Lyophilisierung in der pharmazeutischen Industrie

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Lyophilisierung in der pharmazeutischen Industrie

Die Lyophilisation, auch Gefriertrocknung genannt, spielt in der pharmazeutischen Industrie eine wichtige Rolle. Die Industrie setzt seit vielen Jahren Gefriertrocknungsverfahren ein, um die Haltbarkeit verschiedener Arzneimittel zu verlängern.
Wie genau funktioniert die Gefriertrocknung? Was macht eine Gefriertrocknungsanlage, und warum ist diese kryogene Anwendung so wertvoll für die pharmazeutische Industrie? Lesen Sie weiter, um detaillierte Antworten auf diese Fragen zu erhalten.

Was ist Gefriertrocknung?

Die Lyophilisierung erfolgt in einem Gefriertrockner. In diesem (oft) kryogenen Gefriertrocknerwird ein Produkt zunächst auf eine niedrige Temperatur gebracht, woraufhin ihm fast die gesamte Feuchtigkeit entzogen wird.
In den meisten Fällen besteht dieser Prozess aus drei Schritten:

1. Einfrieren des Erzeugnisses.

Die Gefriertrocknung beginnt mit dem Einfrieren eines Produkts bei einer Temperatur von etwa -40°C bis -50°C bei atmosphärischem Druck. In dieser Phase wird häufig Flüssigstickstoff als schnelles, umweltfreundliches und kostengünstiges Kältemittel eingesetzt. Schnelles Gefrieren kann bei der Gefriertrocknung von Substanzen, die empfindlich auf Kristallbildung reagieren, von entscheidender Bedeutung sein.
In dieser ersten Stufe wird das Produkt bis unter den Tripelpunkt abgekühlt. Dadurch wird sichergestellt, dass in der primären Trocknungsphase eine Sublimation und kein Schmelzen stattfindet.

water phase diagram

Quelle: Na Eye
Der Tripelpunkt von Wasser

2. Primäre Trocknungsphase (Sublimation).

Anschließend wird das abgekühlte Produkt bei reduziertem Druck leicht erwärmt, wodurch die bereits erwähnte Sublimation stattfindet. Im Gefriertrockner wird außerdem ein Vakuum erzeugt, das den Sublimationsprozess weiter beschleunigt.
In dieser Phase werden die gebildeten Wasserdämpfe in einem Kondensator gesammelt, wodurch die Dämpfe eine feste Form annehmen.

Während der primären Trocknungsphase wird dem Produkt der größte Teil der Feuchtigkeit entzogen, während seine Struktur optimal erhalten bleibt.

3. Sekundäre Trocknungsphase (Absorption)

In der letzten Phase erfolgt die Sekundärtrocknung, die so genannte Absorption. In dieser Phase werden dem Produkt die ionisch gebundenen Wassermoleküle entzogen.
Während dieser Phase steigt die Temperatur leicht an, manchmal sogar über 0 °C. Anschließend wird das Vakuum mit einem Inertgas, z. B. Stickstoff, gebrochen und das Produkt versiegelt.
Nach Abschluss dieser drei Schritte hat das Produkt eine poröse Form und enthält oft nicht mehr als 1-4% Wasser.

Lyophilisierung in der pharmazeutischen Industrie

Die Gefriertrocknung wird hauptsächlich in der Nahrungsmittelindustrie zur Konservierung von Lebensmitteln und in der pharmazeutischen Industrie zur Herstellung und Konservierung von (hauptsächlich biopharmazeutischen) Arzneimitteln eingesetzt.
Viele dieser Arzneimittel enthalten komplexe Molekularstrukturen, die in flüssiger Form instabil sind. Wenn diese Arzneimittel ungetrocknet gelagert werden, ist ihre Haltbarkeit daher begrenzt.
Wenn den Strukturen die Feuchtigkeit entzogen wird, stabilisieren sie sich erheblich, so dass die Medikamente über einen längeren Zeitraum gelagert und später durch erneute Zugabe von Feuchtigkeit wieder hergestellt werden können.
Beispiele für pharmazeutische Materialien, die durch Gefriertrocknung behandelt werden, sind Antibiotika, Impfstoffe, Bakterien und Diagnostika.

diagram of a lyophilizer

Das obige Diagramm von Lubrizol CDMO zeigt deutlich den Prozess der Gefriertrocknung in der pharmazeutischen Industrie. Die Fläschchen mit dem Arzneimittel werden gekühlt und mit Hilfe eines Kondensators getrocknet. Außerdem wird in der Anwendung ein Vakuum erzeugt, um den Sublimationsprozess zu beschleunigen.

Herausforderungen bei der Lyophilisierung

Die Lyophilisierung ist ein komplexer Prozess, der mehrere Herausforderungen mit sich bringt. So ist beispielsweise die Zusammensetzung jeder Substanz oder jedes Arzneimittels unterschiedlich, und es muss für jedes Material geprüft werden, wie die Gefriertrocknung durchzuführen ist. Alle Aspekte und Komponenten des Prozesses müssen perfekt auf das jeweilige Material abgestimmt sein, um Schäden zu vermeiden. Diese Forschung erfordert viel Zeit und Fachwissen.
Während der Gefriertrocknung sind die Produkte über einen längeren Zeitraum der Umwelt ausgesetzt, wodurch ein Kontaminationsrisiko entsteht. Die sterile Lyophilisation ist daher äußerst wichtig, und die Gefriertrockner für Arzneimittel unterliegen strengen Sicherheitsanforderungen. Der Einsatz der Gefriertrocknung in großem Maßstab ist daher kostspielig.

Lyophilisierung und Kryotechnik

Welche Rolle spielt also die Kryotechnik bei der Gefriertrocknung?
Gefriertrockner gibt es in vielen verschiedenen Formen. Klein, groß und mit unterschiedlichen Kühlsystemen. Mechanisch oder kryogen. In der pharmazeutischen Industrie verwenden viele Gefriertrockner flüssigen Stickstoff für die erste Stufe des Gefriertrocknungsprozesses: das Einfrieren des Produkts.
Kryogene Gefriertrockner bieten mehrere Vorteile, darunter:

  • Niedrige Temperaturen sind leichter zu erreichen als bei mechanischer Kühlung. Der Grund dafür ist, dass flüssiger Stickstoff eine Temperatur von bis zu – 196 °C hat.
  • Die Produkte werden schneller abgekühlt, was oft eine Voraussetzung für die Gefriertrocknung von Impfstoffen ist.
  • Das System kommt ohne umweltschädliche Kältemittel aus.
  • Im Vergleich zu mechanischen Systemen sind die Kosten für die Kühlung mit Flüssigstickstoff oft niedriger.
  • Ein kryogenes Kühlsystem erfordert weniger Wartung, was wiederum die Gesamtkosten des Systems senkt.
  • Ein kryogenes Kühlsystem ist in der Regel leiser als ein mechanisches System.

Aus diesen Gründen sind kryogene Gefriertrocknungssysteme in der pharmazeutischen Industrie weit verbreitet. Daher arbeitet Demaco häufig mit dieser Industrie zusammen und liefert die notwendigen Infrastrukturen, um die kryogene Lyophilisierung zu ermöglichen.

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Demacos Infrastrukturen für die Pharmaindustrie

Damit ein kryogener Gefriertrockner funktioniert, ist eine kryogene Flüssigkeit erforderlich. In den meisten Fällen handelt es sich dabei, wie oben beschrieben, um flüssigen Stickstoff.

Unternehmen in der pharmazeutischen Industrie, die die kryogene Gefriertrocknung einsetzen, verfügen über einen oder mehrere kryogene Tanks, auch Dewars genannt, die sich innerhalb oder außerhalb ihres Gebäudes befinden. Diese Dewars enthalten den benötigten Flüssigstickstoff.

Als Experte für kryogene Infrastrukturen sorgt Demaco dafür, dass der flüssige Stickstoff mit dem richtigen Druck und in optimaler Qualität aus diesen Lagertanks in den Gefriertrockner gelangt.

In Zusammenarbeit mit dem Kunden bewerten unsere Experten die Anforderungen für eine spezifische kryogene Anwendung. Wir liefern auch die richtigen vakuumisolierten Transferleitungen (VIP), die richtigen Kupplungen und alle zusätzlichen Produkte zur Qualitätsverbesserung.

Dank unserer langjährigen Erfahrung in der Pharmaindustrie wissen wir genau, was eine perfekte Infrastruktur für einen kryogenen Gefriertrockner braucht.

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