān)察和比較。

01 縮短一次干燥時(shí)間

對蔗糖配方進(jìn)行不同干燥條件的研究，采用Controlyo®工藝，由于升華速率增加，縮短了一次干燥時(shí)間。在Controlyo技術(shù)允許形成較大的冰晶，可能是由于過(guò)冷減少，成核溫度較高，允許冰晶緩慢生長(cháng)。過(guò)冷被定義為平衡凝固點(diǎn)與溶液中冰晶首次形成時(shí)的溫度之間的差值。當冰升華時(shí)，較大的晶體產(chǎn)生較大的孔，導致更大的路徑，因此水蒸氣穿過(guò)升華前沿上方的干燥層的阻力較小。這導致蔗糖干燥速率的顯著(zhù)差異。Controlyo®技術(shù)將升華干燥的時(shí)間從67小時(shí)縮短到50小時(shí)。

盡管發(fā)現蔗糖基配方在一次干燥時(shí)間上存在顯著(zhù)差異，但甘露醇基配方的表現并不相同。在使用保守CPP進(jìn)行的初步研究中，傳統冷凍和ControLyo®冷凍的升華速率幾乎沒(méi)有差異。在使用激進(jìn)性CPP的后續研究中，完成一次干燥的時(shí)間從20小時(shí)減少到16小時(shí)。

02 蛋糕外觀(guān)

通過(guò)蔗糖和甘露醇冷凍干燥生產(chǎn)的凍干餅的物理外觀(guān)在常規和控制成核策略之間有所不同。ControLyo®產(chǎn)生了一致的蛋糕結構和外觀(guān)。兩種處理方法在甘露醇的外觀(guān)上差異不大。然而，蔗糖蛋糕的外觀(guān)有顯著(zhù)差異:未經(jīng)控制的冷凍蛋糕上的裂縫更少，從托盤(pán)的一側延伸到另一側(圖5)。當使用ControLyo®時(shí)，蛋糕上的裂縫更寬，更均勻(如圖6所示)。

圖5：蔗糖非受控冷凍

圖6：Sucrose Controlyo®

03 水分含量

用庫侖卡爾費休滴定法測定殘余水分。結果顯示，與標準方法相比，通過(guò)ControLyo®處理的甘露醇的水分含量分別從0.5%到0.1% w/w。有趣的是，蔗糖的結果正好相反。不受控冷凍方案的蔗糖平均結果為2.41% w/w, ControLyo®材料的平均結果為2.89% w/w。較高的蔗糖殘留水分含量可能是由于表面面積減少，因此在二次干燥過(guò)程中解吸率降低。不太激進(jìn)的二次干燥條件也會(huì )影響最終的殘留水分含量。

最終結論

很明顯，ControLyo®影響散裝材料的干燥行為和成品屬性。這些影響包括縮短一次干燥時(shí)間，改變蛋糕外觀(guān)，以及創(chuàng )造更一致和均勻產(chǎn)品的可能性。傳統冷凍和ControLyo®之間的差異程度也受到代表不同類(lèi)型產(chǎn)品（結晶和無(wú)定型）的配方特性的影響。

此外，配方特定成分的CPP對使用ControLyo®進(jìn)行控制成核的成功至關(guān)重要。需對每種特定配方進(jìn)行對比研究，以量化ControLyo®技術(shù)應用的相對效益。

Controlyo®控制成核技術(shù)

SP Scientific提供的Lyostar凍干機僅需運行一個(gè)遁環(huán)即可自動(dòng)摸索和開(kāi)發(fā)凍干工藝。結合凍干PAT技術(shù)使漫長(cháng)復雜的工藝摸索變得簡(jiǎn)單快捷有效。

PAT技術(shù)——Smart 全自動(dòng)工藝開(kāi)發(fā)技術(shù)，Controlyo®控制成核技術(shù)，TDLAS實(shí)時(shí)水蒸汽測量技術(shù)。

Controlyo®控制成核技術(shù)

在相同的溫度下，以瞬間減壓的方式在同一時(shí)間讓所有小瓶瞬間成核，在較高的溫度下成核，產(chǎn)生更大、更均勻的晶體尺寸，使干燥更加一致。

●  提高批次均勻性；

●  無(wú)引入污染或外來(lái)物質(zhì)的風(fēng)險；

●  增加凍干產(chǎn)品的蒸汽通道尺寸，進(jìn)而減少干燥層的阻力；

●  加快主干燥過(guò)程；

●  減少產(chǎn)品復水時(shí)間；

●  改善凍干產(chǎn)品的外觀(guān)。

LYO INNOVATION

萊奧德創(chuàng )

凍干科技，賦能創(chuàng )新

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上海萊奧德創(chuàng )生物科技有限公司由德祥科技有限公司創(chuàng )辦，專(zhuān)注于提供先進(jìn)的凍干設備應用和制劑開(kāi)發(fā)相關(guān)服務(wù)。

德祥科技有限公司服務(wù)凍干行業(yè)十余年，在涉及冷凍干燥領(lǐng)域的工藝開(kāi)發(fā)/工藝優(yōu)化/商業(yè)化等各方面擁有豐富的經(jīng)驗，迄今為止已為500+客戶(hù)提供凍干設備及相關(guān)服務(wù)?？蛻?hù)產(chǎn)品類(lèi)型涵蓋：蛋白、抗體、ADC、疫苗、核酸、多肽、脂質(zhì)體、IVD、食品等領(lǐng)域。依托與合作伙伴美國SP Scientific和英國B(niǎo)iopharma Group的緊密合作，掌握先進(jìn)的凍干理念與技術(shù)，使用優(yōu)質(zhì)的凍干設備和軟件致力于促進(jìn)中國生物醫藥技術(shù)創(chuàng )新升級，助力中國大健康行業(yè)的持續發(fā)展。

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