凍干過程中，凍結(jié)階段冰核形成是一個隨機過程，會導(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。

批量凍干通常使用金屬托盤，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(fù)使用以及滅菌在金屬內(nèi)的應(yīng)力會導(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)，是一項創(chuàng)新技術(shù)，在凍干機內(nèi)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(shè)定的層板溫度下穩(wěn)定后減壓，以產(chǎn)生瞬時的、均勻的冰核。在減壓之后，通常在-5°C的溫度下長時間保持，使冰晶緩慢生長，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程，將ControLyo®與常規(guī)冷凍方法進(jìn)行比較。對晶體材料和和無定型配方進(jìn)行了研究。晶體材料由甘露醇、USP(濃度為40 mg/mL)組成，無定型態(tài)由蔗糖、NF(濃度為40 mg/mL)組成。

具體實驗

在100級（A級）環(huán)境中用0.22微米過濾器過濾溶液。將溶液分配到四個不銹鋼托盤中，每個托盤的體積為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。在不銹鋼散裝盤內(nèi)不同位置以及托盤外部均放置熱電偶測量產(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。由于溶液中測得的產(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小時促使冰晶生長。

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間上幾乎沒有差異。然而，不同的冷凍技術(shù)對蔗糖制劑的干燥結(jié)果有顯著影響。

02 第二項研究

在第二項研究中，采用不同的一次干燥參數(shù)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(shù)CPP的研究，研究組分的影響。

圖1：常規(guī)冷凍成核（不同溫度下的隨機成核）

圖2：Controlyo®成核（同時發(fā)生成核）

熱電偶跡線描述了常規(guī)凍結(jié)中成核的隨機性質(zhì)和ControLyo®過程中的瞬時成核(如圖1和圖2所示)。

成核事件是一個放熱過程，釋放的熱量導(dǎo)致熱電偶傳感器讀數(shù)瞬時增加，最終接近層板溫度。

在常規(guī)冷凍過程中，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間下。控制成核技術(shù)中，當(dāng)系統(tǒng)減壓時，熱電偶立即記錄到同時成核的過程。需要認(rèn)識到傳感器只測量托盤的某些區(qū)域，可能不能代表托盤全部。

圖3：蔗糖-常規(guī)冷凍（約72小時完成一次干燥）

圖4：蔗糖–Controlyo®（約59小時完成一次干燥）

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。當(dāng)使用控制成核技術(shù)時，蔗糖制劑一次干燥提前13小時結(jié)束（如圖3和圖4所示）。

甘露醇制劑，無論使用何種冷凍技術(shù)和CPP，一次干燥時間僅有輕微的變化。在這些研究中，皮拉尼/電容壓力計的數(shù)據(jù)判斷初級干燥結(jié)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)行了觀察和比較。

01 縮短一次干燥時間

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，縮短了一次干燥時間。在Controlyo技術(shù)允許形成較大的冰晶，可能是由于過冷減少，成核溫度較高，允許冰晶緩慢生長。過冷被定義為平衡凝固點與溶液中冰晶首次形成時的溫度之間的差值。當(dāng)冰升華時，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)將升華干燥的時間從67小時縮短到50小時。

盡管發(fā)現(xiàn)蔗糖基配方在一次干燥時間上存在顯著差異，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，完成一次干燥的時間從20小時減少到16小時。

02 蛋糕外觀

通過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，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(jié)果顯示，與標(biāo)準(zhǔn)方法相比，通過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，因此在二次干燥過程中解吸率降低。不太激進(jìn)的二次干燥條件也會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(yīng)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遁環(huán)即可自動摸索和開發(fā)凍干工藝。結(jié)合凍干PAT技術(shù)使漫長復(fù)雜的工藝摸索變得簡單快捷有效。

PAT技術(shù)——Smart 全自動工藝開發(fā)技術(shù)，Controlyo®控制成核技術(shù)，TDLAS實時水蒸汽測量技術(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；

●  無引入污染或外來物質(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；

●  加快主干燥過程；

●  減少產(chǎn)品復(fù)水時間；

●  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，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SP Scientific和英國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)中國生物醫(yī)藥技術(shù)創(chuàng)新升級，助力中國大健康行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

Our Mission :

萊奧德創(chuàng)凍干工場專注于提供先進(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)中國生物醫(yī)藥技術(shù)創(chuàng)新升級，助力中國大健康行業(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。