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Mar 09, 2024

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12010 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

プロセス温度が閾値を超えると最終製品が危険にさらされる可能性があるため、凍結乾燥中の製品温度のモニタリングは、特にプロセス開発段階では重要です。 また、製品のその場温度モニタリングにより、最適化された閉ループ凍結乾燥プロセスを作成する機能が得られます。 従来の熱電対は製品の温度を追跡できますが、侵襲的であり、測定が 1 点に限定されており、監視対象のバイアル内の製品の凍結と乾燥の挙動が大幅に変化する可能性があります。 この研究により、非侵襲的な温度モニタリングと包括的なモデリングを組み合わせた新しい方法論が開発されました。 これにより、凍結乾燥プロセス中にバイアル内の製品の完全な温度プロファイルを正確に再構築できます。 提案された方法論は、センサーのワイヤレスで収集されたデータと高度なマルチフィジックス シミュレーションを組み合わせることによって実験的に検証されます。 柔軟なワイヤレス多点温度検知プローブは、微細製造技術を使用して製造され、バイアルの外側に取り付けられるため、製品温度を正確に抽出できます。

凍結乾燥またはフリーズドライは、熱に弱い生物学的製品および医薬品 (抗体、ペプチド、ワクチンなど) の元の構造を保存し、より管理しやすい長期保管および輸送を目的として開発された、一般的に使用され確立されたプロセスです。 。 フリーズドライでは、昇華プロセスを通じて低圧で冷凍製品から氷を除去します。 「Markets and Markets」レポート (https://perma.cc/Z34R-6WX2) によると、世界のフリーズドライ市場は、年平均成長率で 2020 年の 49 億ドルから 2025 年までに 73 億ドルに達すると予想されています。 (CAGR) 8.2%。 1 で報告されているように、近年食品医薬品局 (FDA) によって承認された新しい注射剤/注入剤の約 50% は、凍結乾燥または同様の乾燥技術を必要とする滅菌粉末の形態で製造されています。

通常、凍結乾燥プロセスは、凍結、一次乾燥、二次乾燥の 3 つの段階またはステップに分割されます。 凍結段階では、溶液は完全に凍結します。 一次乾燥ステップでは、チャンバー圧力を下げ、材料に熱を加えて水を昇華させます。 この段階では、水分の大部分が昇華します。 二次乾燥ステップは、結合水を除去することを目的としています。 この段階では、水分子と凍結材料の間の物理化学的相互作用を破壊するために、棚温度が一次乾燥段階よりも高くなります。 製品温度は、プロセス全体を通じて、特に一次乾燥段階ではしきい値を超えてはなりません。 この閾値は、凍結乾燥される特定の製品の特性です。 非晶質製品の場合、多くの場合、乾燥製品のガラス転移温度に関連します。 閾値温度を超えると、最終乾燥製品が崩壊する可能性があり、その結果、水分含量が高くなって劣化が早まり、復元時間が長くなったり、許容できない外観になったりするなど、品質が低下します。

正確なプロセス状態の監視は、しきい値温度に関係するだけでなく、マシン間および実行ごとのプロセス変動を軽減するためにも必要です。 たとえば、バイアルの熱伝達係数とその結果として生じる温度プロファイルは、さまざまな凍結乾燥機間の変動や、特定の凍結乾燥機内のバイアルの空間分布の影響を受けやすくなります。 このような違いは、実験室規模の実験ではそれほど重要ではないかもしれませんが、生産レベルのマシンではかなりの複雑さを引き起こす可能性があります。

凍結乾燥する溶液の中に小型のファインゲージ熱電対 (TC) を挿入することは、今日の標準的な業界慣行です2。 この作業では TC がバイアルに挿入され、乾燥中に製品に影響を与えました。 これは、TC の金属ワイヤの熱伝導率がガラスの伝導率に比べて比較的高いため、製品内部の熱分布が変化するためです。 また、TC が乾燥材料と直接接触すると、核形成サイトとして機能し、核形成プロセスが変化します。 これにより、冷凍ケーキの構造が異なる可能性があります3、4、5。 実際、Bosca et al.6 は、小型センサーではその影響は無視できると指摘しました。 それにもかかわらず、TC を含むバイアルと含まないバイアルの乾燥挙動には依然として差異が観察されます。 さらに、従来の熱電対は特定の点の温度のみを測定し、必ずしも製品全体の体積を表すわけではないことを指摘しておく必要があります。 これにより、一次乾燥段階の一部でのみ正確な製品温度が測定されます7。 また、バイアル内の熱電対の位置は、温度測定値に大きな影響を与えます。 デミケーラら。 は、熱電対の位置決めにおける操作エラーが、重大な温度測定の不確実性を引き起こす可能性があると述べました8。 これらの問題にもかかわらず、従来の TC は、移動前線の位置や温度など、直接測定できない重要なパラメーターを推定するために一般的に使用されています 9,10。