臺式真空冷凍干燥機在生物制劑中的應用研究

臺式真空冷凍干燥機技術特點、應用及操作規范

1. 臺式真空冷凍干燥機的技術特點與工作原理

1.1 設備結構與特點

    臺式真空冷凍干燥機是專門為實驗室環境設計的緊湊型凍干設備，采用一體化結構，占地面積小，非常適合空間有限的實驗室使用。現代臺式機型通常配備透明鐘罩式干燥室，使操作人員能夠直觀觀察物料凍干全過程。設備核心部件包括制冷系統、真空系統、加熱系統和控制系統，其中不銹鋼冷阱和臺面確保了良好的耐腐蝕性和易清潔性。

    臺式凍干機采用進口壓縮機制冷，冷阱低溫可達 - 90℃甚至更低，為空載條件下實現深度冷凍提供了保障。7 寸真彩液晶觸摸屏提供直觀的中文操作界面，可實時顯示干燥曲線，并記錄凍干過程中的關鍵參數。這種設計使得科研人員能夠精確監控樣品溫度、冷阱溫度和真空度等變量，確保凍干工藝的重復性和可靠性。

1.2 工作原理與過程

    真空冷凍干燥的基本原理是利用水的升華特性，將含水物質在低溫下凍結，然后在真空環境下使其中的冰晶直接升華為水蒸氣，從而達到脫水干燥的目的。這一過程主要分為四個階段：

• 物料預凍階段：將生物樣品在低溫環境下固化，通常冷阱溫度需≤-56℃甚至更低，確保物料凍結。預凍速率對生物制品活性保持至關重要，過快或過慢都可能影響細胞結構。

• 真空建立階段：啟動真空泵，使干燥室內壓力降至 610.5Pa 以下的低壓環境，為冰晶升華創造必要條件。

• 升華干燥階段：在維持真空的同時，通過加熱系統提供適量熱能，使凍結的冰晶直接升華為水蒸氣。此階段約去除 90% 以上的水分。

• 解吸干燥階段：進一步提高產品溫度，去除結合水，使最終含水率通常可降至 1% 以下，確保產品的長期穩定性。

2. 臺式真空冷凍干燥機在生物制劑中的具體應用

2.1 疫苗與菌毒種的凍干保存

    疫苗和菌毒種是臺式真空冷凍干燥機常見的生物制劑應用領域。凍干技術能顯著延長疫苗保存期限，并便于運輸和儲存。例如，在病毒性疫苗（如流感疫苗、狂犬病疫苗）的凍干過程中，臺式真空冷凍干燥機通過精準的溫度控制，確保疫苗抗原性不受破壞，免疫原性得到較大程度保留。

    對于菌毒種保存，凍干處理使得微生物在常溫下能夠長期保持活力。采用多歧管壓蓋型臺式凍干機，可在真空環境下直接壓塞密封，避免二次污染。實際操作中，將菌種懸液分裝于安瓿瓶或西林瓶中，預凍后轉移至凍干機，經過約 24 小時的凍干周期，即可獲得活性穩定的菌種干粉。數據顯示，恰當凍干處理的菌毒種可在 4℃條件下保存 5-10 年而不失活，為生物保藏中心的工作提供了便利。

2.2 血清、抗體與蛋白質的凍干處理

    血清、抗體和各類酶制劑是生物醫學研究中的重要試劑，這些材料的凍干處理對保持其生物活性至關重要。臺式真空冷凍干燥機在這些熱敏性生物制劑的處理中展現出獨特優勢：

    凍干過程中，添加適當的凍干保護劑（如蔗糖、海藻糖、右旋糖酐等）至關重要，這些保護劑能在蛋白質分子周圍形成無定形基質，減輕凍干過程對蛋白質結構的破壞。采用壓蓋型臺式凍干機可在干燥結束后直接在西林瓶內壓塞密封，確保產品在無菌狀態下保存，減少抗體變性風險。

2.3 生物研究樣本的制備

    在生物科學研究中，臺式真空冷凍干燥機廣泛應用于各種生物樣本的前處理。例如，在蛋白質組學研究中，蛋白質提取物經凍干處理后可用于長期保存或后續分析；在分子生物學領域，核酸樣本經凍干后可在常溫下穩定存在，便于運輸和存儲。

    此外，各種生物組織樣本（如動脈、骨骼、皮膚、角膜等）也可通過真空冷凍干燥技術長期保存。研究表明，凍干處理的組織樣本在使用時只需供給水分即可再生，仍保持其生物特性。這對于生物樣本庫的建設和組織工程研究具有重要意義。

3. 生物制劑凍干的標準化操作流程與設備選型

3.1 標準操作流程

為確保生物制劑凍干質量，應遵循標準化操作流程：

1. 前處理階段：根據生物制劑特性配置適當濃度的溶液，添加必要的凍干保護劑和添加劑。隨后進行過濾除菌處理，確保無菌狀態。分裝時考慮裝載厚度，通常建議不超過 1cm，以保證凍干均勻性。

2. 預凍階段：將分裝好的樣品置于凍干機物料盤上，啟動預凍程序。對于大多數生物制劑，預凍溫度應低于其共晶點 10-15℃，確保固化。預凍速率影響冰晶大小和活性保留，需根據具體物料優化。

3. 主干燥階段：啟動真空系統，當壓力降至 10Pa 以下時，開始控溫升華。此階段需控制加熱速率，使物料溫度始終低于其崩解溫度，避免產品結構坍塌。

4. 后干燥階段：逐步提高產品溫度至 25-30℃，去除結合水，使最終含水率達到預定標準（通常 1%-3%）。

5.封口與保存：凍干結束后，壓蓋型設備可直接在真空或充氮環境下壓塞密封。非壓蓋型產品需在干燥箱或充氮環境中迅速轉移至密封容器。

3.2 設備選型要點

選擇適合生物制劑凍干的臺式設備需考慮以下因素：

除類型選擇外，還需關注以下性能參數：冷阱低溫（生物制劑通常需≤-56℃）、極限真空度（≤10Pa）、捕水能力（3kg/24h 及以上）以及控溫精度。對于價值較高的生物制品，建議選擇具備數據記錄和 USB 接口的機型，便于過程追溯和質量分析。

4. 常見問題與優化策略

生物制劑凍干過程中常遇到產品坍塌、含水量不合格、活性喪失等問題，以下是常見問題及解決方案：

1.   產品結構坍塌：主要因物料溫度超過其崩解溫度所致。解決方案包括：降低加熱溫度、延長預凍時間以提高冰晶純度、添加適量保護劑（如甘露醇、甘氨酸）以提高崩解溫度。

2.    殘余水分偏高：可能由于二次干燥不充分或密封性差造成。可通過優化干燥終點判斷方法（如壓力升測試）、適當延長解吸干燥時間、確保良好密封來解決。

3.    生物活性損失嚴重：主要源于凍干保護不足或溫度波動。應對措施包括：篩選合適的凍干保護劑組合（如糖類 + 聚合物）、控制預凍速率、避免玻璃態轉化溫度（Tg'）以上操作。

4.    凍干周期過長：可通過減少樣品裝載厚度、優化隔板升溫程序、確保冷阱除霜來提高效率。另外，檢查真空系統密封性，避免微漏導致冷阱負荷增加。

值得一提的是，現代臺式凍干機已配備共晶點測試、真空度控制等高級功能，可有效優化凍干工藝。通過系統的凍干曲線研究和參數優化，可建立針對特定生物制劑的標準操作程序，確保產品質量的穩定性和重復性。

結語

    臺式真空冷凍干燥機作為生物制劑實驗室的關鍵設備，以其緊湊的設計、精確的控制和靈活的操作，為熱敏性生物材料的脫水保存提供了有效解決方案。通過深入了解凍干原理、掌握標準化操作流程、合理選擇設備型號并優化工藝參數，科研人員能夠有效地利用這一技術保障生物制劑的長期穩定性和活性保留。隨著凍干技術的不斷進步，臺式設備正朝著更低溫、更智能、更便捷的方向發展，有望在生物醫藥領域發揮更為重要的作用。