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冷冻干燥工艺三个步骤：
其中预冻阶段除了将液体冻结为固体，还有将溶质与溶液通过相变进行分离的作用，因此一个好的预冻工艺不仅决定了后续步骤中干燥的效率，也会影响产品的关键质量属性（如：产品的水分，复溶速率等）。而在预冻工艺的设计中，退火是优化冻干工艺非常重要的一个手段。 预冻过程介绍 在退火程序开始前，溶液已经经历了一次预冻过程被冻结成固体，此时固体的组成对研究退火工艺至关重要。可以通过图1 二元相图进行简要的描述预冻过程。 图 1 二元相图 说明如下： 阶段一：（A→B→C→D）溶液从室温A开始降温，到达冰点B，由于无晶核存在，不发生结晶，从而形成过冷溶液，当到达C点时，形成晶核，发生结晶，整个溶液温度会回到冰点D点让水继续结晶。 阶段二：（D→Te）随着水结晶增多，未冻结相溶质浓度增大，当到达共晶点Te时，理论上会形成共晶体，但是实际上会有部分溶液无法形成共晶（根据溶质性质，形成共晶的比例会不同）。 阶段三：（Te→E→Tg’）非晶态溶液继续降温形成过饱和溶液，最终在Tg’点完全固化，形成玻璃体，同事玻璃体中也会包含部分未来得及结晶的水分子即结合水。 阶段四：（Tg’→F）进一步降温，这时结晶相和非晶相比例不会改变，此时形成了一个即有水的冰晶，共晶体，玻璃体的混合物。 以上的四个阶段都是理想的状况，而实际的预冻过程会更加复杂，预冻速率的加快会加重这种复杂程度，首先有部分水分子没有来得及按照理想状况形成晶格，而被包裹进非晶相溶液中；其次结晶快速生长会将非均相溶液分散隔绝开，不同区域内溶质浓度、性质区别也很大，如表面富集现象。 退火的原理 退火程序是将已冻结样品由温度F点升高到一定温度维持，再降低到F点冻结的过程。 从动力学角度来看，退火过程遵循吉布斯-居里-乌洛普的表面能理论：晶体的平衡形状应该是使晶体单位体积具有最小的总表面积自由能，简单来说就是表面积：体积比值趋向于最小化，即小的体积变成大体积，片状变成球状或圆柱状。 退火工艺参数的设计 依据预冻过程和退火的原理可知，退火涉及三个关键工艺参数：退火温度，退火维持时间，退火后降温时间。 根据热力学原理，退火温度应高于最大浓缩液玻璃化转变温度（temperature of vitreous transformation）Tg’，因为只有高于此温度时，已固化的非晶相才会回复成溶液状态，促进非晶态溶液中的水和其他物质重新结晶。有的文献认为应小于或等于共熔温度，因为在此温度才更有利于重结晶，而有的重结晶现象可以直接在热分析图谱中直接看到。因此DSC热分析是研究退火条件的重要手段。 图 2 甘露醇/蛋白溶液DSC分析曲线 退火维持时间，应该由溶质的结晶性质，退火的温度和装载高度等诸多因素决定，因此目前还没有合适的数学模型。文献报道可由实验确定最佳的退火时间，如蔗糖在-14℃退火30min，能显著提高升华效率，而要达到相似的效率，必须在-25℃退火更长的时间。对于常规的保护剂甘露醇或甘氨酸，如果充填高度度为1cm或更大，则建议温度为-20或-25℃，退火时间为2h或更长，内容如图 2 甘露醇/蛋白溶液DSC分析曲线所示。另外可以借助仪器如使用X射线衍射或DSC来研究退火条件以评估结晶度的发展。 退火的意义
总结 应用QbD的理念，在设计冻干工艺过程中，预冻阶段是否退火及退火工艺参数的是必须要考虑的内容，可以通过溶质的性质，装填体积等信息及DSC热分析，电镜扫描等检测结果进行综合考虑。一个经过良好设计的退火工艺不仅能大大缩短冻干周期，而且能够提高冻干粉的稳定性。
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