凍干過程中，凍結階段冰核形成是一個隨機過程，會導致產品凍結不均勻。樣品通常在很寬的溫度范圍內成核，產生不同大小的冰晶，和不同的冰晶結構，導致干燥速度不同，最終導致外觀不同。高質量的凍干產品取決于層板溫度、腔室壓力和時間等明確可控的關鍵工藝參數(CPP)。隨著工藝轉移到大規模生產，這些參數可能需要優化，特別是產品容器發生變化時。
批量凍干通常使用金屬托盤，其傳熱與普通西林瓶不同，具有較高的污染風險，多次重復使用以及滅菌在金屬內的應力會導致托盤翹曲，傳熱效果發生改變。此外，散裝托盤邊緣樣品可能與中心樣品凍結的時間和溫度不同，導致散裝盤內出現不同尺寸的冰晶結構。
CONTROLYO®按需成核技術(NODT)，是一項創新技術，在凍干機內冷凍期間，使用惰性氣體對腔室進行加壓和減壓，以促進均勻成核。裝載完成之后加壓，待產品在設定的層板溫度下穩定后減壓，以產生瞬時的、均勻的冰核。在減壓之后，通常在-5°C的溫度下長時間保持，使冰晶緩慢生長，因此允許較大的冰晶尺寸產生。
ControLyo® VS 常規冷凍方法
研究散裝托盤中不同材料的凍干過程，將ControLyo®與常規冷凍方法進行比較。對晶體材料和和無定型配方進行了研究。晶體材料由Mannitol、USP(濃度為40 mg/mL)組成，無定型態由蔗糖、NF(濃度為40 mg/mL)組成。
具體實驗
在100級環境中用0.22微米過濾器過濾溶液。將溶液分配到四個不銹鋼托盤中，每個托盤的體積為2L。在4層層板（30×60cm）中試凍干機（SP Hull Model 8FS15C）中進行冷凍干燥。在不銹鋼散裝盤內不同位置以及托盤外部均放置熱電偶測量產品溫度。采用Controlyo®工藝和常規冷凍工藝分別進行。這兩個工藝，裝載關閉腔門后，均在5°C擱板溫度和大氣條件下平衡。
采用Controlyo®工藝，在5°C下使產品達到平衡后，進行惰性氣體吹掃。將系統加壓至27.2psia并減壓至17.2psia，同樣進行二次吹掃。在第二次吹掃后，將腔室加壓至33.2psia，并將擱板冷卻至-3℃平衡4小時。由于溶液中測得的產品溫度高于-3℃，因此將目標擱板溫度調節至-5℃，以使產品溫度在-3℃或更低的溫度下達到平衡。保持1小時后，從33.2psia瞬間減壓至16.2psia，促進成核，擱板溫度在-5℃保持7小時促使冰晶生長。
01 初次研究
在最初的研究中，使用保守的一次干燥參數，以便直接比較結晶溶質Mannitol與無定型態溶質蔗糖的干燥。兩種不同的冷凍技術在完成Mannitol一次干燥的時間上幾乎沒有差異。然而，不同的冷凍技術對蔗糖制劑的干燥結果有顯著影響。
02 第二項研究
在第二項研究中，采用不同的一次干燥參數對Mannitol和蔗糖制劑進行試驗。此一次干燥條件比第一項研究的條件明顯更激進，對不同組分的樣品進行相同關鍵工藝參數CPP的研究，研究組分的影響。
圖1：常規冷凍成核（不同溫度下的隨機成核）
圖2：Controlyo®成核（同時發生成核）
熱電偶跡線描述了常規凍結中成核的隨機性質和ControLyo®過程中的瞬時成核(如圖1和圖2所示)。
成核事件是一個放熱過程，釋放的熱量導致熱電偶傳感器讀數瞬時增加，最終接近層板溫度。
在常規冷凍過程中，成核隨機發生，熱電偶顯示成核發生在不同的溫度和時間下。控制成核技術中，當系統減壓時，熱電偶立即記錄到同時成核的過程。需要認識到傳感器只測量托盤的某些區域，可能不能代表托盤全部。
圖3：蔗糖-常規冷凍（約72小時完成一次干燥）
圖4：蔗糖–Controlyo®（約59小時完成一次干燥）
在一次干燥階段，使用熱電偶傳感器記錄產品溫度，以幫助確定一次干燥的終點。當使用控制成核技術時，蔗糖制劑一次干燥提前13小時結束（如圖3和圖4所示）。
Mannitol制劑，無論使用何種冷凍技術和CPP，一次干燥時間僅有輕微的變化。在這些研究中，皮拉尼/電容壓力計的數據判斷初級干燥結束。
ControLyo® 技術優勢
對兩種配方的成核均勻性、冷凍干燥行為和成品屬性進行了觀察和比較。
01 縮短一次干燥時間
對蔗糖配方進行不同干燥條件的研究，采用Controlyo®工藝，由于升華速率增加，縮短了一次干燥時間。在Controlyo技術允許形成較大的冰晶，可能是由于過冷減少，成核溫度較高，允許冰晶緩慢生長。過冷被定義為平衡凝固點與溶液中冰晶初次形成時的溫度之間的差值。當冰升華時，較大的晶體產生較大的孔，導致更大的路徑，因此水蒸氣穿過升華前沿上方的干燥層的阻力較小。這導致蔗糖干燥速率的顯著差異。Controlyo®技術將升華干燥的時間從67小時縮短到50小時。
盡管發現蔗糖基配方在一次干燥時間上存在顯著差異，但Mannitol基配方的表現并不相同。在使用保守CPP進行的初步研究中，傳統冷凍和ControLyo®冷凍的升華速率幾乎沒有差異。在使用激進性CPP的后續研究中，完成一次干燥的時間從20小時減少到16小時。
02 蛋糕外觀
通過蔗糖和Mannitol冷凍干燥生產的凍干餅的物理外觀在常規和控制成核策略之間有所不同。ControLyo®產生了一致的蛋糕結構和外觀。兩種處理方法在Mannitol的外觀上差異不大。然而，蔗糖蛋糕的外觀有顯著差異:未經控制的冷凍蛋糕上的裂縫更少，從托盤的一側延伸到另一側(圖5)。當使用ControLyo®時，蛋糕上的裂縫更寬，更均勻(如圖6所示)。
圖5：蔗糖非受控冷凍
圖6：Sucrose Controlyo®
03 水分含量
用庫侖卡爾費休滴定法測定殘余水分。結果顯示，與標準方法相比，通過ControLyo®處理的Mannitol的水分含量分別從0.5%到0.1% w/w。有趣的是，蔗糖的結果正好相反。不受控冷凍方案的蔗糖平均結果為2.41% w/w, ControLyo®材料的平均結果為2.89% w/w。較高的蔗糖殘留水分含量可能是由于表面面積減少，因此在二次干燥過程中解吸率降低。不太激進的二次干燥條件也會影響最終的殘留水分含量。
最終結論
很明顯，ControLyo®影響散裝材料的干燥行為和成品屬性。這些影響包括縮短一次干燥時間，改變蛋糕外觀，以及創造更一致和均勻產品的可能性。傳統冷凍和ControLyo®之間的差異程度也受到代表不同類型產品（結晶和無定型）的配方特性的影響。
此外，配方特定成分的CPP對使用ControLyo®進行控制成核的成功至關重要。需對每種特定配方進行對比研究，以量化ControLyo®技術應用的相對效益。
Controlyo®控制成核技術
SP Scientific提供的Lyostar凍干機僅需運行一個遁環即可自動摸索和開發凍干工藝。結合凍干PAT技術使漫長復雜的工藝摸索變得簡單快捷有效。
PAT技術——Smart 全自動工藝開發技術，Controlyo®控制成核技術，TDLAS實時水蒸汽測量技術。
Controlyo®控制成核技術
在相同的溫度下，以瞬間減壓的方式在同一時間讓所有小瓶瞬間成核，在較高的溫度下成核，產生更大、更均勻的晶體尺寸，使干燥更加一致。
● 提高批次均勻性；
● 無引入污染或外來物質的風險；
● 增加凍干產品的蒸汽通道尺寸，進而減少干燥層的阻力；
● 加快主干燥過程；
● 減少產品復水時間；
● 改善凍干產品的外觀。
LYO INNOVATION
萊奧德創
凍干科技，賦能創新
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德祥科技有限公司服務凍干行業十余年，在涉及冷凍干燥領域的工藝開發/工藝優化/商業化等各方面擁有豐富的經驗，迄今為止已為500+客戶提供凍干設備及相關服務。客戶產品類型涵蓋：蛋白、抗體、ADC、疫苗、核酸、多肽、脂質體、IVD、食品等領域。依托與合作伙伴美國SP Scientific和英國Biopharma Group的緊密合作，掌握先進的凍干理念與技術，使用優質的凍干設備和軟件致力于促進中國生物醫藥技術創新升級，助力中國大健康行業的持續發展。
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