需要凍干的物品需配制成一定濃度的液體，為了能保證干燥后有一定的形狀，一般凍干產(chǎn)品應(yīng)配制成含固體物質(zhì)濃度在4%～25%之間的稀溶液，以濃度為10%～15%*。

這種溶液中的水，大部分是以分子的形式存在于溶液中的自由水；少部分是以分子吸附在固體物質(zhì)晶格間隙中或以氫鍵方式結(jié)合在一些極性基團(tuán)上的結(jié)合水。固定于生物體和細(xì)胞中的水，大部分是可以凍結(jié)和升華的自由水，還有一部分不能凍結(jié)、很難除去的結(jié)合水。凍干就是在低溫、真空環(huán)境中除卻物質(zhì)中的自由水和一部分的吸附于固體晶格間隙中的結(jié)合水。因此，冷凍干燥過程一般分三步進(jìn)行，即預(yù)凍結(jié)、升華干燥（或稱*階段干燥）、解析干燥（或稱第二階段干燥）。

一、預(yù)凍結(jié)

預(yù)凍就是將溶液中的自由水固化，賦予干后產(chǎn)品與干燥前相同的形態(tài)，防止抽空干燥時(shí)起泡、濃縮和溶質(zhì)移動等不可逆變化發(fā)生，盡量減少由溫度引起的物質(zhì)可溶性減少和生命特性的變化。

1、 預(yù)凍的方法

溶液的預(yù)凍方法有兩種：凍干箱內(nèi)預(yù)凍法和箱外預(yù)凍法。

箱內(nèi)預(yù)凍法是直接把產(chǎn)品放置在凍干機(jī)內(nèi)的多層擱板上，由凍干機(jī)的冷凍機(jī)來進(jìn)行冷凍，大量的小瓶和安瓶進(jìn)行凍干時(shí)為了進(jìn)箱和出箱方便，一般把小瓶分放在若干金屬盤內(nèi)，再裝進(jìn)箱子，為了改善熱傳遞。有些金屬盤制成可抽活底式，進(jìn)箱時(shí)把底抽走，讓小瓶直接與凍干箱的金屬板接觸；對于不可抽底的盤子，要求盤底平整，以獲得產(chǎn)品的均一性。采用旋凍法的大血漿瓶要事先凍好后加上導(dǎo)熱用的金屬架后再進(jìn)箱進(jìn)行冷凍。

箱外預(yù)凍法有二種方法。有些小型凍干機(jī)沒有進(jìn)行預(yù)凍產(chǎn)品的裝置，只能利用低溫冰箱或酒精加干冰來進(jìn)行預(yù)凍。另一種是的旋凍器，它可把大瓶的產(chǎn)品邊旋轉(zhuǎn)邊冷凍成殼狀結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)入凍干箱內(nèi)。

旋轉(zhuǎn)型冷凍

還有一種特殊的離心式預(yù)凍法，離心式凍干機(jī)就采用此法。利用在真空下液體迅速蒸發(fā)，吸收本身的熱量而凍結(jié)。旋轉(zhuǎn)的離心力防止產(chǎn)品的氣體逸出，使產(chǎn)品能“平靜地”凍結(jié)成一定的形狀。轉(zhuǎn)速一般為800轉(zhuǎn)/分左右。

 靠離心或旋轉(zhuǎn)液體形成楔狀或殼狀

2、 預(yù)凍的過程：

水溶液溫度降到一定時(shí)，根據(jù)溶液共晶濃度，濃度淡溶液里開始結(jié)冰，這個(gè)溫度就叫結(jié)冰點(diǎn)。一般來說結(jié)冰點(diǎn)受濃度的支配與濃度一起下降。溶液溫度低于結(jié)冰點(diǎn)時(shí)，溶液中的一部分會結(jié)晶析出，剩下的溶液濃度將會上升，就這樣結(jié)冰點(diǎn)下降，接著繼續(xù)冷卻，冰結(jié)晶隨著冷卻而增加，剩下的溶液濃度隨之而增大。可是溫度降到某一點(diǎn)時(shí)剩下的溶液就全部凍結(jié)，這時(shí)的凍結(jié)物里混雜著冰晶體，這時(shí)的溫度就是共晶點(diǎn)。 

溶液需過冷到冰點(diǎn)以后，其內(nèi)產(chǎn)生晶核以后，自由水才會開始以冰的形式結(jié)晶，同時(shí)放出結(jié)晶熱使其溫度上升到冰點(diǎn)，隨著晶體的生長，溶液濃度的增加，當(dāng)濃度達(dá)到共晶濃度，溫度下降到共晶點(diǎn)以下時(shí)，溶液就會全部凍結(jié)。

溶液結(jié)晶的晶粒數(shù)量和大小除了與溶液本身的性質(zhì)有關(guān)以外，還與晶核生成速率和晶體生長速率有關(guān)。而晶核生成速率和晶體生長速率這兩個(gè)因素又是隨溫度和壓強(qiáng)的變化而變化的，因此，我們可以通過控制溫度和壓強(qiáng)來控制溶液結(jié)晶的晶粒數(shù)量和大小。一般來說，冷卻速度越快，過冷溫度越低，所形成的晶核數(shù)量越多，晶體來不及生長就被凍結(jié)，此時(shí)所形成的晶粒數(shù)量越多，晶粒越細(xì)；反之晶粒數(shù)量越少，晶粒越大。

晶體的形狀也與凍結(jié)溫度有關(guān)。在0℃附近開始凍結(jié)時(shí)，冰晶呈六角對稱形，在六個(gè)主軸方向向前生長，同時(shí)，還會出現(xiàn)若干副軸，所有冰晶連接起來，在溶液中形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨著過冷度的增加，冰晶將逐漸喪失容量辨認(rèn)的六角對稱形式，加之成核數(shù)多，凍結(jié)速度快,可能形成一種不規(guī)則的樹枝型，它們有任意數(shù)目的軸向柱狀體，而不象六方晶型那樣只有六條。

冷凍干燥碎片，表示冰升華后空隙（無比例）

生物體液（如血液血漿、肌肉漿液、玻璃體液等）結(jié)冰形成的結(jié)晶單元，往往與單一成分的水溶液形成的冰晶類型相似。結(jié)晶類型主要取決于冷卻速度和體液濃度，例如血漿、肌肉漿液等在正常濃度下結(jié)冰時(shí)，在較高零下溫度、慢冷卻速度下形成六方結(jié)晶單元，快速冷卻至低溫時(shí)形成不規(guī)則樹枝狀晶體。

細(xì)胞懸浮液（如紅血球、白血球、精子、細(xì)菌等懸浮于蒸餾水、血漿或其他懸浮介質(zhì)中），在高零下溫度緩慢結(jié)冰時(shí)，懸浮液中大量的冰生長，將細(xì)胞擠在兩冰柱之間的狹窄管道中，管道內(nèi)的懸浮介質(zhì)因水析出結(jié)冰而溶質(zhì)濃縮，細(xì)胞內(nèi)的水通過細(xì)胞膜滲透出細(xì)胞，又造成細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)的濃縮。與此同時(shí)，胞外冰的生長，還將迫使細(xì)胞物質(zhì)體積縮小、變形。但此時(shí)細(xì)胞內(nèi)不結(jié)冰。當(dāng)在低溫下快速結(jié)冰時(shí)，則細(xì)胞內(nèi)將形成胞內(nèi)冰。冰的大小、形狀和分布與冷卻速度、保護(hù)劑的存在與否、保護(hù)劑的性質(zhì)以及細(xì)胞內(nèi)水的含量有關(guān)，一般說來，冷卻速度越快、溫度越低，細(xì)胞內(nèi)形成的冰越多。懸浮液中添加非滲透性保護(hù)劑，可以使快速結(jié)冰時(shí)細(xì)胞內(nèi)形成的冰數(shù)目減少。  

溶液結(jié)晶的形式對凍干速率有直接的影響。冰晶升華后留下的空隙是后續(xù)冰晶升華時(shí)水蒸氣的逸出通道，大而連續(xù)的六方晶體升華后形成的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干燥速度快，反之樹枝形和不連續(xù)的球狀冰晶通道小或不連續(xù)，水蒸汽靠擴(kuò)散或滲透才能逸出，因而干燥速度慢。因此僅從干燥速率來考慮，慢凍為好。

此外，凍結(jié)的速率還與凍結(jié)設(shè)備的種類、能力和傳熱介質(zhì)等有關(guān)。

預(yù)凍會對細(xì)胞和生命產(chǎn)生一定的破壞作用，其機(jī)理是非常復(fù)雜的，一般認(rèn)為，預(yù)凍過程中水結(jié)冰所產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)和溶質(zhì)效應(yīng)是引起生化藥品在凍干過程中失活或變性的重要因素。機(jī)械效應(yīng)是指水結(jié)冰時(shí)體積增大，致使活性物質(zhì)活性部位中一些弱分子力鍵受到破壞，從而使活性損失；溶質(zhì)效應(yīng)是指水結(jié)冰以后引起溶質(zhì)濃度上升以及由于各種溶質(zhì)在各種溫度條件下溶解度變化不一致引起pH值的變化，導(dǎo)致活性物質(zhì)所處的環(huán)境發(fā)生變化而造成失活或變性。對這種現(xiàn)象可采用下列措施解決：①預(yù)凍采用速凍法，先將擱板溫度降至-45℃，再放入產(chǎn)品急速冷凍，形成細(xì)微冰晶，使其來不及產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)。②選用緩沖劑時(shí)要選用溶解度相當(dāng)?shù)木彌_配對鹽。③加入產(chǎn)品保護(hù)劑。

升華階段時(shí)間的長短與下列因素有關(guān)：① 產(chǎn)品的品種：共熔點(diǎn)溫度較高的產(chǎn)品容易干燥，升華的時(shí)間短些；② 每瓶內(nèi)的裝量（正常的干燥速率大約為1mm/h）、總裝量、玻璃容器的形狀、規(guī)格；③ 升華時(shí)提供的熱量；④ 凍干機(jī)本身的性能。

二、升華干燥（*階段干燥）

升華干燥也稱為*階段干燥。將凍結(jié)后的產(chǎn)品置于密封的真空容器中加熱，其冰晶就會升華成水蒸汽逸出而使產(chǎn)品脫水干燥。干燥是從外表面開始逐步向內(nèi)推移的，冰晶升華后殘留下的空隙變成爾后升華水蒸汽的逸出通道。已干燥層和凍結(jié)部分的分界面稱為升華界面。在生物制品干燥中，升華界面約為每小時(shí)1mm的速度向下推進(jìn)。當(dāng)全部冰晶除去時(shí)，*階段干燥就完成了，此時(shí)約除去全部水分的90%左右。

產(chǎn)品在升華干燥時(shí)要吸收熱量，一克冰全部變成水蒸汽大約需要吸收670卡左右的熱量。因此升華階段必須對產(chǎn)品進(jìn)行加熱。當(dāng)凍干箱內(nèi)的真空度降至10Pa（可根據(jù)制品要求而定）以下，就可以開始給制品加熱，為產(chǎn)品升華提供能量，且凍干箱內(nèi)的真空度應(yīng)控制在10-30Pa之間zui有利于熱量的傳遞，利于升華的進(jìn)行。

*階段升華干燥是冷凍干燥的關(guān)鍵階段，大部分的水在這一階段被升華。若控制不好，會直接影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和凍干時(shí)間。若擱板的溫度過高，擱板向產(chǎn)品提供的熱量大于水分升華所吸收的熱量，則產(chǎn)品溫度持續(xù)上升，當(dāng)產(chǎn)品溫度超過其共熔點(diǎn)時(shí)，則產(chǎn)生噴瓶或瓶底變空的現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。賦形劑的選擇和用量對凍干生化藥品的外觀影響很大。由于各個(gè)產(chǎn)品的性質(zhì)不相同、配方各不同、離子濃度各不相同，對賦形劑選擇和用量要求各不一樣，若控制不好，凍干后的產(chǎn)品外觀成為不易溶解的蜂窩狀或粉狀，而不能成為結(jié)構(gòu)疏松、易于溶解的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，影響藥品的外觀質(zhì)量。但由于產(chǎn)品升華時(shí)，升華面不是固定的。而是在不斷的變化，并且隨著升華的進(jìn)行，凍結(jié)產(chǎn)品越來越少。因此造成對產(chǎn)品溫度測量的困難，利用溫度計(jì)來測量均會有一定的誤差。可以利用氣壓測量法來確定升華時(shí)產(chǎn)品的溫度，把凍干箱和冷凝器之間的閥門迅速地關(guān)閉1－2秒的時(shí)間（切不可太長）。然后又迅速打開，在關(guān)閉的瞬間觀察凍干箱內(nèi)的壓強(qiáng)升高情況，計(jì)下壓強(qiáng)升高到某一點(diǎn)的zui高數(shù)值。從冰的不同溫度的飽和蒸汽壓曲線或表上可以查出相應(yīng)數(shù)值，這個(gè)溫度值就是升華時(shí)產(chǎn)品的溫度。產(chǎn)品的溫度也能通過對升華產(chǎn)品的電阻的測量來推斷。如果測得產(chǎn)品的電阻大于共熔點(diǎn)時(shí)的電阻數(shù)值，則說明產(chǎn)品的溫度低于共熔點(diǎn)的溫度；如果測得的電阻接近共熔點(diǎn)時(shí)的電阻數(shù)值，則說明產(chǎn)品溫度已接近或達(dá)到共熔點(diǎn)的溫度。

*階段干燥結(jié)束可以通過以下現(xiàn)象判斷：

干燥層和凍結(jié)層的交界面到達(dá)瓶底并消失。

產(chǎn)品溫度上升到接近產(chǎn)品共溶點(diǎn)的溫度。

凍干箱的壓力和冷凝器的壓力接近，且兩者間壓力差維持不變

當(dāng)關(guān)閉干燥室與冷凝器之間的閥門時(shí)，壓強(qiáng)上升速率與滲漏相壓器近（需要預(yù)先檢查滲漏的速率）。

當(dāng)在多歧管上干燥時(shí)，容器表面上的冰或水珠消失，其溫度達(dá)到環(huán)境溫度。

通常在此基礎(chǔ)上還要延長30分鐘到1小時(shí)的時(shí)間再轉(zhuǎn)到第二步干燥，以保證沒有殘留的冰。

三、解析干燥（第二階段干燥）

解析干燥也稱第二階段干燥。在*階段干燥結(jié)束后，產(chǎn)品內(nèi)還存在10%左右的水分吸附在干燥物質(zhì)的毛細(xì)管壁和極性基團(tuán)上，這一部分的水是未被凍結(jié)的。當(dāng)它們達(dá)到一定含量，就為微生物的生長繁殖和某些化學(xué)反應(yīng)提供了條件。實(shí)驗(yàn)證明：即使是單分子層吸附以下的低含水量，也可以成為某些化合物的溶液，產(chǎn)生與水溶液相同的移動性和反應(yīng)性。因此為了改善產(chǎn)品的貯存穩(wěn)定性，延長其保存期，需要除去這些水分。這就是解析干燥的目的。  

由于這一部分水分是通過范德華力、氫鍵等弱分子力吸附在藥品上的結(jié)合水，因此要除去這部分水，需要克服分子間的力，需要更多的能量。此時(shí)可以把制品溫度加熱到其允許的zui高溫度以下（產(chǎn)品的允許溫度視產(chǎn)品的品種而定，一般為25℃-40℃左右。病毒性產(chǎn)品為25℃，細(xì)菌性產(chǎn)品為30℃，血清、抗菌素等可高達(dá)40℃），維持一定的時(shí)間（由制品特點(diǎn)而定），使殘余水分含量達(dá)到預(yù)定值，整個(gè)凍干過程結(jié)束。

如果制品共晶點(diǎn)較高，系統(tǒng)的真空度也能保持良好，凝結(jié)器的制冷能力充裕，則也可采用一定的升溫速度，將擱板溫度升高至允許的zui高溫度，直至凍干結(jié)束，但也需保證制品在大量升華時(shí)的溫度不得超過共晶點(diǎn)。 

在解析干燥階段由于產(chǎn)品內(nèi)逸出水份的減少，冷凝器溫度的下降又引起系統(tǒng)內(nèi)水蒸氣壓力的下降，這樣往往使凍干箱的總壓力下降到低于10Pa，這就使凍干箱內(nèi)對流的熱傳遞幾乎消失。為了改進(jìn)凍干箱傳熱，使產(chǎn)品溫度較快地達(dá)到zui高允許溫度，以縮短解析干燥階段時(shí)間，要對凍干箱內(nèi)的壓強(qiáng)進(jìn)行控制，控制的壓強(qiáng)范圍在15～30Pa之間。

產(chǎn)品溫度到達(dá)許可溫度之后，為了進(jìn)一步降低產(chǎn)品內(nèi)的殘余水份含量，需要恢復(fù)高真空度，同時(shí)，冷凝器由于負(fù)荷減少也達(dá)到了極限低溫，這樣凍干箱和冷凝器之間水蒸氣壓力差達(dá)到了zui大值。這種狀況非常有利于產(chǎn)品內(nèi)殘余水份的逸出。

由于凍干藥品中的殘留水分對凍干生化藥品的影響很大，殘留水分過多，生化活性物質(zhì)容易失活，大大降低了穩(wěn)定性。控制凍干藥品中的殘留水分，關(guān)鍵在于第二階段再干燥的控制。在這一階段中，溫度要選擇能允許的zui高溫度；真空度的控制盡可能提高，有利于殘留水分的逸出；持續(xù)的時(shí)間越長越好，一般過程需要4-6小時(shí)；對自動化程度較高的凍干機(jī)可采取壓力升高試驗(yàn)對殘留水分進(jìn)行控制，保證凍干藥品的水分含量少于3%。