在生物醫(yī)藥、食品科學(xué)、材料工程及科研領(lǐng)域，冷凍干燥（Freeze-drying，又稱lyophilization）因其能在低溫下脫除水分、最大限度保留物質(zhì)活性與結(jié)構(gòu)完整性，成為熱敏性物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、疫苗、益生菌、納米材料等）干燥處理技術(shù)。而隨著對工藝一致性、無菌保障和自動化水平要求的不斷提升，原位真空冷凍干燥機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，改變了傳統(tǒng)“預(yù)凍-轉(zhuǎn)移-凍干”分步操作的局限，成為現(xiàn)代凍干工藝的智能化核心裝備。本文將從其工作原理、技術(shù)優(yōu)勢、應(yīng)用場景及行業(yè)價值等方面，全面解析這一先進(jìn)設(shè)備。
一、什么是原位真空冷凍干燥機(jī)？
原位真空冷凍干燥機(jī)是一種將預(yù)凍、升華干燥、解析干燥全過程集成于同一腔體內(nèi)完成的凍干設(shè)備。所謂“原位”（In-situ），即樣品在凍干艙內(nèi)的擱板上直接完成從液態(tài)到固態(tài)再到干燥粉末的全部相變過程，無需人工將預(yù)凍好的樣品從超低溫冰箱或液氮罐中轉(zhuǎn)移至凍干機(jī)——這一關(guān)鍵設(shè)計(jì)消除了傳統(tǒng)“非原位”凍干中因轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的溫度回升（回溫）、污染風(fēng)險及操作誤差。
該設(shè)備主要由凍干箱體、冷阱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、PLC自動控制系統(tǒng)及在線監(jiān)測模塊組成，廣泛應(yīng)用于GMP車間、生物實(shí)驗(yàn)室及食品生產(chǎn)線。
二、工作原理與工藝流程
原位凍干全過程在密閉腔體內(nèi)自動完成，分為三個階段：
1.預(yù)凍階段（Freezing）
樣品置于帶溫控功能的擱板上，通過壓縮機(jī)制冷或液氮輔助，將物料迅速降溫至共晶點(diǎn)以下（通常-40℃至-80℃），使水分固化為冰晶。原位機(jī)型可程序控溫，實(shí)現(xiàn)慢凍（大冰晶，利于升華）或快凍（小冰晶，保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)）。
2.一次干燥（Primary Drying/Sublimation）
啟動真空泵，腔體壓力降至10–100 Pa；同時擱板緩慢升溫（通常-20℃至+20℃），提供升華所需熱量。冰晶在真空下直接升華為水蒸氣，被冷阱（-50℃至-85℃）捕獲凝結(jié)，實(shí)現(xiàn)水分高效移除（約占總水分90%）。
3.二次干燥（Secondary Drying/Desorption）
進(jìn)一步升高擱板溫度（可達(dá)+30℃至+50℃），在高真空下脫除物料中結(jié)合水，使最終含水量降至1%以下，確保長期穩(wěn)定性。
整個過程由PLC系統(tǒng)按預(yù)設(shè)程序自動執(zhí)行，并可實(shí)時記錄溫度、壓力、時間等參數(shù)，生成符合FDA 21 CFR Part 11要求的電子批記錄。
三、核心優(yōu)勢與技術(shù)特點(diǎn)
1.杜絕交叉污染，保障無菌性
全程密閉操作，特別適用于疫苗、單抗、細(xì)胞治療產(chǎn)品等無菌制劑生產(chǎn)，滿足GMP 潔凈要求。
2.工藝重現(xiàn)性高
預(yù)凍速率、升華溫度、真空度等關(guān)鍵參數(shù)精準(zhǔn)可控，批次間差異極小，確保產(chǎn)品質(zhì)量一致性。
3.提升效率與收率
省去人工轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)，減少操作時間30%以上；避免樣品在轉(zhuǎn)移中融化或污染，提高成品收率。
4.支持在線監(jiān)測與PAT技術(shù)
機(jī)型集成壓力升測試（PRT）、tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS）等技術(shù)，實(shí)時監(jiān)控干燥終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“智能終點(diǎn)判斷”，避免過度干燥或干燥不足。
5.多功能擱板設(shè)計(jì)
擱板兼具制冷與加熱功能，溫度均勻性可達(dá)±1℃，支持復(fù)雜凍干曲線（如退火、階梯升溫）。
6.數(shù)據(jù)完整性與追溯性
自動存儲全過程數(shù)據(jù)，支持遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警與審計(jì)追蹤，符合制藥行業(yè)合規(guī)要求。
四、典型應(yīng)用場景
生物制藥：mRNA疫苗、重組蛋白、血液制品、益生菌粉劑的凍干保護(hù)；
細(xì)胞與基因治療：干細(xì)胞、CAR-T細(xì)胞的長期保存；
診斷試劑：酶聯(lián)免疫試劑盒中酶標(biāo)抗體的穩(wěn)定化處理；
食品：凍干咖啡、水果、益生菌飲品的工業(yè)化生產(chǎn)；
科研領(lǐng)域：納米材料、有機(jī)框架化合物（MOFs）、考古樣本的干燥保存；
化妝品：活性多肽、植物提取物的高活性凍干粉制備。
例如，在新冠疫情期間，某mRNA疫苗生產(chǎn)企業(yè)采用原位凍干機(jī)，將液態(tài)疫苗轉(zhuǎn)化為常溫可運(yùn)輸?shù)膬龈煞坩槪@著提升全球供應(yīng)鏈韌性，而原位工藝確保了每批次mRNA結(jié)構(gòu)完整性與效價穩(wěn)定。
五、選型與使用建議：
有效擱板面積與容積（實(shí)驗(yàn)室型0.1–2 m²，生產(chǎn)型可達(dá)20 m²以上）；
冷阱捕冰能力（通常≥總水量的1.5倍）；
極限真空度（≤1 Pa為佳）；
擱板溫度范圍（-60℃至+80℃覆蓋多數(shù)需求）；
是否具備CIP/SIP功能（在線清洗/滅菌，適用于GMP車間）；
使用中應(yīng)嚴(yán)格驗(yàn)證凍干曲線，避免“塌陷”（collapse）或“噴瓶”（bumping）等工藝失敗。
原位真空冷凍干燥機(jī)不僅是凍干技術(shù)的升級，更是現(xiàn)代制藥與制造“質(zhì)量源于設(shè)計(jì)”（QbD）理念的物理載體。它以全封閉、自動化、智能化的方式，將脆弱的生命分子與精密材料安全轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定形態(tài)，為人類健康與科技進(jìn)步提供堅(jiān)實(shí)支撐。在未來，隨著個性化醫(yī)療、細(xì)胞治療和新型生物藥的爆發(fā)式增長，原位凍干技術(shù)必將在守護(hù)生命活性的征途中，扮演愈發(fā)關(guān)鍵的角色。
