Gefriertrocknung

Die Gefriertrocknung verzichtet im Vergleich zu anderen Trocknungsverfahren auf die Verwendung hoher Temperaturen. Aus diesem Grund ist sie gut für labile Moleküle wie zum Beispiel Proteine geeignet.

Die Gefriertrocknung hat in den letzten Jahren (Stand 2022) in der pharmazeutischen Industrie und Technologie an Bedeutung gewonnen. Mehr als ein Drittel aller Biologicals wird gefriergetrocknet. Da die Anzahl der Biologicals zunimmt, steigt auch die Relevanz der Gefriertrocknung. Doch auch außerhalb der Medizin und Pharmazie findet die Gefriertrocknung Anwendung, so zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie.

Die physikalische Grundlage der Gefriertrocknung ist die Sublimation, also der Wechsel des Aggregatzustands von fest zu gasförmig. Damit dieser Übergang stattfinden kann, muss sich die zu trocknende Substanz unterhalb des Tripelpunktes befinden. Der Tripelpunkt, der für Wasser bei 0,0099 °C und 0,61 kPa liegt, beschreibt den Zustand, bei welchem die drei Aggregatzustände gleichzeitig vorliegen. Wird dieser Punkt unterschritten, kann ein direkter Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand erfolgen. Dieser Vorgang kann graphisch über ein Phasendiagramm nachvollzogen werden.

Für die Gefriertrocknung ist die kritische Prozesstemperatur von Bedeutung. Bei kristallinen Stoffen entspricht sie der eutektischen Temperatur, bei amorphen Stoffen der Glasübergangstemperatur:

• Kristalline Stoffe weisen eine regelmäßige und wiederkehrende Struktur auf. Liegen sie im Eutektikum vor, bedeutet dies, dass zwei Stoffe so gut vermischt sind, dass sie sich wie ein Stoff verhalten. Wird der Stoff oberhalb der eutektischen Temperatur eingefroren, bleibt Wasser in der Kristallstruktur zurück, das nicht vollständig entfernt werden kann. Das Produkt wäre nicht nutzbar.
• Amorphe Stoffe zeigen einen unregelmäßigen atomaren Aufbau und verfügen über einen Glasübergang. Die Glasübergangstemperatur bezeichnet die Temperatur, ab welcher ein glasartiger, spröder Stoff in einen gummiartigen und verformbaren übergeht. Wird die amorphe Substanz oberhalb der Glasübergangstemperatur eingefroren, entsteht kein verwendbares Produkt.

Ein Gefriertrocknungsprozess besteht aus drei Schritten:

• Einfrierphase: In dieser Phase wird die Lösung eingefroren. Die Temperatur wird unterhalb der kritischen Prozesstemperatur eingestellt.
• Primärtrocknung: In der Primärtrocknungsphase wird der Druck der Trocknungskammer stark abgesenkt. In der Regel wird ein Druck von etwa 100 mTorr (13 Pa) verwendet. Durch die Drucksenkung wird der Tripelpunkt unterschritten und das Eis sublimiert. Am Kondensator, der den kältesten Punkt der Anlage darstellt, resublimiert das Eis, sodass der Wasserdampf entfernt und somit der niedrige Druck gewährleistet wird. Hierbei wird die Stellfläche beheizt, da das Produkt sonst über die Sublimationswärme Energie verlieren würde, was es so weit abkühlen könnte, dass sich der Dampfdruck des Eises dem der Kammer angleicht. In diesem Fall wäre keine Sublimation mehr möglich.
• Sekundärtrocknung: Im letzten Schritt der Gefriertrocknung wird das sogenannte "unfrozen water" entfernt, also das Wasser, das in der Einfrierphase nicht eingefroren wurde. "Unfrozen water" lagert sich vor allem in amorphen Stoffen ein. Diese Trocknung erfolgt durch eine Erhöhung der Stellflächentemperatur, auf welcher das Trockengut platziert ist.

Eine Gefriertrocknungsanlage ist so aufgebaut, dass alle Schritte in ihr durchgeführt werden können. Sie besteht aus einer kühl- und heizbaren Stellfläche, einer Vakuumpumpe und einem Kondensator. Oft sind auch Messeinrichtungen montiert: Die Temperatur kann im Produkt mit Thermocouple-Elementen oder thermalen Widerstandsmessern ermittelt werden; der Druck wird mit einem Kapazitätsmanometer und einem Pirani-Vakuummeter gemessen. Diese Messeinrichtungen dienen der Endpunktsbestimmung, geben also Auskunft über das Ende des Trocknungsvorgangs.

Damit das pharmazeutische Produkt während des Prozesses seine Wirksamkeit nicht verliert und ausreichend lagerstabil bleibt, werden Hilfsstoffe zugegeben. Zu beachten ist, dass der Hilfsstoff im selben physikochemischen Zustand (kristallin beziehungsweise amorph) wie das zu gefriertrocknende Gut vorliegen muss:

• Kryoprotektoren: Sie stabilisieren das Produkt beim Einfrieren. Der Effekt wird mit der Preferential-Exclusion-Theorie erklärt: In wässriger Lösung liegt ein Protein im Gleichgewicht zwischen gefalteter und entfalteter Form vor, von welcher nur die gefaltete biologisch aktiv ist. Kryoprotektoren werden in wässriger Lösung von der Oberfläche eines Proteins ausgeschlossen; dieser Ausschluss ist thermodynamisch unvorteilhaft. Da bei gefalteten Proteinen, die im Gegensatz zu entfalteten Proteinen eine kompaktere Form aufweisen, die Grenzfläche geringer ist, wird bei ihnen weniger Hilfsstoff ausgeschlossen. Dies bevorzugt im Umkehrschluss die gefaltete Form gegenüber der ungefalteten.
• Lyoprotektoren: Sie stabilisieren das Produkt beim Trocknungsvorgang. Proteine benötigen für das Vorliegen in einer stabilen Form eine Hydrathülle, die beim Trocknen entfernt wird. Lyoprotektoren imitieren diese durch Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen und stabilisieren somit das Protein. Dieser Mechanismus wird als "water replacement" bezeichnet.

Kryoprotektoren und Lyoprotektoren sind oft dieselben Stoffe; die Art, wie sie wirken, hängt von der vorhandenen Wassermenge ab. Verwendet werden z.B. Saccharose, Trehalose und PVP.

• Tenside: Proteine neigen dazu, sich an Grenzflächen anzulagern, an denen sie sich entfalten und ihre biologische Funktion verlieren. Um dies zu verhindern, werden Tenside wie Polysorbat 20 und 80 zugegeben, welche ein Anlagern des Proteins in die Grenzfläche verhindern.
• Füllstoffe: Sie verleihen dem fertigen Produkt mechanische Festigkeit und ein ästhetisches Aussehen. Durch die Erhöhung der Masse wird ein Produkt Fly-Out verhindert, bei welchem geringe Proteinmengen dem Luftstrom des sublimierten Wasserdampfes folgen. Verwendet werden leicht zu kristallisierende Stoffe wie Mannitol oder Glycin.
• Puffer: Die Stabilität von Proteinen ist abhängig vom pH-Wert. Ein passender, mindestens euhydrischer pH-Wert ist außerdem bei der parenteralen Gabe des Arzneimittels zu beachten. Aus diesen Gründen werden Puffersubstanzen zugegeben, welche den pH-Wert in einem definierten Rahmen halten. Häufig verwendet werden Citrat- und Phosphatpuffer. Hierbei ist zu beachten, dass es vor allem bei Verwendung eines Phosphatpuffers während des Einfriervorgangs zu einer Änderung des pH-Werts kommen kann. Beim Einfrieren wird Wasser verfestigt, also das Volumen des Lösemittels verringert, was die Lösung aufkonzentriert. Da die korrespondierende Säure des Puffersystems eine andere Löslichkeit aufweist als die korrespondierenden Base, kristallisiert ein Bestandteil vor dem anderen aus, was zu einer Veränderung des pH-Wertes führt. Dies kann die Stabilität des Proteins beeinflussen.
• Isotonisierungsmittel: Sie werden eingesetzt, damit die verabreichte Lösung isoton ist. Die Isotonisierung erfolgt zum Beispiel mit Mannitol oder Glucose. Salze sollten nicht verwendet werden, da diese die Stabilität des Proteins beeinträchtigen können.

Vor der Anwendung muss das Lyophilisat rekonstituiert werden. Hierbei wird das Pulver in einem Lösungsmittel gelöst; die hierbei entstehende Lösung wird dem Patienten verabreicht. Als Rekonstitutionsmittel wird Wasser für Injektionszwecke verwendet.

Möchte man aus wässrigen Lösungen, die schwer flüchtige Stoffe wie z.B. Salze oder auch Aminosäuren (bzw. Proteine) enthalten, das darin enthaltene Wasser schonend entfernen, nutzt man in der Chemie die Methode der Gefriertrocknung. Dazu muss vorab die Lösung in einem Glaskolben zu Eis gefrieren, worauf anschließend die Destillationsanlage evakuiert wird, bis ein ausreichendes Vakuum (z.B. 10^-4 bar = 10 Pa) erreicht ist. Bei diesen niedrigen Druckverhältnissen wird an der Eisoberfläche ständig Wasser sublimiert und an stark gekühlten Teilen der Apparatur wieder als Eis resublimiert. Bei diesem Vorgang aus dem Kolben wird der Umgebung Wärme entzogen (sog. Sublimationswärme).

Das Eis taut aufgrund dessen während der Gefriertrocknung nie auf, auch wenn in der Umgebung des Kolbens Raumtemperatur herrscht. Ist der Prozess vollzogen, bleiben letztendlich die schwer flüchtigen Substanzen als trockenes Pulver im Kolben zurück. Die zu Beginn schwer flüchtigen Stoffe bleiben während es gesamten Verdampfungsprozesses des Wassers über gekühlt, so dass man auf dem selben Weg auch thermolabile Biomoleküle von Wasser befreien kann.^[2]

• Deutsche Apotheker Zeitung, Heiko Schiffter-Weinle: Immer schön trocken bleiben. Gefriertrocknung zur Stabilisierung von empfindlichen Proteinen. DAZ 2016, Nr. 44, S. 66, 03.11.2016. Abgerufen am 07.05.2020
• Bauer, Frömmig, Führer: Pharmazeutische Technologie. Mit Einführung in die Biopharmazie. 10. Auflage, Stuttgart 2017