Detection of Collapse and Crystallization of Saccharide, Protein, and Mannitol Formulations by Optical Fibers in Lyophilization

Abstract

The collapse temperature (Tc) and the glass transition temperature of freeze-concentrated solutions (Tg') as well as the crystallization behavior of excipients are important physicochemical characteristics which guide the cycle development in freeze-drying. The most frequently used methods to determine these values are differential scanning calorimetry (DSC) and freeze-drying microscopy (FDM). The objective of this study was to evaluate the optical fiber system (OFS) unit as alternative tool for the analysis of Tc, Tg' and crystallization events. The OFS unit was also tested as a potential online monitoring tool during freeze-drying. Freeze/thawing and freeze-drying experiments of sucrose, trehalose, stachyose, mannitol, and highly concentrated IgG1 and lysozyme solutions were carried out and monitored by the OFS. Comparative analyses were performed by DSC and FDM. OFS and FDM results correlated well. The crystallization behavior of mannitol could be monitored by the OFS during freeze/thawing as it can be done by DSC. Online monitoring of freeze-drying runs detected collapse of amorphous saccharide matrices. The OFS unit enabled the analysis of both Tc and crystallization processes, which is usually carried out by FDM and DSC. The OFS can hence be used as novel measuring device. Additionally, detection of these events during lyophilization facilitates online-monitoring. Thus the OFS is a new beneficial tool for the development and monitoring of freeze-drying processes.

Investigating the critical formulation temperatures of Brucella abortus S-19 vaccine with different liyoprotectants prior to liyophilisation

“…Dondurarak kurutma prosesi için kurutulacak formülasyonların kritik parametrelere göre analiz edilmesi gereklidir. Tc değeri sıklıkla FDM ile tespit edilmektedir [9,10]. Bu amaçla değişken sıcaklık ve vakum altında kurumakta olan ürüne ait numunenin gözlemlenmesine izin veren FDM cihazı ile kritik formülasyon sıcaklıkları belirlenebilmektedir [8].…”

“…Böylece FDM de tespit edilen Tc sıcaklığının başlangıç veya tam kollaps işaret edebildi-ği paylaşılmıştır. Aynı zamanda FDM cihazının başlangıç kollapsının belirlenmesinin subjektif bir değerlendirme temeline dayanmakta olduğu belirtilmiştir [10]. Bizim yaptığımız analizlerde gözlem kriteri olarak kollaps hattında göz ile rahatlıkla seçilebilen başlangıç noktalarını temel aldık.…”

“…Tc ve Tg', her iki değer de ürün sıcaklığının (Tp) üst limitini belirlemeye yardımcı olmaktadır. Tc değerleri genellikle 1-3°C Tg' değerinin üstünde olduğu ve Tc değerinin üzerinde bir kurutmanın makrokollaps ile sonuçlanabileceği belirtilmiştir [10]. Bir başka yayında ise Tg' ve Tc aynı deneysel parametreleri temsil etmedikleri açıklanmış ve Tc değerlerinin genellikle ilişkili Tg' değerlerinden 2-5°C daha yüksek olduğu raporlanmıştır [15] Tg' nin bir sıcaklık aralığı olduğu ve tek bir sıcaklık noktası olmadığıdır [15].…”

“…Çalışma sonucunda FDM cihazı ile Tc ve DTA ile de Tg' veya Teu belirlenmiştir. Tg' değerinde ama Tc'nin altında kurutma yüksek konsantrasyondaki protein formülasyonları için kullanılabilmektedir [10]. Sukroz ve trehaloza kıyasla aşı yarı mamul ürünü ile mannitol karışımı için elde ettiğimiz daha yüksek ötektik sıcaklık değerleri liyofilizasyon reçetesinin oluşturulması daha geniş güvenli sıcaklık aralıkları sunabileceğine işaret edebilmektedir.…”

“…Çalışmamızda gerek FDM ile gözlemlenen Tc ve gerekse DTA ile elde edilen Tg' veya Teu değerlerinde konsantrasyon değişikliğine bağlı yüksek sıcaklık farkları gözlenmemiştir. Benzer bir çalışmada da farklı konsantrasyonlardaki (%5, %10, %20) sukroz ve trehaloza ait DSC (Diferansiyel Taramalı Kalorimetri) analizlerinde belirlenen Tg' değerinde 1°C'den daha az sıcaklık farklılıkları gözlenmiştir [10]. Bu nedenle tercih edilecek protektan ajanın belirli seviyedeki yüksek konsantrasyonlarının kullanımı halinde bile çalışma numuneleri ve izlenen metoda göre prosesin yakın kritik sıcaklıklarda sürdürülebileceği düşünülmektedir.…”