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凍干邊緣效應(yīng)解析：MicroFD裝置實(shí)現(xiàn)小批量與大規(guī)模凍干精準(zhǔn)匹配

瀏覽次數(shù)：39　發(fā)布日期：2025-8-12　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

研究背景

研究問題：凍干過程中，小批量樣品（如19支瓶）相較于大批量樣品（如滿盤）通常表現(xiàn)出更短的凍干時(shí)間。這一現(xiàn)象可能與“邊緣效應(yīng)”相關(guān)，即靠近凍干機(jī)壁的樣品因輻射能量影響而加速干燥。然而，目前尚不清楚輻射能量是不是導(dǎo)致邊緣效應(yīng)的主要原因，以及如何通過控制輻射能量來模擬大批量凍干條件的小批量實(shí)驗(yàn)。明確這些問題有助于優(yōu)化凍干工藝開發(fā)，尤其是在小批量實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)與大批量生產(chǎn)一致的結(jié)果，從而提高研發(fā)效率并降低資源消耗。

研究難點(diǎn)：

首先，如何準(zhǔn)確測(cè)量和控制凍干機(jī)內(nèi)的輻射能量是一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)，因?yàn)檩椛淠芰康姆植际芏喾N因素影響，包括凍干機(jī)壁溫、樣品排列方式等。

其次，驗(yàn)證輻射能量與邊緣效應(yīng)之間的因果關(guān)系需要設(shè)計(jì)精細(xì)的實(shí)驗(yàn)，例如通過改變凍干機(jī)壁溫或添加隔熱材料來消除輻射能量的影響，同時(shí)確保其他變量保持一致。

此外，小批量樣品的凍干時(shí)間差異可能不僅由邊緣效應(yīng)引起，還可能涉及其他傳熱和傳質(zhì)機(jī)制，因此需要引入額外的方法（如重量法）來進(jìn)一步分析不同位置樣品的干燥速率。

現(xiàn)有研究表明，凍干過程中樣品的排列方式和環(huán)境條件會(huì)顯著影響干燥效率。例如，邊緣樣品因接觸更多的輻射能量通常比中心樣品干燥得更快。

然而，關(guān)于輻射能量在小批量凍干中的具體作用機(jī)制仍缺乏系統(tǒng)性研究。部分文獻(xiàn)提到通過調(diào)整凍干機(jī)壁溫或屏蔽輻射能量可以減少邊緣效應(yīng)，但這些方法的效果尚未得到充分驗(yàn)證。此外，關(guān)于小批量凍干與大批量凍干之間的一致性研究較少，尤其是如何利用小批量實(shí)驗(yàn)快速開發(fā)適用于大規(guī)模生產(chǎn)的凍干工藝仍是行業(yè)亟待解決的問題。

研究方法

小批量凍干實(shí)驗(yàn)：研究假設(shè)小批量凍干過程會(huì)比大批量更快，通過在REVO凍干機(jī)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第一組實(shí)驗(yàn)使用全托盤和19個(gè)小瓶分別進(jìn)行凍干，水作為樣品，填充量為3ml，凍干條件包括冷凍步驟以每分鐘0.5°C降至-40°C并保持60分鐘，主干燥階段溫度設(shè)定為+20°C，真空度為100mT。

結(jié)果表明，19個(gè)小瓶的主干燥時(shí)間為512分鐘，而全托盤需要636分鐘，證明小批量確實(shí)更快。

消除輻射能量的影響：第二組實(shí)驗(yàn)旨在通過冷卻或屏蔽凍干機(jī)腔壁來減少邊緣效應(yīng)。設(shè)計(jì)了ALPHA裝置，將腔壁溫度分別控制在+20°C和-20°C條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，即使在-20°C條件下，主干燥時(shí)間仍為557分鐘，未能完全模擬全托盤的表現(xiàn)，表明簡(jiǎn)單降低溫度不足以消除邊緣效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

5%蔗糖溶液實(shí)驗(yàn)：為了驗(yàn)證不同樣品對(duì)凍干效果的影響，使用5%蔗糖溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)包含全托盤和19個(gè)小瓶的實(shí)驗(yàn)配置，填充量為2ml，冷凍步驟為-10°C保持30分鐘再降至-40°C保持120分鐘，主干燥溫度設(shè)定為-20°C，真空度為60mT。全托盤實(shí)驗(yàn)顯示主干燥時(shí)間為2026分鐘，而19個(gè)小瓶在ALPHA裝置中分別用+20°C和-20°C腔壁溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所需時(shí)間分別為789分鐘和1096分鐘，進(jìn)一步驗(yàn)證了小批量更快的結(jié)論。

重量分析法測(cè)量升華速率：第三組實(shí)驗(yàn)利用重量分析法測(cè)量個(gè)體小瓶的升華速率，探索不同位置的小瓶表現(xiàn)差異。實(shí)驗(yàn)在ALPHA裝置中進(jìn)行，腔壁溫度設(shè)為-40°C，并添加鋁屏蔽層和額外隔熱材料。研究顯示，邊緣小瓶的干燥速率比中心小瓶快，即使在低輻射條件下，邊緣效應(yīng)依然存在，標(biāo)準(zhǔn)差為4.9%。

結(jié)果與分析

MicroFD實(shí)驗(yàn)消除邊緣效應(yīng)：第四組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了MicroFD裝置，通過熱模擬器塊直接接觸邊緣小瓶，模擬相鄰小瓶的熱效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)條件包括3ml水填充量，冷凍步驟為每分鐘0.5°C降至-40°C并保持30分鐘，主干燥溫度設(shè)定為+20°C，真空度為100mT。結(jié)果顯示，MicroFD實(shí)驗(yàn)的主干燥時(shí)間為633分鐘，僅比REVO全托盤實(shí)驗(yàn)多3分鐘，且所有小瓶表現(xiàn)一致，標(biāo)準(zhǔn)差為4.4%，成功消除了邊緣效應(yīng)，表明該裝置可用于大規(guī)模凍干協(xié)議開發(fā)。

客戶合作研究：與大型制藥公司合作進(jìn)行盲測(cè)，驗(yàn)證MicroFD裝置的實(shí)際應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為具臨界溫度-24°C的產(chǎn)品，在三次運(yùn)行后成功微調(diào)MicroFD以模擬SP Scientific LyoStar凍干機(jī)的運(yùn)行，最終客戶購買該設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步研究，證明了MicroFD技術(shù)的實(shí)用性和可靠性。

總體結(jié)論

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：研究通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了小批量凍干過程更快的現(xiàn)象，闡明了邊緣效應(yīng)對(duì)干燥速率的影響，并提出了通過熱模擬器塊消除邊緣效應(yīng)的有效方法。MicroFD裝置的成功開發(fā)為小型凍干實(shí)驗(yàn)提供了可靠工具，可以精確模擬大規(guī)模凍干過程。

研究意義：本研究不僅揭示了凍干過程中的關(guān)鍵影響因素，還為優(yōu)化凍干協(xié)議提供了科學(xué)依據(jù)，特別是在藥物研發(fā)和生產(chǎn)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。通過引入熱模擬技術(shù)，顯著提高了凍干實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和效率，為行業(yè)技術(shù)進(jìn)步做出了貢獻(xiàn)。