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(xiàn)代制藥裝備系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，上海 201108）

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

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

可控凍融技術(shù)不僅可以實現(xiàn)溫度的有效控制，而且可以在較短時間內(nèi)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(shù)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(xiàn)。直接接觸式可控凍融是將換熱介質(zhì)（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(dá)到快速降溫和快速升溫，實現(xiàn)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(fēng)險；間接接觸式可控凍融是通過換熱介質(zhì)（合成硅油）流經(jīng)換熱面將熱量或冷量直接帶走，從而在較短時間內(nèi)完成生物原液快速冷凍和解凍。基于生物原液對熱敏感的特性，本文給出了兩種易于實現(xiàn)商業(yè)化、大規(guī)模生產(chǎn)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)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(zhì)循環(huán)單元、料液循環(huán)單元、加料排放單元。制冷單元是由壓縮機、輔冷器、節(jié)流閥、換熱器1組成；換熱介質(zhì)循環(huán)單元是由凍融罐、循環(huán)泵、加熱器、換熱器2組成；料液循環(huán)單元是由循環(huán)蠕動泵、循環(huán)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(nèi)，壓縮機工作，循環(huán)泵工作，從壓縮機出來的高溫高壓的液態(tài)制冷劑通過節(jié)流閥，成為低溫低壓的液體，然后通過換熱器1，制冷劑蒸發(fā)吸熱，換熱器1溫度降低；循環(huán)泵將較高溫度的換熱介質(zhì)循環(huán)至換熱器1，通過與制冷劑換熱，換熱介質(zhì)溫度降低，通過循環(huán)至換熱器2并與外表面的料液進(jìn)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(huán)單元中的換熱介質(zhì)，使其不斷降溫，循環(huán)單元中的低溫?fù)Q熱介質(zhì)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(dá)到冰點，結(jié)冰由外到內(nèi)，結(jié)冰后繼續(xù)降溫，以此循環(huán)，料液結(jié)冰，全部冷凍，直至溫度到達(dá)設(shè)定溫度，運行結(jié)束，壓縮機停機，循環(huán)泵停機。在解凍模式，凍融罐內(nèi)部為冷凍完成后的固態(tài)料液，此時壓縮機不工作，循環(huán)泵工作，加熱器工作，換熱介質(zhì)通過加熱器，溫度升高，通過循環(huán)泵循環(huán)至換熱器2并與外表面的固態(tài)料液進(jìn)行熱交換使其升溫，固態(tài)料液開始融化，由外及內(nèi)，靠近最外側(cè)先融化，直至全部融化，當(dāng)凍融罐內(nèi)部的固態(tài)料液全部融化為液態(tài)并且達(dá)到設(shè)定溫度時，加熱器停止工作，循環(huán)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(yīng)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(chǎn)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(guī)模的液態(tài)生物原液凍融處理。裝置的生產(chǎn)效率受換熱器2的使用面積、降溫速率等影響，需要根據(jù)液態(tài)生物原液的特性和凍融要求進(jìn)行工藝優(yōu)化。除此之外，通過在冷凍和解凍階段增加料液循環(huán)，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(jié)構(gòu)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(zhì)循環(huán)單元。制冷單元是由壓縮機、輔冷器、節(jié)流閥、換熱器1組成；換熱介質(zhì)循環(huán)單元是由凍融箱、循環(huán)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(huán)泵工作，從壓縮機出來的高溫高壓的液態(tài)制冷劑通過節(jié)流閥，成為低溫低壓的液體，然后通過換熱器1，制冷劑蒸發(fā)吸熱，換熱器1溫度降低；循環(huán)泵將較高溫度的換熱介質(zhì)循環(huán)至換熱器1，通過與制冷劑換熱，換熱介質(zhì)溫度降低，通過循環(huán)至換熱器2并與外表面的料液進(jìn)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(huán)單元中的換熱介質(zhì)，使其不斷降溫，循環(huán)單元中的低溫?fù)Q熱介質(zhì)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(dá)到冰點，結(jié)冰由外到內(nèi)，結(jié)冰后繼續(xù)降溫，以此循環(huán)，料液結(jié)冰，全部冷凍，直至溫度到達(dá)設(shè)定溫度，運行結(jié)束，壓縮機停機，循環(huán)泵停機。在解凍模式，凍融箱內(nèi)部平板上放置冷凍完成后的固態(tài)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(huán)泵工作，加熱器工作，換熱介質(zhì)通過加熱器，溫度升高，通過循環(huán)泵循環(huán)至換熱器2并與外表面的固態(tài)料液進(jìn)行熱交換使其升溫，固態(tài)料液開始融化，由外及內(nèi)，靠近最外側(cè)先融化，直至全部融化，當(dāng)凍融箱內(nèi)部的固態(tài)料液全部融化為液態(tài)時，加熱器停止工作，循環(huán)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(guī)模的液態(tài)生物原液凍融處理。裝置的生產(chǎn)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(jù)液態(tài)生物原液的特性和凍融要求進(jìn)行工藝優(yōu)化。

3 典型運行參數(shù)

（1）待處理液態(tài)生物原液的溫度

一般液態(tài)生物原液靜止放置在凍融罐或凍融箱內(nèi)，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(tài)生物原液溫度一般在-5～-1℃之間。由于冷凍過程屬于漸進(jìn)式的過程，最外側(cè)先到達(dá)冰點，先結(jié)冰，溫度降低最快，最內(nèi)側(cè)（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(tài)生物原液最終需要達(dá)到的終點溫度（冷凍貯存溫度）。冷凍溫度是由液態(tài)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(tài)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(tài)生物原液完全融化成液態(tài)，最終需要達(dá)到的終點溫度。解凍溫度同樣也是由液態(tài)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(tài)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(xiàn)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(jìn)行解凍，效率會大打折 扣。

（4）循環(huán)換熱介質(zhì)的溫度

循環(huán)換熱介質(zhì)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(zhì)，過程中不發(fā)生相變，且熱阻較小，可忽略不計，因此，循環(huán)換熱介質(zhì)的溫度可以同制冷劑溫度一致。也就是說，冷凍模式下，循環(huán)換熱介質(zhì)的溫度比液態(tài)生物原液的溫度低3～5℃即可；解凍模式下，循環(huán)換熱介質(zhì)的溫度比固態(tài)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(shù)[5]COPR有關(guān)，而制冷性能系數(shù)COPR與換熱器1內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)溫度TE、輔冷器中制冷劑的冷凝溫度TC有關(guān)，當(dāng)按照理想的逆卡諾循環(huán)運行時，制冷性能系數(shù)COPR近似計算公式為：

式中COPR——制冷單元的制冷系數(shù)，無因次；

TE——換熱器1內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)溫度，K；

TC——輔冷器中制冷劑的冷凝溫度，K。

根據(jù)上述典型運行參數(shù)，取制冷單元的蒸發(fā)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(shù)為逆卡諾循環(huán)的60%計算，則實際裝置的制冷系數(shù)為：

可控凍融裝置運行時，制冷單元中制冷劑的蒸發(fā)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(dāng)制冷劑的冷凝溫度一定時，制冷單元的制冷系數(shù)會隨著蒸發(fā)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(shù)。因此，為了獲得較高的能源效率，建議從提高蒸發(fā)溫度和降低冷凝溫度進(jìn)行綜合考慮。

（2）適用液態(tài)生物原液特性

液態(tài)生物原液濃度較高時，冰點溫度隨之降低，這會導(dǎo)致所需蒸發(fā)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(tài)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(guān)。因此，可控凍融裝置適合換熱表面較規(guī)則、凍融距離較小的場合。

5 結(jié)束語

可控凍融技術(shù)具有處理效率高、操作溫度可控、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點。文中給出了兩種間接接觸式可控凍融裝置均可實現(xiàn)對生物原液的高效冷凍和解凍處理，且結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，可通過對制冷劑的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度進(jìn)行優(yōu)化控制，獲得較高的能源利用效率。

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