Bevezetés
A fagyasztva szárítás (liofilizálás) a gyógyszeripari technológiákban széles körben alkalmazott technika, amellyel hőálló anyagokat, például fehérjéket vagy liposzómákat alakítanak át - hőkezelés nélkül - felhasználható és tárolható formába. A liofilizálás célja a víz kíméletes eltávolítása az oldatokból, hogy stabil, meghatározott maradék nedvességtartalmú és porozitású port kapjunk.
A termék összetétele döntő hatással van a folyamat paramétereire, és így a keletkező liofilizátum típusára, minőségére és stabilitására is. A dinamikus pásztázó kalorimetria (DSC) fontos információkat szolgáltat a megfelelő körülmények kiválasztásához.
A liofilizálandó oldatok általában komplex, többkomponensű rendszerek, amelyek hatóanyagokból, adalékanyagokból és vízből állnak. A segédanyagok közé tartoznak a tonizáló sók (az izotóniásság beállítására), a pufferanyagok, a krioprotektorok (a fagyasztás során bekövetkező károsodás elleni védelemre) és a fagyasztva szárított termék szerkezetét adó építőanyagok. Az olyan cukrok, mint a szacharóz vagy a trehalóz, nagyon hatékonynak bizonyultak a fehérjék stabilizálásában [5]. A következő megfontolások a szacharózon mint modellanyagon alapulnak. Az említett oldatokat a kereskedelemben kapható, gyógyszeripari minőségű szacharózból (Caesar & Loretz, Hilden) és kétszer desztillált vízből állították elő.
A liofilizálási folyamat általában 3 egymást követő lépésre osztható:
Mélyfagyasztás
A cukros oldatok hajlamosak a túltelítődésre. Lehűléskor jég és egyre viszkózusabb szacharózoldat képződik. A növekvő viszkozitás megnehezíti a diffúziós folyamatokat, amelyek a kristályosodáshoz szükségesek lennének. Ennek eredményeképpen a rendszer nem kristályosodik, hanem alulhűtött folyadékként, teljes fázisszétválás nélkül (üvegként) szilárdul meg. A maximálisan koncentrált oldat üvegesedési átmeneti hőmérsékletét Tg' -nek nevezzük, és ez anyagspecifikus [3].
A hűtés során gyakran megfigyelhető szuprahűtés. A parenterális (a gyomor-bél traktust elkerülő) alkalmazásra szánt gyógyszeroldatok, amelyeknek részecske-mentesnek kell lenniük, szélsőséges esetet képviselnek. Ezekben gyakorlatilag nincsenek heterogén szennyeződések, amelyek kristályosodási magként működhetnének. Ezért az ilyen oldatokban a kristálymagképződés gyakran csak akkor valószínű, ha a hőmérséklet megközelíti a -40°C-ot.
Egy 10%-os szacharózoldat fagyasztási viselkedését a 2. ábra mutatja. A mintát a NETZSCH DSC 204 F1 (lásd az 1. ábrát) segítségével hűtöttük egy zárt alumíniumtégelyben, 5 K/perc szabályozott hűtési sebességgel. A túlhűtött oldat rendkívül gyorsan megszilárdul -20 °C-on (extrapolált kezdeti hőmérséklet).
A tégely belsejében lévő durva foltok vagy az előkészítés során keletkezett szennyeződések nyomai csírakristályként szolgálhatnak. Emiatt az így meghatározott megszilárdulási hőmérséklet általában nem hozható összefüggésbe a felhasznált cukoroldatok koncentrációjával.
A vízből jéggé történő átmenet során a fajhő 4,18 J/g-K-ról (víz) 2,1 J/g-K-ra (jég, közvetlenül a fagyáspont alatt) változik, ami elsősorban a megszilárdulási/olvadási csúcs előtti és utáni egyértelmű alapvonaleltolódásért felelős (2. ábra: vízből jéggé történő átmenet - és 3. ábra: jégből vízzé történő átmenet).
Az ezt követő, 5 K/perc fűtési sebességgel történő melegítés során (3. ábra) a maximálisan koncentrált oldat üvegesedési átmenete -32 °C-on (középpont) jelenik meg. Ez az érték jó összhangban van a -32°C-ot és -33°C-ot feltételező irodalmi adatokkal [2], [4].
Az üveges átmenetet a melegítés során egy EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus csúcs követi (a 3. ábra betétje), amelynek extrapolált kezdő hőmérséklete, Tm´, a jég Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadásának kezdetét írja le. Roos [1] szerint a maximális "fagyási koncentráció" csak a Tg´és Tm´közötti fagyási hőmérsékleten figyelhető meg.
Az olvadási csúcs alatti terület a szabad víz részének felel meg. A referenciapont itt a jég 333,7 J/g fúziós hője.
Alacsony koncentrációjú oldatokban a szacharóz aránya a megfelelő üvegesedési átmenet magasságából határozható meg. A 4. ábrán az 5%-os, 10%-os és 20%-os oldatok esetében a lépésmagasságok (ΔFajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp értékek) - 0,127 J/g-K, 0,258 J/g-K és 0,516 J/g-K eredményekkel - nagyon jó összhangban vannak a koncentráció 2-szeres skálázásával, miközben az üvegesedési hőmérsékletek nagyrészt állandóak maradnak. A lépcsőmagasság és a koncentráció között lineáris kapcsolat van (5. ábra).
Továbbá a szacharózoldatok koncentrációjának növekedésével a jég Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadásának kezdete (extrapolált kezdeti hőmérséklet) a 6. ábrán alacsonyabb értékekre tolódik. Nagyobb koncentrációknál ez azt eredményezi, hogy a maximálisan koncentrált oldat üvegesedési átmenete és a szabad víz Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadásának kezdete között kisebb az intervallum.
Egyes amorf anyagok az üveghőmérséklet feletti melegítéskor ismét kikristályosodnak. Ez a devitrifikációnak vagy hidegkristályosodásnak nevezett hatás kihasználható a liofilizátum porozitásának és maradék nedvességének megváltoztatására [2] az anyagnak az újrakristályosodási hőmérséklet (extrapolált kezdeti hőmérséklet) feletti temperálásával. Az átkristályosítás következtében fázisszétválás következik be, és a felszabaduló "fagyasztatlan" víz jéggé alakul. A 3. ábrán látható módon azonban a szacharóz esetében nem következik be utóKristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás.
Elsődleges szárítás
Ebben a lépésben a fagyott jeget vákuumban szublimációval (a szilárd állapotból a gáz halmazállapotba való átmenet) távolítják el.
E folyamat során - amely során a hőbevitel kívülről történik - a termékben a hőmérséklet nem emelkedhet az üvegesedési átmenet hőmérséklete fölé, mivel ez a vázszerkezet lágyulásához és a rendszer összeomlásához vezet [5]. A vázszerkezetnek a szárítási fázis során bekövetkező pusztulását nevezzük kollapszusnak.
Bár az összeomlási hőmérsékleteket átlagosan 1-5 K-mal magasabbnak jelentik, mint a megfelelő üvegesedési hőmérsékleteket [6], a maximálisan koncentrált oldatok üvegesedési átmenetei, a Tg´, amelyek DSC-vel meghatározhatók, jó támpontot jelentenek a helyzetükre vonatkozóan.
Másodlagos szárítás
Ebben a lépésben a terméket a kívánt végső nedvességtartalomra szárítják a mátrixban lévő víz lassú hőmérséklet-emeléssel történő deszorpciójával.
Az amorf liofilizátumokban a víznek az üveges fázisból a felszínre kell diffundálnia. Ez a meglehetősen lassú folyamat az oka annak, hogy az amorf liofilizátumok esetében gyakran a szárítás utáni lépés az, amely meghatározza a fagyasztva szárítás sebességét [2].
A víz lágyító hatása miatt az amorf fázis üvegesedési átmeneti hőmérséklete közvetlen kapcsolatban áll a benne lévő víztartalommal. A víztelenítés előrehaladtával a Tg (a szacharóz mint szilárd anyag üvegesedési átmenete) növekszik; ennek helyzete DSC-vel is gyorsan és pontosan meghatározható.
Következtetés
Az elsődleges szárítási folyamat megtervezéséhez lényeges jellemzők a maximálisan koncentrált oldat üvegesedési hőmérséklete (Tg´) és az összeomlási hőmérséklet, amelynél az anyag annyira megpuhul, hogy már nem képes megtartani saját szerkezetét, és folyni kezd. DSC (néha TM-DSC*) segítségével a Tg´könnyen meghatározható.
Az összeomlási hőmérséklet valamivel magasabb, mint a Tg´; a Tg´és az összeomlási hőmérséklet közötti pontos intervallum a készítménytől függ.