如何测定冻干机的极限性能——可支持的最大升华速率

本文内容节选自Srinivasan, J.M., Sacha, G.A., Kshirsagar, V. et al. Equipment Capability Measurement of Laboratory Freeze-Dryers: a Comparison of Two Methods. AAPS PharmSciTech 22, 53 (2021). https://doi.org/10.1208/s12249-021-01921-2

摘要

TDLAS（tunable diode laser absorption spectroscopy，可调谐二极管激光吸收光谱法）是近年来在冷冻干燥领域受到关注的新技术，它可以实时捕捉冻干设备样品仓和冷阱中间管道的水蒸气流量，以此提供冻干过程中关键的产品参数。本文介绍了使用该技术评价冻干设备极限性能的两种方法，相较于传统测试这两种方法可以高效直观地对设备进行评价，提升冻干工艺转移和放大时的安全性。

01冻干的效率 vs 设备限制

冷冻干燥是注射药物制造中非常重要的环节，但该过程效率往往非常低，很多情况下一个冻干循环耗时会超过数天。在冻干工艺的开发过程中使用反复试验方法通常会使该过程原本的低效率变得更糟，并且开发出的工艺条件可能远非最佳——最佳条件被定义为在保证药物性能和安全的同时最小化工艺需要的时间，并且保证该工艺在生产时也在设备的能力范围以内。近年来，开始通过应用初级干燥的图形设计空间理念，确定初级干燥的最佳条件。代表性的设计空间如图 1 所示，y 轴为升华速率，x 轴为冻干机腔体压力。

▲ 图1：表示设备性能的曲线（蓝色轨迹）作为两个边界之一的代表性设计空间。 红虚线表示产品温度等温线。 红色实线表示临界产品温度等温线。 全黑轨迹表示搁板温度等温线

设计空间是使用传热-传质的第一原理以及小瓶传热系数 (Kv) 和干燥产品层在初级干燥过程中对水蒸气流动的阻力 (Rp) 的测量值构建的。这些等温线建立了直接控制的过程变量——搁板温度和腔室压力以及产品温度之间的关系，这是一个不受直接控制的关键过程变量。图 1 中的设计空间有两个边界：一个与产品相关，另一个与设备相关。产品温度等温线之一（红色实线）代表初级干燥过程中允许的最高产品温度（通常为塌陷温度或玻璃转化温度）。另一个边界（蓝色轨迹）是设备性能曲线。该曲线表明，任何冻干机在其支持的最大升华率方面都有限制。限制因素可能是制冷能力、冷凝器表面积或可达到的最大搁板温度。然而，对于许多使用分离式冷阱设计的冻干机，设备能力受到连接样品仓腔体和冷阱的管道中音速的限制——音速是恒定截面管道可获得的最大流速。随着水蒸气流速接近音速（在-25℃ 时约为 390 m/s），对于既定的上游（腔室）压力，通过管道的质量流量达到最大值，并且与下游侧的压力大小无关，管道的压力在这种情况下等同于冷阱压力。这种现象被称为阻塞流。

阻塞流造成的设备限制是放大过程中的不确定性来源。这对于在严苛的干燥条件下也能保持稳健的配方尤其重要，因为这种配方在初级干燥期间产品温度上限较高，或者干燥产品层对水蒸气流动的阻力较低，冻干过程中更容易接近设备的极限。从中获得的宝贵经验是，开发冻干工艺时需要着眼于设备用于商业生产的能力。

而测试冻干机的极限能力并没有太多方法，通常使用纯水和压力计进行多次实验来作为检测手段。近年来，使用TDLAS（tunable diode laser absorption spectroscopy，可调谐二极管激光吸收光谱法，图2）可提供水蒸汽浓度和气体流速的实时测量，可用于冻干机到达极限时的质量流量数据，为性能测试提供了极大便利，同时，由于该技术有延展性，因此可确保商业化生产时提供设备性能的可靠数据。

▲ 图2：TDLAS装置的示意图和安装在冻干机中的照片

02 使用TDLAS技术测试极限性能的两种方法

最小可控压力法

对于最小可控压力法，测试的冻干机腔体压力设定为低于可达到的最低压力。初始搁板温度为-45°C。在达到稳态压力后，记录水蒸气的质量流量。然后将搁板温度提高 10°C，并针对多个搁板温度设定点重复该过程。虽然建立一条直线只需要两个点，但我们认为最好的做法是收集五个或六个压力的数据。使用最小可控压力方法可记录整个实验过程中阻塞流的出现时的质量流量。

▲ 图3：干燥过程中的数据用于绘制随时间变化的压力和质量流量的关系图。腔室压力与冷凝器压力的比率范围从大约 8:1 到高达 20:1

Searles et al报道了使用腔室压力与冷凝器压力的比率作为阻塞流的指标，其中三倍或更高的比率应被视为阻塞流的确认。

阻塞点法

冷冻水盘后，将系统抽真空并使压力稳定，当在压力设定点建立稳定状态时，对搁板温度进行阶跃变化，直到观察到阻塞流。然后记录所得质量流量，然后建立新的压力设定点并重复该过程。

▲ 图4：压力和质量流量随时间变化的曲线图，使用阻塞点方法和扩展图显示当流量在 120 mTorr 的压力设定点阻塞时冷凝器压力“触底反弹”

参考上图4中的过程数据，有两种方法可以识别阻塞流。一种方法是观察腔室压力是否高于设定点压力。但有时这是一个很容易被忽视的细微变化。一个更能说明阻塞流的指标是冷阱压力，当控制系统试图维持腔室压力设定点时，有一段时间质量流量和冷凝器压力都在异相振荡。在此振荡期间，随着冷阱压力降低，质量流量增加，反之亦然。在腔室压力超过设定点时，可看到冷阱压力迅速下降，这是用于控制压力的氮气流切断的点，冷阱压力“触底”，表明阻塞流现象的出现。

▲ 图5：最小可控压力与阻塞点方法的比较

从结果来看，两种方式并没有明显的区别，也证明了TDLAS作为流量检测工具在不同方法下提供数据的稳定性。

03TDLAS在冷冻干燥中的更多应用

通过将 TDLAS 测量数据与描述冷冻干燥的完善的传热和传质模型相结合，用户可以获得有关影响最终产品质量的关键工艺参数 (KPP) 的信息。

-判断初级和次级干燥终点

-连续测定小瓶传热系数Kv

-在初级干燥过程中连续测定批次平均产品温度

-连续测定产品干层厚度

-连续测定产品阻力Rp

-连续测定产品的残余水分

▲ 基于 TDLAS 的批次平均产品温度测定

SP Scientific专业冻干机生产商

由SP Scientific公司提出的“Line of Sight”理念

从中试冻干机开始，均可使用TDLAS技术

目前TDLAS技术已率先由美国SP scientific公司应用到其冻干机产品中，在中试研发和生产型设备上同步使用这样的技术可以很好的提升工艺的稳定性和批次的安全性，是一个强大且可靠的过程分析技术。更多信息可前往www.spscientific.com了解。

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Reference：

[1] Nail SL, Searles JA. Elements of quality by design in development and scale-up of freeze-dried parenterals. BioPharm Int. 2008;21(1):44–52.

[2]  Mockus LN, Paul TW, Pease NA, Harper NJ, Basu PK, Oslos EA, et al. Quality by design in formulation and process development for a freeze-dried, small molecule parenteral product: a case study. Pharm Dev Technol. 2011;16(6):549–76.

[3]  Searles J. Observation and implications of sonic water vapor flow during freeze-drying. Am Pharm Rev. 2004;7:58–69.

[4]  Gieseler H, Kessler WJ, Finson M, Davis SJ, Mulhall PA, Bons V, et al. Evaluation of tunable diode laser absorption spectroscopy for in-process water vapor mass flux measurements during freeze drying. J Pharm Sci. 2007;96(7):1776–93.

[5] Anderson Jr JD. Fundamentals of aerodynamics. Tata McGraw-Hill Education; 2010.

[6] Kshirsagar V, Tchessalov S, Kanka F, Hiebert D, Alexeenko A. Determining maximum sublimation rate for a production lyophilizer: computational modeling and comparison with ice slab tests. J Pharm Sci. 2019;108(1):382–90.

[7] Patel SM, Chaudhuri S, Pikal MJ. Choked flow and importance of Mach I in freeze-drying process design. Chem Eng Sci. 2010;65(21):5716–27.

[8] Gieseler, H., Kessler, W. J., Finson, M. F. et al., Evaluation of tunable diode laser absorption spectroscopy for in-process water vapor mass flux measurements during freeze-drying,J. Pharm. Sci. 96(7):1776-93, 2007.

[9] Pikal, M. J., “Use of laboraory data in freeze drying process design: Heat and mass transfer coefficients andthe computer simulation of freeze drying,” J Parent Sci Technol 39:115-138, 1985.