冻干过程中，冻结阶段冰核形成是一个随机过程，会导致产品冻结不均匀。样品通常在很宽的温度范围内成核，产生不同大小的冰晶，和不同的冰晶结构，导致干燥速度不同，最终导致外观不同。高质量的冻干产品取决于层板温度、腔室压力和时间等明确可控的关键工艺参数(CPP)。随着工艺转移到大规模生产，这些参数可能需要优化，特别是产品容器发生变化时。

批量冻干通常使用金属托盘，其传热与普通西林瓶不同，具有较高的污染风险，多次重复使用以及灭菌在金属内的应力会导致托盘翘曲，传热效果发生改变。此外，散装托盘边缘样品可能与中心样品冻结的时间和温度不同，导致散装盘内出现不同尺寸的冰晶结构。

CONTROLYO®按需成核技术(NODT)，是一项创新技术，在冻干机内冷冻期间，使用惰性气体对腔室进行加压和减压，以促进均匀成核。装载完成之后加压，待产品在设定的层板温度下稳定后减压，以产生瞬时的、均匀的冰核。在减压之后，通常在-5°C的温度下长时间保持，使冰晶缓慢生长，因此允许较大的冰晶尺寸产生。

ControLyo® VS 常规冷冻方法

研究散装托盘中不同材料的冻干过程，将ControLyo®与常规冷冻方法进行比较。对晶体材料和和无定型配方进行了研究。晶体材料由Mannitol、USP(浓度为40 mg/mL)组成，无定型态由蔗糖、NF(浓度为40 mg/mL)组成。

具体实验

在100级环境中用0.22微米过滤器过滤溶液。将溶液分配到四个不锈钢托盘中，每个托盘的体积为2L。在4层层板（30×60cm）中试冻干机（SP Hull Model 8FS15C）中进行冷冻干燥。在不锈钢散装盘内不同位置以及托盘外部均放置热电偶测量产品温度。采用Controlyo®工艺和常规冷冻工艺分别进行。这两个工艺，装载关闭腔门后，均在5°C搁板温度和大气条件下平衡。

采用Controlyo®工艺，在5°C下使产品达到平衡后，进行惰性气体吹扫。将系统加压至27.2psia并减压至17.2psia，同样进行二次吹扫。在第二次吹扫后，将腔室加压至33.2psia，并将搁板冷却至-3℃平衡4小时。由于溶液中测得的产品温度高于-3℃，因此将目标搁板温度调节至-5℃，以使产品温度在-3℃或更低的温度下达到平衡。保持1小时后，从33.2psia瞬间减压至16.2psia，促进成核，搁板温度在-5℃保持7小时促使冰晶生长。

01 初次研究

在最初的研究中，使用保守的一次干燥参数，以便直接比较结晶溶质Mannitol与无定型态溶质蔗糖的干燥。两种不同的冷冻技术在完成Mannitol一次干燥的时间上几乎没有差异。然而，不同的冷冻技术对蔗糖制剂的干燥结果有显著影响。

02 第二项研究

在第二项研究中，采用不同的一次干燥参数对Mannitol和蔗糖制剂进行试验。此一次干燥条件比第一项研究的条件明显更激进，对不同组分的样品进行相同关键工艺参数CPP的研究，研究组分的影响。

图1：常规冷冻成核（不同温度下的随机成核）

图2：Controlyo®成核（同时发生成核）

热电偶迹线描述了常规冻结中成核的随机性质和ControLyo®过程中的瞬时成核(如图1和图2所示)。

成核事件是一个放热过程，释放的热量导致热电偶传感器读数瞬时增加，最终接近层板温度。

在常规冷冻过程中，成核随机发生，热电偶显示成核发生在不同的温度和时间下。控制成核技术中，当系统减压时，热电偶立即记录到同时成核的过程。需要认识到传感器只测量托盘的某些区域，可能不能代表托盘全部。

图3：蔗糖-常规冷冻（约72小时完成一次干燥）

图4：蔗糖–Controlyo®（约59小时完成一次干燥）

在一次干燥阶段，使用热电偶传感器记录产品温度，以帮助确定一次干燥的终点。当使用控制成核技术时，蔗糖制剂一次干燥提前13小时结束（如图3和图4所示）。

Mannitol制剂，无论使用何种冷冻技术和CPP，一次干燥时间仅有轻微的变化。在这些研究中，皮拉尼/电容压力计的数据判断初级干燥结束。

ControLyo® 技术优势

对两种配方的成核均匀性、冷冻干燥行为和成品属性进行了观察和比较。

01 缩短一次干燥时间

对蔗糖配方进行不同干燥条件的研究，采用Controlyo®工艺，由于升华速率增加，缩短了一次干燥时间。在Controlyo技术允许形成较大的冰晶，可能是由于过冷减少，成核温度较高，允许冰晶缓慢生长。过冷被定义为平衡凝固点与溶液中冰晶初次形成时的温度之间的差值。当冰升华时，较大的晶体产生较大的孔，导致更大的路径，因此水蒸气穿过升华前沿上方的干燥层的阻力较小。这导致蔗糖干燥速率的显著差异。Controlyo®技术将升华干燥的时间从67小时缩短到50小时。

尽管发现蔗糖基配方在一次干燥时间上存在显著差异，但Mannitol基配方的表现并不相同。在使用保守CPP进行的初步研究中，传统冷冻和ControLyo®冷冻的升华速率几乎没有差异。在使用激进性CPP的后续研究中，完成一次干燥的时间从20小时减少到16小时。

02 蛋糕外观

通过蔗糖和Mannitol冷冻干燥生产的冻干饼的物理外观在常规和控制成核策略之间有所不同。ControLyo®产生了一致的蛋糕结构和外观。两种处理方法在Mannitol的外观上差异不大。然而，蔗糖蛋糕的外观有显著差异:未经控制的冷冻蛋糕上的裂缝更少，从托盘的一侧延伸到另一侧(图5)。当使用ControLyo®时，蛋糕上的裂缝更宽，更均匀(如图6所示)。

图5：蔗糖非受控冷冻

图6：Sucrose Controlyo®

03 水分含量

用库仑卡尔费休滴定法测定残余水分。结果显示，与标准方法相比，通过ControLyo®处理的Mannitol的水分含量分别从0.5%到0.1% w/w。有趣的是，蔗糖的结果正好相反。不受控冷冻方案的蔗糖平均结果为2.41% w/w, ControLyo®材料的平均结果为2.89% w/w。较高的蔗糖残留水分含量可能是由于表面面积减少，因此在二次干燥过程中解吸率降低。不太激进的二次干燥条件也会影响最终的残留水分含量。

最终结论

很明显，ControLyo®影响散装材料的干燥行为和成品属性。这些影响包括缩短一次干燥时间，改变蛋糕外观，以及创造更一致和均匀产品的可能性。传统冷冻和ControLyo®之间的差异程度也受到代表不同类型产品（结晶和无定型）的配方特性的影响。

此外，配方特定成分的CPP对使用ControLyo®进行控制成核的成功至关重要。需对每种特定配方进行对比研究，以量化ControLyo®技术应用的相对效益。

Controlyo®控制成核技术

SP Scientific提供的Lyostar冻干机仅需运行一个遁环即可自动摸索和开发冻干工艺。结合冻干PAT技术使漫长复杂的工艺摸索变得简单快捷有效。

PAT技术——Smart 全自动工艺开发技术，Controlyo®控制成核技术，TDLAS实时水蒸汽测量技术。

Controlyo®控制成核技术

在相同的温度下，以瞬间减压的方式在同一时间让所有小瓶瞬间成核，在较高的温度下成核，产生更大、更均匀的晶体尺寸，使干燥更加一致。

●  提高批次均匀性；

●  无引入污染或外来物质的风险；

●  增加冻干产品的蒸汽通道尺寸，进而减少干燥层的阻力；

●  加快主干燥过程；

●  减少产品复水时间；

●  改善冻干产品的外观。

LYO INNOVATION

莱奥德创

冻干科技，赋能创新

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关于莱奥德创：

上海莱奥德创生物科技有限公司由德祥科技有限公司创办，专注于提供先进的冻干设备应用和制剂开发相关服务。

德祥科技有限公司服务冻干行业十余年，在涉及冷冻干燥领域的工艺开发/工艺优化/商业化等各方面拥有丰富的经验，迄今为止已为500+客户提供冻干设备及相关服务。客户产品类型涵盖：蛋白、抗体、ADC、疫苗、核酸、多肽、脂质体、IVD、食品等领域。依托与合作伙伴美国SP Scientific和英国Biopharma Group的紧密合作，掌握先进的冻干理念与技术，使用优质的冻干设备和软件致力于促进中国生物医药技术创新升级，助力中国大健康行业的持续发展。

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