凍干過(guò)程中,，凍結(jié)階段冰核形成是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品凍結(jié)不均勻,。樣品通常在很寬的溫度范圍內(nèi)成核，產(chǎn)生不同大小的冰晶,，和不同的冰晶結(jié)構(gòu),，導(dǎo)致干燥速度不同，最終導(dǎo)致外觀不同,。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(shù)(CPP)。隨著工藝轉(zhuǎn)移到大規(guī)模生產(chǎn),，這些參數(shù)可能需要優(yōu)化,，特別是產(chǎn)品容器發(fā)生變化時(shí)。

批量?jī)龈赏ǔＪ褂媒饘偻斜P,，其傳熱與普通西林瓶不同,，具有較高的污染風(fēng)險(xiǎn)，多次重復(fù)使用以及滅菌在金屬內(nèi)的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致托盤翹曲,，傳熱效果發(fā)生改變,。此外,，散裝托盤邊緣樣品可能與中心樣品凍結(jié)的時(shí)間和溫度不同，導(dǎo)致散裝盤內(nèi)出現(xiàn)不同尺寸的冰晶結(jié)構(gòu),。

CONTROLYO®按需成核技術(shù)(NODT),，是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，在凍干機(jī)內(nèi)冷凍期間,，使用惰性氣體對(duì)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(shè)定的層板溫度下穩(wěn)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(zhǎng)時(shí)間保持，使冰晶緩慢生長(zhǎng),，因此允許較大的冰晶尺寸產(chǎn)生,。

ControLyo® VS 常規(guī)冷凍方法

研究散裝托盤中不同材料的凍干過(guò)程，將ControLyo®與常規(guī)冷凍方法進(jìn)行比較,。對(duì)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(yàn)

在100級(jí)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)不銹鋼托盤中,，每個(gè)托盤的體積為2L。在4層層板（30×60cm）中試凍干機(jī)（SP Hull Model 8FS15C）中進(jìn)行冷凍干燥,。在不銹鋼散裝盤內(nèi)不同位置以及托盤外部均放置熱電偶測(cè)量產(chǎn)品溫度,。采用Controlyo®工藝和常規(guī)冷凍工藝分別進(jìn)行。這兩個(gè)工藝,，裝載關(guān)閉腔門后,，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(dá)到平衡后,，進(jìn)行惰性氣體吹掃。將系統(tǒng)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(cè)得的產(chǎn)品溫度高于-3℃,，因此將目標(biāo)擱板溫度調(diào)節(jié)至-5℃，以使產(chǎn)品溫度在-3℃或更低的溫度下達(dá)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(zhǎng),。

01 初次研究

在最初的研究中，使用保守的一次干燥參數(shù),，以便直接比較結(jié)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(duì)蔗糖制劑的干燥結(jié)果有顯著影響,。

02 第二項(xiàng)研究

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

圖1：常規(guī)冷凍成核（不同溫度下的隨機(jī)成核）

圖2：Controlyo®成核（同時(shí)發(fā)生成核）

熱電偶跡線描述了常規(guī)凍結(jié)中成核的隨機(jī)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(dǎo)致熱電偶傳感器讀數(shù)瞬時(shí)增加,，最終接近層板溫度,。

在常規(guī)冷凍過(guò)程中，成核隨機(jī)發(fā)生,，熱電偶顯示成核發(fā)生在不同的溫度和時(shí)間下,。控制成核技術(shù)中,，當(dāng)系統(tǒng)減壓時(shí),，熱電偶立即記錄到同時(shí)成核的過(guò)程。需要認(rèn)識(shí)到傳感器只測(cè)量托盤的某些區(qū)域,，可能不能代表托盤全部。

圖3：蔗糖-常規(guī)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(dāng)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(jié)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(jì)的數(shù)據(jù)判斷初級(jí)干燥結(jié)束。

ControLyo® 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

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

01 縮短一次干燥時(shí)間

對(duì)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(zhǎng),。過(guò)冷被定義為平衡凝固點(diǎn)與溶液中冰晶初次形成時(shí)的溫度之間的差值,。當(dāng)冰升華時(shí)，較大的晶體產(chǎn)生較大的孔,，導(dǎo)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(dǎo)致蔗糖干燥速率的顯著差異,。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(xiàn)蔗糖基配方在一次干燥時(shí)間上存在顯著差異，但甘露醇基配方的表現(xiàn)并不相同,。在使用保守CPP進(jìn)行的初步研究中,，傳統(tǒng)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(xù)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

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在常規(guī)和控制成核策略之間有所不同。ControLyo®產(chǎn)生了一致的蛋糕結(jié)構(gòu)和外觀,。兩種處理方法在甘露醇的外觀上差異不大,。然而，蔗糖蛋糕的外觀有顯著差異:未經(jīng)控制的冷凍蛋糕上的裂縫更少,，從托盤的一側(cè)延伸到另一側(cè)(圖5),。當(dāng)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(kù)侖卡爾費(fèi)休滴定法測(cè)定殘余水分。結(jié)果顯示,，與標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果正好相反,。不受控冷凍方案的蔗糖平均結(jié)果為2.41% w/w, ControLyo®材料的平均結(jié)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(jié)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，以及創(chuàng)造更一致和均勻產(chǎn)品的可能性,。傳統(tǒng)冷凍和ControLyo®之間的差異程度也受到代表不同類型產(chǎn)品（結(jié)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(duì)使用ControLyo®進(jìn)行控制成核的成功至關(guān)重要,。需對(duì)每種特定配方進(jìn)行對(duì)比研究,，以量化ControLyo®技術(shù)應(yīng)用的相對(duì)效益。

Controlyo®控制成核技術(shù)

SP Scientific提供的Lyostar凍干機(jī)僅需運(yùn)行一個(gè)遁環(huán)即可自動(dòng)摸索和開發(fā)凍干工藝,。結(jié)合凍干PAT技術(shù)使漫長(zhǎng)復(fù)雜的工藝摸索變得簡(jiǎn)單快捷有效,。

PAT技術(shù)——Smart 全自動(dòng)工藝開發(fā)技術(shù)，Controlyo®控制成核技術(shù),，TDLAS實(shí)時(shí)水蒸汽測(cè)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(xiǎn),；

●  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(fù)水時(shí)間,；

●  改善凍干產(chǎn)品的外觀。

LYO INNOVATION

萊奧德創(chuàng)

凍干科技,，賦能創(chuàng)新

Lyo technology enables innovation 

關(guān)于萊奧德創(chuàng)：

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,，專注于提供先進(jìn)的凍干設(shè)備應(yīng)用和制劑開發(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)域的工藝開發(fā)/工藝優(yōu)化/商業(yè)化等各方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，迄今為止已為500+客戶提供凍干設(shè)備及相關(guān)服務(wù),?？蛻舢a(chǎn)品類型涵蓋：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(guó)SP Scientific和英國(guó)Biopharma 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(shè)備和軟件致力于促進(jìn)中國(guó)生物醫(yī)藥技術(shù)創(chuàng)新升級(jí),，助力中國(guó)大健康行業(yè)的持續(xù)發(fā)展,。

Our Mission :

萊奧德創(chuàng)凍干工場(chǎng)專注于提供先進(jìn)的凍干設(shè)備應(yīng)用和制劑開發(fā)相關(guān)服務(wù)，致力于促進(jìn)中國(guó)生物醫(yī)藥技術(shù)創(chuàng)新升級(jí),，助力中國(guó)大健康行業(yè)的持續(xù)發(fā)展,。

Our Vision :

做凍干工藝的創(chuàng)新者，為生物醫(yī)藥開發(fā)提供優(yōu)質(zhì)制劑產(chǎn)品解決方案,。