不知道大家在处理样品的冷冻干燥过程中有没有遇到这样一种情况?明明进行了预冻,但在后续低压干燥过程中,突然就出现了炸瓶!
并且,有这个问题的似乎不在少数!但很多时候,大家会把问题归结于仪器质量不过关等原因!
本着求知若渴的态度,我们咨询专业人士,给出的答案是——预冻不充分的样品在后续低压干燥中也可能会炸瓶!
图1:预冻不充分的样品可能会炸瓶
预冻不充分还会影响制品质量
冷冻干燥的预冻,是将溶液冷却到一定温度,在此温度下,水和固体被充分结晶或冰晶和固体被包围在一个非晶态浓缩固体,自由水固化,赋予产品干燥后与干燥前有相同的形态,防止抽空干燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不可逆变化发生。也就是把物料冷冻成固态,并形成一个适合干燥的结构(matrix)。
预冻非常重要,可以影响后续的两个干燥阶段,*影响制品的质量。
当温度降低时,液态转变为固态,有两种不同状态,一种是粘度极大,流动性差,形成一种玻璃态的无定型结构(amorphous),另外一种是规则的晶体结构(crystalline)。在预冻过程中,预冻的温度、速度和时间是重要的控制参数。
共晶温度在冻干工艺中的含义
共晶温度(Eutectic temperature, Te):
几种物质组成的混合溶液,在冻结过程中,开始时某些组分结晶析出,使剩下的溶液浓度发生变化。当达到某一温度或温度区域时,其液态和所形成的固态中的组分完全相同,这时的溶液称为共晶溶液,这时的温度或温度区间称为该溶液的共晶点或共晶区,也称为完全固化温度,它是产品在冷却过程中从液态结束转向固态的最高温度。共晶温度为冻干过程中预冻应达到的最高温度,一般预冻过程应低于其共晶温度10-20℃。
如何形成晶体结构
溶液在冻结过程中,往往需过冷到冰点以下,称为过冷温度,其内部产生晶核以后,自由水才开始以纯冰的形式结晶,同时放出结晶热,使其温度上升到冰点,随着晶体的生长,溶液浓度增加,当浓度到达共晶浓度,这时温度下降到共晶点以下时,溶液就全部冻结,形成晶体结构。
塌陷温度在冻干工艺中的含义
塌陷温度(Collapse temperature, Tc):
冻干时,当干燥层温度上升到一定数值后,物料中的冰晶消失,原先为冰晶所占据的空间成为空穴,因此冻干层呈多孔蜂窝状海绵体结构。此结构与温度有关。当蜂窝状结构体的固体基质温度较高时,其刚性降低。当温度达到某一临界值时,固体基质的刚性不足以维持蜂窝状结构,空穴的固形物基质壁将发生塌陷,原先蒸汽扩散的通道被封闭,此临界温度称为冻干物料的崩溃温度或塌陷温度。
玻璃化转变温度在冻干工艺中的含义
玻璃化转变温度(Glass transition temperature, Tg’):
冻干过程的玻璃转化温度指*冻结浓缩液的玻璃化转变温度。在无定型结构材料中,原子、离子或分子的排列是无规则的。因为在冻结过程中随着冰晶的析出,剩余溶液的浓度逐渐增加,当达到一定浓度时,剩余的水分不再结晶,此时的溶液达到*冻结浓缩状态,对应的温度称为*冻结浓缩液的玻璃化转变温度。
制品结构与预冻的关系
在生物制药领域中,使用冻干工艺的绝大部分制品是无定型结构,小部分制品是晶体结构,或者是混合结构。除了与制品配方有关外,晶体结构的形成还与预冻温度和速度有关。
根据最近的研究表明,在Tg’温度下预冻,会形成无定型结构。在大于Tg’且小于Te的温度下预冻,则形成晶体结构。晶体结构可以更快和更容易冻干,但稳定性和溶解性稍差;无定形结构冻干比较难,但稳定性和溶解性好。
方法原理不同,但都是为了摸索工艺
共晶点、塌陷温度、玻璃转化温度,采用的测量方法和原理不同,都是为了找到预冻、主干燥的温度等,摸索工艺。
一般情况,塌陷温度Tc比共晶点温度Te稍高,共晶点温度Te较玻璃化温度Tg’高。多数情况下,塌陷温度Tc要比玻璃化温度Tg’高20K左右。冻干制品升华前,必须冻结到一定的温度,这个温度应设在制品的凝固温度以下10至20℃左右。该凝固温度,主要取决于样品冻干过程中需要固化的状态,是晶体结构还是无定型结构。晶体结构,对应温度为Te;无定型结构,对应温度是Tg’。
在回火(Annealing)的操作中,在低于Tg'情况下预冻,然后把隔板温度设定在高于Tg', 但低于Teu的温度,形成回火,再降温,在低于Tg'情况下预冻,可使制品凝结更加均匀。
图2:样品维持在>Tg’且<Teu温度的结晶情况
如图中所示,预冻后将样品维持在>Tg’但<Teu的温度一段时间后,结晶变得更加明显且均匀。
如何快速实现配方关键温度的测量
图3:冻干显微镜Lyostat5及搭配使用的DSC模块
英国Biopharma Group公司提供的冻干显微镜Lyostat5以及可与显微镜搭配使用的DSC模块,可以轻松实现配方关键温度的测量。
使用Lyostat5冻干显微镜进行塌陷温度的测量:
图4.1:温度超过塌陷温度Tc后样品结构消失
图4.2:再次降温冷冻后观察到新的干燥结构
使用DSC模块测量玻璃转化温度Tg’:
图5:使用DSC模块测量的玻璃转化温度Tg’
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