利用组合式冷冻腔室和冷凝器的冷冻干燥的制作方法

利用组合式冷冻腔室和冷凝器的冷冻干燥
1.相关申请的交叉引用
2.本技术基于35 u.s.c
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119(e)要求于2020年6月1日提交的名称为“利用组合式冷冻腔室和冷凝器的冷冻干燥”(freeze drying with c ombined freezing chamber and condenser)、代理人案号为edw.13a.wo的同时待审的美国临时申请no.63/033,049的权益，通过引用将该专利申请整体并入本文，并且本技术要求该专利申请的优先权。
技术领域
3.本发明总体上涉及用于在真空和低温下利用升华从产品中去除水分的冷冻干燥处理和设备。


背景技术：

4.冷冻干燥是从产品中去除溶剂或悬浮介质的处理。尽管本公开使用水作为示例性溶剂，但是也可以在冷冻干燥处理中去除其他介质(例如乙醇)，并且可以用本公开的方法和设备去除其他介质。
5.在用于去除水的冷冻干燥处理中，产品中的水被冷冻以形成冰。在真空下，冰升华，产生的水蒸气流至冷凝器。水蒸气在冷凝器上冷凝为冰，随后被除去。冷冻干燥在制药工业中特别有用，因为在冷冻干燥处理中保持了产品的完整性，并且可以在相对较长的时间内保证产品的稳定性。被冷冻干燥的产品通常是但不一定是生物物质。
6.药物冷冻干燥通常是无菌处理，所述无菌处理需要冷冻干燥系统内的无菌条件。至关重要的是要确保冷冻干燥系统中与产品接触的所有部件均为无菌的。
7.无菌条件下的散装冷冻干燥可以在冷冻干燥机中进行，该冷冻干燥机具有用于支撑产品的托盘的搁架。在图1所示的现有技术的冷冻干燥系统100的一个示例中，将一批产品112放置在冷冻干燥腔室110内的冷冻干燥机托盘121中。冷冻干燥机搁架123用于支撑托盘121并根据处理需要将热量传递到托盘和产品以及从托盘和产品传递热量。流过搁架123内的管道的传热流体用于去除或增加热量。
8.在真空下，将冷冻产品112轻微加热以使产品内的冰升华。由冰的升华产生的水蒸气流动通过通道115进入冷凝腔室120中，该冷凝腔室120容纳保持在水蒸气的冷凝温度以下的冷凝盘管或其他表面122。冷却剂穿过盘管122以去除热量，从而导致水蒸气在盘管上冷凝为冰。
9.冷冻干燥腔室110和冷凝腔室120在干燥处理期间均通过连接至冷凝腔室120的排气口的真空泵150保持处于真空下。腔室110、120中容纳的不可冷凝的气体被真空泵150移除并且通过更高压力的出口152排出。
10.一种用于制备用于冷冻干燥处理的产品悬浮液或溶液的技术是喷雾冷冻，其中产品在喷雾冷冻容器中被雾化并暴露于诸如冷氮气的冷冻介质。可以控制被雾化的产品的粒度以形成具有较大的表面积与质量比的冷冻粉末，从而提高随后的干燥处理的效率。
11.在某些应用中，可以使用如上所述的分批处理，其中，在干燥腔室中干燥冷冻产品
之前对一批产品完成冷冻步骤。中试工艺和产品开发设备中的这种布置允许实验灵活性，并且允许使用更简单和更低成本的设备。
12.需要用于低容量应用(例如中试工艺和产品开发)的改进的设备和技术。该设备应该具有用于实验室环境的最小占地面积。该设备应该能够生产用于产品试用的无菌产品。该设备应该是简单、低成本且节能的。


技术实现要素：

13.本公开通过提供一种用于通过去除液体而将散装产品冷冻干燥的冷冻干燥系统来解决上述需求。该系统包括具有冷却元件的低温容器、与低温容器的内部连通并且连接至散装产品源的产品引入入口、以及具有增温元件的干燥腔室。可选择性打开和关闭的产品转移管道将低温容器与干燥腔室连接，并且至少一个可选择性打开和关闭的旁通管道经由低温容器的至少一个蒸气入口将低温容器与干燥腔室连接。可选择性操作的真空泵经由低温容器的真空出口与低温容器的内部连通，低温容器的真空出口与低温容器的至少一个蒸气入口分开。
14.另一个实施例包括一种用于通过去除液体而将散装产品冷冻干燥的冷冻干燥系统，该冷冻干燥系统包括具有冷却元件的低温容器、与低温容器的内部连通并且连接至散装产品源的产品引入入口，以及具有增温元件的干燥腔室。可选择性打开和关闭的产品转移管道经由低温容器的至少一个蒸气入口将低温容器与干燥腔室连接。可选择性操作的真空泵经由低温容器的真空出口与低温容器的内部连通，低温容器的真空出口与低温容器的至少一个蒸气入口分开。
15.本发明的另一个实施例是一种用于将包含液体的散装产品冷冻干燥的方法。该方法包括：提供具有冷却元件的低温容器；提供具有增温元件的干燥腔室，所述低温容器和所述干燥腔室经由被输送阀截断的转移管道流体连通；通过关闭所述输送阀将所述低温容器与所述干燥腔室隔离；将包含所述液体的所述散装产品引入到所述低温容器中，所述低温容器容纳具有第一压力和低于所述液体的凝固点的温度的气体，由此所述液体在所述低温容器中被冷冻以形成包含冷冻液体的散装产品；通过打开所述输送阀，将所述低温容器与所述干燥腔室的隔离移除；经由所述转移管道将包含冷冻液体的所述散装产品从所述低温容器转移到所述干燥腔室；在所述低温容器和所述干燥腔室流体连通的同时使所述低温容器和所述干燥腔室经受低于所述第一压力的真空压力，由此所述干燥腔室中的所述冷冻液体升华而形成蒸气；将所述蒸气从所述干燥腔室抽吸到所述低温容器；以及使所述蒸气在所述低温容器中冷凝。
附图说明
16.图1是现有技术的冷冻干燥系统的示意图。
17.图2a是根据本公开的一个实施例的冷冻干燥系统的局部剖视示意性透视图。
18.图2b是图2a的冷冻干燥系统的示意性透视图2b-2b。
19.图3是示出了根据本公开的一个方面的方法的流程图。
具体实施方式
20.本公开描述用于使用紧凑的、低成本的系统以高效的方式将散装材料冷冻干燥的系统和方法。本公开的系统和方法涉及散装粉末冷冻干燥机，其被优化成冷冻和干燥产品以产生粉末形式。
21.处理和设备可以用于干燥需要无菌或灭菌处理的药物产品，例如，注射剂。但是，所述方法和设备也可以用于处理不需要无菌处理但需要在保存结构的同时去除水分的材料。例如，可以使用所公开的技术来生产用作超导体或用于形成纳米颗粒或微电路散热器的陶瓷/金属产品。
22.当前所描述的系统有利地利用单个低温容器，既作为(1)用于在处理的冷冻阶段期间冷冻包含散装产品的介质的冷冻腔室，又作为(2)用于在干燥阶段期间使升华的介质冷凝的冷凝器。在实施例中，低温容器是具有冷却壁的喷雾冷冻塔。在某些实施例的冷冻阶段期间，从低温容器顶部处的一个或多个喷嘴喷洒包含散装产品和介质的溶液或浆料，介质在其下落通过塔时冷冻，从而产生粉末状冷冻产品。喷雾冷冻塔和干燥腔室之间的产品转移管道可以间隔地打开，以允许粉末状冷冻产品从低温容器落到干燥腔室。
23.在某些实施例的干燥阶段期间，启动与低温容器连通的真空泵，从而抽空低温容器。低温容器和干燥腔室之间的一个或多个旁通管道可以绕过产品转移管道，并在干燥阶段期间提供低温容器和干燥腔室之间的流体连通。
24.因此，干燥腔室也经由低温容器和旁通管道被真空泵抽空，包含散装产品的介质在干燥腔室中升华。升华的介质作为蒸气通过旁通管道进入低温容器，在干燥阶段期间通过在冷冻阶段之后继续冷却壁而使低温容器保持在冷的条件下。蒸气在低温容器中冷凝。定期移除所产生的冷凝物。
25.通过使用相同的容器在冷冻阶段冷冻介质并在干燥阶段使蒸发的介质冷凝，当前公开的系统消除了对单独的冷凝腔室的需要，从而减小了系统的尺寸和体积。此外，系统更节能，因为仅冷却单个腔室而不是冷却冷冻腔室和冷凝器两者。系统的初始成本较低，因为组件较少。
26.图2a和图2b示出了根据一个公开实施例的示例性系统200。低温容器210既用作用于冷冻产品的冷冻腔室，又用作用于从在干燥产品时产生的流出物中去除可冷凝气体的冷凝器。系统200可以用于执行包括冷冻阶段和干燥阶段的分批冷冻干燥处理。在一个示例中，最大批量可以是约5l的产品/介质悬浮液或溶液。
27.在所示出的实施例中，通过使诸如液氮的低温流体循环通过入口220、通过容器210的双壁并通过出口230来冷却容器210的内部。在其它实施例中，除了壁之外的冷却元件可以用于冷却容器210的内容物。所述容器可以是圆柱形的，具有竖直弯曲的侧壁。所述容器可以包括用于将冷冻产品引导至隔离阀268的圆锥形底部。在冷冻阶段，容器210的内部可以填充有无菌气态氮，可以使用无菌过滤器232过滤无菌气态氮。无菌氮气还可以用于调节系统中的其它压力。
28.喷嘴240连接至液体产品贮存器266，该液体产品贮存器容纳悬浮或溶解在液体介质中的散装产品，例如，生物固体在水或另一种液体中的悬浮液或溶液。液体产品贮存器包括冷却系统(例如珀耳帖板)，以便在必要时将产品保持在冷藏状态以保存产品。液体产品贮存器266中的悬浮液或溶液的量可以由称重秤267监测，该称重秤测量包括产品的贮存器
系统的重量。
29.使用加压氮气使悬浮液或溶液从液体产品贮存器266流至喷嘴240。氮气可以通过无菌过滤器232。喷嘴240被布置成使低温容器210内的产品雾化。产品的雾化导致细颗粒分散在低温容器210内。颗粒的尺寸和颗粒尺寸的分布都取决于喷洒技术。例如，喷嘴的几何形状、产品流量和喷嘴在腔室内的放置可能会影响那些过程输出。颗粒尺寸和尺寸分布对于产品的应用很重要。例如，对于粉末处理，优选具有大于100微米的颗粒尺寸，而对于肺部应用，颗粒尺寸应该为大约6微米。
30.在实施例中，冷冻产品可以穿过由低温容器210的壁冷却的氮气气氛落下。容器的尺寸使得允许产品与有足够的时间与氮气气氛接触，以允许产品在到达腔室底部之前冷冻。喷雾冷冻后的液体产品作为冷冻粉末收集在低温容器210的底部。喷雾冷冻处理产生快速冷冻的产品小颗粒，因为较小的颗粒具有较大的表面积与质量比，因此热输入的阻力最小。这种性质也加速了干燥处理。
31.隔离阀268将低温容器210与干燥腔室260分开，该隔离阀可以在冷冻阶段和干燥阶段中的一个或两个期间被启动。隔离阀可以在低温容器内的喷雾冷冻期间保持关闭，以便在容器内保持足够冷的条件，而不需要还冷却干燥腔室。在某些实施例中，在足够量的液体产品被喷雾冷冻并且已经被收集在低温容器210的下部中之后，隔离阀268被打开以允许冷冻产品从低温容器210经由产品转移管道269落入干燥腔室260中。隔离阀268可以在处理的冷冻阶段结束时打开一次，或者可以在冷冻阶段期间定期打开，以防止冷冻产品在低温容器210的底部中过度积聚。例如，可以在冷冻每0.5l产品/介质悬浮液或溶液之后打开隔离阀268，转移冷冻产品，然后关闭隔离阀以继续冷冻更多产品，直到在干燥腔室260中已经积聚了全部批次(例如，5l)。该过程避免由于在隔离阀268上积聚过量的冷冻产品而引起冷冻产品升温。隔离阀与干燥腔室直接连通并且不受温度控制。
32.在另一个示例中，隔离阀每15分钟打开一次以将冷冻产品排出到干燥腔室中。在其它示例中，隔离阀每小时或每30分钟打开一次。
33.干燥腔室260中的温控搁架250保持进入该腔室的冷冻产品。与搁架250一起循环的传热流体用于保持冷冻产品的处理温度。例如，当在低温容器210中冷冻附加产品时，干燥腔室260内的产品可以保持在其冷冻状态，可以在干燥阶段期间稍微加热干燥腔室260内的产品以引起介质的升华。
34.振动单元251连接至搁架250以使搁架振动并在冷冻产品中施加振动运动。可以在冷冻阶段完成之后或在冷冻产品的每次转移之后使搁架250振动。振动的搁架使搁架上收集的冷冻产品散开并平整，从而产生或保持具有均匀厚度的产品床(product bed)，这样提高了干燥效率。
35.在完成冷冻阶段之后，进行干燥阶段，其中利用升华处理从产品中去除现已冷冻的介质。在所公开的冷冻干燥处理的干燥阶段期间，低温容器210例如通过继续使低温流体在容器的双壁中循环而保持在冷态。启动连接至低温容器210的真空泵212以抽空系统。直接由真空泵212抽空低温容器210。真空泵212可以是如图2a所示的单独的独立运行的真空泵，或者替代地可以是还包括液环泵的真空泵组270的一部分。
36.在干燥阶段期间，可以使用阀268关闭产品转移管道269，并打开一个或多个旁通管道214中的阀以经由低温容器的蒸气入口215将低温容器210连接至干燥腔室260。旁通管
道214绕过产品转移管道269和阀268，以允许经由低温容器210抽空干燥腔室260，而不会导致真空泵212堵塞，否则可能会由于产品转移管道269的尺寸小而发生真空泵的堵塞。另外，如果在干燥阶段期间产品转移管道保持打开，则冰或冷凝物可能会积聚而阻塞产品转移管道进入低温容器的区域。在实施例中，该区域的几何形状被设计成在冷冻阶段期间将冷冻产品引导到干燥腔室中，并且不被设计成在干燥阶段期间避免冰的积聚。在其它实施例中，在干燥阶段期间，旁通管道和产品转移管道均可以打开并用作蒸气入口。在另外的其它实施例中，未提供旁通管道，产品转移管道既用于将产品从低温容器转移至干燥腔室，又用作用于使蒸气从干燥腔室流动至低温容器的蒸气入口。
37.在处理的干燥阶段期间，干燥腔室260中的冷冻介质经受真空并且被搁架250稍微加热，从而导致介质升华而产生蒸气。蒸气从干燥腔室中被抽出并经由旁通管道214和/或产品转移管道269进入低温容器210的一个或多个蒸气入口。蒸气在低温容器的内壁上或在容器中的其它冷却元件上冷凝成冰。定期或在开始随后的冷冻干燥批次之前从低温容器中去除冷凝的蒸气，其中该容器将用于使产品/介质悬浮液冷冻。
38.真空泵212经由低温容器的真空出口213连接至低温容器210。真空出口213与低温容器210的蒸气入口215分开，使得从干燥腔室流出的可冷凝蒸气流过低温容器210并在低温容器中的壁或其它冷却元件上冷凝。如本文中所使用的，“分开”的意思是真空出口和蒸气入口是进入低温容器内部的不同的开口。两个开口有利地间隔开，彼此不相邻。在一个示例中，低温容器210的真空出口213可以靠近容器的顶部，而蒸气入口215可以靠近容器210的底部，从而提供低温容器的几乎全部长度用于冷凝来自干燥腔室的蒸气。
39.在干燥阶段完成之后，干燥腔室260和低温容器210都返回到大气压。搁架250可以倾斜和/或振动，以便将干燥后的产品从搁架转移到干燥产品收获容器262。在完成一个批次后，窥镜264可以用于在线nir水分测定。可以使低温容器再次与干燥腔室隔离，以开始冷冻新批次的产品。
40.图3所示的流程图300示出了根据本发明实施例的用于将包含液体的散装产品冷冻干燥的方法。系统被初始调节，如在框310所示。通过使液氮循环通过双壁或通过使用其它冷却元件来冷却低温容器210。用诸如无菌氮气的气氛吹扫低温容器。然后在框320处使用加压氮气将液体产品从液体产品贮存器266装载到与喷嘴240相邻的喷嘴供给系统。
41.然后开始冷冻干燥处理的冷冻阶段，如框330中所示。液体产品通过喷嘴分配并在低温容器210中被冷冻。隔离阀268定期打开以允许一定剂量的冷冻产品落到干燥腔室260的冷却的搁架250。在上述示例中，在冷冻每0.5l产品/介质悬浮液后打开阀。
42.在将隔离阀打开一次或多次以将产品转移到干燥腔室中之后，冷冻干燥处理的冷冻阶段在框340处结束。在示例性实施例中，最大批量是5l产品/介质悬浮液，导致搁架250上的床深为8-11mm。每次打开隔离阀268以将冷冻产品排出到搁架250上时，使用振动驱动器使搁架上的产品平整，如框350所示。
43.如框360所示，一旦搁架250被装载，隔离阀268就关闭，旁通管道中的阀打开。启动真空泵212以使用将干燥腔室连接至低温容器210的旁通管道214抽空干燥腔室260。然后，如框370所示，运行限定好的温度和压力序列，以干燥这批产品。该序列可以作为程序的一部分存储在控制系统的各个部件的可编程逻辑控制器中。在干燥操作完成后，干燥腔室和低温容器恢复到大气压，搁架250倾斜以收获干燥后的产品，并且可以使用窥镜264在线测
量nir残余水分。
44.本文所描述的系统和方法可部分地通过与下文描述的处理设备结合使用的工业控制器和/或计算机来执行。该设备由具有用于阀、马达等的操作逻辑的可编程逻辑控制器(plc)控制。经由pc提供与plc的接口。pc将用户定义的配方或程序加载到plc上以运行。plc将运行的历史数据上传到pc以便存储。pc也可以用于手动控制装置，操作特定步骤(例如冷冻、除霜、在线蒸气灭菌等)。
45.plc和pc包括中央处理单元(cpu)和存储器，以及经由总线连接至cpu的输入/输出接口。plc经由输入/输出接口连接至处理设备以从传感器接收数据，所述传感器监测设备的各种条件，例如温度、位置、速度、流量等。plc还连接至作为设备的一部分的操作装置。
46.存储器可以包括随机存取存储器(ram)和只读存储器(rom)。存储器还可以包括诸如硬盘驱动器、磁带驱动器等或其组合的可移除介质。ram可以用作存储在执行cpu中的程序期间所用数据的数据存储器，并且用作工作区。rom可以用作用于存储包括在cpu中执行的步骤的程序的程序存储器。程序可以位于rom上，并且可以存储在可移除介质或plc或pc中的任何其它非易失性计算机可用介质上，作为存储在其上的计算机可读指令而供cpu或者其它处理器执行，以执行本文公开的方法。
47.前述详细描述应在各个方面理解为说明性和示例性的，而非限制性的，本文所公开的本发明的范围不应由具体实施方式确定，而应该由根据专利法允许的完整范围解释的权利要求书确定。应当理解的是，本文所示出和所描述的实施例仅是本发明原理的示例并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下进行各种变型。