在生物醫藥、食品科學、材料工程及科研領域，冷凍干燥（Freeze-drying，又稱lyophilization）因其能在低溫下脫除水分、最大限度保留物質活性與結構完整性，成為熱敏性物質（如蛋白質、疫苗、益生菌、納米材料等）干燥處理技術。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應運而生，改變了傳統“預凍-轉移-凍干”分步操作的局限，成為現代凍干工藝的智能化核心裝備。本文將從其工作原理、技術優勢、應用場景及行業價值等方面，全面解析這一先進設備。

一、什么是原位真空冷凍干燥機？

原位真空冷凍干燥機是一種將預凍、升華干燥、解析干燥全過程集成于同一腔體內完成的凍干設備。所謂“原位”（In-situ），即樣品在凍干艙內的擱板上直接完成從液態到固態再到干燥粉末的全部相變過程，無需人工將預凍好的樣品從超低溫冰箱或液氮罐中轉移至凍干機——這一關鍵設計消除了傳統“非原位”凍干中因轉移導致的溫度回升（回溫）、污染風險及操作誤差。

該設備主要由凍干箱體、冷阱系統、真空系統、制冷系統、加熱系統、PLC自動控制系統及在線監測模塊組成，廣泛應用于GMP車間、生物實驗室及食品生產線。

二、工作原理與工藝流程

原位凍干全過程在密閉腔體內自動完成，分為三個階段：

1.預凍階段（Freezing）

樣品置于帶溫控功能的擱板上，通過壓縮機制冷或液氮輔助，將物料迅速降溫至共晶點以下（通常-40℃至-80℃），使水分固化為冰晶。原位機型可程序控溫，實現慢凍（大冰晶，利于升華）或快凍（小冰晶，保護細胞結構）。

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，實現水分高效移除（約占總水分90%）。

3.二次干燥（Secondary Drying/Desorption）

進一步升高擱板溫度（可達+30℃至+50℃），在高真空下脫除物料中結合水，使最終含水量降至1%以下，確保長期穩定性。

整個過程由PLC系統按預設程序自動執行，并可實時記錄溫度、壓力、時間等參數，生成符合FDA 21 CFR Part 11要求的電子批記錄。

三、核心優勢與技術特點

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、細胞治療產品等無菌制劑生產，滿足GMP 潔凈要求。

2.工藝重現性高

預凍速率、升華溫度、真空度等關鍵參數精準可控，批次間差異極小，確保產品質量一致性。

3.提升效率與收率

省去人工轉移環節，減少操作時間30%以上；避免樣品在轉移中融化或污染，提高成品收率。

4.支持在線監測與PAT技術

機型集成壓力升測試（PRT）、tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS）等技術，實時監控干燥終點，實現“智能終點判斷”，避免過度干燥或干燥不足。

5.多功能擱板設計

擱板兼具制冷與加熱功能，溫度均勻性可達±1℃，支持復雜凍干曲線（如退火、階梯升溫）。

6.數據完整性與追溯性

自動存儲全過程數據，支持遠程監控、報警與審計追蹤，符合制藥行業合規要求。

四、典型應用場景

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；

細胞與基因治療：干細胞、CAR-T細胞的長期保存；

診斷試劑：酶聯免疫試劑盒中酶標抗體的穩定化處理；

食品：凍干咖啡、水果、益生菌飲品的工業化生產；

科研領域：納米材料、有機框架化合物（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疫苗生產企業采用原位凍干機，將液態疫苗轉化為常溫可運輸的凍干粉針，顯著提升全球供應鏈韌性，而原位工藝確保了每批次mRNA結構完整性與效價穩定。

五、選型與使用建議：

有效擱板面積與容積（實驗室型0.1–2 m²，生產型可達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）；

使用中應嚴格驗證凍干曲線，避免“塌陷”（collapse）或“噴瓶”（bumping）等工藝失敗。

原位真空冷凍干燥機不僅是凍干技術的升級，更是現代制藥與制造“質量源于設計”（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化為穩定形態，為人類健康與科技進步提供堅實支撐。在未來，隨著個性化醫療、細胞治療和新型生物藥的爆發式增長，原位凍干技術必將在守護生命活性的征途中，扮演愈發關鍵的角色。