凍結乾燥サイクルの設計：氷結晶の大きさで乾燥速度が決まる

「一次乾燥が計画より12時間長引いた。棚温度は設定どおり出ている」。凍結乾燥凍らせた試料を減圧下に置き、氷を直接水蒸気にして（昇華）水分を除く乾燥の方法です。液のままでは安定性を保ちにくいタンパク質製剤などに使い、使う前に溶かして戻します。詳しく →のサイクルを立ち上げると、このすれ違いにたいてい一度は出会います。棚は指示どおりに加熱しているのに、乾きが遅い。

ただし、原因は一次乾燥そのものより前にあることが多い。凍結、一次乾燥、二次乾燥は独立しておらず、⁠前の工程の結果が、次の工程で動かせる範囲を決めてしまいます⁠（FDAの査察ガイドは、この3つを「別々で固有の、互いに依存する三つの工程」と呼んでいます）。

この記事では、凍結でできた氷結晶の大きさが乾燥速度と再溶解性を同時に決める理由、見るべき温度が棚ではなく製品である理由、一次乾燥の終点を2種類の真空計で判定する仕組み、そして残留水分をどこまで下げるかの決め方を扱います。

1. 凍結乾燥は、熱ではなく圧力差で水を抜く工程

抗体を数十℃に加温して乾かそうとすると、乾く前にタンパク質が変性して凝集します。

そこで、凍結した製剤を減圧下に置き、氷を液体の水を経ずに直接水蒸気へ変えます。これが昇華です。

昇華を進めているのは熱ではなく、製品温度での氷の蒸気圧と、庫内圧力との差です。 庫内圧力を氷の蒸気圧より低く保てば、水蒸気は氷の表面から離れて凝縮器へ向かいます。棚から送る熱は、昇華で奪われた分を補う役です。

凍結するもう一つの理由は、タンパク質を氷結晶の間に固定して、分子の動きを止めること。液体のまま濃縮すると分子同士が衝突して凝集しますが、凍結すればその場に留まります。糖やアミノ酸などの安定化剤を加え、凍結・乾燥・再溶解のいずれでも変性しない処方を作る考え方は、抗体医薬の製剤設計で扱っています。

工程ごとに決まるものと、現場で見ている指標は次の3つ。

2. 氷結晶の大きさが、乾燥速度と再溶解性を同時に決める

氷が昇華すると、氷結晶のあった場所が細孔として残ります。この細孔が、水蒸気の抜け道と、使用時に溶解液が入る入り口を兼ねるからです。 凍結の段階で、一次乾燥の速度と再溶解性がほぼ決まってしまいます。

• 緩慢凍結毎分1℃前後でゆっくり降温し、氷晶損傷と浸透圧ストレスの両方を抑える凍結法。詳しく →⁠：大きな氷結晶ができ、細孔が太くなるので、水蒸気が抜けやすく一次乾燥が速く進む。
• 急速凍結⁠：氷結晶が細かく、細孔が細いので一次乾燥は遅い。ただし比表面積が大きく、残った水を除く二次乾燥には有利。

厄介なのは、氷結晶の大きさが操作者の指示では決まらないことです。水は0℃を下回ってもすぐには凍らず（過冷却）、ある温度で氷核が形成されて一気に凍結します。この氷核形成温度は、制御しなければバイアルごとにばらつきます。氷核形成温度が一次乾燥の速度を決めることは、2001年に示されました（Searles et al.）。

棚の中央と端でも冷却のされ方が違うので、同じ棚の中でもバイアルごとに乾燥速度が変わります。

ばらつきを抑える方法は二つです。

• アニーリング⁠：いったん凍結したあと温度を少し上げて保持し、再び下げて、氷結晶を大きく成長させ直す操作。乾燥速度のばらつきが減り、検討された系では一次乾燥が最大で約3.5倍速くなった報告があります（Searles et al. 2001）。
• 制御核形成⁠：氷核形成のタイミングを全バイアルでそろえる機能。凍結乾燥機試料を凍らせてから減圧し、氷を昇華させて水分を除く乾燥装置です。熱に弱い医薬品を安定な状態で保存できます。詳しく →の機能として各社が提供しています。

再溶解性も、この細孔の構造で決まります。細孔が均一で多いケークは、溶解液がすばやく浸透して短時間で溶ける。潰れて緻密になったケークは溶解液が浸透しにくく、溶け残りが出ます。高濃度の抗体はもともと粘度液体の流れにくさを表す物理的性質で、タンパク質濃度の上昇に伴い非線形に増大する。詳しく →が高く（高濃度製剤の粘度）、再溶解に時間がかかって泡立ちやすいので、凍結の条件と、安定化剤を含めた処方設計を合わせて詰めます。

3. 見るのは棚温度ではなく製品温度：共融点より4〜5℃低く保つ

せっかく作った細孔は、製品温度が上がりすぎた瞬間に失われます。

非晶質結晶格子を持たないエネルギーの高い状態で、溶けやすいが結晶に戻りやすい。詳しく →の相が軟らかくなって粘度が下がると、細孔の壁が自重で流動し、構造が潰れる。これがコラプス（崩壊）で、起きた場所では水蒸気の抜け道も溶解液の入り口も消えます（凍結乾燥のコラプス温度と打栓）。

だから一次乾燥で合否を決めるのは、棚温度の設定値ではなく、バイアルの中の製品温度です。 製品の乾燥温度を共融点より少なくとも4〜5℃低く保つことは、FDAの査察ガイド（1993年）にも示されています。

操作できるパラメータは、棚温度と庫内圧力の二つだけです。どちらも、上げ下げの向きと効き方が直感とずれます。

• 棚温度⁠：昇華は熱を奪うので、棚から熱を送るほど速く進みます。送りすぎれば製品温度が上がり、コラプスの側に近づきます。
• 庫内圧力⁠：低いほど速く乾くとは限りません。棚から製品への熱の伝わりは、バイアルの底と棚のすき間にある気体を介した伝導に頼る部分があり、圧力を下げすぎるとこの伝熱が落ちて、かえって昇華が遅くなる場合があります。

測定には、バイアルに熱電対を挿入する方法や、ワイヤレス温度センサーを使います。ただし、センサーを入れたバイアルは特別な1本で、全体を代表するとは限りません。

乾燥層が厚くなるほど水蒸気が抜けにくくなり、昇華界面の温度は徐々に上がります。終盤ほど、製品温度のモニタリングが効いてきます。

4. 一次乾燥の終点は、時間ではなく2種類の真空計の収束で決める

製品温度の実測が1本の代表に頼るなら、「氷がもう無い」ことは別の方法で確かめる必要があります。

氷が残ったまま二次乾燥へ進んで棚温度を上げれば、残った氷が融解してコラプスします。反対に、昇華が終わったあとも待ち続ければ、時間とコストのロス。

そこで、庫内圧力を測り方の違う2種類の真空計で同時に測ります。

• キャパシタンスマノメータ⁠：隔膜のたわみを静電容量で読むので、ガスの種類によらず正しい圧力を示します。
• ピラニ真空計⁠：加熱した線から気体へ逃げる熱の量で圧力を読みます。水蒸気は窒素より熱伝導度溶液の電気の通しやすさで塩濃度の目安になる指標。クロマトの溶出やプール判定の管理に使う。詳しく →が大きいため、水蒸気が多いと実際より高い値を示します。

昇華が盛んなうちは庫内が水蒸気で占められ、2つの指示値は離れています。氷がなくなると水蒸気が減り、ピラニ真空計の読みがキャパシタンスマノメータに近づく。この収束が、一次乾燥の終点に近づいた目安です。

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⁠終点を時間で固定したまま装置を移すと、乾燥速度が変わった時点で失敗します。棚の熱の伝わり方も凝縮器の能力も機種で違うので、移した先では「何時間」ではなく「指示値が収束したら」で引き継ぎます。

5. 残留水分は、低いほど良いとは限らない

氷が除けても、乾燥はまだ終わりではありません。

タンパク質や糖の分子に吸着した水（結合水）は氷になっていないので、昇華では除けない。二次乾燥では、棚温度を一次乾燥より上げて、この水を脱着させます。氷はもうないので、コラプス温度の制約は一次乾燥ほど厳しくありません。

残留水分が多ければ、保存中に加水分解や凝集が進みやすくなります。一方で、乾燥させすぎるとかえって不安定になるタンパク質もあります。⁠目標とする残留水分の範囲は製剤ごとに違い、安定性データで決めるものです。 見るべきは、出荷の規格値と、それを裏づける安定性データの2つ。

測定法は、2つを組み合わせて使います。

• カールフィッシャー（KF）滴定⁠：バイアルを開けて測る破壊試験で、基準となる方法。水分が少ない凍結乾燥品では電量法がよく使われます。
• 近赤外分光法（NIR近赤外や赤外の光の吸収から成分濃度や水分を測る手法です。プロセス中の状態をリアルタイムに監視し、品質の作り込みに使います。詳しく →）：非破壊で測れるので、全数の確認や工程内の確認に向きます。

KFで基準を確かめつつ、NIRで多くのバイアルを見る、という組み合わせ。非破壊で水分を予測する研究は、NIRで水分を予測する論文解説で紹介しています。

最後に、窒素などで庫内を復圧し、棚を使ってゴム栓を最後まで押し込み（打栓）、乾燥した状態のまま密封します。打栓で決まることは、先のコラプス温度と打栓の記事にあります。

6. まとめ：バッチ記録と受託先の提案書で、何を確かめるか

サイクルは「前の工程で決まったことを、次の工程で動かせる範囲」の連鎖です。⁠だから記録を読むときも、工程の順に、何を見て決めたかをたどります。

• 凍結⁠：氷核形成温度を制御しているか（制御核形成、アニーリングの有無）。バイアルごとのばらつきを見ているか
• 一次乾燥⁠：製品温度をどう測っているか（熱電対かワイヤレスか）。共融点やコラプス温度との差はいくつか。終点は時間か、真空計の指示値の収束など現象か
• 二次乾燥⁠：残留水分の規格値と、その根拠の安定性データ。カールフィッシャー（KF）滴定と近赤外分光法（NIR）をどう使い分けているか
• 外観と再溶解⁠：外観の規格と、再溶解にかかる時間
• 変更時⁠：処方、バイアル、装置のどれかを変えたとき、他の工程の結果を測り直す計画があるか

⁠冒頭の「棚温度は出ているのに乾かない」は、たいてい凍結の条件か庫内圧力の設定が答えです。そもそも凍結乾燥にするか液剤のままにするかは、凍結乾燥か液剤かで扱っています。装置の構成やオプションは、製品データベースの凍結乾燥機で比べられます。

参考文献

• FDA, Guide to Inspections of Lyophilization of Parenterals (7/93)（凍結・一次乾燥・二次乾燥は別々で互いに依存する三つの工程であること、製品の乾燥温度を共融点より少なくとも4〜5℃低く保つこと、出荷と安定性の両方で水分規格を確認すること。査察官向けの指針）
• Searles JA, Carpenter JF, Randolph TW. The ice nucleation temperature determines the primary drying rate of lyophilization for samples frozen on a temperature-controlled shelf. J Pharm Sci. 2001;90(7):860-871.（氷核形成温度が一次乾燥の速度を決めること）
• Searles JA, Carpenter JF, Randolph TW. Annealing to optimize the primary drying rate, reduce freezing-induced drying rate heterogeneity, and determine Tg′ in pharmaceutical lyophilization. J Pharm Sci. 2001;90(7):872-887. doi:10.1002/jps.1040（アニーリングで乾燥速度のばらつきが減り、最大約3.5倍速くなった例）
• Tang X, Pikal MJ. Design of Freeze-Drying Processes for Pharmaceuticals: Practical Advice. Pharm Res. 2004;21(2):191-200. doi:10.1023/B:PHAM.0000016234.73023.75
• Tchessalov S, et al. Practical Advice on Scientific Design of Freeze-Drying Process: 2023 Update. Pharm Res. 2023.