真空冷冻干燥技术在酶制剂等产品中的应用

真空冷冻干燥技术在酶制剂等产品中的应用

张琪1   卢静雯2

  凯莱英生命科学技术（天津）有限公司 天津市  300457

2天津药明康德新药开发有限公司 天津市300450

摘要：作为一种先进的干燥技术，真空冷冻干燥已渗透到生物科技、美容产品和健康补充剂等领域。其独特的优点在于能有效地保护物料的生物活性，因此在生物化学品如酶制剂的加工中日益普及。因此，文章重点就真空冷冻干燥技术在酶制剂等产品中的应用展开分析。

关键词：真空冷冻干燥技术；酶制剂；应用

酶制剂扮演着生物催化剂的角色，以其环保、高效、安全和天然的特质而备受青睐。它们是生物制造业的关键“驱动器”，在食品、畜牧业、纺织、清洁用品、造纸、皮革、医药、健康和环保等多个行业中都有广泛应用。作为生物化工产业的关键元素，酶制剂是促进多个行业协同绿色发展的重要粘合剂，对于中国达成碳排放峰值和碳中和目标具有显著的贡献，并展现出巨大的发展潜力。

1 真空冷冻干燥技术概述

1.1 技术定义

在标准储存环境下，无菌药物可能会遭受化学变化，从而丧失其疗效，甚至可能使药物活性减弱或产生副作用，这突显了稳定化处理的必要性。虽然真空冷冻干燥技术在20世纪初就已经出现，但由于早期技术的局限性，频繁出现的问题阻碍了它在大规模工业中的应用。然而，随着科技的不断进步，真空冷冻干燥技术逐渐完善，如今已在制药行业中占据了重要地位，对我国医药产业的发展起到了关键的支撑作用。

1.2 技术原理

冷冻干燥工艺涉及到将医药溶液预先冷冻，随后在低气压下实施升华干燥，以消除药物中的冰晶。这一过程的核心在于对水的相态变化的精确调控。鉴于某些特定药物需在特定储存条件下保持稳定性，此技术在我国药品产业中得以运用，有助于延长药品的有效保存期限，进而支持远程运输的需求。此外，医疗用途的药品对其质量有严格的标准，故在制药过程中采用冷冻干燥技术，对医学和药学研究都大有裨益。因此，有必要通过优化措施来降低技术风险的可能性。

 1.3 设备构成

相平衡理论在化学热力学中扮演着核心角色，构成了真空冷冻干燥工艺的理论基石。对于热敏感的生物化工制品，如酶制剂，其真空冷冻干燥过程通常涉及预先冷冻步骤，迅速将酶制剂内的水分转化为冰晶。随后，在极低的真空环境中，酶制剂固态冰内的冰晶会直接升华为气态，有效减少酶制剂产品中的水分含量，实现酶制剂的干燥。真空冷冻干燥设备一般包括干燥室、真空装置、冷凝器（用于捕捉水汽）、加热体系、制冷系统以及电气控制单元这六个主要部分。

2真空冷冻干燥技术的优势

当前，酶制剂行业的主流干燥技术为喷雾干燥，该工艺借助雾化器将原料液通过高速离心或高压喷射手段转化为微小雾滴，随后借助热空气迅速蒸发水分，从而得到干燥制品。然而，应用于酶制剂这类对热敏感的生物化工产品时，喷雾干燥展现出若干不足之处：①在干燥过程中，由于热敏性物料需经受高温处理，即使停留时间仅几秒到几十秒，仍可能导致10%-30%的活性成分损失，而且局部高温可能导致杂质生成，影响产品质量；②对于粘稠度较高的液体，干燥过程可能产生粘壁现象或者旋风分离不完全的问题，这些都可能导致产量下降；③喷雾干燥设备的热能利用率通常较低，能源消耗较高；④完成喷雾干燥后的设备清洗困难，易引发交叉污染，从而降低产品品质。通过引进先进的真空冷冻干燥法，我们成功解决了上述局限。对于那些对温度敏感的生物化工制品，如酶制剂，其独特的工艺允许溶液中的水分以升华的方式从固态直接转化为气态，从而显著减少了对酶活性分子结构的潜在损害，确保了酶制剂生物活性的完整保存。这一技术的一大优势在于干燥过程中几乎无杂质生成，进而提升了产物的纯度和收率，极大地保证了产品的高品质。

3真空冷冻干燥技术在酶制剂等产品中的应用

3.1酶制剂溶液浓缩过滤

为了提升真空冷冻干燥过程中的效能并确保酶制剂制品的优质性，对酶制剂溶液进行预处理至关重要，这包括浓缩、去盐以及去除杂质，以增强溶液中酶分子的浓度和纯净度。当前，常用的处理技术是结合运用陶瓷膜过滤和超滤膜过滤。陶瓷膜过滤作为一种关键步骤，能够高效地滤除溶液中的悬浮物、微生物等非目标成分，从而确保最终产品具有极高的纯度。它依赖于SA一DGN一2540多功能膜过滤试验机，其陶瓷膜孔径仅为0.22μm，单个膜面积达0.24m2，且在0.4MPa的压力下运作。经过这一过程，30L的脂肪酶溶液经过精炼，清澈的脂肪酶溶液得以透过，而含有杂质的浓溶液则被分离，最终得到25L的脂肪酶澄清液。
  超滤膜过滤则是另一种强化手段，其精度高达10,000道尔顿（Da），每支超滤膜面积为2.6m2，工作压力设为0.5MPa。将25L的脂肪酶澄清液通过超滤膜进行十倍浓缩，最后得到仅2.5L的脂肪酶浓缩液。令人满意的是，经过这一系列步骤后的浓缩液，其酶活力测定结果为52300U/mL，充分展示了优化处理工艺的有效性。

3.2预冻

首先，将该溶液放置在特别设计的低温储存设备中，如超低温冷藏室，确保其在极低温度下进行均匀冷冻，这显著减少了后续真空冷冻干燥阶段的冻结需求时间。这种方法不仅提高了冷冻步骤的效率，而且显著降低了整个过程中的能源消耗。实验数据显示，我们先将经过浓缩并过滤的脂肪酶液体装载到真空冷冻干燥机的专用盘上，然后将其置入预设为-40℃的高效低温冷冻箱中。在经过48至72h的充分冷冻期后，脂肪酶液体完全固化，准备进入真空冷冻干燥程序。使用的是型号为BD/BC-7186的专业低温冰箱，将浓缩液平均分配在2cm厚的干燥盘中，确保在-40℃的环境中维持长达60h的冷冻状态，直至脂肪酶溶液彻底冻结，以备后续干燥处理。这种预冻策略显著提升了整体操作的节能性和效果。

3.3真空冷冻干燥

例如某试验中采用的真空冷冻干燥设备型号为FD-IA-50，其主要规格如下：冷冻温度定于-50℃，真空度可达小于20Pa，干燥面积为0.12m2，捕水能力3kg/（24h），样品承载盘直径为200mm，分四层设计，电源220V/50Hz，功耗为0.85kw。操作流程是，首先将固化的脂肪酶原料置入机器的干燥室，将冷阱设定在-50℃并保持20Pa的真空环境。在这种低压力状态下，冷冻的脂肪酶中的水分会升华，随后由真空泵抽出，导致其含水量逐渐降低。经过24到36h的连续干燥，脂肪酶的游离水分子彻底蒸发后，干燥过程即告结束，得到的脂肪酶粉末保留了其生物活性。经过真空冷冻干燥处理后的脂肪酶溶液，其生物活性得以完好保存，平均生物活性保存率高达99%以上，平均含水率控制在5%以下，显著延长了产品的保质期，满足了脂肪酶在食品和医疗行业的使用需求。经过五次预冻和真空冷冻干燥处理，对脂肪酶进行了验证。结果显示，最终得到的脂肪酶固体粉末产品的平均生物活性保存率为99.20%，而平均含水率降低至4.59%，这进一步证实了该方法的有效性和优化的工艺条件。

综上所述，当前，我国的真空冷冻干燥工艺技术尚处于发展阶段，尽管其历史悠久，但学术界的理论著作并未充分跟进。这导致在实际操作中，人们不得不依据特定领域的特性，进行深度的探索和实战，以改良真空冷冻干燥方法。值得注意的是，这一技术在效能上存在局限，无论是国内自主研发还是引进的设备，它们普遍面临价格高昂、能耗大、投资回报周期长的问题。尽管如此，真空冷冻干燥技术在实验室研究和小规模生产中占据主导，近年来正逐渐扩大至工业生产的广泛应用阶段。为了推动其广泛应用，亟需强化对真空冷冻干燥工艺的深入研究，优化现有设备，并着重发展设备的放大技术，旨在提升干燥效率，同时降低企业的运行成本。

参考文献

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