Einleitung
Lactose-Monohydrat zählt zu den am häufigsten eingesetzten Hilfsstoffen in der pharmazeutischen Industrie. Aufgrund seiner guten Verfügbarkeit, seiner günstigen Verarbeitungseigenschaften sowie seiner Kompressibilität und Fließfähigkeit wird es häufig als Füllstoff oder Verdünnungsmittel in Tabletten und Kapseln eingesetzt. Für eine gleichbleibende Produktqualität ist es entscheidend, mögliche Veränderungen des Materials während Lagerung und Verarbeitung zuverlässig zu erkennen.
Bei pulverförmigen pharmazeutischen Rohstoffen können Lagerung, Feuchteaufnahme oder strukturelle Veränderungen einen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften haben. Neben klassischen Methoden zur thermischen Charakterisierung bietet die Light-Flash-Analyse (LFA, Messprinzip in Abbildung 1) eine schnelle, berührungslose und zerstörungsfreie Möglichkeit, die TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit von Materialien zu bestimmen. Dabei wird die Vorderseite einer planparallelen Probe durch einen kurzen Energieimpuls erwärmt. Die Temperaturänderung auf der Rückseite wird mit einem Infrarotdetektor erfasst und zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit herangezogen.
Lagerung sichtbar machen: Frische versus abgelaufene Lactose
Untersucht wurden zwei Lactose-Monohydrat-Pulver: eine frische Probe sowie eine abgelaufene Probe. Beide Pulver wurden unter identischen Bedingungen zu Pellets verpresst (bei 10 kN für 20 min), um vergleichbare Probengeometrien und Kontaktbedingungen zu gewährleisten. Ziel der Untersuchung war es, mögliche Unterschiede in der Temperaturleitfähigkeit beider Materialien im niedrigen Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 80 °C aufzuzeigen.
Präzise LFA-Messung mit der LFA 717 HyperFlash®
Die Messungen wurden mit der LFA 717 HyperFlash® durchgeführt. Das Gerät ist für hochgenaue und schnelle Messungen der Temperaturleitfähigkeit verschiedenster Materialien ausgelegt und ermöglicht Untersuchungen in definierten Atmosphären. In dieser Messreihe erfolgte die Analyse unter Argonatmosphäre an zylindrischen Pellets mit einem Durchmesser von 12,6 mm und einer Höhe von 3 mm.
Klare Unterschiede zuverlässig nachgewiesen
Abbildung 2 zeigt die Temperaturleitfähigkeit beider Lactose-Monohydrat-Pellets in Abhängigkeit von der Temperatur im Bereich von 25 °C bis 80 °C. Für beide Proben ist eine Abnahme der Temperaturleitfähigkeit mit steigender Temperatur zu beobachten. Dieses Verhalten entspricht dem typischen Trend vieler Materialien, bei denen zunehmende Phonon-Phonon-Wechselwirkungen bei höheren Temperaturen den Wärmetransport beeinflussen.
Die frische Lactose-Probe zeigt über den gesamten untersuchten Temperaturbereich niedrigere Werte als die abgelaufene Probe. Die Abweichung beträgt bis zu etwa 16 %. Dieser Unterschied kann auf einen höheren Anteil amorpher Bestandteile in der frischen Probe zurückgeführt werden. Amorphe Bereiche können den Wärmetransport innerhalb des Pellets stärker behindern als kristalline Strukturen und damit zu einer geringeren Temperaturleitfähigkeit beitragen.
LFA als wertvolles Tool für die pharmazeutische Qualitätsbewertung
Die Untersuchung zeigt, dass die LFA 717 HyperFlash® empfindlich auf materialbedingte Unterschiede zwischen Lactose-Monohydrat-Proben reagiert. Bereits im moderaten Temperaturbereich zwischen 25 °C und 80 °C konnten deutliche Unterschiede in der Temperaturleitfähigkeit zwischen frischer und abgelaufener Lactose nachgewiesen werden. Damit eignet sich die Light-Flash-Analyse als wertvolle Methode zur Charakterisierung pharmazeutischer Hilfsstoffe und zur Bewertung lagerungsbedingter Änderungen.
Messdaten auf einen Blick
| Parameter | Einstellung |
|---|---|
| Probe | Lactose-Monohydrat, frisch und abgelaufen |
| Gerät | LFA 717 HyperFlash® |
| Detektor | MCT |
| Probenhalter | Ø 12,7 mm, Standard |
| Atmosphäre | Argon |
| Heizrate | 10 K/min |
| Temperaturbereich | 25 °C bis 80 °C |
| Probendimensionen | Ø 12,6 mm, Höhe 3 mm |
| Auswertemodell | Standard |
| Probenvorbereitung | verpresst bei 20 kN für 20 min |
Fazit
Die Temperaturleitfähigkeit bestimmt, wie schnell sich Wärme innerhalb eines Lactosepulvers ausbreitet. Sie beeinflusst die Lactosestabilität indirekt, da sie das Temperaturprofil und damit die thermische Belastung des Pulvers bestimmt. Eine hohe Temperaturleitfähigkeit führt zu einer schnelleren und gleichmäßigeren Erwärmung bzw. Abkühlung. Eine niedrige Temperaturleitfähigkeit kann zu Temperaturgradienten führen, sodass verschiedene Bereiche des Pulvers unterschiedlich lange thermisch belastet werden.
Für die Stabilität sind neben der Temperaturleitfähigkeit vor allem Temperatur, Einwirkdauer und Feuchtegehalt entscheidend. Bei erhöhter Temperatur und Feuchtigkeit können insbesondere Maillard-Reaktionen*, Verfärbungen und Veränderungen der Lactose-Kristallform bzw. des Kristallwassergehalts auftreten.
*Die Maillard-Reaktion ist eine chemische Reaktion zwischen reduzierenden Zuckern und Aminogruppen von Proteinen oder Aminosäuren. Sie wird vor allem durch höhere Temperaturen und häufig auch durch Feuchtigkeit beschleunigt. Typische Folgen sind die Bildung von braunen und gelblichen Farbstoffen sowie von möglichen anderen Reaktionsprodukten, die zu einer Änderungen der Produkteigenschaften führen können.