冻干预冻过程中按需成核技术

冷冻干燥（冻干）中，按需成核是在预冻阶段精准触发、同步控制所有容器内物料成核的技术，能提升批次均一性、缩短干燥时间并优化产品质量，是 QbD 框架下的关键工艺控制手段。以下从核心原理、主流技术方案、关键参数与应用要点、优势与挑战展开说明。

一、核心原理与目标

1、原理：先将物料冷却至略低于理论冰点的过冷温度并稳定，再通过外部触发（如压力扰动、冰晶引入、气体冲击等），使所有容器内物料在设定温度、时间同步成核，避免自然成核的随机性与滞后性。

2、核心目标

2.1 同步成核：消除瓶间/批间冰晶形态差异，解决“最差冷冻瓶决定干燥速度"的问题。

2.2 调控冰晶：在较高温度成核形成更大、更均匀的冰晶，降低干燥层阻力，缩短初级干燥时间。

2.3 提升均一性：改善冻干饼外观（减少塌陷、开裂），降低残水波动，保障生物活性物质稳定性。

二、关键参数与应用要点

1、过冷温度设定（核心参数）

1.1 范围：通常为-3℃至-10℃（依配方而定），需通过预实验确定（如阶梯降温法）。

1.2 影响因素：浓度越高、装液高度越高、容器直径越大，过冷稳定时间越长。

1.3 示例：蛋白溶液（50 mg/mL）装液高度10mm，建议过冷温度-5℃，稳定60-90分钟。

2、触发时机与强度

2.1 时机：物料温度均一性RSD<5% 时触发，避免局部过冷不足。

2.2 强度：加压-减压法泄压速率>0.1MPa/s；冰雾法需保证冰雾浓度>10⁶个/mL。

3、后处理

3.1 成核后需在成核温度保持15-30分钟，促进冰晶均匀生长；再以0.5-1℃/min 速率冷却至最终冻结温度（如-40℃）。

三、工艺优势与实施挑战

1、核心优势

1.1 缩短干燥时间：初级干燥可缩短 20%-50%（成核温度每提高 1℃，干燥时间缩短约 3%）。

1.2 提升产品质量：冻干饼无塌陷、开裂，残水<1% 且批间 RSD<0.2%；生物活性保留率提升5%-15%。

1.3 增强可放大性：实验室至生产批次的冰晶形态一致，减少工艺转移风险。

2、实施挑战

2.1 配方适配：高浓度多糖/聚合物可能抑制过冷，需优化保护剂比例（如甘露醇：蔗糖 = 3:1）。

2.2 设备兼容性：部分老旧冻干机需改造压力控制或气体输送系统。

2.3 验证要求：需通过 DOE 确认成核温度、触发强度、稳定时间的交互作用，建立控制空间。

四、应用案例与参数参考（生物制剂常用）

五、落地建议

1、工艺开发流程

1.1 预实验：用差示扫描量热仪（DSC）测定配方的过冷点与成核温度范围。

1.2 小试：在中试冻干机测试 3-5 个成核温度（如-3℃、-5℃、-7℃），评估冰晶形态与干燥效率。

1.3 放大：保持成核温度、触发强度不变，按装液量比例调整稳定时间（如10 mL 装液量稳定90分钟）。

2、常见问题与对策

2.1 成核不同步：延长过冷稳定时间（+30分钟）或提高触发强度（如加压至0.5MPa）。

2.2 冰晶过小：适当提高成核温度（如从-7℃调至-5℃），或增加成核后保温时间。

2.3 产品开裂：降低降温速率（0.5℃/min），优化保护剂配方（如加入0.5%海藻糖）。