药物冷冻干燥程序的开发和放大

作者:文/ 杨纯 詹成裕 张俊林 文章来源:pharma《制药业》 发布时间:2016-01-07

冷冻干燥基本过程

冻结是冻干过程起始阶段。随着制品温度Tp (product temperature)降低,水开始形成冰核的温度为成核温度 Tn (nucleation temperature)。有时Tp降低到其冰点以下才开始成核。成核释放结晶热使Tp回升到其冰点,回升的幅度为过冷度。

 

结晶体系冰晶逐渐增长残余溶液浓缩,达到过饱和时溶质以结晶析出。体系温度保持不变直至完全固化成为冰和溶质结晶的混合体,此时温度即共晶温度Teu (eutectic temperature)。无定形体系温度下降到某一程度时,冰晶不再继续增大残余溶液浓缩到最大程度,溶质与剩余的水分形成粘度极大的玻璃态。此刻温度即玻璃化转变温度 Tg'(glass transition temperature)。介于结晶体系和无定形体系之间是混合体系,冻结过程中某些组分结晶或部分结晶,其余的形成玻璃态,该体系存在Tg'和Teu。

通常隔板温度Ts(shelf temperature)降低到比Tg'或 Teu低 10℃以上,保持 1~2 h 确保制品完全固化。尽量避免液面高度超过 2 cm 。

退火是将已冻结的制品回升10~20 ℃并维持1~4 h,然后降至原冻结温度进入保温阶段。可用冷冻干燥显微镜(FDM)和差示扫描量热法(DSC)优化退火温度和时间。退火使冰晶增大降低干燥层阻力加快升华;提高无定形体系的Tg';减少升华干燥速率的瓶间差异;促进溶质(例如赋形剂甘露醇)的完全结晶,避免在冻干过程重结晶引发破瓶或产品储存期间重结晶影响稳定性。

退火也是把双刃剑,冰晶的增大以及组分的重结晶可能会破坏蛋白质或活细胞结构,而磷酸盐﹑琥珀酸盐或酒石酸盐缓冲剂易于重结晶,可能改变制品冻干期间的pH。

制品完全冻结后,即转入升华干燥阶段,将已冻结的冰以升华方式排除。升华的推动力是制品升华界面与冷凝器的压力差。

冻结的结晶体系升温超过Teu, ,冻结的无定形体系升温超过Tg',会导致制品结构塌陷。FDM测定塌陷温度Tc(collapse temperature)最准确。也可以用DSC测定的Tg'或Teu作为Tc的估计值。电阻法常用于测定Teu,但不能准确测定Tg'。光学相干断层扫描冻干显微镜在单瓶冻干机升华干燥过程中,从玻璃瓶外实时观测瓶中制品塌陷现象,可更准确地确定Tc。

通过调节冻干箱压力Pc(chamber pressure)和Ts ,间接调控制品温度Tp。可用下面公式计算Pc (帕):

Pc =38.67×10(0.019×Tc)

启动真空泵,当Pc降到预期水平而且冷凝器温度到 <-50 ℃,开始提高Ts为升华提供热能。确定Ts宜采取梯度升温,Ts每升高5 ℃ ,要保持30 min再观察Tp 。直到Tp稳定在低于Tc 2 ℃ ~5 ℃的水平。如果制品得到的热量超过升华消耗的热量,可能使Tp逐渐升高超过Tc造成塌陷。这时可将Ts再降低 5 ℃减少供热。Ts调整宜在升华干燥前2/3阶段进行,否则为时已晚。

升华干燥终点判断以皮拉尼压力比对法最可靠。其中电容式压力计不受气体成分影响,显示绝对压力。皮拉尼真空计通过被气体分子夺取的热量来计算压力。升华干燥早期冻干箱主要气体是水分,因此皮拉尼真空计显示的压力远比电容式压力计高。当升华的水分大为减少,其压力数值明显下降趋向于电容式压力计数值,提示升华干燥到达终点。

目前普遍依赖 Tp 判断终点。当多个Tp上升趋近Ts ,提示冰已消失不再需要升华热了。亦可用压力升法判断终点,具体指标要结合所用冻干机和制品批量经反复试验确定。

制品中的冰全部升华后即转入解析干燥阶段,来降低制品内非冻结水。结晶体系制品在升华干燥时已除去绝大部分水分,可以快速(0.3~0.4℃/min)提升Ts 到预定水平。无定形体系玻璃态包裹的水分需要扩散到玻璃体表面蒸发,搁板升温宜缓(0.1~0.15 ℃/min)以免导致塌陷。最终 Ts 常达 40~50 ℃,并保持 3~6 h。

多个Tp上升趋于Ts 同时冷凝器温度降低提示解析干燥结束。亦可在解析干燥 0﹑2﹑4﹑6和8 h ,进行压力升测试并取样化验水分,确定特定冻干机在特定批量的压力升终点判断指标。每次压力升测试宜≤30s,避免Tp过度升高 。

冻干程序的开发放大

参考配方各组分的物理化学性质及其冻干特性,经小试确定冻干关键参数Teu、Tg'和Tc ,然后草拟冻干程序。要明确设定每一时段的Pc、Ts 、持续时间和降温/升温速率。冻干程序和配方、容器、胶塞、装液高度、批量以及冻干机型号密切关联,任一因素的变更都可能明显影响冻干过程。

监测Tp的温度探头常置于搁板边缘的制品中。探头应垂直放在玻璃瓶中心,接触瓶底避免倾斜。制品底部的冰最迟升华,因此Tp变化可作为升华干燥终点指标。不同位置制品的热历程存在差异。搁板边缘的制品受冻干箱内壁和观察窗的辐射热较多,比隔板中心制品降温慢、升温快。Ts 和Pc较低时,制品通过传导和对流获得热量受限,辐射作用对边缘制品的影响更为突出,经常出现Tp高于Ts现象。在小冻干机隔板四周放置一圈空玻璃瓶,在门内壁贴一层铝箔可有效减弱这种边缘效应。

探头本身是干扰因素,放置探头的制品往往提前成核,冰晶大升华快,其热力学表现和未放置探头的制品有差异。手动放置探头可能对无菌制品带来污染,更不适于自动装卸冻干机。因此,无创测温法日益引起重视。压力温度测量法采集压力升数据,用拟合的数学公式计算整体制品升华界面的温度,已经成功用在实验型冻干机。

小试要模拟生产机型最差状态测试程序强健性,避免开发出大冻干机力不能及的程序;生产放大最终确定特定冻干机的冻干程序。程序转移的核心是调整Pc和Ts使制品的温度—时间曲线放大前后保持相近。既要保障升华时边角Tp低于Tc,同时要保障隔板中心制品有足够长的时间完全升华。运行中任何报警都提示参数设置超出设备能力。

在避免塌陷的前提下,使用更高的Ts和更低的Pc可缩短时程降低能耗。Tp 提高 1℃ 可以使升华干燥时间减少13%。对于价值低、批量大的制品,冻干程序优化的重点就是缩短升华干燥时间。而对于高附加值的制品,保证优良的制品质量更为重要,宜采用较保守设置。贵重制品转移初期可在生产机型上进行探索试验,样品至少铺满一层隔板。按照制定的冻干程序运行后,仔细检查每一瓶外观是否存在塌陷、萎缩、分层等缺陷,并抽样进行全检确认是否符合质量标准,然后调整冻干程序。

冻干程序放大转移要考虑冻干机差别:不同型号的冻干机在结构和性能上有差异。边缘效应在小试机更明显。小试机常使用体积小响应灵敏的T型热电偶探头;生产机型使用耐受蒸汽灭菌的比较长的Pt100探头,探头上部暴露在液面之上会增加测量误差。

大型冻干机隔板多体积大,隔板中心部位压力高于边缘部位。生产型冻干机的监控系统往往不如实验型冻干机精确。空载性能相近的冻干机,在满载生产时的传热系数和传质系数也可能有明显差异。大冻干机的抽真空速率和搁板降温/升温速率通常低于实验冻干机。大冻干机搁板降温速率多<2 ℃/min。根据制冷量随温度降低而减少这一特点,分步设定大冻干机降温速率,比较适中的搁板降温速率是1℃/min,可以使制品均匀结冰不易发生相分离。大冻干机需要更长的平衡时间来减少瓶间差异。

某些制品在溶液状态易于降解,需要将灌装的制品放在预冷的搁板上。预冷的搁板结霜会严重妨碍后续装载。装载时间越长,制品进箱时间不同而造成瓶间温度差异越大。需要速冻的制品(> 2 ℃/min )宜选用液氮冻干机。

其次,冻干程序放大转移要注意Tn的差别:成核需要溶液接触面和内部微粒作凝结核触发。实验室环境尘埃多,制品的Tn通常为 -5~-15 ℃。药物生产是在洁净环境中进行。容器经过严格清洗,液体经过除菌过滤,溶液中微粒大幅度减少。故实际生产中制品的Tn往往更低。这是实验室和无菌生产的重要差别。Tn主要取决于药液组分的性质、瓶子规格和操作环境,与溶液浓度无关。

成核是一个难于控制的随机过程,大型冻干机同一批制品Tn差异可达10℃,成核时间相差60 min。Tn低则过冷度大冰晶细小,升华后遗留的通道细微增加升华阻力。由于过冷度加大,生产型冻干机的升华干燥期要比小试长约20%。曾探索用冰雾,超声波或电场等各种方式控制成核。

目前已成功用于实验型和工业型冻干机的有普莱克斯(Praxair)气体公司的加压成核技术和林德(Linde)气体公司的冰雾诱导技术。加压法将氮气压入制品溶液,在接近冰点温度突然减压,溶解的氮气快速溢出扰动液体诱发成核。冰雾法喷射冷的氮气将注射用水制成冰雾,沉入制品作为晶种诱发成核。这两种技术可以将Tn控制在冰点1℃之内,减低过冷度明显缩短升华干燥时间,改善产品质量、收率和均一性。控制成核技术也有助于冻干程序的转移放大。

本文作者均供职于安士制药(中山)有限公司。

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