由于藥品冷凍干燥過程會產生多種應力，對凍干藥品的藥性有很大的影響，因此對藥品冷凍干燥過程進行合理設計，對于減少凍干損傷和提高凍干藥品的質量有重大的意義。
生物樣品的凍干需考慮三方面問題，一是如何保證凍干過程的順利進行;二是如何減少凍干過程對生物藥品藥效的影響;三是如何降低生物藥品凍干過程的能耗。
(一)凍結研究
冷凍干燥過程中的凍結過程非常重要，因為在凍結中形成的冰晶形態和大小以及玻璃化程度不僅影響后續的干燥速率，而且影響凍干藥品的質量。因此在凍結過中必須考慮配方、凍結速率、凍結方式、以及是否退火等問題。
1.配方的影響
配方中的固體含量會影響凍結和干燥過程。如果固體含量少于2%，會影響凍干藥品結構的機械性能。尤其在干燥過程中，若藥品微粒不能粘在基質上，逸出的水蒸氣會把這些微粒帶到小瓶的塞子上，有時甚至會帶到真空室當中。固含量也不能太大，太大可能影響配制過程(如溶解性)和產品的復溶性等。
另外，濃度較高的蛋白溶液凍干后穩定性相對較好，因為高濃度時，冰界面處的蛋白處于飽和狀態，蛋白結構鏈伸展較少。也可加入適量表面活性劑，競爭冰界面處的蛋白位置，而減少冰晶和蛋白間的界面面積。
較理想的凍干蛋白質藥品應均勻一致、表面光滑、性質穩定。一般配方中必須含有填充劑、賦形劑、穩定劑等保護劑，蔗糖、甘露醇、白蛋白等糖類或多元醇經常被用于凍結和凍干過程中非特定蛋白質的保護劑，它們既是有效的低溫保護劑又是很好的凍干保護劑，它們對凍結的影響取決于種類和濃度。如果用蔗糖和甘氨酸適當比例作為乳酸脫氫酶的凍干保護劑，可獲得較好的保護效果，而單獨采用甘氨酸時凍干后乳酸脫氫酶的活性不高。此時甘氨酸的作用是提高樣品凍干過程的塌陷溫度，同時在凍干制品貯存過程中也有利于抑制蔗糖的結品，增加制品的穩定性。
2.凍結方式
凍結方式不同，產生的冰品的形態和大小就不同，而且會影響后繼的干燥速率和凍干藥品質量。根據凍結機理，可以把凍結分為全域過冷結晶和定向結晶兩類。全域過冷結晶是指全部藥液處于相同或相近的過冷度下進行凍結的方式。在全域過冷結晶中，凍結速率和冰晶成核溫度是重要的參數。全域過冷結晶可分為慢速凍結和快速凍結兩類，其中快速凍結的冰晶細小，沒有凍結濃縮現象，但是存在不完1全凍結現象，完1全凍結現象，且升華速率低，解吸速率快;而慢速冷卻產生較大的冰晶，存在凍結濃縮的現象，但升華速率快，解吸速率慢。全域過冷結晶受冰晶成核溫度的影響較大。因為冰晶成核溫度的隨機性導致升華干燥速率的不均勻性，并對與形態相關的參數如凍干藥品表面積和解吸干燥速率產生影響。
定向結晶是指一小部分藥液處于過冷狀態下進行凍結的方式。一種是垂直凍結方式，即溶液用濕冰冷卻，在瓶子底部用干冰冷卻，形成晶核，然后放到-50℃的擱板上凍結。用這種方式凍結的樣品的冰晶在垂直方向呈煙囪狀，在藥品表面沒有凍結濃縮層，而且整個藥品的結構均一性很好，因此在干燥時的傳質阻力很小，加快了凍干速率。Martin Kramer等采用了另外一種方式實現了定向凍結即在真空室壓力為0.1kPa，擱板溫度為+10℃的條件下，讓溶液開始表面凍結，形成1~3mm左右的冰晶薄層;然后解除真空，降低擱板溫度到結晶溫度以下進行凍結。在這種條件下長成的冰晶粗大，也呈煙囪狀。同時升華干燥時間比采用一般凍結的時間節省了20%。分析凍干藥品時還發現:對甘露醇，采用這種方式凍結的凍干品的剩余含水量比采用一般凍結的要多;但對蔗糖和甘氨酸，兩者差別不大。
凍結方式不同，產生的冰晶形態和大小就不同，后續的干燥速率也不同。實驗證明，采用定向結晶方式的凍結藥品的干燥速率比全域過冷結晶的快。但是無論采用哪種凍結方式，藥品溶液必須部分或全部實現玻璃化凍結，以保護藥品藥性。通常采用全域過冷結晶方式的較常見。
3.退火
當藥液的完1全凍結是獲得優質凍干制品的重要條件，但一些藥液尤其在含有有機溶劑的復合溶劑體系，凍干保護劑常會影響到有機溶媒的凍結。退火過程可強化結晶，提高非晶相凍結濃縮液的玻璃化轉變溫度Tg，改變冰晶形態和大小分布，提高干燥效率。所以在升華干燥前引入退火操作可提高干燥效率和制品品質。
為了達到退火目的，在退火操作中，必須考慮加熱速率、退火溫度、退火時間等參數。但是目前由于實驗手段不夠先進和理論知識比較缺乏，退火機理尚有疑問，退火參數的選取仍然沒有依據。
4.最1低凍結溫度
最1低凍結溫度與樣品的共熔點有關，一般安全的凍結溫度低于共熔點10℃左右。權國波等試驗考察了預凍溫度(-20℃，-35℃，-45℃，-80℃或-196℃)對紅細胞凍干的影響，結果顯示預凍溫度并不是越低越好，只要溫度等于或低于體系的固化溫度即可。但預凍溫度過高，會導致預凍時間過長，影響細胞的存活，所以此時應適當降低預凍溫度。
通常凍干機的擱板溫度遠元高于預凍溫度。如果預凍溫度很低，那么當樣品從改溫度下移入凍干機擱板時，溫度上升幅度很大，有明顯的復溫現象。這可能會造成樣品二次結晶，從而對細胞造成機械損傷。如果預凍溫度較高，由于降溫速率相應降低，滲透性保護劑可以充分進入細胞內，而最近研究認為良性內源冰晶可以通過防止細胞脫水增加細胞對冷凍物害的耐受性，而且由于預凍溫度和擱板溫度之間的溫差變小，紅細胞可免受復溫所造成的傷害。
5、凍結時間
應確保抽真空1前所有祥品均已凍實，一般在達到最1低度后再保持2-3h。
(二) 干燥
藥品冷凍干燥的干燥過程可以分為一次干燥和二次干燥兩個階段,在一次干燥階段除去自由水，在二次干燥階段除去部分結合水。目前，提高干燥速率的方法主要有控制擱板和藥品溫度、冷阱溫度和真空度等。
1. 控制藥品溫度，包括控制凍結層和已干層的溫度，主要由控制隔板溫度來實現。控制凍結層溫度的原則是在保證凍結層不發生熔化(低于低共晶點溫度)的前提下，溫度越高越好;控制已干層溫度的原則是在不使物料變性或已干層結構崩塌的前提下，盡量采用較高的干燥溫度。隔板溫度還會影響凍干制品的生物學性質，如Rindler等采用羥1乙1基淀粉(HES)和麥芽糖作為保護劑研究凍干機擱板溫度對凍干紅細的影響。擱板溫度為-35℃時，溶血率最1低;但當溫度高于或低于-35℃時，溶血率上升。
2. 控制冷阱溫度
制品和冷阱間的溫差是水升華的驅動力。由于藥品溫度受加熱方式的限制，且不能高于共熔溫度，因此冷阱溫度越低越好，一般應至少低于制品溫度20℃。若凍干產品要求很低的含水量，在解吸干燥過程中，冷阱溫度要求更低。
3.真空度
凍干箱內壓力的升高對凍干過程一般有正反兩方面的影響:一方面調板通過氣體對流途徑對制品的傳熱能力提高，使升華界面溫度及其升華速率也升高；另一方面引起水蒸氣遷移勢差減小，反而使升華速率也減小。另外，干燥速率也與溫度所對應的飽和蒸汽壓與凍干箱內的真空度之差相關。壓差大，有助于水汽逸出;壓差越小，逸出越慢，干燥速率也越小。如果冷凍干燥是傳熱控制過程，則干燥速率隨著干燥箱壓力升高而降低。
一般升華干燥階段的真空度在10~30Pa時，既有利于熱量的傳遞，又利于升華的進行。根據真空度對凍干速率的影響，采用循環壓力法可獲得較理想的凍干效果。
由于藥品組成等性質不同，凍干曲線也不同，在實際的藥品冷凍干燥生產中，應通過試驗優化凍干曲線，提高干燥速率，降低能耗。
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