近几年来，生物制剂发展迅速，尤以病毒、疫苗、蛋白、多肽以及核酸火热，因其对热不稳定，故制剂过程中常将其冻干后保存，使最近冻干技术备受关注。
什么是冻干呢？
冷冻干燥，全称真空冷冻干燥，简称冻干，是指把含有大量水分的物料预先进行降温，冻结成冰点以下的固体，在真空条件下使冰直接升华，从而去除水分得到干燥产品的一种技术。因为利用升华达到去除水分的目的，所以又称升华干燥。
冷冻干燥有下列优点1，2：
一．冷冻干燥在低温下进行，因此对于许多热敏性的物质特别适用。如活性蛋白、多肽和微生物制剂等。
二．在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小，适合一些化学产品、药品和食品干燥。
三．在冷冻干燥过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因此能保持原来的性状。
四．干燥能排除95-99%以上的水份，干燥后产品能长期保存不变质。
五．由于在冻结的状态下进行干燥，体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。
六．由于干燥在真空下进行，因此一些易氧化的物质得到了保护。
七．干燥后的物质疏松多孔，呈海绵状，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。
因此，冷冻干燥目前在医药工业，食品工业，科研和其他部门得到广泛的应用。
冷冻真空干燥机简称冻干机，由制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统四个部分构成2。如上图所示：
制冷系统由冷冻机、冻干箱和冷凝器的内部管道组成；主要对冻干箱和冷凝器进行制冷，冻干箱的温度可以低至-55℃左右。
真空系统包括冻干箱、冷凝器、真空泵、真空管道和阀门等；提供对制品进行升华干燥所需要的真空。
加热系统可以分为电加热法、辐射法和循环的中间介质加热法；用于对制品加热升华其水分，冻干箱的温度可升至+80℃。
控制系统主要是各种控制开关、仪表、自动装置等，对冻干机进行自动或手动控制。
冷冻干燥的原理可以用水的三相平衡图加以说明.
众所周知，水有固态、液态、气态三种相态，如图所示，图中OA为冰-水平衡曲线，OB为水-水蒸气平衡曲线，OC为冰-水蒸气平衡曲线，O为冰、水、水蒸气的三相平衡点，温度为0.01℃，压力为4.6mmHg。当压力小于4.6mmHg时，水只以固态和气态存在，不会随着温度变化发生改变。此时固态吸热（温度升高）后不经液态直接变为气态1。
根据热力学相平衡理论，当压力降到一定真空度，水的沸点和冰点就会重合，冰会直接变成水蒸气，即发生升华。即恒温时降低压力或恒压时升高温度都可以打破固、气两相平衡，使固态直接转变成气态；冷冻干燥就是根据这个原理进行的3，4。
冻干工艺过程及优化
药品冻干有5个步骤：准备好药液、冷冻、第一次干燥（升华）、第二次干燥（解析）、密封保存。
（1）准备药液：
一般配制成含固体物质4%~15%的稀溶液。如果固体含量过少，干燥过程中，药品微粒不能附着在基质上，会被逸出的蒸汽带到西林瓶的塞子上，甚至带到真空室中。
（2）冷冻
是一个恒压降温过程，使药液随温度的下降冻结成固体;使大部分溶剂（95%以上）冷冻成固体，形成一个最佳冰晶，促进蒸汽从固体骨架中扩散。
冷冻过程分为三个阶段，冷却阶段、相变阶段、凝固阶段。如下图所示：
冷却阶段是药液从初始温度冷却到凝固点温度的阶段。在形成第一个冰核之前，药液保持过冷状态的程度叫过冷度。相变阶段是从第一个冰核形成和冰晶生长的阶段。凝固阶段是指所有冰晶都完全生长的阶段5。
其中共晶点温度是在冻结过程中，随着温度的降低，药液浓度较低，先从溶液中析出冰晶体，剩下的溶液则形成共晶溶液，水与溶质达到平衡。共晶溶液开始冻结的温度叫共晶点，是溶液完全冻结固化的最高温度。对溶液而言，冻结固化点就是熔化开始点，因此共晶点温度又称共熔点温度。在冻干技术中，将所有需要冻干的物料达到冻结时的温度称为共晶（熔）点温度6。
冻干箱的温度预先降到-50℃左右，预冻温度一般应为药品共熔点以下10℃~20℃。预冻时间通常在0.5h~2h。在药液放入冻干箱后可充入一定量的惰性气体维持真空度稳定。若预冻不完全，在减压过程中可能出现沸腾喷瓶的现象，使制品表面不平整。
由于冻干过程比较快速，药液中的有些结晶成分不能完全结晶，如果该成分能为制品提供结构支撑或抗体在完全结晶后更稳定，那在升华干燥前必须将其完全结晶。可以将搁板温度提高到玻璃转化温度Tg之上，并保持设定的时间，这个过程叫退火4，5。因此预冻过程中要注意退火处理。
（3）升华干燥：主要是去除药品在冻结阶段形成的自由水（冰），大约80%~90%的水分。
首先要恒温减压，然后在抽气的条件下，恒压升温，使固态水升华。此阶段的升华温度应接近熔点温度，宜在共熔点温度下2~5℃，如果过低会降低升华速度。可以通过真空度、冷阱温度、控制搁板和药品温度来提高干燥速率。药品温度的控制标准是搁板温度的控制。药品温度在升华干燥过程中应小于20℃。
当冻干箱的压强＜0.1毫巴时，箱内气体的对流传热可以忽略；而压强＞0.1毫巴时，对流传热明显增强。升华阶段真空度在10~30Pa时，对于传递热量和升华均有利。
升华干燥阶段要注意制品的塌陷；
冻干产品在升华干燥阶段，随着升华时间的增长，产品出现已干层和冻结层，两层之间的交界面是升华面；升华过程中，升华面不断减小冻结层，不断增加已干层厚度。已干层结构疏松多孔，以便冻结层的水蒸气能逸出。但某些已干燥的产品当温度升高时，可能会失去刚性，变得有粘性，发生类似坍塌的现象。失去多孔结构，会堵塞升华时水蒸气的逸出通道；使升华速率变慢，搁板供给冻结层的热量有剩余，导致冻结层产品温度上升，当温度达到共晶点温度以上时，产品会发生熔化或发泡现象，此时的温度叫塌陷温度5，6，8。
有些产品崩解温度高于共晶温度，升华时只需控制产品温度稍低于共晶温度即可；对于崩解温度低于共晶温度的产品，以控制崩解温度为准。产品的崩解温度取决于产品本身的物性和保护剂的种类，优选具有较高崩解温度的材料，使升华干燥能在不太低的温度下进行，可以减少能耗，节约时间，提高生产效率。
一般来说，塌陷温度Tc比共晶温度Te稍高，共晶温度比玻璃转化温度Tg高；通常Tc比Tg高20K6。
（4）解析再干燥：
物料中所有冰晶升华干燥后会留下许多空穴，仍残留约10%的水分。解析再干燥主要是去除未冻结的结合水（吸附在干燥的滤饼表面），使水分降低，维持在2%左右，得到干燥的物料，温度一般设置在25~40℃。
（5）密封保存
冻干结束后得到的干燥制品移出冻干箱后，要及时密封保存，否则接触空气后容易吸潮、萎缩。
冻干中会遇到的问题与处理措施：
1. 含水量偏高
可能是西林瓶内药液过厚，升华干燥过程中供热不足，冷凝器温度偏高或真空度不足。一般药液厚度不宜超过12mm。
2. 制品外形不饱满或萎缩
药液浓度太高，冻干过程中内部水蒸气逸出不完全，冻干后，制品因潮解而萎缩，如下图所示。药液浓度过低，制品疏松易引湿，又因为比表面积大，使制品也易萎缩。一般药物的浓度在2%~30%为宜，在10~15%最佳。
3. 喷瓶
喷瓶原因主要有三方面即药液中的气泡、预冻不完全、供热太快导致的受热不均匀。
气泡-制品在分装过程中，由于液体流速较快，在瓶内产生一定量的气泡，应将装瓶液体放置一段时间让气泡逸出，否则气泡被冻结在制品内部，当升华过程抽真空减压时，气体逸出会带出部分制品黏附于瓶壁上。
预冻不完全-冻结过程预冻温度不够低或保持时间不够长，未能使溶液全部固化，真空升华干燥时，溶液的温度至共晶点时，溶液和水同时结晶析出，液体沸腾，造成喷瓶。控制预冻温度比共晶点温度低15℃保持2-3h，确保完全冻结。
供热过快、制品受热不均匀-升温过快造成制品受热不均匀，下层的制品的结晶不会直接升华，而是从固体、液体到气体蒸发，导致喷瓶。因此要控制升华干燥阶段特别是在共晶点附近的升温速率，均匀且不宜过快。
4. 冻干后pH发生偏移
一般处方中含有挥发性酸和不挥发性碱，pH会升高；有不挥发性酸和挥发性碱，pH会降低。可以在溶液中添加缓冲溶液避免pH偏移。
5. 制品表面有硬壳、突起、裂面
硬壳-冻结时产品表面形成不透气的玻璃样结构，升华干燥开始后产品升温，部分产品发生熔化收缩，使表层分裂，下层的升华正常进行，上层形成硬壳，解决方法是在预冻时做退火处理。
裂面-由于固体物质浓度过低，产品块的结构脆弱所致。可以减慢再干燥的速度来限制物质的损失，或者增加整体赋形剂的浓度来加强产品块的结构。
突起-产品在冻结时可能会有一个从粥状到固化的过程，固化时体积膨胀对粥状冰由四周向中间挤压，在制品表面形成一个尖状突起。这与处方和预冻时降温过快有关，有些冻干保护剂容易形成这种小突起，可以通过更换冻干保护剂或改变预冻方式来解决。
