凍干工藝開發(fā)過程實(shí)際問題之（一）---關(guān)鍵溫度

前言

產(chǎn)品的“關(guān)鍵溫度"測量，是進(jìn)行凍干工藝開發(fā)的第一步；

在我們實(shí)驗(yàn)室，有著不測“關(guān)鍵溫度"，樣品不上凍干機(jī)的規(guī)則；
平時在工作中，大家對于“關(guān)鍵溫度"也有著各種不同的“觀點(diǎn)"和“用法"；
這篇針對“關(guān)鍵溫度"的各種“觀點(diǎn)"和“用法"，做一個梳理。

同時給出TELSTAR凍干工藝實(shí)驗(yàn)室的建議。
看看做凍干工藝開發(fā)的你，是否也曾遇到過這些問題。

如果不知道“關(guān)鍵溫度"的概念，可查看之前發(fā)布文章了解：凍干產(chǎn)品的關(guān)鍵溫度

誤區(qū)一

不檢測樣品關(guān)鍵溫度，直接上凍干機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

如果凍干的產(chǎn)品出現(xiàn)一些問題，則根據(jù)這些問題反推“猜測"是那個工藝參數(shù)有問題；

如果凍干的產(chǎn)品都沒問題，就往后推進(jìn)，一直到工藝放大和生產(chǎn)。

問題分析：

處方中含有不同輔料，即使是相同的輔料，不同的配比，都會會導(dǎo)致產(chǎn)品的關(guān)鍵溫度差別非常大。

產(chǎn)品關(guān)鍵溫度是預(yù)凍溫度以及一次干燥階段板層溫度和腔體壓力設(shè)計(jì)的“航標(biāo)"。他也一定程度上畫出了產(chǎn)品凍干工藝的設(shè)計(jì)區(qū)間。

預(yù)凍階段板層溫度低于產(chǎn)品的關(guān)鍵溫度、一次干燥階段產(chǎn)品溫度不高于產(chǎn)品的關(guān)鍵溫度。如下圖：淡紅色區(qū)域?yàn)楫a(chǎn)品溫度的安全區(qū)間。

凍干工藝設(shè)計(jì)前不知道“關(guān)鍵溫度"，就好比在大海中航行沒有方向，結(jié)果只能是“碰運(yùn)氣"。

如果產(chǎn)品發(fā)生塌陷，你很難快速判斷是什么原因?qū)е拢?/span>

即使做出來的產(chǎn)品合格，你也很難知道是否產(chǎn)品已經(jīng)在“塌陷"或者其他問題的邊界上，還是還有大幅優(yōu)化的空間；

改變產(chǎn)品批次或者放大，隨時可能出現(xiàn)風(fēng)險。

TELSTAR凍干實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐建議:

·       開始凍干工藝摸索（樣品進(jìn)凍干機(jī)）之前就先進(jìn)行樣品的“關(guān)鍵溫度"測試；

·       處方篩選、關(guān)鍵溫度測定、初期凍干工藝設(shè)計(jì)可以同期進(jìn)行；

·       塌陷溫度低于-40℃的處方，一般可以直接篩選掉，不是很適合商業(yè)化的凍干生產(chǎn)。

誤區(qū)2

用“共晶點(diǎn)溫度"的概念，設(shè)計(jì)所有產(chǎn)品的凍干工藝

不知道曾幾何時，大家被“教育"了“共晶點(diǎn)溫度"的概念。

于是將此溫度作為“關(guān)鍵溫度"來給所有類型的樣品設(shè)計(jì)凍干工藝。

問題分析：

“共晶點(diǎn)溫度"的概念，只適用于純晶體產(chǎn)品。如：輔料只含有晶體成分的產(chǎn)品。

此類樣品在全部的凍干產(chǎn)品中，占比低于5%。

其他含有無定形輔料的產(chǎn)品，則都需要用玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg’和塌陷溫度Tc作為“關(guān)鍵溫度"；

目前的生物樣品，多數(shù)都添加蔗糖、海藻糖等二糖作為輔料，因此都不適用“共晶點(diǎn)"溫度的概念。

TELSTAR凍干實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐建議：

·       了解樣品處方主要輔料，用DSC進(jìn)行玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg’的測試；

·       用凍干顯微鏡進(jìn)行塌陷溫度Tc的測試；

·       DSC圖譜可以給出Tg’、初始融化溫度、共晶點(diǎn)溫度、是否有重結(jié)晶現(xiàn)象等一系列參數(shù)。

·       主要用Tc進(jìn)行一次干燥階段工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)；

誤區(qū)3

在凍干工藝曲線上尋找“關(guān)鍵溫度"

不進(jìn)行任何測試，在凍干曲線上找到預(yù)凍階段產(chǎn)品溫度的“凸起（回溫）"點(diǎn)。認(rèn)為這個溫度即為產(chǎn)品的關(guān)鍵溫度。

凍干曲線示例，下圖紅色箭頭指示溫度：

問題分析：

在預(yù)凍階段，冰結(jié)冰的瞬間因?yàn)閺囊后w相變?yōu)楣腆w，會釋放相變潛熱，因此在降溫曲線上會有一個溫度上升的回溫。

此溫度在預(yù)凍關(guān)鍵曲線上對應(yīng)的是B點(diǎn)的過冷溫度，和“共晶點(diǎn)溫度Teu"、“玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg’"都沒有直接的關(guān)系。

關(guān)于此圖的詳細(xì)解讀，可查看文章：晶體、無定形物質(zhì)在預(yù)凍過程中的物理化學(xué)變化（一）

預(yù)凍關(guān)鍵溫度曲線

而且因?yàn)榻禍仉A段“過冷"現(xiàn)象的發(fā)生，此溫度的發(fā)生是隨機(jī)的。

這只是放置探頭的這瓶樣品在這個溫度下冰開始從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w（其他未放置探頭的樣品，過冷溫度可能和這瓶不同）。

不能夠給出其他工藝上的指導(dǎo)。

TELSTAR凍干實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐建議：

·       不用此溫度作為工藝設(shè)計(jì)的參考

誤區(qū)4

根據(jù)輔料關(guān)鍵溫度估算體系的“關(guān)鍵溫度"

問題分析：

蔗糖、甘露醇等一些常用輔料的關(guān)鍵溫度，文章：常用凍干輔料關(guān)鍵溫度可查看

添加關(guān)鍵溫度低的輔料，會使得體系的關(guān)鍵溫度更低；

但體系的關(guān)鍵溫度卻不是所有使用輔料的平均溫度值；

如：3%蔗糖1%NACL溶液

（蔗糖的Tc為-32℃，NACL的共晶點(diǎn)溫度為-21℃）

溶液DSC檢測結(jié)果：

共晶點(diǎn)溫度為-21.08℃；玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度為-52.51℃;初始熔融溫度為-3.84℃。

TELSTAR凍干實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐建議：

·       處方設(shè)計(jì)的過程中，考慮所添加輔料的關(guān)鍵溫度。關(guān)鍵溫度低的成分會使得體系的關(guān)鍵溫度偏低；

·       NACL通常會使得體系的關(guān)鍵溫度更低；

·       具體關(guān)鍵溫度數(shù)值，以設(shè)備檢測結(jié)果為準(zhǔn)。

·       因?yàn)?/span>Tc和Tg'測試原理不同，對確定的處方同時測定這兩個參數(shù)是值得的。

誤區(qū)5

Tc>Teu>Tg’有些用戶在論壇上看見這個理論，并以此設(shè)計(jì)凍干工藝，解釋凍干過程。

問題分析：無

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：很多樣品的測試結(jié)果都和此說法不符

TELSTAR凍干實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐建議：

·       Tc和Teu之間沒有直接的聯(lián)系。

·       建議用戶用專業(yè)的設(shè)備對樣品關(guān)鍵溫度進(jìn)行檢測，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。

最后的話：

關(guān)于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg’和塌陷溫度Tc的區(qū)別和聯(lián)系

·       玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg’是無定形體系中，冷凍相從“剛性"向“柔性（流動態(tài)）"轉(zhuǎn)變的溫度，見下圖：

·       產(chǎn)品溫度Tp＞Tg’，則會導(dǎo)致“剛性"溶質(zhì)出現(xiàn)一定程度的流動態(tài)從而產(chǎn)生塌陷的可能性。

塌陷溫度Tc：溶質(zhì)的“剛性"由于溫度升高“流動性"逐漸升高以至無法支撐自身重量而失去原有支撐結(jié)構(gòu)的溫度點(diǎn)。

因此塌陷溫度Tc通常等于或者略高于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg’

·       玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度通常用低溫DSC測定，也可以由DMA、TMA進(jìn)行測定；塌陷溫度Tc只能由凍干顯微鏡測定。如果處方已經(jīng)確定，給樣品同時測定產(chǎn)品的Tg’和Tc也是值得的，對于了解產(chǎn)品的特性有很多幫助。凍干顯微鏡對Tc的測定，是在真空條件下模擬凍干過程，從而通過肉眼觀察的方式確定塌陷溫度。屬于一個主觀判斷，不同的人判斷，可能會有幾攝氏度的偏差用戶可以向樣品測試方要求提供測試視頻，自行驗(yàn)證判斷結(jié)果。

·       DSC對Tg’的測定是根據(jù)吸熱或者放熱的數(shù)據(jù)來判斷產(chǎn)品相變或者晶型的轉(zhuǎn)變，如果用戶對于某些產(chǎn)品Tc的檢測結(jié)果不是非常確定，可以結(jié)合Tg’數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

以上我是在工作過程中遇到的大家關(guān)于“關(guān)鍵溫度"的一些常見的問題。

文章來源——凍干工藝之家公眾號  •  星德科 TELSTAR 凍干工藝實(shí)驗(yàn)室