冻干工艺开发过程实际问题

冻干工艺开发过程实际问题之（一）---关键温度

前言

产品的“关键温度"测量，是进行冻干工艺开发的第一步；

在我们实验室，有着不测“关键温度"，样品不上冻干机的规则；
平时在工作中，大家对于“关键温度"也有着各种不同的“观点"和“用法"；
这篇针对“关键温度"的各种“观点"和“用法"，做一个梳理。

同时给出TELSTAR冻干工艺实验室的建议。
看看做冻干工艺开发的你，是否也曾遇到过这些问题。

如果不知道“关键温度"的概念，可查看之前发布文章了解：冻干产品的关键温度

误区一

不检测样品关键温度，直接上冻干机进行实验；

如果冻干的产品出现一些问题，则根据这些问题反推“猜测"是那个工艺参数有问题；

如果冻干的产品都没问题，就往后推进，一直到工艺放大和生产。

问题分析：

处方中含有不同辅料，即使是相同的辅料，不同的配比，都会会导致产品的关键温度差别非常大。

产品关键温度是预冻温度以及一次干燥阶段板层温度和腔体压力设计的“航标"。他也一定程度上画出了产品冻干工艺的设计区间。

预冻阶段板层温度低于产品的关键温度、一次干燥阶段产品温度不高于产品的关键温度。如下图：淡红色区域为产品温度的安全区间。

冻干工艺设计前不知道“关键温度"，就好比在大海中航行没有方向，结果只能是“碰运气"。

如果产品发生塌陷，你很难快速判断是什么原因导致；

即使做出来的产品合格，你也很难知道是否产品已经在“塌陷"或者其他问题的边界上，还是还有大幅优化的空间；

改变产品批次或者放大，随时可能出现风险。

TELSTAR冻干实验室实践建议:

·       开始冻干工艺摸索（样品进冻干机）之前就先进行样品的“关键温度"测试；

·       处方筛选、关键温度测定、初期冻干工艺设计可以同期进行；

·       塌陷温度低于-40℃的处方，一般可以直接筛选掉，不是很适合商业化的冻干生产。

误区2

用“共晶点温度"的概念，设计所有产品的冻干工艺

不知道曾几何时，大家被“教育"了“共晶点温度"的概念。

于是将此温度作为“关键温度"来给所有类型的样品设计冻干工艺。

问题分析：

“共晶点温度"的概念，只适用于纯晶体产品。如：辅料只含有晶体成分的产品。

此类样品在全部的冻干产品中，占比低于5%。

其他含有无定形辅料的产品，则都需要用玻璃态转变温度Tg’和塌陷温度Tc作为“关键温度"；

目前的生物样品，多数都添加蔗糖、海藻糖等二糖作为辅料，因此都不适用“共晶点"温度的概念。

TELSTAR冻干实验室实践建议：

·       了解样品处方主要辅料，用DSC进行玻璃态转变温度Tg’的测试；

·       用冻干显微镜进行塌陷温度Tc的测试；

·       DSC图谱可以给出Tg’、初始融化温度、共晶点温度、是否有重结晶现象等一系列参数。

·       主要用Tc进行一次干燥阶段工艺参数的设计；

误区3

在冻干工艺曲线上寻找“关键温度"

不进行任何测试，在冻干曲线上找到预冻阶段产品温度的“凸起（回温）"点。认为这个温度即为产品的关键温度。

冻干曲线示例，下图红色箭头指示温度：

问题分析：

在预冻阶段，冰结冰的瞬间因为从液体相变为固体，会释放相变潜热，因此在降温曲线上会有一个温度上升的回温。

此温度在预冻关键曲线上对应的是B点的过冷温度，和“共晶点温度Teu"、“玻璃态转变温度Tg’"都没有直接的关系。

关于此图的详细解读，可查看文章：晶体、无定形物质在预冻过程中的物理化学变化（一）

预冻关键温度曲线

而且因为降温阶段“过冷"现象的发生，此温度的发生是随机的。

这只是放置探头的这瓶样品在这个温度下冰开始从液体转变为固体（其他未放置探头的样品，过冷温度可能和这瓶不同）。

不能够给出其他工艺上的指导。

TELSTAR冻干实验室实践建议：

·       不用此温度作为工艺设计的参考

误区4

根据辅料关键温度估算体系的“关键温度"

问题分析：

蔗糖、甘露醇等一些常用辅料的关键温度，文章：常用冻干辅料关键温度可查看

添加关键温度低的辅料，会使得体系的关键温度更低；

但体系的关键温度却不是所有使用辅料的平均温度值；

如：3%蔗糖1%NACL溶液

（蔗糖的Tc为-32℃，NACL的共晶点温度为-21℃）

溶液DSC检测结果：

共晶点温度为-21.08℃；玻璃态转变温度为-52.51℃;初始熔融温度为-3.84℃。

TELSTAR冻干实验室实践建议：

·       处方设计的过程中，考虑所添加辅料的关键温度。关键温度低的成分会使得体系的关键温度偏低；

·       NACL通常会使得体系的关键温度更低；

·       具体关键温度数值，以设备检测结果为准。

·       因为Tc和Tg'测试原理不同，对确定的处方同时测定这两个参数是值得的。

误区5

Tc>Teu>Tg’有些用户在论坛上看见这个理论，并以此设计冻干工艺，解释冻干过程。

问题分析：无

实践经验：很多样品的测试结果都和此说法不符

TELSTAR冻干实验室实践建议：

·       Tc和Teu之间没有直接的联系。

·       建议用户用专业的设备对样品关键温度进行检测，根据测试结果进行工艺设计。

最后的话：

关于玻璃态转变温度Tg’和塌陷温度Tc的区别和联系

·       玻璃态转变温度Tg’是无定形体系中，冷冻相从“刚性"向“柔性（流动态）"转变的温度，见下图：

·       产品温度Tp＞Tg’，则会导致“刚性"溶质出现一定程度的流动态从而产生塌陷的可能性。

塌陷温度Tc：溶质的“刚性"由于温度升高“流动性"逐渐升高以至无法支撑自身重量而失去原有支撑结构的温度点。

因此塌陷温度Tc通常等于或者略高于玻璃态转变温度Tg’

·       玻璃态转变温度通常用低温DSC测定，也可以由DMA、TMA进行测定；塌陷温度Tc只能由冻干显微镜测定。如果处方已经确定，给样品同时测定产品的Tg’和Tc也是值得的，对于了解产品的特性有很多帮助。冻干显微镜对Tc的测定，是在真空条件下模拟冻干过程，从而通过肉眼观察的方式确定塌陷温度。属于一个主观判断，不同的人判断，可能会有几摄氏度的偏差用户可以向样品测试方要求提供测试视频，自行验证判断结果。

·       DSC对Tg’的测定是根据吸热或者放热的数据来判断产品相变或者晶型的转变，如果用户对于某些产品Tc的检测结果不是非常确定，可以结合Tg’数据进行验证。

以上我是在工作过程中遇到的大家关于“关键温度"的一些常见的问题。

文章来源——冻干工艺之家公众号  •  星德科 TELSTAR 冻干工艺实验室