Сахар и его роль в процессах сублимационной сушки - исследование с помощью ДСК

Введение

Сублимационная сушка (лиофилизация) - это метод, широко используемый в фармацевтических технологиях для преобразования термолабильных веществ, таких как белки или липосомы, без термической обработки в пригодные для использования и хранения формы. Цель лиофилизации - мягкое удаление воды из растворов для получения стабильного порошка с определенной остаточной влажностью и пористостью.

Состав продукта оказывает решающее влияние на параметры процесса, а значит, и на вид, качество и стабильность получаемого лиофилизата. Динамическая сканирующая калориметрия (ДСК) предоставляет важную информацию для selectи выбора подходящих условий.

Лиофилизируемые растворы обычно представляют собой сложные многокомпонентные системы, состоящие из активных ингредиентов, вспомогательных веществ и воды. Вспомогательные вещества включают тонизирующие соли (для регулировки изотоничности), буферные вещества, криопротекторы (для защиты от повреждений при замораживании) и строительные компоненты, придающие структуру сублимированному продукту. Сахара, такие как сахароза или трегалоза, доказали свою эффективность в стабилизации белков [5]. Следующие соображения основаны на сахарозе как модельном веществе. Упомянутые растворы были получены из коммерчески доступной сахарозы фармацевтического качества (Caesar & Loretz, Hilden) и дважды дистиллированной воды.

Процесс лиофилизации, как правило, можно разделить на 3 последовательных этапа:

Глубокая заморозка

Растворы сахарозы склонны к перенасыщению. При охлаждении образуется лед и все более вязкий раствор сахарозы. Увеличение вязкости затрудняет диффузионные процессы, необходимые для кристаллизации. В результате система не кристаллизуется, а застывает как переохлажденная жидкость без полного разделения фаз (стекло). Температура стеклования максимально концентрированного раствора обозначается Tg' и зависит от конкретного вещества [3].

При охлаждении часто наблюдается переохлаждение. Фармацевтические растворы для парентерального применения (введение через желудочно-кишечный тракт), которые не должны содержать частиц, представляют собой крайний случай. В них практически отсутствуют гетерогенные примеси, которые могли бы служить ядрами кристаллизации. Поэтому зарождение кристаллов в таких растворах зачастую возможно только при температуре, приближающейся к -40°C.

Поведение при замораживании 10 %-ного раствора сахарозы показано на рисунке 2. Образец охлаждался с помощью NETZSCH DSC 204 F1 (см. рис. 1) в закрытом алюминиевом тигле при контролируемой скорости охлаждения 5 К/мин. Переохлажденный раствор чрезвычайно быстро затвердевает при -20°C (экстраполированная температура начала замерзания).

1) 204 F1 Nevio с автоматическим устройством смены образцов.
2) Экзотермическое затвердевание 10%-ного раствора сахарозы; скорость охлаждения: 5 К/мин

В качестве затравочных кристаллов могут выступать шероховатостиots на внутренней поверхности тигля или следы загрязнения при подготовке. По этой причине температуры застывания, определенные таким образом, как правило, не могут быть соотнесены с концентрацией используемых сахарных растворов.

При переходе воды в лед происходит изменение удельной теплоемкости с 4,18 Дж/г-К (вода) до 2,1 Дж/г-К (лед, чуть ниже точки замерзания), что в первую очередь обуславливает четкое смещение базовой линии до и после пика застывания/плавления (рис. 2: переход воды в лед - и рис. 3: переход льда в воду).

При последующем нагреве со скоростью 5 К/мин (рис. 3) стеклование максимально концентрированного раствора происходит при -32°C (средняя точка). Это значение хорошо согласуется с литературными данными, предполагающими -32°C и -33°C [2], [4].

За стеклованием следует эндотермический пик при нагревании (вставка на рисунке 3), экстраполированная температура начала которого, Tm´, описывает начало плавления льда. Согласно Роосу [1], максимальная "концентрация замерзания" может наблюдаться только при температурах замерзания между Tg´и Tm´.

Область ниже пика плавления соответствует свободной части воды. Точкой отсчета здесь является теплота плавления льда, равная 333,7 Дж/г.

3) Стеклование максимально концентрированного раствора; скорость нагрева: 5 К/мин
4) Высота ступени стеклования в зависимости от концентрации сахарного раствора

В низкоконцентрированных растворах доля сахарозы может быть определена по высоте соответствующего стеклования. На рисунке 4 показано, что высота ступеньки (значения ΔУдельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp) для растворов 5%, 10% и 20% - с результатами 0,127 Дж/г-К, 0,258 Дж/г-К и 0,516 Дж/г-К - очень хорошо согласуется с масштабированием концентрации в 2 раза, при этом температуры стеклования остаются largeли постоянными. Существует линейная зависимость между высотой ступеньки и концентрацией (рис. 5).

5) Линейная зависимость между высотой ступеней стеклообразных переходов и соответствующими концентрациями растворов сахарозы

Кроме того, с увеличением концентрации растворов сахарозы начало плавления льда (экстраполированная температура начала плавления) смещается к более низким значениям на рисунке 6. При более высоких концентрациях это приводит к уменьшению интервала между стеклованием максимально концентрированного раствора и началом плавления свободной воды.

Некоторые аморфные вещества вновь кристаллизуются при нагревании выше температуры стеклования. Этот эффект, называемый девитрификацией или холодной кристаллизацией, можно использовать для изменения пористости и остаточной влажности лиофилизата [2] путем закалки материала выше температуры рекристаллизации (экстраполированного начала). В результате рекристаллизации происходит разделение фаз, и высвобожденная "незамороженная" вода превращается в лед. Однако, как показано на рисунке 3, в случае сахарозы посткристаллизации не происходит.

6) Начало таяния льда в зависимости от концентрации сахарного раствора

Первичная сушка

На этом этапе замороженный лед удаляется в вакууме путем сублимации (перехода из твердого в газообразное агрегатное состояние).

Во время этого процесса - при котором тепло подводится извне - температура в продукте не должна подниматься выше температуры стеклования, так как это приводит к размягчению каркасной структуры и разрушению системы [5]. Разрушение каркасной структуры во время фазы сушки называется коллапсом.

Хотя температуры коллапса, по некоторым данным, в среднем на 1-5 К выше соответствующих температур стеклования [6], хорошие ориентиры для их определения - температуры стеклования максимально концентрированных растворов, Tg´, которые могут быть определены с помощью ДСК.

Вторичная сушка

На этом этапе продукт высушивается до желаемого конечного уровня влажности путем десорбции воды, содержащейся в матрице, при медленном повышении температуры.

В аморфных лиофилизатах вода должна диффундировать из стеклообразной фазы на поверхность. Этот довольно медленный процесс является причиной того, что этап после сушки часто определяет скорость сублимационной сушки для аморфных лиофилизатов [2].

Из-за смягчающего эффекта воды температура стеклования аморфной фазы напрямую зависит от содержания в ней воды. По мере обезвоживания Tg (температура стеклования сахарозы как твердого вещества) повышается; ее положение также можно быстро и точно определить с помощью ДСК.

Заключение

Важными характеристиками для проектирования процесса первичной сушки являются температура стеклования максимально концентрированного раствора (Tg´) и температура коллапса, при которой материал размягчается настолько, что больше не может поддерживать свою собственную структуру и начинает течь. С помощью ДСК (иногда ТМ-ДСК*) можно легко определить Tg´.

Температура коллапса немного выше, чем Tg´; точный интервал между Tg´и температурой коллапса зависит от рецептуры.

Literature

  1. [1]
    Y. H. Roos, Фазовые переходы в пищевых продуктах, Academic Press, Inc, 1985.
  2. [2]
    Мартин Крамер, Инновационные разработки для минимизации процессии гефрайертрокнунгсзикленов, Диссертация, Университет Эрлангена, 1999.
  3. [3]
    H. Левин и Л. Слейд, Принципы технологии "криостабилизации" на основе соотношения структуры и свойств систем углевод/вода - обзорCryo-Letters 9, 1988, pp. 21-63.
  4. [4]
    L. Слейд и Х. Левин, Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 30,115 - 130.
  5. [5]
    Фрэнк Кофи Беду-Аддо, Понимание разработки рецептур при лиофилизации, Фармацевтическая технология, 1 марта 2004 г.
  6. [6]
    www.ftssystems.com/PDF/FTS_critical_drying_temp.pdf, Лекция Евы Майстер, Pharmazie, Universität Erlangen.