技术文章

简介

冷冻干燥是一个独立的过程，在这个过程中实时分析样品是比较困难的，特别是检测其残余水分含量。工艺优化，特别是获得干燥和稳定产品所需的工艺时间，通常依赖于反复试验的方法。在本文中，使用了不同过程分析技术的组合来确定实验室冷冻干燥机(Lyovapor™ L-300)中甘露醇溶液一次和二次干燥的终点。

在加热隔板上使用西林瓶，通过对样品参数的原位测量间接跟踪干燥过程，可以在运行的冷冻干燥循环中即时调整过程时间。它有助于根据产品所需的残余水分含量更快地优化参数。此外，这些分析技术为监测过程的再现性提供了必要的工具。

实验设备

• Lyovapor™ L-300 Pro, BÜCHI Labortechnik AG

• 电容和皮拉尼压力计，Pt 1000 热电偶

• 冷冻干燥瓶，标称体积 10.0 mL, Schott AG

• Lyo 三角橡胶塞，Wheaton

• 陶瓷板磁力搅拌器

• 硼硅玻璃烧杯和量筒

• 分析天平(精度±0.1 mg)

• 实验室 -50°C 冷冻柜

试剂和耗材

• 甘露醇 97,0 - 102,0 Ph. Eur. , USP, VWR Chemicals (25311.366) 

• 去离子水

实验流程

4.1 实验部分

1. 制备 100mg /mL 甘露醇去离子水溶液。

2. 使用容量分配移液管将甘露醇溶液装入120个冷冻干燥瓶(每瓶 5.0 mL)。

3. 在每个小瓶上放置一个三脚橡胶塞，以便在冷冻干燥过程中去除水蒸气。

4. 一个 Pt 1000 热电偶被放置在两个制备的冷冻干燥小瓶的“中心底部”。

5. 在室温下，将这些小瓶放在两个铝制框架的冷冻干燥隔板上(每个架子 60 个小瓶)。

6. 在每个隔板上，一个装有热电偶的小瓶被直接放置在隔板的中心。热电偶连接到各自的隔板上。

7. 隔板插入到 Lyovapor™ L-300 的金属支架上。

8. 一个空的冷冻干燥隔板被放置在上层，西林瓶包括隔板，以确保两个样品隔板接收到同样的热量。

9. 将包含隔板和样品瓶的支架转移到 -50°C 的冷冻室预冻 24 小时。

4.2 方法编程

冷冻干燥按照表1设定的隔板温度、真空度和时间运行。

表1. 详细的 Lyovapor™ L-300 冷冻干燥工艺用于 50 mg/mL 甘露醇溶液的西林瓶冷冻干燥

初级干燥采用温差试验、压差试验(比较压力测量)和升压试验三种自动终点试验。

表2.初级干燥阶段终点确定的设置

* 开始时间的值表示在初级干燥的程序阶段结束之前的测试开始。

** 如果所有测试都成功，将自动启动第二阶段，并继续进行干燥过程。

其中，温度和压差测试直接从初级干燥阶段的第 2 步开始(见表2)。升压测试的压力极限设置为 0.060 mbar，测试时间为 30 秒。第一次升压试验在初级干燥第 2 步进行 5 分钟后进行，每 60 分钟重复一次。

表3. 次级干燥阶段终点确定设置

*时间，从干燥阶段结束开始。

**如果所有测试都成功，将自动启动下一阶段(封塞、保持)，并进行干燥过程。

其中，在温差和压差测试中，测试时间设置为 30 分钟，从步骤 4 开始直接开始测试。

实验结果

5.1 温差试验

图1 和 图2 为小瓶甘露醇样品冷冻干燥的温度和压力曲线。在图1中显示了两个隔板上样品温度。

热电偶测得初级干燥主要部分的产物温度在 -7℃ 左右。随着水分含量和升华速率的降低，产品温度升高，在初级干燥结束时达到隔板温度。经过16.0小时的干燥时间，达到了温差试验的标准。

相应的，在设定冷凝器压力为 0.100 mbar 时，电容式压力计测得的干燥室内实际压力平均值为 0.150 mbar，如 图2 所示。在冰升华过程中，由依赖气体的皮拉尼压力计获得的压力值比电容压力计测量的压力值大约1.6倍。随着冰含量和升华速率的降低，皮拉尼压力计的压力值接近电容压力计的测量值。

图3 显示了从两个外部压力表(皮拉尼压力计减去电容压力计)的值计算得出的数值差异。在大约15.5小时的干燥时间后，达到了压差测试的标准。升压试验结果如图1和图2所示。在皮拉尼和电容式压力计的曲线(图2)中可以看出，尽管中间阀关闭，干燥室内的压力上升是由于水蒸气的持续升华造成的。在冰升华过程中，最初的高压上升值在初级干燥结束时大幅下降(棕色尖峰)。

初级干燥 16.3 小时后达到升压试验标准。相应的，从设定的隔板温度曲线可以看出图1中升压试验的时间点。每次进行升压试验时，架子的加热在试验期间自动暂停。由于最后一次初级干燥终点测试在 16.3 小时后成功，因此与最初设定的初级干燥时间相比，样品干燥状态的自动检测将初级干燥阶段延长了 0.3 小时(见 表1)。

随着升压试验的完成，所有设定终点试验均顺利完成，冻干循环自动进入次级干燥阶段。这种原位跟踪防止了在所有冰升华之前过早过渡到二次干燥阶段。所有三种测试对终点的估计时间大致相似，约为 15.5 至 16.3 小时。在次级干燥阶段，从产品中去除未冻水导致皮拉尼计记录的压力值在干燥时间约 18 小时(红色曲线)增加，如 图2 所示。

除水后，总干燥时间 22.5 小时，压力曲线接近电容式压力计测量值，满足压差试验标准。23.1 小时后，隔板温度曲线与样品温度曲线符合，温差试验也成功完成(见 图1)。

最后，在冷冻干燥过程结束时，干燥循环自动进入保持阶段。在应用西林瓶冷冻干燥工艺中获得了具有可接受视觉外观的干粉。

实验结论

本申请说明探讨了过程分析技术(PAT)在冷冻干燥过程中的适用性，重点是监测干燥室压力和样品温度，以评估样品的干燥状态。研究表明，这些过程分析技术与压差、压升和温度测试的自动端点确定设置相结合，可以在不中断样品水分含量分析过程的情况下估计实际干燥时间。

通过防止过早过渡到下一个干燥阶段，如次级干燥或保持，提出的方法提高了工艺效率。这些端点测试的集成有助于干燥过程的精确控制和可靠性，从而获得所需的产品属性，如最佳干燥度和视觉外观。研究结果确定了在Lyovapor™L-300冷冻干燥机中使用单独或联合终点测试来准确确定终点的有效性。

参考文献

本文档是与 TH Köln 的 Heiko Schiffter 教授合作创建。