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Schneller zu höherer Homogenität

Gefriertrocknungsverfahren für die kontrollierte Eiskeimbildung

Johann Kaltenegger, VMC Anwendungstechnik Chemie, Linde AG

Die Gefriertrocknung, auch als Lyophilisierung bezeichnet, spielt bei der Herstellung von Medikamenten eine wichtige Rolle. Ein von Linde Gas und IMA Life entwickeltes Verfahren zur kontrollierten Eiskeimbildung bietet eine kommerziell nutzbare Möglichkeit, um anhand mikroskopisch kleiner Eiskristalle homogene Endprodukte herzustellen. PanGas als Teil der Linde Group ist für den Vertrieb in der Schweiz zuständig.

Voraussetzung für das Eintreten der Eiskeimbildung sind zwei Prozessbedingungen: Die Produkttemperatur muss unter dem Gefrierpunkt liegen. Zudem müssen Nukleationselemente vorhanden sein, die den Prozess der Eiskeimbildung ermöglichen. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Gleichgewichtsgefrierpunkt und der Eiskeimbildung wird als Unterkühlung (Super Cooling) bezeichnet. Eine niedrigere Temperatur bei der Eiskeimbildung oder eine stärkere Unterkühlung führen zu einer grösseren Anzahl von Eiskeimen und damit zu kleineren Eiskristallen. Andererseits bewirken eine höhere Nukleationstemperatur oder ein geringerer Unterkühlungsgrad, dass weniger Eiskeime und grössere Eiskristalle und somit grössere Poren und Porennetzwerke gebildet werden. Da grössere Poren höhere Sublimationsgeschwindigkeiten mit sich bringen, verkürzen sich auch die Trocknungszyklen und die Rekonstruktionsdauer. Zudem
verbessern sich die Produkteigenschaften. Damit die Produktmorphologie sowie die Struktur und das Aussehen des Produktkuchens gleichmässig und in allen Glasfläschchen (Vials) identisch sind, muss die Eiskeimbildung gleichzeitig stattfinden.  Sind die Bedingungen jedoch unkontrolliert und keine Nukleationselemente vorhanden, kann die Verteilung der Nukleationstemperatur in den verschiedenen Vials und damit die Gleichmässigkeit des Endprodukts stark variieren. Die ist vor allem bei der Verwendung von glattwandigen sterilen Glasfläschchen der Fall. Deshalb stellt das Gefrieren einen der wichtigsten Schritte des Lyophilisierungsprozesses dar.
Die grösste Schwierigkeit bei der kontrollierten Eiskeimbildung in flüssigen Präparaten, also bei der Bestimmung von Nukleationstemperatur und -zeitpunkt, ist ihre Skalierbarkeit. Einige Verfahren funktionieren unter Laborbedingungen sehr gut, lassen sich aber nur schwer auf grössere Produktionsmengen übertragen.

Das Eisnebelverfahren VERISEQ Nucleation kann sowohl unter Laborbedingungen als auch im industriellen Massstab eingesetzt werden, um eine homogene Eiskeimbildung bei niedrigen Unterkühlungsgraden und Vial-to-Vial-Homogenität zu gewährleisten.

 

Nukleationsverfahren
Das von Linde Gas zusammen mit IMA Life entwickelte Eisnebelverfahren VERISEQ Nucleation bietet eine kommerziell nutzbare Möglichkeit, eine einheitliche Dispersion von mikroskopisch kleinen Eiskristallen herzustellen. Hierbei wird Eisnebel in eine Mischvorrichtung ausserhalb der Gefriertrocknungskammer durch die Verbindung von kaltem Stickstoff und heissem Wasserdampf erzeugt. Wenn die Eiskristalle anschliessend in vorgekühlte Vials mit dem Pharmaprodukt, das gefriergetrocknet werden soll, eingeleitet werden, dienen sie als Nukleationspunkte. Dadurch kann bei einer gezielt gewählten Unterkühlungstemperatur eine schnelle und einheitliche Eiskeimbildung sowohl innerhalb einzelner Vials als auch der gesamten Charge bewirkt werden.
Die Zugabe des Eisnebels erfolgt in zwei Schritten: Die Vials mit den Produkten werden zunächst auf eine bestimmte Temperatur ober- oder unterhalb ihres Gefrierpunktes heruntergekühlt. Anschliessend wird der Eisnebel eingeleitet, um die Eiskeimbildung auszulösen. Damit das Verfahren im industriellen Massstab anwendbar ist, muss zunächst genügend Eisnebel erzeugt werden, um die Kammer mit den Vials voll auszufüllen und die Nukleation eines jeden Vials zu ermöglichen. Eine weitere Herausforderung liegt darin, in die Vials mit unterschiedlichen Volumina und Verschlusskappengeometrien einzudringen. Dies wurde durch die Entwicklung einer speziellen Mischvorrichtung erreicht, in der es möglich ist, Eisnebel effizient und schnell zu erzeugen und ihn innerhalb der gesamten Gefrierkammer zirkulieren zu lassen. Das System hat weder bewegliche Teile noch komplexe Komponenten, die das Dampfreinigen oder andere Sterilisationsverfahren erschweren würden. Zudem erfordert es keinen Druck in der Kammer. Fast alle Gefriertrockner, sterilisierbare wie nicht sterilisierbare, können mit dieser Technologie nachgerüstet werden. Dabei muss der Gefriertrockner keine aufwändigen Anforderungen erfüllen. Für die Injektion des Eisnebels und dessen Rückführung werden lediglich zwei gegenüberliegende Anschlussöffnungen (Ports) benötigt, die je nach Grösse der Lyokammer 2 oder 3 Zoll gross sein sollten.
Das Verfahren erfordert keine umfangreichen Modifikationen des Produktionsprozesses. Bei Erreichen der gewünschten Produkttemperatur ist lediglich ein Signalaustausch für Start und Stopp des Eisnebelprozesses notwendig. Der interne Ablauf wird vollständig von der Steuerungslogistik der Nukleationseinheit ausgeführt.

 
Porenstruktur bei unkontrollierte Nukleation (links) im Vergleich zur kontrollierten Eiskeimbildung (rechts)
Grafik: Schwankungen der Eiskeimbildung im Vergleich

 

Anwendungsbeispiel
Monoklonale Antikörper (Monoclonal antibodies, mAbs) gehören zu einer Reihe neuer Therapieformen in der Onkologie, die u.a. zur Behandlung von Infektionskrankheiten oder der Organtransplantation eingesetzt werden. Da die Haltbarkeit – wie bei zahlreichen anderen Proteinen auch – im flüssigen Zustand begrenzt ist, greift man zur Haltbarkeitsverlängerung der meisten mAbs auf die Gefriertrocknung zurück. Doch der Gefriertrocknungsprozess ist sehr langwierig, teuer und auch riskant, da ein Gerätefehler zum Verlust ganzer Chargen führen kann. Die relativ hohen erforderlichen Konzentrationen (meist zwischen 90 und 125 mg/ml) ziehen den Prozess noch weiter in die Länge. Massnahmen zur Optimierung eines Gefriertrocknungszyklus können jedoch aufgrund einer unterschiedlichen Trocknung dazu führen, dass die Produktchargen weniger homogen sind. Eine von Linde und IMA Life durchgeführte Studie untersucht die Möglichkeiten, die eine kontrollierte Eiskeimbildung für eine sichere Optimierung des Gefriertrocknens von mAb-Formulierungen bietet, sowie die Auswirkungen auf die Eigenschaften der Endprodukte. Basierend auf den niedrigen Temperaturen, die die Thermoelemente während der kontrollierten Eiskeimbildung massen, wurde versucht, den Prozess durch eine Erhöhung der Stellflächentemperatur von -20˚C auf -8˚C und eine kürzere primäre Trocknungsphase zu optimieren.  Die Trocknungsphase war nach 22 h und 40 min abgeschlossen. Die Trocknungsdauer konnte so um weitere 14 h und 50 min verringert werden.
Die obenstehende Abbildung zeigt die Porenstruktur einer Ausgangsprobe im Vergleich zur kontrollierten Eiskeimbildung. Der Vergrösserungsfaktor beider Aufnahmen ist identisch. Deutlich ist zu erkennen, dass sich in den Vials, die einer kontrollierten Eiskeimbildung unterzogen wurden, grössere Eiskristalle bilden.
Die Versuchsreihe legt nahe, dass die kontrollierte Eiskeimbildung die Trocknungsphasen verkürzt und eine höhere Homogenität innerhalb der individuellen Vials erreicht wird, wodurch sich verbesserte Produkteigenschaften ergeben. Aufgrund der höheren Homogenität innerhalb der Vials und der schnelleren Sublimierung können aggressivere Prozessbedingungen angelegt werden.

 

PanGas AG (The Linde Group)
Benjamin Schaller
Technischer Kundenservice Pharma, Chemie und Biotechnologie
Industriepark 10
6252 Dagmersellen
Tel. 0844 800 300
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