客户服务热线:
400 0000 208
冷冻干燥设备整体方案供应商
预冻步骤Freezing 通常是冻干机开始冷冻干燥周期的第一个“工艺”步骤，在这个过程中，制品被降温冷冻，从而将产品中的溶液从液态转化为固态，为后期的升华干燥创造初始条件。对于预冻步骤有两个目标会被考虑，即（阶段/最终）目标温度和到达此目标温度的时间，而二者可以转化为预冻速率。
而预冻之所以关键，不仅是由于预冻需要实现制品从液态转变固态的关键温度的过冷，而且抛开一些不可控的因素，其速度及过冷程度还可能会影响到冰晶的形态，而冰晶形态又会影响一次干燥，乃至产品的质量。
冰晶形态
很多“教科级”资料都会提到，快速冷却 Rapid cooling导致生成“小”冰晶，而缓慢冷却Slow cooling导致形成“大”冰晶。简单的理解就是，快速冷却让水在措手不及的情况下过冷，当反应过来时已被冻上，由于时间紧迫，冰晶无法实现“大团结”，因此冰晶小。冰晶大小决定了干燥固体中空隙的大小，因此小冰晶造成了狭小的水汽升华通道，增加了升华阻力，从而导致需要更长的初级干燥时长来去除结晶水。反之，缓慢冷却带了相反的效果。
产品质量
首先是速率对冰晶形态作用的延伸，冰晶大小会直接影响到比表面积的大小，例如蛋白质溶液，冷冻会产生冰-水界面，蛋白质会被吸附在这个界面上，从而破坏其天然折叠状态。伴随而来的二级和三级结构的损失可导致表面诱导变性。但缓慢冷冻也有可能增加对蛋白质的损害，例如随着水结晶，相分离的可能性增加，而缓慢冷冻提供了足够的时间暴露于高浓度的不同化学物质、pH值变化、相分离。
其次，冷冻可能会因多种原因（例如溶液效应、细胞外结冰、脱水）而损害细胞，但细胞内结冰是最重要的原因，细胞内的冰形成增加了细胞内电解质的浓度，进而影响了可参与稳定细胞内酶天然状态的离子相互作用，通常在高冷却速率下，当细胞不能保持与环境的渗透平衡时，细胞内结冰。细胞内冰晶也许会直接对细胞超微结构造成机械损伤，或者细胞也会受到冰形成引起的体积膨胀的影响。（Wolfe, J. and G. Bryant, Cellular cryobiology: thermodynamic and mechanical effects. International Journal of Refrigeration, 2001; 24(5): 438-450.）
冻干机板层降温速率的影响
很显然，上面提到的冷却速度是基于理想热力条件下，针对制品而言的，并不应该简单地归结于冻干机板层里硅油温度的降温快慢。例如，同样的冻干机板层降温速率，面对不同的制品、不同的盛装形式、不同的灌装/装载量、不同的制品初始温度，所带来的制品本身降温效果也是不同的。
但现实又无法回避，如果制品不是选择离线冷冻设备进行速冻，那么制品温度降低更多是依靠冻干机的板层温度变化来实现、控制。曾有朋友问，很多文章会以1°C/分钟为一个快慢的分界线（这里不讨论这个值的定义是否有道理），但为何很多冻干机的URS中板层降温指标不用速率表示，而用温度区间和时间表示，例如 “从20℃到 -40℃的时间应≤ 60分钟“，”而非“1°C/分钟”。个人理解，首先冻干机的指标多为空载指标，在测试其性能时，无需进行“线性”斜率控制，而是查看设备的性能边界在哪里。而常规制冷系统性能由于受很多因素影响，不是一个线性表现，温度越低速率越慢，所以仅对于空载设备进行性能确认，目的是了解其边界。
因为，设备的性能边界是很重要的，正是因为其极限降温曲线不是线性的，其最差表现将成为“木桶”的短板，影响所能实现的降温曲线斜率；换句话说，如果冻干机板层在实际冻干工艺中，无法在“有需求”的温度范围内保持恒定的冷却速率，则将会给产品冷冻速率带来额外不必要的影响因素。
例如，如果有工艺要求，期望板层以“1°C/分钟”速率线性降至-50°C，那么对于一些常规工业级冻干机来说就是一件有挑战的事情。如果要稳定实现这样要求，就要拓展设备的性能边界，可能需要对冻干设备进行系统配置的变化。
虽然说可控成核技术已经出现了很多年，但未来一定时期内想要全面工业化程度地普及，仍有很长的路要走。因此，从目前行业的现状看，研究和依靠可控的冷冻速度，仍是形成适当冰晶体结构，进行优化升华过程的主要手段。
微信二维码
