生物制品的冷冻干燥

1. 引言

冷冻干燥作为一种工业化工艺，可以追溯到第二次世界大战时期，当时人血浆的需求量达到非常关键的程度。在此之前，通过先冻结、再升华去除冰的干燥方法还只是实验室中的一种新奇技术，尽管人们很早以前就已经认识到了冻结的浓缩效应。因此，早在公元7世纪，吐鲁番地区的维吾尔人就已经制备出了“冻干葡萄酒"。

即使在今天，人们仍然没有普遍认识到，冻结实际上与干燥在某种意义上是同义的，因为在冻结过程中，溶液或分散体系中的水分以纯固相“冰"的形式被分离出来。随后冰被升华并在别处重新凝结，这一过程并不会影响残余溶液相。

关于冻结和干燥还存在其他一些错误认识，例如有人认为“水变成冰会停止所有化学反应"。工业界传统上还常常认为，冷冻干燥工艺只能依靠经验性的反复试验来开发，也就是通过检测最终产品来确定工艺；或者认为“任何东西都可以在24小时内冻干"。

冻干过程中的各个阶段都建立在非常可靠的物理、化学和工程学原理之上，而且这些过程可以被控制到这样的程度--对于给定产品所采用的某一特定工艺，其结果通常可以在相当窄的容差范围内进行预测，而不必进行大量反复试错实验。更重要的是，稳定的产品通常可以通过最佳处方与相匹配的最佳冻干周期进行合理设计。

2. 为什么要冷冻干燥？

尽管冷冻干燥在技术上较为复杂，但作为一个单元操作，它在标准的化学工程教材中几乎没有被提及。在生物化学文献中，它也往往遭到冷落，通常只用一句话简单带过。因此，对于这样一种资本投入高、能耗高、且从基础工程分析角度看似乎十分耗时的工艺，为什么却在制药和生物工业中确立了其干燥方法的地位，并不是立即就能看明白的。

首要原因可能是一种观念：干燥能够提高化学稳定性。从实际应用角度来看，如果能够得到在环境温度下稳定的液体制剂，那么在大多数情况下，这种液体制剂当然更为理想，因为制备失败的可能性几乎可以忽略不计。

然而，受关注的物质，如肽、蛋白质以及复杂的合成有机分子，在水溶液中会发生多种化学反应，其中许多反应对于产品性能或安全性来说都是不可接受的。这类会降低特定生物活性的反应包括水解、交联、氧化、聚集和二硫键重排。

经验表明，在干燥状态下，这些反应可以被显著延缓。但这仍然留下了一个问题：为什么要选择先冻结，然后通过冰的升华来去除水分，而不是采用其他方式？答案可能来自这样一种假设：与在室温或更高温度下进行干燥相比，在较低温度下进行的工艺，较不容易损伤不稳定的生物制品。无论这一基本假设是否成立，事实是，监管机构已经接受冷冻干燥作为治疗性产品生产中的一种适用单元操作。

3. 基本原理、工艺及质量参数

从最基本的层面来看，冷冻干燥过程包括：首先，将湿固体产品中的液态水，或者将一定浓度的溶液或分散体系中的水，分离为固相--即冰；随后，在真空条件下通过升华去除冰，使溶质或基质处于无水或接近无水的状态。

这一看似简单的描述，实际上掩盖了许多复杂且相互关联的问题，这些问题涉及湿产品的化学组成、冻结过程中可能伴随发生的化学变化和物理变化、所使用设备中的传热与传质，以及最终冻干产品的性能。

冷冻干燥曾经一度广泛用于食品工业，但后来在很大程度上被更经济的干燥工艺所取代。食品的质量标准主要受消费者接受程度支配。与之相比，对于药品和其他生物制品，特别是注射给药的产品，其可接受性和商业可行性往往受到复杂生物化学标准的制约，例如每毫克产品的生物活性单位，或者工艺过程中或随后储存过程中引入的极低水平污染物。

4. 哪些因素可以控制？

作为初步近似，待冻干制剂本身的性质以及所使用容器的尺寸，决定了需要采用的最佳工艺条件。为了便于说明，冻干过程中涉及的各种控制参数可以分开讨论，概括如下：

在大多数实际情况下，必须在与处方、工艺条件、成本以及其他因素相关的各种相互竞争的要求之间进行折中。因此，最终冻干产品的质量和外观取决于待干燥溶液的组成、浓度和体积，容器几何形状，以及多项设备和工艺参数。这些参数决定了传热和传质过程，

5. 处方

待冻干生物制品的处方组成受到多个因素的制约。通常，具有生物活性的组分浓度非常低，因此需要加入填充剂/赋形剂（bulking agent, excipient），以获得足够的物理稳定性。这种辅料可以赋予冻干产品良好的“饼状"结构、足够的机械强度和美观的外观。

另一方面，该辅料还可能在冻融浓缩过程中发挥生物制品化学稳定剂的作用。此外，溶液可能还需要pH缓冲剂以及其他盐类。这些盐类可能来自上游工艺并被带入，也可能为了使复溶后的最终产品达到正确的离子组成而专门加入。