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Mar 09, 2024

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12010 (2022) Citer cet article

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La surveillance de la température du produit pendant la lyophilisation est essentielle, en particulier pendant la phase de développement du procédé, car le produit final peut être compromis si sa température de procédé dépasse une valeur seuil. En outre, la surveillance de la température in situ du produit permet de créer un processus de lyophilisation en boucle fermée optimisé. Bien que les thermocouples conventionnels puissent suivre la température du produit, ils sont invasifs, limités à une mesure en un seul point et peuvent modifier considérablement le comportement de congélation et de séchage du produit dans le flacon surveillé. Ce travail a permis de développer une nouvelle méthodologie combinant une surveillance non invasive de la température et une modélisation complète. Il permet la reconstruction précise du profil complet de température du produit à l’intérieur du flacon pendant le processus de lyophilisation. La méthodologie proposée est validée expérimentalement en combinant les données collectées sans fil des capteurs avec les simulations multiphysiques avancées. La sonde de détection de température multipoints sans fil flexible est produite à l'aide de techniques de micro-fabrication et fixée à l'extérieur du flacon, permettant une extraction précise de la température du produit.

La lyophilisation, ou lyophilisation, est un processus couramment utilisé et bien établi qui est développé pour préserver la structure originale des produits biologiques et pharmaceutiques sensibles à la chaleur (par exemple, anticorps, peptides, vaccins) pour un stockage et une expédition à long terme plus faciles à gérer. . La lyophilisation consiste à éliminer la glace d'un produit congelé à basse pression grâce à un processus de sublimation. Selon le rapport « Markets and Markets » (https://perma.cc/Z34R-6WX2), le marché mondial de la lyophilisation devrait atteindre 7,3 milliards de dollars d'ici 2025, contre 4,9 milliards de dollars en 2020, à un taux de croissance annuel composé. (TCAC) de 8,2 %. Comme indiqué dans 1, environ 50 % des nouveaux médicaments injectables/perfusables approuvés par la Food and Drug Administration (FDA) ces dernières années ont été fabriqués sous forme de poudre stérile nécessitant une lyophilisation ou une technologie de séchage similaire.

Généralement, le processus de lyophilisation est divisé en trois étapes ou étapes : la congélation, le séchage primaire et le séchage secondaire. Au stade de la congélation, la solution est complètement gelée. Lors de l'étape de séchage primaire, la pression de la chambre est abaissée, tandis que de la chaleur est fournie au matériau pour que l'eau se sublime. Durant cette étape, la majeure partie de l’eau contenue est sublimée. L'étape de séchage secondaire vise à éliminer l'eau liée. Dans cette phase, la température du plateau augmente plus que lors de la phase de séchage primaire pour rompre toute interaction physico-chimique entre les molécules d'eau et le matériau congelé. La température du produit ne doit pas dépasser une valeur seuil tout au long du procédé, notamment lors de l'étape de séchage primaire. Cette valeur seuil est une caractéristique du produit spécifique lyophilisé. Pour les produits amorphes, elle est souvent liée à la température de transition vitreuse du produit séché. Si la température seuil est dépassée, le produit séché final peut s'effondrer, entraînant des attributs de mauvaise qualité tels qu'une teneur en humidité plus élevée conduisant à une dégradation plus rapide, un temps de reconstitution plus long ou un aspect inacceptable.

Une surveillance précise de l'état du processus n'est pas seulement liée à la température seuil, mais est également nécessaire pour atténuer les variations de processus d'une machine à l'autre et d'une opération à l'autre. Par exemple, le coefficient de transfert thermique d'un flacon et le profil de température qui en résulte sont sensibles aux variations entre les différents lyophilisateurs et à la répartition spatiale des flacons à l'intérieur d'un lyophilisateur donné. Bien que ces différences puissent être moins significatives dans les expériences à l’échelle du laboratoire, elles peuvent entraîner des complications considérables dans les machines de production.

L’insertion de thermocouples miniatures à calibre fin (TC) à l’intérieur de la solution à lyophiliser est aujourd’hui une pratique standard dans l’industrie2. Des TC ont été insérés dans le flacon lors de ce travail, affectant le produit lors du séchage. En effet, la répartition thermique à l'intérieur du produit est modifiée par la conductivité thermique relativement élevée des fils métalliques des TC par rapport à la conductivité du verre. De plus, lorsqu'un TC entre en contact direct avec le matériau séchant, il agit comme un site de nucléation, modifiant ainsi le processus de nucléation. Cela peut conduire à une structure différente du gâteau congelé3,4,5. En effet, Bosca et al.6 ont souligné que l'effet est négligeable pour les petits capteurs ; néanmoins, des différences peuvent encore être observées dans le comportement au séchage dans les flacons avec et sans TC. De plus, il convient de préciser que les thermocouples conventionnels mesurent la température uniquement en des points spécifiques, qui ne représentent pas nécessairement la totalité du volume du produit. Il en résulte une mesure correcte de la température du produit uniquement pour une partie de l'étape de séchage primaire7. De plus, la position d'un thermocouple à l'intérieur d'un flacon affecte fortement la lecture de la température. Demichela et coll. mentionné que des erreurs opérationnelles dans le positionnement du thermocouple pourraient entraîner des incertitudes non négligeables dans la mesure de la température8. Malgré ces problèmes, les TC conventionnels sont couramment utilisés pour estimer des paramètres d’intérêt qui ne peuvent pas être mesurés directement, tels que la position et la température du front mobile9,10.