基于生物原液的可控凍融裝置及其應用特性

郭全舉，劉超

（1.上海東富龍科技股份有限公司，上海 201108；2.上?，F代制藥裝備系統工程技術研究中心，上海 201108）

在生物制藥行業，可控凍融技術在單抗、疫苗、血液制品、細胞因子、益生菌等液態生物原液冷凍存儲中具有較好的應用前景。該技術集成了冷凍技術和解凍技術，通過可編程控制[1]的方式，冷凍儲存時，可以實現液態生物原液由液態快速轉化成固態，再次使用時，可以快速從固態解凍為液態。

傳統的液態生物原液冷凍存儲方式主要采用低溫冰箱進行冷凍貯存[2]，局部溫差較大、溫度不可控、低溫濃縮嚴重、效率低等問題較為突出。同時，解凍采用自然空氣室溫進行解凍或采用循環水浴或油浴進行解凍，仍然存在效率低下、微生物污染、滲漏等問題。傳統低效率的凍融[3-4]方式已無法滿足現代生物制藥企業生產要求。

可控凍融技術不僅可以實現溫度的有效控制，而且可以在較短時間內完成生物原液的冷凍和解凍操作，是一種可控的、強大的（冷凍與解凍一體化）、高效的技術手段?？煽貎鋈谥饕峭ㄟ^直接接觸式、間接接觸式兩種方式實現。直接接觸式可控凍融是將換熱介質（液氮、合成硅油、乙二醇等）直接噴灑在裝有生物原液的凍融儲液袋表面的方式，以達到快速降溫和快速升溫，實現冷凍和解凍，這種方式一方面溫度很難控制，另一方面存在較大的交叉污染、滲漏風險；間接接觸式可控凍融是通過換熱介質（合成硅油）流經換熱面將熱量或冷量直接帶走，從而在較短時間內完成生物原液快速冷凍和解凍?；谏镌簩崦舾械奶匦?，本文給出了兩種易于實現商業化、大規模生產的可控凍融裝置——盤管式可控凍融裝置和平板式可控凍融裝置，并分析了其基本結構、工作原理、主要特點。

1 盤管式可控凍融裝置

盤管式可控凍融裝置的基本結構如圖1所示。由圖1可見，盤管式可控凍融裝置是由三個基本單元組成：冷凍制冷單元、換熱介質循環單元、料液循環單元、加料排放單元。制冷單元是由壓縮機、輔冷器、節流閥、換熱器1組成；換熱介質循環單元是由凍融罐、循環泵、加熱器、換熱器2組成；料液循環單元是由循環蠕動泵、循環閥組成；加料排放單元是由料液加料閥、料液排放閥組成。

盤管式可控凍融裝置按照工作模式分為兩種：冷凍模式和解凍模式。冷凍模式，打開加料閥，料液通過蠕動泵泵送至凍融罐內，壓縮機工作，循環泵工作，從壓縮機出來的高溫高壓的液態制冷劑通過節流閥，成為低溫低壓的液體，然后通過換熱器1，制冷劑蒸發吸熱，換熱器1溫度降低；循環泵將較高溫度的換熱介質循環至換熱器1，通過與制冷劑換熱，換熱介質溫度降低，通過循環至換熱器2并與外表面的料液進行熱交換使料液中的水降溫，換熱器1不斷將冷量傳遞給循環單元中的換熱介質，使其不斷降溫，循環單元中的低溫換熱介質將冷量通過換熱器2不斷將冷量傳遞給料液使其降溫，溫度達到冰點，結冰由外到內，結冰后繼續降溫，以此循環，料液結冰，全部冷凍，直至溫度到達設定溫度，運行結束，壓縮機停機，循環泵停機。在解凍模式，凍融罐內部為冷凍完成后的固態料液，此時壓縮機不工作，循環泵工作，加熱器工作，換熱介質通過加熱器，溫度升高，通過循環泵循環至換熱器2并與外表面的固態料液進行熱交換使其升溫，固態料液開始融化，由外及內，靠近最外側先融化，直至全部融化，當凍融罐內部的固態料液全部融化為液態并且達到設定溫度時，加熱器停止工作，循環泵停機。

圖1 盤管式可控凍融裝置Fig.1 Coil-tube type controllable freeze-thaw device

盤管式可控凍融裝置使用時，換熱器2外表面必須跟料液直接接觸，除以上三個基本單元，還應配置清洗單元和滅菌單元，滿足驗證需求。盤管式可控凍融裝置占地面積小、容量大、操作簡單，但由于實際生產使用過程中需要清洗和滅菌驗證，適合50 L以上甚至更大規模的液態生物原液凍融處理。裝置的生產效率受換熱器2的使用面積、降溫速率等影響，需要根據液態生物原液的特性和凍融要求進行工藝優化。除此之外，通過在冷凍和解凍階段增加料液循環，可以加速冷凍和解凍過程，保證換熱過程更加均勻。

2 平板式可控凍融裝置

平板式可控凍融裝置的基本結構如圖2所示。由圖2可見，平板式可控凍融裝置是由兩個基本單元組成：冷凍制冷單元、換熱介質循環單元。制冷單元是由壓縮機、輔冷器、節流閥、換熱器1組成；換熱介質循環單元是由凍融箱、循環泵、加熱器、換熱器2組成。

圖2 平板式可控凍融裝置Fig.2 Plate type controllable freeze-thaw device

平板式可控凍融裝置按照工作模式同樣也分為兩種：冷凍模式和解凍模式。在冷凍模式，將灌裝完成后的2D 凍融儲液袋與換熱器2（平板式換熱板，可開合）充分接觸，壓縮機工作，循環泵工作，從壓縮機出來的高溫高壓的液態制冷劑通過節流閥，成為低溫低壓的液體，然后通過換熱器1，制冷劑蒸發吸熱，換熱器1溫度降低；循環泵將較高溫度的換熱介質循環至換熱器1，通過與制冷劑換熱，換熱介質溫度降低，通過循環至換熱器2并與外表面的料液進行熱交換使料液中的水降溫，換熱器1不斷將冷量傳遞給循環單元中的換熱介質，使其不斷降溫，循環單元中的低溫換熱介質將冷量通過換熱器2表面不斷將冷量傳遞給料液使其降溫，溫度達到冰點，結冰由外到內，結冰后繼續降溫，以此循環，料液結冰，全部冷凍，直至溫度到達設定溫度，運行結束，壓縮機停機，循環泵停機。在解凍模式，凍融箱內部平板上放置冷凍完成后的固態料液，使平板與2D 凍融儲液袋充分接觸，此時壓縮機不工作，循環泵工作，加熱器工作，換熱介質通過加熱器，溫度升高，通過循環泵循環至換熱器2并與外表面的固態料液進行熱交換使其升溫，固態料液開始融化，由外及內，靠近最外側先融化，直至全部融化，當凍融箱內部的固態料液全部融化為液態時，加熱器停止工作，循環泵停機。

平板式可控凍融裝置使用時，換熱器2外表面必須跟料液緊密接觸，在平整度保證的前提下，才能確保高效換熱，平板式換熱板加工要求較高。平板式可控凍融裝置占地面積小、容量大、操作簡單、清潔方便，同時不存在清洗、滅菌驗證的問題，適合中、大規模的液態生物原液凍融處理。裝置的生產效率受換熱器2的使用面積、平整度、溫度均勻性、降溫速率等影響，需要根據液態生物原液的特性和凍融要求進行工藝優化。

3 典型運行參數

（1）待處理液態生物原液的溫度

一般液態生物原液靜止放置在凍融罐或凍融箱內，冷凍前的溫度約為5℃左右，隨著生物原液溫度的降低，其冰點也會隨之下降，冰點溫度一般在-5～-1℃之間，即待處理的液態生物原液溫度一般在-5～-1℃之間。由于冷凍過程屬于漸進式的過程，最外側先到達冰點，先結冰，溫度降低最快，最內側（冷凍界面）液-固界面的溫度最高。

（2）冷凍溫度

冷凍溫度即液態生物原液最終需要達到的終點溫度（冷凍貯存溫度）。冷凍溫度是由液態生物原液的特性決定的，決定其生物活性或效價，屬于最佳保存溫度。一般液態生物原液冷凍保存溫度包括以下幾種：3～8℃、-30～-20℃、-50～-40℃、-80℃。常見的疫苗類生物原液對溫度不敏感，可以在較高溫度下保存；單抗類生物原液對溫度較為敏感，需要在較低溫度下儲存。

（3）解凍溫度

解凍溫度即冷凍儲存的固態生物原液完全融化成液態，最終需要達到的終點溫度。解凍溫度同樣也是由液態生物原液的特性決定的，決定其生物活性或效價，屬于最佳解凍溫度。一般液態生物原液解凍溫度：20～37℃。生物原液耐受溫度較高，可以在較高溫度下，實現快速解凍；生物原液耐受溫度較低，則需要在較低的溫度下進行解凍，效率會大打折 扣。

（4）循環換熱介質的溫度

循環換熱介質一般采用低黏度的合成硅油、乙二醇、冰河冷媒等，在冷凍和解凍模式下，僅作為換熱介質，過程中不發生相變，且熱阻較小，可忽略不計，因此，循環換熱介質的溫度可以同制冷劑溫度一致。也就是說，冷凍模式下，循環換熱介質的溫度比液態生物原液的溫度低3～5℃即可；解凍模式下，循環換熱介質的溫度比固態生物原液的溫度高3～5℃即可。

4 可控凍融裝置的特性分析

（1）能源效率特性

可控凍融裝置的能源效率與制冷性能系數[5]COPR有關，而制冷性能系數COPR與換熱器1內制冷劑的蒸發溫度TE、輔冷器中制冷劑的冷凝溫度TC有關，當按照理想的逆卡諾循環運行時，制冷性能系數COPR近似計算公式為：

式中COPR——制冷單元的制冷系數，無因次；

TE——換熱器1內制冷劑的蒸發溫度，K；

TC——輔冷器中制冷劑的冷凝溫度，K。

根據上述典型運行參數，取制冷單元的蒸發溫度為-40℃，冷凝溫度為30℃。將TE=-40℃=（273.15-40） K=233.15 K，TC=30℃=（273.15 + 30） K=303.15 K 帶入式（1）可得：

按照實際裝置的制冷系數為逆卡諾循環的60%計算，則實際裝置的制冷系數為：

可控凍融裝置運行時，制冷單元中制冷劑的蒸發溫度通常為-40～-25℃，輔冷器中的制冷劑的冷凝溫度通常為25～40℃。由上述公式可知，當制冷劑的冷凝溫度一定時，制冷單元的制冷系數會隨著蒸發溫度的降低而不斷降低。輔冷器的冷凝溫度的升高不利于制冷單元獲得較高的制冷系數。因此，為了獲得較高的能源效率，建議從提高蒸發溫度和降低冷凝溫度進行綜合考慮。

（2）適用液態生物原液特性

液態生物原液濃度較高時，冰點溫度隨之降低，這會導致所需蒸發溫度偏低，裝置運行功耗較大，因此可控凍融裝置較適合低濃度液態生物原液的處理。此外，可控凍融裝置運行時，冷凍時間和解凍時間存在一定的波動，冷凍時間和解凍時間長短與生物原液濃度、凍融包裝型式、換熱表面溫度等有關。因此，可控凍融裝置適合換熱表面較規則、凍融距離較小的場合。

5 結束語

可控凍融技術具有處理效率高、操作溫度可控、產品質量好等優點。文中給出了兩種間接接觸式可控凍融裝置均可實現對生物原液的高效冷凍和解凍處理，且結構簡單，操作靈活，可通過對制冷劑的蒸發溫度和冷凝溫度進行優化控制，獲得較高的能源利用效率。

可控凍融裝置進一步需解決的問題有：引入更加高效的制冷方式，如自復疊制冷或液氮制冷提升制冷效率；針對凍融換熱表面結構的優化研究；裝置運行參數的優化研究；換熱介質的選擇；生物原液包裝型式以及材質的研究；通過增加對流換熱的方式提高換熱效率的研究等。