真空冷冻干燥技术在生物医药产业的应用

1 真空冷冻干燥技术

真空冷冻干燥技术是通过预冷、升华干燥、解析干燥三种阶段的动态耦合作用，共同实现生物活性物质的稳定保存。由于该技术广泛应用于生物医药领域中热敏性药品（如蛋白酶、疫苗、多肽和脂质体）的保存、基因治疗产品与细胞治疗产品冻干保存、诊断试剂与生物活性成分的稳定性提升、中药材处理及保存等，因此冻干机成为了生物医药企业前处理和检验检测的重点关注设备。

1.1 预冻阶段

预冻阶段是通过将溶液放置于低温条件下迅速冻结，从而形成玻璃态或结晶态冰晶。由于冻干过程中，物料不同部位的温度差异会影响冰晶的形成和生长，进而影响产品的质量。同时，冻结温度与共晶点密切相关，会直接影响冰晶的形态，当温度低于共晶点时，冰晶生长会速率提升，且过大时会破坏细胞结构。 因此，安全冻结温度需控制在共晶点的-10℃左右。此外，降温速率对冰晶粒径的影响也会直接影响后续升华效率和复水性。

1.2 升华干燥阶段

升华干燥阶段通常在（1-50）Pa真空条件下，通过搁板传导加热或辐射加热提供升华潜热，使冰晶直接升华为水蒸气。但若真空度波动较大，则难以平衡升华速率和热量供给；若真空度不足或供热不足，则可能导致升华效果不好，且含水量较高；若升华速率较快，则可能会破坏被冻干品的结构，甚至导致喷瓶。

1.3 解析干燥阶段

解析干燥阶段主要通过升温去除残留的结合水。因此，为避免出现蛋白质变性、抗体药物活性损失等问题，需严格控制温度梯度。

2 生物医药冻干工艺的计量需求

2.1 GMP验证关注点

在生物医药冻干工艺中，符合药品生产质量管理规范(GMP)是确保产品质量的关键。根据《药品生产质量管理规范(2020版）》附录¹（无菌药品）要求，冻干工艺验证主要包括设备确认（DQ\IQ\OQ）、 工艺验证（PV）和持续改进。

（1）设备确认：包含设备运行情况、安全性、关键参数指标的测试等。由于性能验证有时包含在线蒸汽灭菌功能与生物挑战性测试，需采用温度测量装置与湿热灭菌生物指示物进行验证，并对FO值及灭菌后生物指示物培养结果进行判断，因此会导致该过程和常规的计量参数重合较大。

（2）工艺验证：通过对每个步骤进行详细的研究和验证，确定最佳的工艺参数和操作流程，与传统的设备计量相比，可延伸涵盖至除设备自身参数外的工艺、人员及操作等多个环节。如典型冻干制品在预冻阶段的降温速率、升华阶段的加热功率和真空度控制、解析干燥阶段的时间和温度设定等过程中均需通过实验验证，才能确保生产符合质量标准的冻干产品，但若验证过程中参量发生变化时，则均需重新进行验证。

2.2 设备性能计量需求

近年来，计量机构对药用冷冻干燥机的计量重视程度已逐步提高，尤其是针对用于生物医药领域的中试冻干机和生产型大型冻干机与实验室用冻干机的差异及其温度、真空复合场的计量方法。

温度（如偏差、均匀度、降温速率）校准：通常采用多点测量法，在冻干腔内布置多个温度传感器，监测不同位置的温度变化并计算分析校准参数是否符合要求。目前，已有校准规范关注了GMP验证中对搁板温度的要求，并提出采用表面贴合式标准器进行搁板温度而非冻干腔体内空气温度的测量。

真空度校准：传统方法是采用破坏式法，在真空通路中串联真空计进行校准，而近年来发布的规范已改为采用无线真空记录器放置于冻干机腔体内部进行真空数据采集，并对极限真空、真空泄漏率等参数进行校准。但一些规范中虽明确了温度及真空测量的复合场条件要求，在特定的真空度设定下进行特定冻干温度的校准，并考虑复合场环境对标准器引入不确定度的影响，体现了计量技术与生物医药产业实际计量需求的结合，但仍停留在满足设备本身性能参数的计量上，未真正将计量检测技术应用至工艺流程中，因此仅满足生物医药产业对设备关键性能参数确认的要求，而对支撑冻干工艺优化、产品质量提升和降本增效等方面仍存在一定欠缺。

2.3 工艺过程产业计量需求

（1）生物医药领域。除冻干机的性能参数（最终的温度和真空度）外，冷阱的可靠性也非常重要。它是用于捕获升华过程中产生的水蒸气，维持系统的真空度。 因此，在一些药企中，需对其制冷温度、水蒸气捕获能力进行测试，但目前计量规范和校准实施中均未有对其参数的测量。

（2）产业计量。生物医药产业在真空冷冻干燥技术应用层面对计量的需求更多体现在计量技术能从原本的终点控制转变为与工艺结合的全程追溯。

（3）温度测量。除对设备的温度控制性能计量外，还需对预冻阶段的共晶点温度、升华阶段的不同真空度、不同加热功率条件下的升华界面的液体温度和水蒸气压进行测量，并对解析干燥阶段的水分含量进行监测，从而支撑工艺风险点的提前发现及工艺改进。如水分含量检测时，一般要求控制在2%以下（过高会影响产品的稳定性和保质期），且采用卡尔费休法、干燥失重法等均需在冻干工艺结束后以冻干品作为样品，因此无法在工艺过程中，甚至是不同工艺条件下进行检测。此外，据调研显示，在冻干制品的全流程质量控制环节中，也存在着产业计量需求，如生物活性保留率测试、冻干制品物理特性（包括崩解时限、溶解性测试、冻干制品化学稳定性）测试等均会影响产品的质量和使用效果及工艺的优化。