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Study on freeze-drying process of human coagulation factor Ⅷ

人凝血因子Ⅷ制剂冻干工艺



全 文 :第 12卷第 5期
2014年 9月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 12 No􀆰 5
Sep􀆰 2014
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2014􀆰 05􀆰 013
收稿日期:2014-03-11
基金项目:江西省重点新产品计划(20052527)
作者简介:张丽铃 ( 1987—),女,江西新余人,硕士研究生,研究方向:蛋白制剂的工艺;何淑琴 (联系人 ),高级工程师, E⁃mail:
469068018@ qq􀆰 com
人凝血因子Ⅷ制剂冻干工艺
张丽铃,何淑琴,梁小明,黄  璠
(江西博雅生物制药股份有限公司,抚州 344000)
摘  要:优选了人凝血因子Ⅷ(FⅧ)制剂的冻干工艺。 通过电阻法测定共晶点,再采用正交试验法,对预冻温度、主
要干燥温度、主干燥时间、解析温度与真空压力等进行研究以优选冻干工艺,得到最佳的冻干工艺:-40 ℃预冻
1􀆰 5 h;主要干燥温度从-40 ℃升温至-33 ℃,再从-33 ℃升温至 0 ℃,总耗时 36 h,真空压力为 30 Pa;解析温度维
持在 35 ℃,真空压力为 5 Pa,于终点测试压力无变化时结束。 由于该工艺冻干出的人凝血因子Ⅷ制剂符合《中国
药典》3部该项下的质量要求,经验证该冻干工艺能够应用于人凝血因子Ⅷ制剂的大规模生产。
关键词:冻干;人凝血因子Ⅷ;正交试验
中图分类号:R973+􀆰 1        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2014)05-0074-06
Study on freeze⁃drying process of human coagulation factor Ⅷ
ZHANG Liling,HE Shuqin,LIANG Xiaoming,HUANG Fan
(Jiangxi Boya Biopharmaceutical Co., Ltd.,Fuzhou 344000,China)
Abstract:The freeze⁃drying process of human coagulation factor Ⅷ (FⅧ) was optimized􀆰 Eutectic point
was determined and the key parameters of FⅧ vacuum freeze⁃drying process were studied by orthogonal
experiment􀆰 The optimum freeze⁃drying process is as follows: pre freezing at - 40 ℃ for 1􀆰 5 h, main
drying temperature from -40 to -33 ℃, then to 0 ℃, total time 36 h, and vacuum pressure 30 Pa. The
temperature of desorption was maintained at 35 ℃, vacuum pressure was 5 Pa, and the experiment
finished when the final test pressure was not changed. The FⅧ by this process met the requirement of the
Chinese Pharmacopoeia.
Key words:freeze⁃drying;human coagulation factor Ⅷ;orthogonal experiment
    人凝血因子Ⅷ(FⅧ)是 1 种血浆糖蛋白,在正
常人血浆中的质量浓度约为 0􀆰 1~0􀆰 2 g / mL,半衰期
为 12 h。 在人体凝血过程中,FⅧ的缺陷会导致某
种严重的遗传性出血性疾病———甲型血友病[1]。
甲型血友病目前仍没有根治的方法,是终生性疾
病,只能进行替代性治疗,输注凝血因子 FⅧ是治疗
甲型血友病的首选。 但是,目前国内市场上的 FⅧ
产品严重不足,危及国内患者的健康和生命安全。
为保留 FⅧ的生物活性,且便于运输、储存,须
将制剂进行冻干。 冻干过程能除去制剂中 95% ~
99%的水分,使产品能长期保存而不变质[2]。 但生
物制品热稳定性差且组成结构差异明显,至今还没
有通用的数字化冻干体系,而在不恰当参数下进行
冻干很容易使生物制品变性失活[3-4]。 因此,笔者
所在单位正积极研制 FⅧ制剂,以期能为血友病患
者提供更多安全、有效的药品。
1  材料和方法
1􀆰 1  主要材料
人凝血因子Ⅷ(未冻干,每瓶 10 mL 为 220 IU),
批号为 S20130501、S20130602 和 S20120603,由江西
博雅生物制药股份有限公司生产,以质量分数 2%的
甘氨酸作为冻干保护剂。
1􀆰 2  主要设备
凝血因子 Ⅷ 促凝活性检测试剂盒, 购于
Instrumentation Laboratory 公司;全自动血凝分析仪
(ACL7000型),购于美国贝克曼公司;真空冷冻干
燥机(LYO 10 LYO 15 型),购于上海东富龙科
技股份有限公司。
1􀆰 3  方法
1􀆰 3􀆰 1  溶液共晶点的测定[5]
溶液共晶点采用简易的电阻法测量,用 2 根粗
细适当而又互相绝缘的铜丝插入盛有样品溶液的
容器中,作为电极。 在铜电极附近插入 1支温度计,
然后放入-80 ℃的冰箱中冷冻至完全冻结,取出,将
电极接入万用电表电阻档,缓慢对样品进行升温,
记录升温过程中的样品温度及对应的电阻值。 开
始电阻很大,近无限,当样品温度升高后,电阻值开
始变小,当升到某一温度时,电阻值大幅下降,并接
近于 0,这时对应的温度即为样品的共晶点温度。
1􀆰 3􀆰 2  冻干产品质量的评价[6]
1)目检外观应为乳白色疏松体,复溶后溶液应
为无色澄清液体,可带轻微乳光。
2)水分按卡尔费休氏法测定,质量分数应不高
于 3􀆰 0%。
3)复溶时间:将供试品平衡至 25 ~ 37 ℃,按标
示量加入 25~37 ℃灭菌注射用水,轻轻摇动,应于
30 min内完全溶解。
1􀆰 3􀆰 3  人凝血因子Ⅷ活性的测定
凝血因子Ⅷ活性测定采用全自动凝血仪及检
测试剂盒进行检测,方法参照文献[7]。
1􀆰 3􀆰 4  单因素试验
在进行正交试验之前,先参照本公司凝血类产
品人纤维蛋白原的成熟冻干工艺,选择影响冻干的
4个主要因素:预冻时间、主干燥温度、主干燥时间、
解析温度和真空压力(因解析温度和真空压力对产
品质量影响具有协同性,故将两者设定为 1 个因
素)进行单因素试验。 拟定的冻干工艺:将制品降
温到比 1􀆰 3􀆰 1试验所得的药液共晶点(X)低 30 ℃,
设为预冻温度,预冻 1 h;主要干燥温度为 X-20 到
0 ℃;主干燥时间、真空压力为 30 h、30 Pa;解析温
度维持在 30 ℃,真空压力为 3 Pa,终点测试压力无
变化时结束。 进行单因素试验时,其他因素按起始
拟定的冻干工艺进行,单因素水平见表 1。
表 1  单因素实验设计
Table 1  Design of single factor experiment
水平
因素
A B C D
预冻时间 / h 主要干燥温度 / ℃ 主干燥时间 / h 解析温度 / ℃ 真空压力 / Pa
1 0􀆰 5 X-25 ®0 28 25 3
2 1􀆰 0 X-23 ®0 30 27 3
3 1􀆰 5 X-21 ®0 32 30 3
4 2􀆰 0 X-19 ®0 34 33 5
5 2􀆰 5 X-17 ®0 36 35 5
1􀆰 3􀆰 5  正交试验设计
根据单因素试验结果,选出各因素 3 个较佳的
水平进行正交试验。 使用正交设计助手软件进行
试验设计,选用 L9 34正交表,每次取批号 S20130501
未冻干药液 50瓶进行冻干,共 9次试验。
1􀆰 3􀆰 6  优选实验
将正交试验中分别以外观合格率、水分和复溶
时间为衡量指标,筛选出的较优冻干工艺进行进一
步的筛选。 每次取批号为 S20130501 未冻干药液
50瓶,按一种冻干工艺进行冻干,以外观合格率、水
分、复溶时间及凝血因子Ⅷ效价为综合衡量指标,
筛选出最优的冻干工艺。
1􀆰 3􀆰 7  验证实验
将批号为 S20130602、S20130603 的 FⅧ药液,
57  第 5期 张丽铃等:人凝血因子Ⅷ制剂冻干工艺
分成 6批,每批 100 瓶。 按 1􀆰 3􀆰 6 优选实验筛选出
的最优冻干工艺进行冻干,验证该工艺的适用性。
2  结果与讨论
2􀆰 1  共晶点的测定结果
冻干过程中温度与电阻的关系曲线见图 1。 从
图 1中电阻变化的转折点可知:测定 FⅧ的共晶点
为-10 ℃。 本试验采用简易的万用表电阻法,由于
在测定过程中存在电解作用且万用表对高阻值灵
敏不高。 因此,用这种方法测量所测共晶点可能存
在一定误差,但从实验结果来看仍有参考价值。
图 1  冻干过程中温度与电阻的关系曲线
Fig􀆰 1  Relation curve of temperature and resistance
in freeze⁃drying process
2􀆰 2  单因素试验结果
按照单因素试验安排表进行试验,得出各因素
对产品质量的影响,具体结果见表 2~表 5。
表 2  预冻时间对产品质量的影响
Table 2  Effects of freezing time on product quality
预冻时间 /

外观合格率 /

水分含量 /

复溶时间 /
min
0􀆰 5 48 5􀆰 5 15
1􀆰 0 81 3􀆰 6 12
1􀆰 5 87 3􀆰 3 9
2􀆰 0 86 3􀆰 1 13
2􀆰 5 65 3􀆰 1 22
    由表 2可知:预冻时间仅 0􀆰 5 h 时,冻干产品水
分含量太高;预冻时间从 1 到 2 h,外观合格率能达
到 80%以上;预冻时间延长到 2􀆰 5 h时,外观合格率
明显降低,且时间长、能耗高,因此选择预冻时间 1、
1􀆰 5和 2 h作为正交试验的水平。
由表 3结果选择-33、-31和-29 ℃作为主要干
燥温度的 3个水平参与正交试验。
表 3  主干燥温度对产品质量的影响
Table 3  Effects of drying temperature on
product quality
主干燥
温度 / ℃
外观合格率 /

水分含量 /

复溶时间 /
min
-35 57 6􀆰 5 17
-33 71 3􀆰 6 9
-31 79 3􀆰 6 8
-29 83 3􀆰 2 8
-27 69 3􀆰 1 9
    从表 4可知:主要干燥时间在 34 h 左右,外观
合格率达到 91%,水分含量接近国家药典标准[9],
主干燥时间太短则水分含量高,复溶时间长。
表 4  主干燥时间对产品质量的影响
Table 4  Effects of drying time on product quality
主干燥
时间 / min
外观合格率 /

水分含量 /

复溶时间 /
min
28 60 7􀆰 1 17
30 83 3􀆰 5 11
32 87 3􀆰 4 7
34 91 2􀆰 7 5
36 91 2􀆰 3 4
根据表 5可得:解吸温度、真空压力在 33 ℃、5
Pa 和 35 ℃、5 Pa下,冻干产品质量可达到 90%以上
的合格率。 根据以上的单因素实验结果进行正交
试验,正交试验因素水平如表 6所示。
表 5  解吸温度、真空压力对产品质量的影响
Table 5  Effects of desorption temperature and vacuum
pressure on product quality
解吸温度 /

真空压力 /
Pa
外观合
格率 / %
水分含
量 / %
复溶时间 /
min
25 3 68 8􀆰 2 16
27 3 80 3􀆰 5 10
30 3 87 3􀆰 1 7
33 5 93 2􀆰 2 6
35 5 93 1􀆰 9 3
67 生  物  加  工  过  程    第 12卷 
表 6  因素位级表
Table 6  Data of factors grades
水平 A B C D
1 1 33 32 (30,3)
2 1􀆰 5 31 34 (33,5)
3 2 29 36 (35,5)
2􀆰 3  正交设计试验结果
将预冻温度设定为-40 ℃进行正交试验。 各组
试验以目检外观合格率、残余水分含量、复溶时间
作为试验结果,将结果使用正交设计助手软件进行
分析,直观分析结果见表 7,方差分析结果见表8~
表 10。
表 7  正交试验结果
Table 7  Results of orthogonal test
编号
水平 试验结果
A B C D 外观合格率 / % 水分 / % 复溶时间 / min
1 1 1 1 1 87 3􀆰 3 7
2 1 2 2 2 89 2􀆰 8 6
3 1 3 3 3 91 2􀆰 0 5
4 2 1 2 3 95 1􀆰 9 4
5 2 2 3 1 93 2􀆰 3 5
6 2 3 1 2 89 2􀆰 6 5
7 3 1 3 2 71 2􀆰 7 8
8 3 2 1 3 65 3􀆰 5 11
9 3 3 2 1 68 3􀆰 2 9
外观合格率
K1 89􀆰 000 84􀆰 333 80􀆰 333 82􀆰 667
K2 92􀆰 333 82􀆰 333 84􀆰 000 83􀆰 000
K3 68􀆰 000 82􀆰 667 85􀆰 000 83􀆰 667
R 24􀆰 333 2􀆰 000 4􀆰 667 1􀆰 000
水分
K1 2􀆰 700 2􀆰 633 3􀆰 133 2􀆰 933
K2 2􀆰 267 2􀆰 867 2􀆰 633 2􀆰 700
K3 3􀆰 133 2􀆰 600 2􀆰 333 2􀆰 467
R 0􀆰 866 0􀆰 267 0􀆰 800 0􀆰 466
复溶时间
K1 6􀆰 000 6􀆰 333 7􀆰 667 7􀆰 000
K2 4􀆰 667 7􀆰 333 6􀆰 333 6􀆰 333
K3 9􀆰 333 6􀆰 333 6􀆰 000 6􀆰 667
R 4􀆰 666 1􀆰 000 1􀆰 667 0􀆰 667
    使用正交设计助手软件进行设计,由表 7可知: 以外观合格率为衡量标准时,由各因素极差大小可
77  第 5期 张丽铃等:人凝血因子Ⅷ制剂冻干工艺
知各因素主次关系(由主到次,下同)为 A、C、B、D,
较优的冻干工艺为 A2B1C3D3;以水分含量为衡量标
准时,各因素主次关系为 A、C、D、B,较优的冻干工
艺为 A2B3C3D3;以复溶时间为衡量标准时,各因素
主次关系为 A、 C、 B、 D, 较优的冻干工艺为
A2B3C3D2 或 A2B1C3D2。 从上述 3 个指标分析均得
出同样的结果,即预冻的时间是最大的影响因素,
其次是主干燥的时间,主干燥温度和解吸的温度与
压力影响较小。
由方差分析表 8 ~表 10 可知:以外观合格率为
衡量指标时,因素 A(预冻时间)和因素 C(主干燥的
时间)有显著性影响,其他因素无显著统计学意义。
以复溶时间为衡量指标时,因素 A(预冻时间) 有显
著性影响,相比之下,主干燥的温度、主干燥的时间、
解析温度与压力对水分残留量均无显著性影响。 将
A2B1C3D3、A2B3C3D3、 A2B3C3D2 及 A2B1C3D2 进行下
一步的对比优选实验。
表 8  外观合格率方差分析
Table 8  Variance analysis of appearance eligibility
rate in orthogonal test
因素 偏差平方和 自由度 F比 F临界值 显著性
A 1044􀆰 222 2 671􀆰 094 19􀆰 000 ∗
B 6􀆰 889 2 4􀆰 427 19􀆰 000
C 36􀆰 222 2 23􀆰 279 19􀆰 000 ∗
D 1􀆰 556 2 1􀆰 000 19􀆰 000
误差 1􀆰 56 2
表 9  水分含量方差分析
Table 9  Variance analysis of water content
因素 偏差平方和 自由度 F比 F临界值 显著性
A 1􀆰 127 2 8􀆰 874 19􀆰 000
B 0􀆰 127 2 1􀆰 000 19􀆰 000
C 0􀆰 980 2 7􀆰 717 19􀆰 000
D 0􀆰 327 2 2􀆰 575 19􀆰 000
误差 0􀆰 13 2
2􀆰 4  优选实验结果
4种较优的冻干工艺进行对比优选实验,结果
见表 11。 从表 11 可知:A2B1C3D3 为最优的冻干工
艺方案,依照此方案冻干工艺进行验证实验。
表 10  复溶时间方差分析
Table 10  Variance analysis of dissolution time
因素 偏差平方和 自由度 F比 F临界值 显著性
A 34􀆰 667 2 51􀆰 975 19􀆰 000 ∗
B 2􀆰 000 2 2􀆰 999 19􀆰 000
C 4􀆰 667 2 6􀆰 997 19􀆰 000
D 0􀆰 667 2 1􀆰 000 19􀆰 000
误差 0􀆰 67 2
表 11  优选实验结果
Table 11  Result of optimization experiment
冻干
工艺
外观合
格率 / %
水分含
量 / %
复溶时间 /
min
凝血因子
Ⅷ效价 /
( IU·瓶-1)
A2B1C3D3 98 1􀆰 6 3 205
A2B3C3D3 98 1􀆰 5 3􀆰 3 200
A2B3C3D2 97 1􀆰 5 3􀆰 5 202
A2B1C3D2 99 1􀆰 8 3􀆰 3 204
2􀆰 5  验证实验结果
表 12 为验证结果。 由表 12 可知:6 次验证实
验冻干后的制品各项检定结果均符合《中国药典》
2010年版 3 部的要求[7]。 冷冻干燥可排除药品制
剂中 96%以上的水分,这样可以使干燥后的药品干
粉能长期保存而不变质[8]。 实验结果间误差较小,
表明该冻干工艺的稳定性良好,适用性强。
表 12  验证实验结果
Table 12  Result of confirmatory experiment
批号 外观合格率 /%
水分含量 /

复溶时间 /
min
S20130602 1 99 1􀆰 5 3
S20130602 2 99 1􀆰 5 3
S20130602 3 98 1􀆰 4 2
S20130603 1 98 1􀆰 6 2
S20130603 2 99 1􀆰 5 3
S20130603 3 99 1􀆰 5 2
根据预冻时间,常将冻结方法分为快速冻结
法、缓慢冻结法和反复冻结法。 快速冻结法产生的
冰晶较小,间隙小,不利于升华干燥速度慢,但所得
产品均匀;缓慢冻结法产生的冰晶较大,利于升华
87 生  物  加  工  过  程    第 12卷 
干燥时水分的排出,但易造成喷瓶;反复冻结法,是
将产品冷冻到共晶点以下温度之后,进行回热处
理,可以变小结晶为大结晶,得到晶体间隙大的孔
隙率,从而提高干燥的效率,缩短干燥时间,但是容
易使产品结构发生变化[9]。
本工艺采用的是快速冻结法,采用一定的冻结
速度使制品迅速形成冰的网状结构,增加小颗粒的
冰品,从而使制品中组分分布均匀,冻后制品外观
好。 另外冻干过程是 1个复杂的相变过程,在冻结、
冻融、干燥和储存过程中,存在着多种诱导人凝血
因子Ⅷ变性的因素,因此须进一步研究使用保护剂
来稳定人凝血因子Ⅷ制剂。
3  结  论
本试验采用简易的万用表电阻法来初步测定
人凝血因子Ⅷ药液的共晶点在-10 ℃左右,因此设
定预冻温度为-40 ℃。 此时生物制品可实现玻璃化
冻结,冰晶呈玻璃态,对制品的损伤较小。 在试验
中每批制品的总装量及瓶装量均一致,避免总装量
及瓶装量对冻干效果的影响。 通过正交实验得出
最佳冻干工艺为 A2B1C3D3,即:-40 ℃预冻 1􀆰 5 h;
主要干燥温度从-40 ℃升温至-33 ℃,再从-33 ℃
升温至 0 ℃,总耗时 36 h,真空压力为 30 Pa;解析温
度维持在35 ℃,真空压力为 5 Pa,终点测试压力无
变化时结束。 在该工艺条件下冻干产品的外观合
格率可达到 98%以上,含水量仅为 1􀆰 4% ~1􀆰 6%,复
溶时间只需 2 ~ 3 min,符合《中国药典》 2010 版要
求。 通过 6次实验对该工艺进行验证,制品都得到
较好的冻干效果。 该研究得出的人凝血因子Ⅷ制
剂的冻干工艺,在生产中具有工艺稳定、可控的实
际意义,也将为研究其他冻干生物制品的冻干工艺
提供参考。
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(责任编辑  周晓薇)
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