在冷凍干燥機使用過程的冷凍步驟期間，成核的隨機性質被認為是在嚴格控制下考慮的過程中的缺點，產品的冷凍性能可影響其隨后的干燥行為和最終產品質量屬性。因此控制這種隨機事件，并因此直接影響產品形態的想法似乎非常有吸引力。正確理解成核的性質及其與干燥性能的關聯，以及選擇合適的技術概念，具有根本重要性，并且是從受控成核提供的機會中，獲益的先決條件。
冷凍干燥是制藥工業中常用的方法，整個過程的關鍵步驟之一是初始冷凍程序。在冷凍水溶液期間，冰的形成不會在平衡冷凍溫度。相反該解決方案顯示在冷凍溫度以下的過冷卻，直到在成核溫度處形成個冰核，成核本身在三個階段進行，初級成核描述了初始晶核出現超過臨界尺寸2分1。通過二次成核將形成的核進一步生長成冰晶。
結晶的放熱性質導致產物溫度升高至冷凍溫度，從而阻止二次成核。在成核的最后階段，最終凝固從架冷卻的小瓶底部朝向頂部進行。由于結晶熱必須從凝固界面通過已經凝固的基質和小瓶底部轉移到冷卻架，因此該步驟相對緩慢地完成，冷凍溫度和成核溫度之間的溫差被稱為過冷，并且在具有低顆粒環境3-5的GMP制造設施中發現高達30攝氏度或更高。
當考慮冰晶的大小和形狀作為干燥產品基質的孔和空腔的負模板時，產物的成核行為和干燥性能之間的聯系變得明顯。因此冰形態決定性地決定了在干燥過程中，從冰升華界面通過已經干燥的產品對水蒸汽流動的抵抗力。過冷的程度以相反的方式與冰晶大小相關。例如由低過冷度引起的大冰晶使快速成型降低，從而提高了有效的初級干燥速率。如果在冷凍期間形成較大的冰晶，則干燥產品中的比表面積較低，過冷卻每降低1攝氏度，初級干燥率增加約4％。總的來說強調了冷凍步驟對于冷凍干燥過程的所有后續階段的重要性。冰成核的性質是自發的和隨機的，有效的成核溫度取決于幾個方面。這些因素包括溶液性質，工藝條件，環境影響，容器的特性和顆粒物質的存在。
文章來源：上海靳瀾儀器制造有限公司
