冻干外观分析及解决方案

  冻干外观分析及解决方案冻干外观异常种类：总结雾化现象概念：雾化(fogging)是指由于冻干前溶液沿冻干瓶内壁向上爬行，致冻干后在瓶内壁形成一层膜，表现为指状突起、分支或均匀雾状等不同图案的白雾。在冷冻干燥过程后，瓶内壁能够正常的看到干燥的粉末雾状物。现状对照：我们所说的爬瓶应属该类。雾化现象形成的可能原因：1、亲水性内表面玻璃瓶2、表面活性剂3、蛋白质产品:由于蛋白质具有一定表面活性和电荷，玻璃中的硼硅酸盐在水溶液中通常以电荷形式存在，蛋白质与其相互作用，则吸附在硼硅酸盐玻璃表面，冻干后即形成雾化。雾化现象雾化原理：玻璃瓶内壁的润湿溶液吸附到玻璃内表面上后，由热力和组分因素驱动形成的表面张力梯度促使溶液沿瓶内壁向上吸附，溶液保留在冻干瓶的内壁后，在此状态下进行冷冻干燥即会形成雾化现象。在含有表面活性剂或具有表面活性成分(有时是药物本身)的制剂冻干时最常发生这一现象。对产品质量的影响：因雾化多发生于容器的瓶颈部，会对容器密闭完整性(containerclosureintegrity，CCI)产生一定的影响，所以雾化在瓶内壁上的高度为冻干制品的关键质量属解决方案：1、用疏水性内表面(如硅化玻璃)的玻璃瓶进行蛋白质类生物制品冻干，可以明显减少或消除冻干中的雾化现象。利用疏水性可降低表面使溶液与玻璃内壁接触较小的特性，减少吸附现象，从而防止制剂组分吸附到玻璃壁上造成冻干后在瓶内壁产生雾化。2、保证环境和温度的均一性，物料及冻干瓶均应达到稳定室温，且灌装前后产品稳定不可有明显气温变化。尤其是隧道烘箱出来的瓶子不可与室内温度有过大温概念：塌陷(collapse)是指冻干制品结构的损失，分为完全塌陷或部分塌陷，塌陷制品往往具有轻微变色、皱缩和分层现象。现状对照：我们所说的分层、纵向萎缩应属此类。塌陷现象形成的原因：1、在冻干过程中塌陷：料液经冷冻形成冷冻基质(随后在干燥中期，制品显示出塌陷的迹象(图D)最后当所有游离水从产品中去除后，制品就呈现出宏观塌陷(。在高于塌陷温度时，进行冷冻干燥可导致饼块分层(图D、E和F)示意图塌陷现象形成的原因2、在储存过程中塌陷：冻干制品在储存期间，当储存温度接近冻干固体的玻璃化转变温度时，冻干固体内的黏性流动的维持的时间将会延长，残余水分及从弹性封闭物(移到冷冻干燥的固体中的水分，均可促进黏性流动。塌陷现象塌陷原理：塌陷温度是冷冻固体中的间隙水开始显著移动时的温度。冻干过程中玻璃化转变温度是指最大冻结浓缩液的温度。当蛋白质类生物制品在塌陷温度以上进行冷冻干燥时，不仅影响制品的外观，还可能会影响蛋白质的稳定性。因此，为避免塌陷的发生，在主干燥期间的制品温度必须小于塌陷温度或玻璃化转变温度。在主干燥阶段，当干燥层的温度上升到一定值时，物料中的冰晶通过升华逸出，原先冰晶所占据的空间形成空穴，使冻干层呈多孔蜂窝状海绵体结构，这种多孔蜂窝状海绵体结构与温度有关。当蜂窝状结构体的固体基质温度比较高、达到某一临界值时，固体基质的刚性不足以维持蜂窝状结构，空穴的固形物基质壁即发生塌陷，导致原有的水分扩散通道被封闭，使饼块水分含量较大。塌陷现象塌陷对产品质量的影响：塌陷本身并不一定对产品质量产生负面影响。与无塌陷制品相比，塌陷制品因水分的逸出路径被阻塞、水分升华率明显降低、水分易滞留在制品内部，因此导致：1、塌陷制品最终呈现出水分分布不均匀及广泛黏结现象。2、塌陷制品具备复溶性较差、溶剂化率明显降低、复溶后变为高黏度液体的特3、塌陷还会导致冷冻干燥固体的比表面积(specificsurfacearea，SSA)降低，而SSA的降低可导致最终产品中残余水分含量的升高和复溶时间的增加。塌陷现象解决方案：1、可在预冻中增加退火步骤，以加强晶型，为制品提供结构支撑。退火时，冰晶平均半径随退火时间的增加而增大，冰晶粒度分布的非均匀性降低，从而改善瓶间不均匀性和干燥速率，减少塌陷。2、通过优化配方提高配方的塌陷温度，尽可能避免塌陷的发生。适当增加配方中无定形冻干保护剂的含量，在冷冻干燥过程中保护蛋白质。3、控制主升华阶段制品温度不高于塌陷温度。4、降低储存温度。5、降低残余水分，降低含水量指标。6、降低弹性封闭物（如胶塞）含水量，灭菌过程中增加烘干时间。收缩、裂化现象概念：收缩(shrinkage)是指冻干饼块体积的明显减小、冻干饼块与瓶壁或瓶底分开的现象(裂化(cracking)是指饼块多处开裂、有裂缝的现象(收缩与裂化可单独发生，亦可同时发生，收缩可能是塌陷的最初表现。现状对照：我们所说的横向柱饼萎缩应属此类。收缩、裂化现象形成的可能原因：1、未冻水：随着冻干溶液中保护剂含量的增加和未冻水含量(在最大冻结浓缩状态下非冻结水的含量)的减少，收缩现象发生的慢慢的变少，但未见未冻水含量与裂化现象之间的相关性。2、溶液性质：冻干饼块的收缩和裂化之间有相反关系，在低含量保护剂冻干制品中，收缩现象占大多数;随着保护剂的含量增加，收缩现象相对降低，裂化现象增加，其变化呈含量依赖性。3、冷冻过程：冻干隔板冷却速率降低时，收缩饼块较裂化饼块增多。收缩、裂化现象收缩、裂化原理：冻干制品和瓶内壁的黏附力与收缩、裂化存在相关性，在干燥过程中冻干饼块发生收缩以平衡所形成的张力;如果干燥的饼块和玻璃内壁之间的黏附性高，则会阻碍冻干饼块通过收缩来缓解释放饼块中的张力;当干燥张力超过饼块内部的内聚力时，冻干饼块就会发生裂化，形成裂纹来松弛干燥张力;若饼块从瓶内壁脱离、收缩，则干燥张力释放，几乎无裂化现象发生;若收缩被抑制、阻碍，则会产生干燥张力，导致发生严重的裂化现象收缩、裂化现象收缩、裂化现象对产品质量的影响：收缩可引起冻干饼块中残余水分分布严重不均匀。在冻干饼和玻璃壁之间产生的间隙中，饼块与内壁之间热接触面积减小，周边饼块区域的传质速率低于中心区域。可导致：1、干燥不均匀，不利于蛋白质的稳定性。2、可能会缩短制品的储存期限和储存温度范围。3、制品复溶性可能受一定的影响，复溶后不能形成均匀的澄清溶液。收缩、裂化现象解决方案：首先，通过反复试验确保塌陷不会导致冻干饼块的收缩、对制品质量无影响，确保冻干饼块收缩与塌陷无关。通过热分析(如差示扫描量热法、冻干显微镜)和在线工艺分析技术(如温度测量、热电耦)或离线分析方法(射线粉末衍射、残余水分、SSA)等区分塌陷和收缩。1、若在储存期间发生冻干饼块收缩，则可能是由于冻干制品的水分偏高所致，故可控制制品水分，逐步降低水分含量。2、若因溶液性质导致收缩被抑制、阻碍而产生干燥张力，导致非常严重的、广泛的裂化现象，则可通过将制品配方转变为无定形配方以减少收缩裂化。3、调整隔板冷却速率，达到最优效果。结膜现象skinformulation)是指冷冻期间在冻干饼块顶部形成的薄且相对致密的固体层。现状对照：高山植萃分层（双眼皮）结膜现象形成的可能原因：在预冻步骤中，维持过冷之后，首先观察到冰核迅速变成半透明;随后由于冰晶生长，产品从冷冻基质的底部到顶部变得不透明; 冷冻浓缩物留在冻结物的 顶部，即会在干燥后形成一层膜。 结膜现象 对产品质量的影响：结膜只是外观问题，通常结膜并不会显著影响产品的关键质量属性，但很 可能受一定的影响的质量属性是复溶时间。因为其多孔性或机械性较低，顶部的膜不 会明显影响干燥过程，在主干燥过程中不会显著破坏水蒸气的流动过程。 结膜现象 解决方案：通过改进预冻方法( 如退火、冰雾技术等) ，控制溶液冰核成长，形成垂直 方向冰晶，从而形成良好孔隙以利于水分的升华，避免结膜现象的发生。 图例：喷瓶现象 ejection)是指干燥的制品附着于冻干玻璃瓶颈部、甚至外逸的现象， 致使外观不佳。 现状对照：我们所说的瓶壁有点状物料应属此类，疑似一部分或全部松散、分层现象也为应属此类。 喷瓶现象 形成的可能原因1、制品在分装过程中，当灌装机将溶液分装入瓶时，由于液体流速较快，在瓶 内液体中存在一定量的气泡，此时应将装瓶液体放置一段时间，让气泡充分逸出， 否则气泡会被冻结在制品内部，在升华抽真空减压时气体逸出会带着部分制品黏 附于瓶壁上，造成喷瓶现象。 2、制品在冻干过程中，溶液尚未完全冻结之前进行抽真空减压、溶质随水分逸 出造成喷瓶。 喷瓶现象 形成的可能原因：3、隔板温度上升过快，瓶内制品传热不匀，造成制品上下温度相差过大，下部 制品的结晶无法通过升华逸出水分，而是从固体、液体到气体蒸发，形成喷瓶时。 4、配方中含有有机溶剂( 如丁醇或乙醇) 5、固含量较低的配方，其黏性较低。喷瓶现象 对产品质量的影响：1、由于冻干制剂存在于冻干瓶胶塞和瓶内壁之间，可能破坏了容器密闭的完整 性，很难保证产品的无菌性和含量的均匀度，故可引起产品的安全性问题。 2、喷瓶还可导致制品上下部位外观不同，上部呈现均匀、疏松、海绵状，而下 部则呈现硬结和不规则的空穴，严重时可影响产品质量属性。 喷瓶现象 解决方案：1、分装过程中，液体流速较快，引起瓶内有一定量气泡，导致的喷瓶现象，应 在灌装时需减小分装流速。 2、冻干过程中，预冻不彻底导致的喷瓶现象，应将制品冻结至共晶点以下，并 维持一段时间，以保证整批制品完全冻结。 3、冻干过程中，隔板温度上升过快导致的喷瓶现象，应降低隔板升温速率。 4、配方中含有机溶剂，造成的喷瓶现象，应调整配方比例，或在配置前将原料 中有机溶剂去除（如用旋转蒸发仪）。 5、固含量较低产生的喷瓶现象，应增大固含量比例。 回熔现象 meltingback) 通常是指由于主干燥结束时冻干饼块中仍存在冰冻基质， 在进入二次干燥时，冻干饼块出现回熔现象。 现状对照：暂未发现由此原因产生的不良外观产品。回熔现象 形成的可能原因：瓶底与隔板的接触不良会导致瓶中的热传递减少，致使在主干燥期间不能 完全去除自由水，则在二次干燥中温度的升高将导致制品回熔。 对产品质量的影响：1、SSA 较低。 2、复溶时间增加。 3、未溶解物质的生物活性可能会部分丧失。 回熔现象 解决方案1、如果是由于干燥过程引起的回熔，则应该通过适宜的测量技术( 如Pirani) 确测定主干燥的结束终点，改进冷冻干燥过程，也能增加供热量，使水分在主干燥阶段升华基本完毕。 2、如果在批次内和批次间不规则地出现回熔现象，则应检查冷冻干燥机的性能， 注意真空度的控制及冷阱能达到的水平。 其他问题造成的外观不良 乳突：冻干饼中间部位突起或有麻点，预冻不彻底，以及升华速度过快导致可导致乳突。 总结 现象 现状对照 缘由分析 解决方案 备注 雾化 1、亲水性瓶壁；2、表面活性剂； 3、蛋白质本身 1、用硅化玻璃瓶 2、选择与配方匹配的玻璃瓶 3、环境稳定 塌陷 分层 纵向萎缩 1、主干燥期间制品温度超过塌陷温度； 2、储存温度接近制品玻璃化转变温度， 残余水分转移。 1、预冻加入退火 2、调整配方，提高塌陷温度 3、主干燥期间严控制品温度； 4、降品含水量指标 5、灭菌工艺控制胶塞含水量 6、降低储存温度 收缩、裂 2、保护剂含量不匹配3、隔板冷却速率不匹配 首先区分塌陷与收缩 1、储存过程中收缩降品 含水量指标 2、优化配方，增加保护剂含 量解决收缩问题，添加无定形 保护剂解决裂化问题 3、调整隔板冷却速率 总结 现象 现状对照 缘由分析 解决方案 备注 结膜 高山植萃分层（双眼 预冻阶段冷冻浓缩液在冻结物的顶部，冻干结束后， 形成一层膜。 改进预冻方法（入退火，