Nuovi approcci per il congelamento e lo stoccaggio delle sostanze farmaceutiche

Di Jeff Johnson, presidente di Biotech Design LLC

La crescita significativa del mercato dei farmaci biologici, sostenuta dalla pandemia di COVID-19 e dallo sviluppo di vaccini pertinenti, ha portato alla necessità di migliorare i metodi di congelamento e conservazione congelata delle sostanze farmaceutiche sfuse (DS).

Il congelamento del DS nei congelatori convenzionali a temperatura ultra-bassa (ULT) provoca molte incoerenze all'interno di una singola operazione (ad esempio, alcune bottiglie si congelano relativamente velocemente mentre altre sono piuttosto lente), il che può portare a problemi di qualità del prodotto. Inoltre, il congelamento dei materiali a temperatura ambiente richiede la rimozione di una grande quantità di calore, che grava sul sistema di refrigerazione. I congelatori ULT convenzionali non sono progettati per gestire questo processo. Una sollecitazione così elevata può comportare una manutenzione frequente e/o ridurre notevolmente la durata utile.

Dopo che il DS è stato sottoposto al processo di congelamento, deve essere conservato in congelatori a lungo termine. Sono disponibili numerose opzioni di congelatore per la conservazione. Una valutazione economica delle diverse opzioni può portare alla scelta tecnologica ottimale per l'applicazione di ciascun utente finale.

Per prima cosa, esploriamo la tecnologia più recente per congelare il DS dalla temperatura ambiente. Poi esamineremo le attrezzature per conservare i DS già congelati.

Gli ultracongelatori standard che raggiungono una temperatura di meno 80°C sono progettati per conservare materiale già congelato con poca capacità aggiuntiva. Se utilizzati per il congelamento dei DS a temperatura ambiente, i tassi di congelamento variano in modo significativo con il carico del prodotto (da poche ore a diversi giorni) e da lotto a lotto a seconda del caricamento dei DS. Data la mancanza di capacità di rimuovere il calore in modo efficace, tempi di funzionamento prolungati (da 48 a 72 ore) durante un ciclo di congelamento possono provocare danni permanenti al sistema di refrigerazione. Inoltre, le bottiglie si congelano a velocità diverse, con conseguente variabilità nella qualità DS.

Per comprendere meglio il carico termico e la capacità del congelatore di gestirlo, è possibile calcolare il carico termico effettivo del congelatore. Il primo calcolo riguarda la quantità di calore trasferita attraverso le pareti di un congelatore con la camera a meno 80°C e l'aria ambiente esterna a 25°C.

Il carico termico del mobile base (Q') viene calcolato utilizzando la seguente equazione:

kf x As x ΔT/t = Q'

Dove:

kf è la conduttività termica.

Così come la zona.

ΔT è la variazione di temperatura.

t è lo spessore della parete.

Inserendo i valori di un congelatore ULT standard si ottiene la seguente equazione:

0,020 W / (m - K) x 6,3 m2 x 105°C (105 K) / 0,127 m = 104 W

Lo stesso calcolo può essere ripetuto per la porta del congelatore, producendo 30 W. Inoltre, c'è un'ulteriore perdita di calore attraverso la guarnizione della porta di ~24 W, per un totale di calore trasferito nell'armadio dall'esterno di 158 Watt:

Parete del mobile base (superiore, posteriore, laterali e inferiore) (104 W) + lungo la parte anteriore della porta (30 W) + attraverso la guarnizione della porta (24 W) = 158 W

Il sistema di refrigerazione di un ultracongelatore convenzionale è generalmente sovradimensionato per rimuovere il carico termico dell'armadio dal 30% al 40%. Ciò equivale a un carico di progetto compreso tra 210 W e 243 W, lasciando da 52 W a 85 W come capacità del congelatore o buffer per il caricamento e il congelamento di prodotti caldi e/o recuperi di temperatura dalle aperture delle porte.

Un altro approccio al congelamento DS consiste nell'utilizzare un congelatore progettato specificamente per il processo di congelamento, come un congelatore a velocità controllata o ad alta velocità. Questi congelatori sono progettati per rimuovere il calore da grandi volumi di materiali utilizzando la convezione forzata dell'aria e sono disponibili presso numerosi fornitori, come Cryometrix, FARRAR, Meissner e Thermo Fisher Scientific. I congelatori rapidi sono generalmente progettati per congelare a una velocità di congelamento, mentre i congelatori a velocità controllata possono essere programmati per congelare e/o scongelare in base a un profilo di temperatura definito. Per calcolare la capacità di questo tipo di congelatore, la Figura 1 mostra i carichi di trasferimento di calore (Q) per l'armadio, il ventilatore, la porta e lo stipite della porta utilizzando come esempio la camera a velocità controllata FARRAR modello 4000.