1. 前言
根據(jù)ICH Q8藥物開(kāi)發(fā)指南，設(shè)計(jì)空間是輸入變量和過(guò)程參數(shù)的多維組合，這些變量和過(guò)程參數(shù)已被證明可以提供質(zhì)量保證。關(guān)鍵質(zhì)量屬性（CQA）應(yīng)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)以保證產(chǎn)品質(zhì)量。關(guān)鍵工藝參數(shù)（CPP）是過(guò)程參數(shù)，關(guān)鍵材料屬性（CMA）是輸入材料的屬性，二者的可變性對(duì)CQA有影響，因此應(yīng)進(jìn)行監(jiān)控或控制，以確保過(guò)程產(chǎn)生的質(zhì)量。根據(jù)ICH Q9的原則，將根據(jù)科學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以識(shí)別可能影響CQA的過(guò)程參數(shù)，并制定有效的控制策略，將風(fēng)險(xiǎn)降至可接受水平。凍干過(guò)程的優(yōu)化應(yīng)依據(jù)CQA，CPP和CMA，沿著設(shè)計(jì)空間和PAT（過(guò)程分析技術(shù)）進(jìn)行。
凍干過(guò)程包括三個(gè)階段：（1）冷凍階段，（2）初級(jí)干燥階段和（3）二次干燥階段，如圖所示
對(duì)凍干工藝的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，是從試錯(cuò)過(guò)程逐步向模型建立再向設(shè)計(jì)空間發(fā)展，通過(guò)這些流程能大大節(jié)省凍干工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，獲得平臺(tái)化的凍干知識(shí)。如下圖為凍干工藝開(kāi)發(fā)和優(yōu)化的表格。
2. 試錯(cuò)法
依據(jù)凍干機(jī)的類(lèi)型及其規(guī)模，凍干機(jī)具有不同的傳熱性質(zhì)，為了確定最佳操作條件，需要在早期研究（小規(guī)模）中采用試錯(cuò)法。初級(jí)干燥階段花費(fèi)的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本最大，需盡量縮短初級(jí)干燥階段時(shí)間。
首先，通過(guò)各種條件下冷凍干燥試驗(yàn)過(guò)程找出關(guān)鍵參數(shù)。冷凍階段，在大氣壓下不斷降低溶液的溫度，溶液會(huì)處于低于冰點(diǎn)溫度的過(guò)冷狀態(tài)，然后溫度升高到平衡冰點(diǎn)附近，這是因?yàn)楸珊水a(chǎn)生結(jié)晶熱引起的。此后，熱量的不斷去除導(dǎo)致冰晶的生長(zhǎng)，溶液（除結(jié)合水外）將被轉(zhuǎn)移到冰中。因?yàn)樗诠簿囟?Te)下與溶質(zhì)組分分離，溶質(zhì)組分被濃縮。例如，甘露醇、甘氨酸、氯化鈉和磷酸鹽緩沖液在冷凍過(guò)程中以一定濃度結(jié)晶。對(duì)于用作對(duì)水具有高親和力的注射產(chǎn)品的藥物或輔料，它們?cè)诶鋬鲞^(guò)程中很少形成共晶晶體。溶質(zhì)在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg’）以下的濃縮效應(yīng)形成具有低分子遷移率的無(wú)定形固體，稱(chēng)為玻璃化轉(zhuǎn)變。初級(jí)干燥階段產(chǎn)品溫度的大幅升高會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品塌陷，Tc是凍干產(chǎn)品在初級(jí)干燥過(guò)程中失去其宏觀(guān)結(jié)構(gòu)和濾餅塌陷的溫度。通常Tc高于Tg’約2°C。在低于Tc的溫度下進(jìn)行初級(jí)干燥能夠獲得可好的凍干產(chǎn)品。因此，Te、Tg’和Tc是 CMA。
初級(jí)干燥階段由傳熱和傳質(zhì)控制。干燥層對(duì)水蒸氣流動(dòng)的傳遞阻力可影響干燥過(guò)程。熱介質(zhì)將熱量傳遞到板層表面，然后通過(guò)三種途徑將熱量傳遞到小瓶底部：（1）由存在于貨架表面和小瓶之間空間的氣體（主要是蒸汽）介導(dǎo)的傳熱；（2）小瓶底面與架子接觸區(qū)域的傳熱；（3）來(lái)自?xún)龈蓹C(jī)壁的輻射熱。通常來(lái)自小瓶底部的熱量通過(guò)霜層傳導(dǎo)到升華界面，作為升華的潛熱消耗，冰通過(guò)這些傳熱變成蒸汽，然后形成干燥層。干燥層的形成抑制了升華速率。因此，干燥層引起的干燥阻力量化為干燥層對(duì)水蒸氣傳遞阻力Rp。Rp的控件能夠控制產(chǎn)品的熱量輸入，并優(yōu)化初級(jí)干燥溫度?；赗p，可以估計(jì)作為CPP的初級(jí)干燥終點(diǎn)。因此，Rp是重要的變量。
基于試錯(cuò)法的設(shè)計(jì)提供凍干工藝優(yōu)化所需的CQA、CPP和CMA等信息
3. 工藝建模
通過(guò)試錯(cuò)法進(jìn)行的大量研究發(fā)現(xiàn)重要的CQA，CPP和CMA。為了最小化試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，需要應(yīng)用基于CQAs，CPPs和CMAs的優(yōu)化Tp值預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型。
初級(jí)干燥階段的建模是基于傳熱和傳質(zhì)模型進(jìn)行的，與冷凍和二次干燥階段的建模無(wú)關(guān)。初級(jí)干燥階段的初始建模需要考慮傳質(zhì)阻力的所有因素，例如干燥層、塞子和腔室?；谄⒎址匠蹋≒DE）和模型預(yù)測(cè)控制（MPC）的開(kāi)發(fā)和修改涉及大量參數(shù)，其值無(wú)法通過(guò)不確定性小的實(shí)驗(yàn)獲得。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）能幫助深入了解凍干機(jī)冷凝器和干燥室中的傳質(zhì)和傳熱。使用CFD可以觀(guān)察到傳質(zhì)速度場(chǎng)，壓力分布和溫度分布。水蒸汽的流動(dòng)可以可視化：升華的蒸汽流向架子的邊緣，并流向壁上的管道，在冷凝器中被捕獲。因此，數(shù)值研究不僅可以提供實(shí)驗(yàn)解決方案的定性確認(rèn)，還可以通過(guò)PDE和MPC進(jìn)行驗(yàn)證。
傳熱和傳質(zhì)模型是關(guān)注小瓶作用的簡(jiǎn)化模型。簡(jiǎn)化模型基于板層上小瓶中的質(zhì)量變化和傳熱現(xiàn)象，如圖所示。
進(jìn)入小瓶的傳熱包括三種傳熱：（1）接觸傳熱Qc，（2）氣體傳熱Qg;（,3）輻射傳熱Qr。它們的傳熱系數(shù)分別為Kc，Kg和Kr，Kc和Kr不依賴(lài)于腔室壓力（Pc），Kg值取決于Pc，Kg=bPc/（1+cPc），（b和c是正常數(shù)）。三種傳熱由相同的溫差驅(qū)動(dòng)的情況下，總的傳熱系數(shù)Kv=Kc+Kg+Kr。因此，得到以下等式:
升華速度（dm/dt）通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得凍干過(guò)程隨時(shí)間推移小瓶?jī)?nèi)質(zhì)量損失和時(shí)間確定。小瓶傳熱系數(shù)（Kv）由板層表面溫度（Ts）、產(chǎn)品溫度（Tp或Tb）、冰潛熱（ΔHs）、小瓶的外徑（Av）和dm/dt確定，如以下等式：
在凍干期間監(jiān)測(cè)Ts、Tp和Pc。當(dāng)產(chǎn)品溫度Tp急劇增加至與Ts相等時(shí)為凍干初級(jí)干燥終點(diǎn)，但由于溫度探頭難以完全準(zhǔn)確測(cè)定小瓶最底部的溫度，因此通過(guò)該方法判斷的終點(diǎn)通常有一定的誤差。從升華界面上冰的平衡蒸氣壓(Pice)、凍干器中的腔室壓力(Pc)、Ts、Tp和相應(yīng)干燥層橫截面積(Ap)，根據(jù)以下等式計(jì)算干燥層的傳質(zhì)阻力系數(shù)Rp值:
在初級(jí)干燥階段的優(yōu)化中，以上方程具有重要意義?；跀?shù)學(xué)模型的過(guò)程建模是通過(guò)考慮CMAs（Tp，Rp等）和CPPs（Ts，Pc，干燥時(shí)間等）而開(kāi)發(fā)的。確定高效的操作參數(shù)需要足夠的變量。
實(shí)驗(yàn)室、中試、生產(chǎn)規(guī)模凍干機(jī)中的凍干過(guò)程也取決于板層上小瓶的位置。根據(jù)整體傳熱性質(zhì)對(duì)分為三種類(lèi)型：板層的中央部分（不受室壁輻射的影響）、板層的每一側(cè)的第二行和第一行，它們受到來(lái)自腔室壁的輻射的不同方式的影響，冰升華行為也取決于小瓶的位置。因此，小瓶擺放位置對(duì)整體傳熱性質(zhì)的影響也會(huì)使工藝放大和轉(zhuǎn)移變得更復(fù)雜。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的設(shè)備中相同配方的工藝通常不能在沒(méi)有優(yōu)化的情況下用于在中試或生產(chǎn)規(guī)模的凍干。
4. 設(shè)計(jì)空間
從產(chǎn)品質(zhì)量和工藝經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，初級(jí)干燥步驟的優(yōu)化是重點(diǎn)，因?yàn)樵谒斜蝗コ斑^(guò)早地進(jìn)入二次干燥將導(dǎo)致產(chǎn)品融化，而在所有冰被除去后在初級(jí)干燥中停留太長(zhǎng)時(shí)間將導(dǎo)致不必要的過(guò)長(zhǎng)干燥時(shí)間和工藝成本。
凍干過(guò)程受多個(gè)變量影響，凍干過(guò)程的優(yōu)化作為一個(gè)整體可以看作是多維分析。首先需要了解凍干機(jī)腔室壓力Pc的控制情況，生產(chǎn)中通常凍干機(jī)很難將腔室壓力控制在50mTorr以下，且當(dāng)腔室壓力>300mTorr通常不會(huì)帶來(lái)額外的工藝增益。因此，工藝開(kāi)發(fā)時(shí)干燥步驟腔室壓力的選擇應(yīng)該根據(jù)文獻(xiàn)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，應(yīng)具有上限和下限，例如50-300mTorr區(qū)間確定壓力值。50-300mTorr之間的壓力區(qū)域稱(chēng)為認(rèn)知空間。
每個(gè)凍干機(jī)可以支持的最大允許升華速率是固定的，與之對(duì)應(yīng)的腔室壓力也是一一固定的，當(dāng)大于最大速率時(shí)凍干機(jī)就會(huì)失去對(duì)腔室壓力的控制。紅色虛線(xiàn)表示凍干機(jī)的阻塞流量限制，超過(guò)該限制，壓力控制就會(huì)失去控制（棕色區(qū)域）。但實(shí)際上實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)與生產(chǎn)規(guī)模用凍干機(jī)的阻塞流量線(xiàn)是不同的。了解生產(chǎn)規(guī)模凍干機(jī)的參數(shù)范圍和能力是建立凍干工藝設(shè)計(jì)空間的關(guān)鍵，并需要通過(guò)表征生產(chǎn)規(guī)模凍干機(jī)的升華速率限值-腔室壓力函數(shù)來(lái)建立操作空間。通過(guò)冰升華試驗(yàn)確定給定凍干機(jī)的最大允許的升華速率。腔室壓力根據(jù)升華速率和干燥器的設(shè)計(jì)和形狀平衡到一定值（即可達(dá)到的最小室壓力）。阻塞的流量限制主要取決于冷凍干燥器的設(shè)計(jì)和形狀。干燥過(guò)程超過(guò)阻流極限（圖中棕色區(qū)域阻流狀態(tài)）可能會(huì)導(dǎo)致因無(wú)法控制壓力而觸發(fā)警報(bào)。腔室壓力限制和阻塞流線(xiàn)之間的空間定義了操作空間（白色區(qū)域)。操作空間由使用者確定，但有時(shí)制造商也會(huì)考慮提供此類(lèi)數(shù)據(jù)作為新凍干機(jī)OQ/IQ測(cè)試的一部分。一般來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和放大冷凍干燥過(guò)程時(shí)，這些數(shù)據(jù)的獲得將會(huì)使整個(gè)開(kāi)發(fā)流程更加便捷。
產(chǎn)品溫度的上限和下限結(jié)合公式（3）繪制以-Rp為斜率產(chǎn)品溫度線(xiàn)（黑色虛線(xiàn)）。如果在初級(jí)干燥期間所需的產(chǎn)品溫度被選擇為-21℃（低于產(chǎn)品崩潰溫度），相應(yīng)的板層溫度由腔室室壓力和升華速率確定的。-21°C的產(chǎn)品溫度線(xiàn)與阻塞流線(xiàn)相交處的腔室壓力為130mtorr，因此，在這種情況下，可實(shí)現(xiàn)的最小室壓力為130mtorr。如果需要產(chǎn)品溫度達(dá)到-21℃，在太低的溫度下如<-24℃初級(jí)干燥將導(dǎo)致初級(jí)干燥時(shí)間大大延長(zhǎng)，需要確定產(chǎn)品溫度的下限（黑色虛線(xiàn)）。然而，通常產(chǎn)品溫度并不能直接控制，而是通過(guò)控制板層溫度和腔室壓力間接控制產(chǎn)品溫度。因此，板層溫度等溫線(xiàn)(藍(lán)色和綠色線(xiàn)條之間區(qū)域可確定的的所有線(xiàn)條)進(jìn)一步定義可能用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品溫度在-21°C和-24°C之間的腔室壓力和板層溫度組合，在恒定的Ts值處由公式（1）和（2）繪制板層溫度等溫線(xiàn)（綠色和藍(lán)色實(shí)線(xiàn)）。綠色陰影區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)空間，而藍(lán)色陰影區(qū)域?yàn)榭刂瓶臻g。該控制區(qū)域表明控制系統(tǒng)控制腔室壓力或板層溫度是在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)(如，允許板層溫度為±3°C,腔室壓力為±15mtorr)。這些波動(dòng)范圍數(shù)據(jù)應(yīng)由凍干機(jī)制造商提供，但需要用戶(hù)在測(cè)試中進(jìn)行確認(rèn)。當(dāng)然，過(guò)程的實(shí)際設(shè)定點(diǎn)（即控制點(diǎn)）在控制空間內(nèi)。
設(shè)計(jì)空間是一種基于設(shè)備能力、Kv和Rp的優(yōu)化操作手段，可以提高凍干過(guò)程的完成度。但實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的凍干機(jī)獲得的設(shè)計(jì)空間不能直接應(yīng)用于中試或生產(chǎn)規(guī)模的凍干機(jī)，需要針對(duì)具體凍干機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化。
5. 工藝放大
設(shè)計(jì)空間僅限于目標(biāo)凍干機(jī)，無(wú)法直接轉(zhuǎn)移到其他設(shè)備上。因此，需要選取關(guān)鍵參數(shù)，圍繞初級(jí)干燥階段構(gòu)建放大理論。在實(shí)際放大過(guò)程中，多余的熱量輸入往往會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室規(guī)模設(shè)備優(yōu)化后的操作參數(shù)的偏差。來(lái)自擱板和腔室壁的輻射是過(guò)度熱傳遞到產(chǎn)品的主要原因。傳熱系數(shù)Kv取決于小瓶在架子上的位置，這是建立生產(chǎn)凍干機(jī)放大理論的關(guān)鍵點(diǎn)。實(shí)際上，與放大后規(guī)模相比，放大前板層中間位置的升華冰量受到機(jī)器壁的輻射傳熱的影響更大，Kv更大，通常邊緣位置Kv值高于中心位置。
根據(jù)公式（1）Kv值取決于Pc。在放大生產(chǎn)中，選擇邊緣和中心位置Kv是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的凍干相比，大規(guī)模生產(chǎn)凍干在邊緣位置的小瓶數(shù)量高于中心位置的小瓶。因此有人提出將邊緣位置使用空瓶替換，但這樣會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率產(chǎn)生影響。
等效電阻模型，凍干機(jī)的不同規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)是保持不變，即傳質(zhì)阻力系數(shù)Rp在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模是等效的。但是需要運(yùn)行凍干機(jī)的實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)車(chē)間環(huán)境條件一致。研究發(fā)現(xiàn)，在保持放大前后通入過(guò)濾氣流的性質(zhì)相同時(shí)，基于中試規(guī)模獲得Rp，生產(chǎn)規(guī)模的凍干產(chǎn)量≥99%，且無(wú)需在邊緣放置空小瓶。實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)移的前提是需要二者過(guò)濾氣流的無(wú)塵條件，因?yàn)檫@是保證傳質(zhì)阻力系數(shù)Rp等效必不可少的條件。
因此，Kv和Rp值是構(gòu)建放大理論的關(guān)鍵參數(shù)。等效電阻模型可能允許在實(shí)驗(yàn)室、中試和生產(chǎn)規(guī)模的凍干機(jī)之間使用相同的設(shè)計(jì)空間。這將對(duì)工藝研究和放大具有重大意義。
6. 凍干冷凍步驟
以上的設(shè)計(jì)空間是基于初級(jí)干燥階段，但進(jìn)入初級(jí)干燥階段進(jìn)行時(shí)間與凍干階段直接相關(guān)。較高的凍結(jié)溫度（較低的過(guò)冷度）導(dǎo)致形成較大尺寸的冰晶，冰晶的尺寸越大，實(shí)現(xiàn)的初級(jí)干燥效率就越高。另一方面，冰晶的大小決定了比表面積。比表面積的大小決定了二次干燥階段的擴(kuò)散和解吸速率。高凍結(jié)溫度導(dǎo)致形成大尺寸的冰，從而減少比表面積。這導(dǎo)致二次干燥效率降低，增加了成品中的水分殘留。因此，冷凍階段控制冷凍溫度有助于設(shè)計(jì)穩(wěn)健的干燥工藝。退火是將產(chǎn)品在高于最終冷凍溫度的溫度條件下保持一段時(shí)間以使組分結(jié)晶，有助于提高結(jié)晶度。退火導(dǎo)致冰晶生長(zhǎng)（如下圖），導(dǎo)致傳質(zhì)阻力系數(shù)Rp減少，縮短產(chǎn)品一次干燥時(shí)間。
此外，冰成核技術(shù)通過(guò)加壓和減壓技術(shù)控制冰成核行為。例如，使用氮?dú)饣驓鍤鈱龈善鲀?nèi)部的壓力提高到0.28∼0.29MPa，并迅速降低到0.11MPa（3s內(nèi)），冰核可以在小瓶中的液體表面形成。因?yàn)楸珊说闹饕蛩厥牵和蝗粶p壓引起的振動(dòng)、冷氣體接觸液面的冷卻、突然減壓過(guò)程中液面的局部蒸發(fā)。為了抑制溶液的過(guò)冷，控制冷凍階段冰晶的大小，將（去）加壓技術(shù)與冷凍速率的控制相結(jié)合。這種方法能夠降低初級(jí)干燥階段Rp，縮短初級(jí)干燥時(shí)間。但這樣會(huì)使凍干餅中殘余水分含量的增加，可能會(huì)影響固體穩(wěn)定性。因此，需要確定作為CQA之一的產(chǎn)品中的最大允許含水量。
7. 寫(xiě)在最后
隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化，藥物冷凍干燥工藝未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)朝著更加高效、更加精確、更加環(huán)保的方向發(fā)展。首先，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，藥物冷凍干燥工藝將會(huì)更加智能化。未來(lái)的冷凍干燥設(shè)備將會(huì)配備更加先進(jìn)的控制系統(tǒng)和智能傳感器，以實(shí)現(xiàn)更加精確的溫度控制和干燥時(shí)間的控制。其次，隨著環(huán)保意識(shí)的不斷提高，未來(lái)的冷凍干燥工藝將會(huì)更加注重環(huán)保，采用更加環(huán)保的冷媒和干燥介質(zhì)，以減少對(duì)環(huán)境的影響。最后，隨著制藥工藝的不斷發(fā)展，未來(lái)的冷凍干燥工藝將會(huì)更加高效，以實(shí)現(xiàn)更加快速和高效的生產(chǎn)。
總之，藥物冷凍干燥工藝未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)是多樣化、智能化、環(huán)?；透咝Щ?。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，這一工藝將會(huì)為制藥行業(yè)帶來(lái)更加卓越的表現(xiàn)和更加廣闊的發(fā)展前景。
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