冻干工艺开发如何设置合理的退火参数

1 前言

退火是冻干过程中常用的处理方法。退火一般是指在样品冻结后将其升高至低于共晶温度T_e高于湿基质玻璃态转变温度T_g’的温度，并维持一段时间后再降温的工艺。其工艺曲线如图1中紫色方框区域所示。退火处理可以有效改善样品应力集中的问题，提升干燥效率，增加样品塌陷温度。因此，退火工艺在冻干技术中被广泛采用。

图1 退火工艺典型温度曲线（图中黄色曲线）

然而，退火工艺参数设置正确与否，在很大程度决定了退火工艺是否能发挥效果。在实际过程中，大家设置退火过程的升温速率，降温速率和恒温时间度主要参考经验。在这篇文章中，我们将结合客户委托实例，为大家分析退火参数合理设置的重要性，阐明如何基于冻干过程原理合理设置退火参数。

2 问题描述

本次测试的样品为抗生素，客户要求测试不同降温方式（慢冻，速冻，速冻+退火，慢冻加退火）下的塌陷温度。在实际测试过程中，前面三种降温方式下样品对应的塌陷温度都能顺利测量得到，但是在慢冻+退火模式下，无法观察在升华过程中到样品的水线，开谱LyoVision A1 冻干显微镜下观察到的干燥阶段样品图像如图2所示。 

图2 不同干燥温度下的样品形态

从图中可以看出，在真空条件下，尽管样品的温度在不断上升，但是显微镜的视野中却并未出现升华界面，而当温度进一步上升至-14.6 ℃时，板样品整体亮度开始逐渐提升，内部散射点均匀性下降，局部出现微小亮斑与暗区，表明样品内部发生了冰晶融化现象。

这一现象与塌陷测量过程中出现的冰晶融化并不相同，在塌陷测量过程中，冰晶融化是因为样品结构塌陷，冰晶升华的水蒸气无法排出，导致冰晶表面饱和蒸气压增加，从而使得冰晶温度升高发生融化。而在图2所示的过程中，样品并未发生升华（未观察到水线），样品之所以发生融化是因为其温度可能超过其共晶点温度/玻璃态转变温度，导致冰晶融化。

从以上分析可以看出，对于该样品，当使用慢冻+退火的条件时，其不能正常升华，也能难以测量其塌陷温度。

3 问题分析

3.1 原因推断

上述现象乍看是违背常识的。一般来说，预冻速率（慢冻/快冻）会对样品的塌陷温度产生一定的影响，退火也会对样品的塌陷温度有一定的影响，但是这些影响是在一定范围内，而不至于导致样品测量不出塌陷温度。而且从图2所示的测量过程来看，样品根本没有发生升华，冰晶无法升华，也就通过升华产生的冷量降低样品温度，最终导致样品温度升高至高于共晶点温度，导致样品融化且干燥失败。

那么冰晶无法升华有多种原因，最常见的是低于其三相点压力与升华通道被堵塞。在上述案例中，其真空度未见异常，那么最有可能的便是升华通道被堵塞，而塌陷温度测量过程中，样品上表面覆盖有玻璃片，以保证样品厚度均匀与便于观察，这也意味着冰晶无法从上表面离开。在正常测量过程中，冰晶从侧面开始升华。而在图2所示的升华干燥过程中，样品无法升华意味着，冰晶升华形成的水蒸气无法从样品侧面逸出，而这种现象出现的原因在于“结壳"。样品侧面形成了一层致密的溶质层，不存在孔隙，水蒸气无法从其中逸出，最终导致了样品升华失败。

“结壳"的原因如下图所示。

图3 样品外表结壳原因分析

那么这就带来了另一个问题，为什么在其他三种预冻方式下，样品没有出现这种“结壳"现象，而只有在慢冻和退火形式下出现了呢。这其实和溶质迁移速度与冰锋界面移动速度相对大小有关系。具体关系如下图所示，而冰锋界面移动速度与预冻速率密切相关，当预冻速率较大时，冰锋界面移动速率就大，反之亦然。

图4 预冻过程中溶质迁移速度与冰锋界面速度关系示意图

在慢冻+退火的预冻方式下。首先溶质在慢冻条件下，外表面溶质浓度相对较高，而在后续退火阶段，部分冰晶首先升温融化，被限制在冰晶缝隙中的溶质经历了再分布过程，而由于退火工艺默认的降温速率（0.5 ℃/min）较低，溶质在样品外表面堆积，最终形成了致密的外壳，导致冰晶无法正常升华。

3.2 解决思路

基于上述思路，既然是因为冰锋界面速度低于溶质扩散速率导致的样品结壳现象，我们后续改变了退火工艺降温阶段的降温速率，图5和图6分别展示了退火降温速率为1 ℃/min和5 ℃/min时样品干燥过程记录。

图5 退火降温速率为1 ℃/min时的样品干燥过程记录

图6 退火降温速率为5 ℃/min时的样品干燥过程记录

对比图5和图6可以发现，当退火降温速率为1 ℃/min 时，仍然未能观察到样品的干燥过程，但当退火降温速率提升到5 ℃/min 时，便能观察到样品的干燥过程，也能测定样品的塌陷温度。这也验证了我们的分析与推测。

4 结论

在这篇文章中，我们结合工程实际，分析了样品退火后不能测定塌陷温度的原因，即较低的退火降温速率叠加慢冻的影响，导致样品外表面发生结壳，冰晶无法顺利升华。并给大家进一步介绍了样品结壳现象和溶质迁移现象。这个案例说明参数的设置要有根据，而不能仅仅是根据经验去设置。像在这次案例中，如果按照经验去设置相应参数，那我们永远不能知道样品在慢冻+退火情况下的塌陷温度。只有在深入了解与掌握冻干过程背后原理的前提下，我们才能更好地设置冻干工艺参数。

而了解冻干过程背后原理不仅仅需要理论上的掌握，还需要不断的实践，在这个过程中，合适的工具是非常重要的，开谱自主研发冻干显微镜，原位实时观测冻干全过程，精准测定冻干关键温度，高效解决冻干各类工艺难题。