凍干工藝開發(fā)過程實際問題之（一）---關鍵溫度

前言

產品的“關鍵溫度"測量，是進行凍干工藝開發(fā)的第一步；

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

同時給出TELSTAR凍干工藝實驗室的建議。
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“關鍵溫度"的概念，可查看之前發(fā)布文章了解：凍干產品的關鍵溫度

誤區(qū)一

不檢測樣品關鍵溫度，直接上凍干機進行實驗；

如果凍干的產品出現一些問題，則根據這些問題反推“猜測"是那個工藝參數有問題；

如果凍干的產品都沒問題，就往后推進，一直到工藝放大和生產。

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，都會會導致產品的關鍵溫度差別非常大。

產品關鍵溫度是預凍溫度以及一次干燥階段板層溫度和腔體壓力設計的“航標"。他也一定程度上畫出了產品凍干工藝的設計區(qū)間。

預凍階段板層溫度低于產品的關鍵溫度、一次干燥階段產品溫度不高于產品的關鍵溫度。如下圖：淡紅色區(qū)域為產品溫度的安全區(qū)間。

凍干工藝設計前不知道“關鍵溫度"，就好比在大海中航行沒有方向，結果只能是“碰運氣"。

如果產品發(fā)生塌陷，你很難快速判斷是什么原因導致；

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

改變產品批次或者放大，隨時可能出現風險。

TELSTAR凍干實驗室實踐建議:

·       開始凍干工藝摸索（樣品進凍干機）之前就先進行樣品的“關鍵溫度"測試；

·       處方篩選、關鍵溫度測定、初期凍干工藝設計可以同期進行；

·       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。

誤區(qū)2

用“共晶點溫度"的概念，設計所有產品的凍干工藝

不知道曾幾何時，大家被“教育"了“共晶點溫度"的概念。

于是將此溫度作為“關鍵溫度"來給所有類型的樣品設計凍干工藝。

問題分析：

“共晶點溫度"的概念，只適用于純晶體產品。如：輔料只含有晶體成分的產品。

此類樣品在全部的凍干產品中，占比低于5%。

其他含有無定形輔料的產品，則都需要用玻璃態(tài)轉變溫度Tg’和塌陷溫度Tc作為“關鍵溫度"；

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

TELSTAR凍干實驗室實踐建議：

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

·       用凍干顯微鏡進行塌陷溫度Tc的測試；

·       DSC圖譜可以給出Tg’、初始融化溫度、共晶點溫度、是否有重結晶現象等一系列參數。

·       主要用Tc進行一次干燥階段工藝參數的設計；

誤區(qū)3

在凍干工藝曲線上尋找“關鍵溫度"

不進行任何測試，在凍干曲線上找到預凍階段產品溫度的“凸起（回溫）"點。認為這個溫度即為產品的關鍵溫度。

凍干曲線示例，下圖紅色箭頭指示溫度：

問題分析：

在預凍階段，冰結冰的瞬間因為從液體相變?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。

此溫度在預凍關鍵曲線上對應的是B點的過冷溫度，和“共晶點溫度Teu"、“玻璃態(tài)轉變溫度Tg’"都沒有直接的關系。

關于此圖的詳細解讀，可查看文章：晶體、無定形物質在預凍過程中的物理化學變化（一）

預凍關鍵溫度曲線

而且因為降溫階段“過冷"現象的發(fā)生，此溫度的發(fā)生是隨機的。

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。

TELSTAR凍干實驗室實踐建議：

·       不用此溫度作為工藝設計的參考

誤區(qū)4

根據輔料關鍵溫度估算體系的“關鍵溫度"

問題分析：

蔗糖、甘露醇等一些常用輔料的關鍵溫度，文章：常用凍干輔料關鍵溫度可查看

添加關鍵溫度低的輔料，會使得體系的關鍵溫度更低；

但體系的關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的共晶點溫度為-21℃）

溶液DSC檢測結果：

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

TELSTAR凍干實驗室實踐建議：

·       處方設計的過程中，考慮所添加輔料的關鍵溫度。關鍵溫度低的成分會使得體系的關鍵溫度偏低；

·       NACL通常會使得體系的關鍵溫度更低；

·       具體關鍵溫度數值，以設備檢測結果為準。

·       因為Tc和Tg'測試原理不同，對確定的處方同時測定這兩個參數是值得的。

誤區(qū)5

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

問題分析：無

實踐經驗：很多樣品的測試結果都和此說法不符

TELSTAR凍干實驗室實踐建議：

·       Tc和Teu之間沒有直接的聯系。

·       建議用戶用專業(yè)的設備對樣品關鍵溫度進行檢測，根據測試結果進行工藝設計。

最后的話：

關于玻璃態(tài)轉變溫度Tg’和塌陷溫度Tc的區(qū)別和聯系

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

·       產品溫度Tp＞Tg’，則會導致“剛性"溶質出現一定程度的流動態(tài)從而產生塌陷的可能性。

塌陷溫度Tc：溶質的“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構的溫度點。

因此塌陷溫度Tc通常等于或者略高于玻璃態(tài)轉變溫度Tg’

·       玻璃態(tài)轉變溫度通常用低溫DSC測定，也可以由DMA、TMA進行測定；塌陷溫度Tc只能由凍干顯微鏡測定。如果處方已經確定，給樣品同時測定產品的Tg’和Tc也是值得的，對于了解產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，自行驗證判斷結果。

·       DSC對Tg’的測定是根據吸熱或者放熱的數據來判斷產品相變或者晶型的轉變，如果用戶對于某些產品Tc的檢測結果不是非常確定，可以結合Tg’數據進行驗證。

以上我是在工作過程中遇到的大家關于“關鍵溫度"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 凍干工藝實驗室