“退火”能否一定程度替代“介入成核”

hu123

“退火”能否一定程度替代“介入成核”

这不是一篇冻干科普文，这是一篇有点门槛的冻干文章；

如果你是这个行业的长期从业者，以下内容很值得阅读；

如果只是做“简单的冻干”，这篇可以忽略；

冻干行业两大前沿技术：

  冻干行业，有两个前沿技术，分别解决工艺过程中的两大难点：

• 升华界面温度获取（升华界面温度软件以及最近出现的芯片检测）---解决产品升华界面温度无法通过传统硬件探头准确测量的问题；
• 介入成核---解决预冻阶段，因为“过冷”而导致的产品的各种问题；
  
  

如果你常常阅读冻干相关文献，会频繁看见关于“介入成核”解决各种问题的研究；

“介入成核”目前有三种实现方式：

• 正压法也叫减压成核
  pressurization/depressurization（Praxair专利）；
• 负压法
  vacuum-induced, （Telstar ）；
• 冰雾法
  ice-fog,（Linde专利）；
  
  

对于介入成核原理和不同方法之间的优缺点比较，可参考公众号之前发的：

预冻篇（四）介入成核（瞬时结晶）

不同冻干机制造商，选择了不同的方法；

但对于用户来说，都有一个共同的问题：

贵

为了实现“介入成核”的目标，设备制造商们始终需要在冻干机的硬件和软件上做一些改装---你需要买一台特别的冻干机或对现有冻干机进行一个“很不便宜” 的改装，以及针对你的产品研究有效的“介入成核”工艺；

虽然介入成核有以下已经被文献论证了很多次的优点：

• 大冰晶
• 产品内部孔径均匀
• 批次之间均一和均匀
• 减少升华和整个冻干的时间
• 缩短重建时间
  
  

但因为“贵”这个问题，目前国内装配“介入成核”功能的冻干机，屈指可数（我所知道的，不超过3台吧，而且貌似都没有在生产上真正的用起来？

我们实验室装配了TELSTAR LYOBETA 配备负压法“介入成核”，目前我还只做了一些简单样品的实验室规模实验；

了解更多不同“介入成核”方法在生产冻干机，针对实际产品改善应用效果的用户可以和我联系，我们对于这个功能交流一下分别的看法；

但是，看一下上面列出的优点，再结合我前两天发的文章：

关于退火，你想知道的“一切”？

有没有发现，退火工艺的作用，和介入成核高度重合？

效果	介入成核	退火	可达到的程度
大冰晶	是	是	？
产品内部孔径均匀	是	是	？
批次之间均一和均匀	是	是	？
减少升华和整个冻干的时间	是	是	？
缩短重建时间	是	是	？
减缓相分离、溶质浓缩	是	是	？
减缓结壳、开裂	是	是	？
减少和消除碎瓶	是	是	？

区别是：退火只是一个特殊的工艺设置，虽然温度、持续时间也需要通过实验数据做更深入的研究；

但对于客户来说，不需要增加额外投资；

在冻干工艺这个领域，始终“技术就是效率”，更好的技术意味着更短的工艺时长、更低的产品损耗-------好的技术，就是可以让你的成本更低；

效果立竿见影；

这也是为什么，我的线下冻干工艺培训会，从来不赠送任何免费名额的原因；

来听课，实在是性价比最高的投资；

对于学员是，对于老板来说，其实更是；

言归正传，让我们重新来看，能否用避免额外投资的“ 退火”

来一定程度替代

高额投资的“介入成核”；

我们将会对一个产品执行相同的冻干工艺，只是在预冻阶段分别加入：

• 在-6℃的温度下，执行介入成核；
• -6℃的退火温度执行退火；
  
  

运行如下冻干工艺：

_	板层降温预冻	-6℃退火	-6℃执行介入成核
上料 温度	20℃	5℃	-6℃
预冻	20℃ 到 5℃ ，速率 1℃/min 到 -45℃ ，速率 0.5℃/min 保持90min	5℃ 到 -45℃,保持90min	-6℃ 保持 150 min 冰雾法介入成核 降温到 -45℃ 保持90min
退火	n/a	-45℃ 到 -6℃, 保持 180 min -6 ℃ 到 -45℃, 保持 90 min	n/a
压力	6.67pa
一次 干燥	-45℃ 升温到 -25℃，保持 90 h
二次 干燥	-25℃ 升温到+35℃ ，速率 0.2℃/min，保持 10h
总时长	110h	116h	110h

*总时长包含退火和介入成核需要的平衡时间

继而评估两种方法对以下参数的影响：

• 一次干燥时间；
• 蛋糕结构；
• 复溶时间；
• 比表面积；
  
  

*实验样品：50mg/ml IgG2单克隆抗体处方（10mM组氨酸缓冲液pH 5.5、8%蔗糖、0.2mg/ml吐温20）；

灌装：0.22um滤膜过滤后，10ml西林瓶4ml装量

一次干燥时间：

三种预冻条件下得到的冻干曲线如下：

_	曲  线	预冻曲线
传统 预冻
	*随机的过冷现象，导致冰晶大小不均一； 进而导致一次干燥时间长（一次干燥时长以最后完成干燥样品的时间为终点）
退火
	*退火工艺使得小冰晶变成大冰晶，从而获得均一稳定的大冰晶
介入 成核

由以上曲线可以看出：

预冻中引入介入成核和退火，和传统板层降温预冻方式相比，一次干燥时间约节约了30%；

*Awotwe-Otoo等人将传统预冻方式与介入成核进行了比较，初级干燥时间减少了19%。

Konstantinidis等人报道的一项类似研究使用介入成核，将初级干燥时间减少了41%。

预冻阶段，形成的蛋糕结构是影响后续一次干燥阶段升华阻力的主要因素；

已干燥相对升华水蒸气的阻力，是表征冰晶尺寸如何影响一次干燥阶段产品温度和干燥速率的重要因素；

图一：蛋糕阻力 蓝色：介入成核、绿色：板层降温、橘色：退火

*其他研究表明：在-3℃下实施介入成核可以使得干燥相阻力减少25%，在-15℃下退火6小时达到的阻力减小相似；我们在上一篇文章中也提到，退火所能达到的效果，和你选择的温度以及保持时间有关；

更多详情，查看：https://mp.weixin.qq.com/s/Q7CJ1mYnTegvBoHW2TPXjg