“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。

一、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（减压成核） pressurization/depressurization（Praxair）

• 负压法 vacuum-induced（Telstar）

• 冰雾法 ice-fog（Linde）

对于介入成核原理和不同方法之间的优缺点比较，可参考之前发的：→ 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"功能的冻干机很少（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 中试冻干机配备负压法“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？

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。

二、能否用“退火"来一定程度替代“介入成核"

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

(1)  运行如下冻干工艺：

*总时长包含退火和介入成核需要的平衡时间

(2)  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 gG2单克隆抗体处方（10mM组氨酸缓冲液pH5.5、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

(3)  一次干燥时间：

三种预冻条件下得到的冻干曲线如下：

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。

(4)  蛋糕结构

图二：A：传统板层降温预冻、B：-6℃退火、C：介入成核

图三：冻干后蛋糕结构电镜扫描图像

A：传统板层降温预冻、B：-6℃退火、C：介入成核

上排图像从蛋糕顶部拍摄，下排图像从蛋糕底部拍摄

三种不同预冻方式得到的蛋糕结构有比较大的不同；传统板层降温得到的蛋糕，孔径最小（和上文提到的，升华阻力最大一致）。

孔径：传统板层预冻＜退火＜介入成核

国内用户需要特别注意的一点是：对于外观的评估。国内冻干产品，对于外观的关注有时候甚至远远超过对CQA和冻干效率（冻干工艺成本）的关注。那么，在考虑使用特殊预冻方式的时候，对于外观的影响是必须要考虑到的一个影响；因为大家对于外观比较关注，再补充一组外观图片。

图四：a板层降温预冻：外观更加致密蛋糕边缘和底部有轻微收缩；b介入成核：外观更加多孔，边缘底部无收缩；C板层降温预冻SEM电镜扫描图像；D介入成核电镜扫描图像

(5)  一次干燥时间、水分、复溶时间和比表面积

如上表：三种预冻方式，因为冰晶大小不同，所得到的最终产品的比表面积也不同。

比表面积：传统板层降温预冻＞退火≥介入成核

产品的最终水分，是和比表面积相关的指标，比表面积越大，最终水分则有可能做到更低；因此产品最终水分：传统板层降温预冻＜退火＜介入成核。

对于产品最终水分是难点的产品，很多时候既要考虑退火、介入成核工艺给产品带来的工艺时长的缩短，也要考虑对最终水分升高带来的影响；具体是否可以采用，以及使用什么样的参数，还是需要实验数据来确定。

三、最后的话：

预冻阶段的成核是个随机现象，这个随机现象导致的冰晶大小不均一，是导致一次干燥时间过长以及最终产品不均一问题的重要原因之一。

最新的“介入成核"技术，可以解决成核不均一的问题；但因为成本的原因，国内在实际生产中应用非常少。

退火的作用，在很多方面都和介入成核重合，具体能达到多少效果，本文提供了一些实验数据；除了缩短一次干燥时间，大冰晶还会导致产品外观粗糙、比表面积小，最终水分变高等参数的变化。

关于退火，已经连续写了两篇了；我尽量从机理到数据，给这个工艺有可能给产品带来的影响做了一些阐述；但非常非常重要的一点是：并不是所有的工艺，都需要加入“退火"；所有的作用，都只是针对某些产品的一种“可能性"。

实际上，在我们的实验室，针对每个产品进行研究，退火真的起作用的产品，低于30%；所以很多时候，我们做的不是给用户原本的工艺加上“退火"而是去掉“退火"；只有在实验数据证明，这个工艺确实对产品有“正向"作用的时候，才添加此操作。

在应用一个技术的时候，深入理解其原理，全面了解其对产品各方面的影响是很重要的；最后针对每个特定的产品，始终还是需要自己进行实验，以获得确定的数据支持。

特别感谢TELSTAR一直以来提供系列中试冻干机，在任何时候都为我提供数据和实验支持；特别感谢昊扩科技，提供冻干显微镜、DSC设备、实验人员以及其他财政支持。