Nederlandse samenvatting

Transcriptie

1 Nederlandse samenvatting De hoofddoelstelling van deze thesis was de realisatie en evaluatie van een continu en gecontroleerd vriesdroogproces voor de productie van eenheidsdosissen. Het huidige, state of the art vriesdroogproces is een batchgewijs productieproces dat inherent gekoppeld is aan vele nadelen. Deze nadelen worden grondig besproken in de thesis. De invriesstap is niet gecontroleerd op het niveau van het flesje wat resulteert in verschillen in product morfologie en poriegrootte wat op zijn beurt een invloed heeft op de daaropvolgende droogstappen. De kamer van een vriesdroger wordt ook gekenmerkt door een ongelijke warmteoverdracht. Flesjes die zich op de rand van de platen bevinden, zijn blootgesteld aan extra warmtestraling afkomstig van de warmere omgeving in vergelijking met flesjes die in het midden van de platen staan en volledig omgeven zijn door andere flesjes. Deze twee nadelen resulteren in verschillende proces condities voor de afzonderlijke flesjes in een batch. De duur van het proces, samen met de energie inefficiëntie en de grote ruimte die ingenomen wordt door de toestellen dragen bij tot de inefficiëntie van het volledige proces. Het continue vriesdroogproces, gebaseerd op spin vriezen en infrarood straling wordt voorgesteld als een alternatief en innovatief vriesdroogproces. De kenmerken van het continue proces en de voordelen ervan ten opzichte van het traditionele batch proces worden ook beschreven in dit hoofdstuk. Er wordt ook een overzicht gegeven van de verschillende container types die aangewend worden bij vriesdrogen omdat in hoofdstuk 6 een alternatief container type onderzocht wordt: de dubbele kamer cartridge. Het continue vriesdroogproces, zoals voorgesteld in deze thesis, claimt 100% toezicht en controle op het niveau van het individuele flesje. Vandaar wordt in dit hoofdstuk nog een overzicht gegeven van de kritische kwaliteitskenmerken met een focus op de visuele inspectie. Flesjes die door middel van spin vriezen zijn ingevroren hebben een groter oppervlak dat beschikbaar is voor inspectie. Het concept van Quality by Design en proces analytische technologie (PAT) wordt samengevat en de PAT gereedschappen die gebruikt zijn tijdens het onderzoek worden beschreven in deze thesis.

2 De hogere efficiëntie van het ontwikkelde continue vriesdroogproces steunt op de spinvries stap die resulteert in dunnere productlaag en een grotere productoppervlakte die beschikbaar is voor sublimatie. In een volgend hoofdstuk wordt de sublimatiesnelheid van gespinvroren flesjes vergeleken met conventioneel ingevroren flesjes in een batch vriesdroger alsook de impact van de invriesmethode op de totale droogtijd. De invloed van droge laagweerstand, vulvolume, kamerdruk en plaattemperatuur werd onderzocht. De sublimatiesnelheid in gespinvroren flesjes is significant hoger in vergelijking met traditioneel ingevroren flesjes. Dit wordt verklaard door de grotere productoppervlakte waar sublimatie kan plaatsvinden en door de dunne product laag die ervoor zorgt dat de invloed van de droge laagweerstand kleiner is in vergelijking met traditioneel ingevroren flesjes. De plaattemperatuur en kamerdruk hebben beiden een positief significant effect op de sublimatiesnelheid. Het effect van de kamerdruk was, voor de gebruikte experimentele omstandigheden van dit onderzoek, belangrijker voor gespinvroren flesjes in vergelijking met traditioneel ingevroren flesjes. De oorzaak kan gevonden worden in het slechte contact tussen de flesjes en de aluminium flesjeshouder. Een hogere kamerdruk resulteert in een meer efficiënte convectieve warmteoverdracht wat leidt tot een hogere sublimatiesnelheid. Door de grotere oppervlakte van het flesje en product heeft de factor kamerdruk een grote impact op de sublimatiesnelheid. In-line NIR monitoring van gespinvroren flesjes stelde ons in staat toezicht te houden op het volledige droogproces en om de primaire en secundaire eindpunten van het droogproces te bepalen. Het effect van de kamerdruk op de totale droogtijd is bevestigd door in-line NIR monitoring. Er werd tevens een mechanistisch model ontwikkeld om de primair droogstap te modelleren om zo de optimale, dynamische elektrische warmtematjestemperatuur te bepalen. In een eerste stap werd de warmteoverdrachtscoëfficiënt tussen het elektrisch warmtematje en het flesje bepaald om vervolgens te worden geïmplementeerd in het mechanistisch model. De experimentele data toonden aan dat de warmteoverdrachtscoëfficiënt onafhankelijk is van de kamerdruk en dit door het nauwe contact tussen het elektrisch warmtematje en het flesje. Gesteund op een één-dimensionale aanpak werd het primair droogproces gemodelleerd en de energie output van het elektrisch warmtematje, om een zo efficiënt als mogelijk vriesdroogproces te bekomen, werd bepaald tijdens elke proces minuut.

3 Verificatie van het model werd bekomen door een model formulatie te vriesdrogen gebaseerd op de berekende temperatuur van het elektrisch warmtematje. Het eindpunt van primair drogen werd vervolgens bepaald en vergeleken met het eindpunt van primair drogen dat door het model voorspeld werd. Dit eindpunt werd bepaald via in-line NIR monitoring. Deze verificatie experimenten toonden een goede overeenkomst aan tussen beide eindpunten van primair drogen ((1.05 ± 0.07). Het visuele uitzicht van de gevriesdroogde formulatie was goed zonder enig visueel waarneembaar teken van macroscopische product collaps. Het gebruik van een alternatief container type, de dubbele kamer cartridge, in het continue vriesdroogproces wordt in detail geëvalueerd. Verschillende nadelen duiken op bij het traditioneel, batchgewijs vriesdrogen van dubbele kamer cartridges zoals de slechte conductieve warmteoverdracht dewelke leidt tot een langere procestijd. Om een oplossing te bieden aan deze nadelen werd nagegaan of het gebruik van het continu vriesdroogproces een antwoord kon bieden op deze nadelen. Eerst werd het maximale vulvolume voor het spinvriezen van een dubbele kamer cartridge bepaald. Het theoretisch berekende maximale vulvolume was 1.68 ml. In de praktijk bleek echter dat het maximale vulvolume 0.8 ml bedroeg en dit werd veroorzaakt door enerzijds een suboptimale spinvriesopstelling dewelke resulteerde in precessie en vibratie van de cartridge en anderzijds door het beperkte toerental tijdens het spinnen. Dit leidde ertoe dat er vloeistof uit de cartridge lekte bij hogere vulvolumes dan 0.8 ml. Dit maximale vulvolume is uiteraard afhankelijk van het gebruikte type dubbele kamer cartridge. Het mechanistisch model om de optimale, dynamische temperatuur van de infraroodstraler tijdens primair drogen te bepalen, zoals beschreven door Van Bockstal et al. [1] werd aangepast naar de afmetingen van de cartridge en de positie ervan in de vriesdroogkamer en ten opzichte van de infraroodstraler. Verificatie van dit berekende optimale temperatuur traject van de infraroodstraler leverde een goed visueel productuitzicht op waarbij geen visuele tekenen van macroscopische product collaps optraden en met een aanvaardbaar residueel vochtgehalte. Aangezien de sublimatiesnelheid veel hoger is bij een gespinvroren container, kan de nauwe opening opening van de cartridge nek de waterdampstroming beperken wat kan resulteren in choked flow. Een optimaal dynamisch temperatuur traject van de infraroodstraler waarbij choked flow theoretisch zou moeten optreden leidde niet tot een choked flow geïnduceerde temperatuurstijging binnen het tijdskader waar choked

4 flow voorspeld werd door het mechanistisch model. Dit kon verklaard worden door de initiële temperatuurstijging van de infraroodstraler bij de start van het primair drogen waarbij het mechanistisch model ervan uitging dat de infraroodstraler ogenblikkelijk zijn vooropgestelde temperatuur bereikt. Het was niet mogelijk om met de huidige experimentele opstelling choked flow te veroorzaken in een dubbele kamer cartridge. Aangezien het continue vriesdroogconcept mogelijks meer stress genereert op eiwitten, wordt de invloed van het continu proces op de activiteit van alcohol dehydrogenase (ADH) nagegaan. Aangezien spinvriezen geassocieerd kan zijn met een veel snellere invriesstap in vergelijking met traditioneel invriezen, moet er nagegaan worden of dit een invloed heeft op eiwitten. Hiervoor werden drie verschillende koeltemperaturen (-40 C, -80 C en -196 C) aangewend welke resulteerden in verschillende koelsnelheden. De invloed hiervan werd nagegaan in vries-ontdooi experimenten. De hogere koelsnelheden hadden geen significante invloed op de ADH activiteit. Er kon geconcludeerd worden dat de range van koelgas temperaturen die kunnen gebruikt worden tijdens de spinvriesstap van een continue vriesdroogproces, geen impact hebben op de ADH activiteit. Er is echter verder onderzoek nodig op verschillende modeleiwitten om dit resultaat te bevestigen. Twee ADH concentraties ( mg/ml) werden getest om na te gaan of er een zelfbeschermend effect optrad bij een hogere concentratie ADH. De experimenten wezen echter uit dat er binnen de geteste concentratierange geen significant verschil was in eiwitactiviteit. In een volgende stap werden verschillende stabilisatoren getest in een hoge en lage concentratie om hun effect na te gaan op de ADH concentratie na vriesdrogen. Sucrose en trehalose hebben beiden een positief significant effect op de enzymactiviteit terwijl PVP een negatief significant effect had. De geteste spreiding in stabilisatorconcentratie voor sucrose had geen invloed op de stabiliteit van het enzym tijdens vriesdrogen. Voor trehalose daarentegen werd een hogere enzymactiviteit gemeten bij een hogere concentratie stabilisator. Het toevoegen van polysorbaat 80 als cryoprotectant had geen significant effect op de ADH activiteit na vriesdrogen. Twee verschillende container types werden getest: 10R flesjes en dubbele kamer cartridges. Er werd een hogere ADH activiteit gevonden na het continu vriesdroogproces in vergelijking met het conventionele batch vriesdroogproces.

5 De resultaten beschreven in dit hoofdstuk zijn toepasbaar op ADH als een modelenzym maar aangezien eiwitten verschillen in gevoeligheid tot stress die geassocieerd wordt met vriesdrogen, moet het geval per geval nagegaan worden welk type container best gebruikt wordt en welke lyo- en cryoprotectanten in een bepaalde concentratie worden toegevoegd aan de formulatie. Er werd ook gefocust op de product karakteristieken waarbij de bepaling van de drogelaagweerstand van een spingevroren formulatie gebaseerd op contactloze thermische beeldvorming werd onderzocht. Bepaling van de drogelaagweerstand in traditioneel batchgewijs vriesdrogen berust op het gebruik van temperatuursensoren maar door hun invasieve meetmethode moeten deze data aandachtig geïnterpreteerd worden. Deze sensoren zijn ook niet bruikbaar in een continu vriesdroogproces gebaseerd op spinvriezen door het continu roteren van de container. De toepasbaarheid van in-line, niet invasieve infrarood thermografie om de producttemperatuur aan het sublimatiefront te bepalen is reeds beschreven door Van Bockstal et al. [2]. Deze methode werd toegepast om de producttemperatuur aan het sublimatiefront te bepalen door meting van de temperatuur van de wand van het flesje in een prototype continue vriesdroger voor één enkel flesje. De spinvriesstap in dit prototype was echter niet gecontroleerd en leidde tot verschillen in drogelaagweerstand tussen de verschillende experimenten. De vriesdroogkamer warmde ook op tijdens de experimenten en samen met de moeilijke drukregeling resulteerde dit in onbetrouwbare data. Het was hierdoor niet mogelijk om de drogelaagweerstand van de vijf model formulaties nauwkeurig te bepalen tijdens continu vriesdrogen in een prototype continue vriesdroger voor één flesje. In het laatste hoofdstuk wordt een gedetailleerd overzicht beschreven over de economische en sociale impact van het onderzoek dat uitgevoerd werd voor deze doctoraatsthesis. De toekomstige uitdagingen voor de farmaceutische industrie worden opgelijst en er wordt aangegeven hoe het continu vriesdroogproces tegemoet komt aan deze uitdagingen. Er wordt ook een overzicht gegeven van alternatieve continue vriesdrooginitiatieven van andere onderzoeksgroepen. De potentiële valorisatie van het beschreven onderzoek wordt beschreven waarbij een overzicht wordt gegeven van het enkel flesje prototype, het GMP-like engineering prototype en de GMP continue vriesdroger. Dit hoofdstuk wordt afgesloten met een opsomming van de toekomstperspectieven.