Artículo publicado en la revista Farmespaña Industrial edición nº35 (Mayo/Junio de 2010)

1. validaciones, certificaciones
CASO PRÁCTICO
Jaume Vallet Xicoy,
Consultor de proyectos, COMPLIANCE
El presente artículo tiene como objetivo analizar el proceso de liofilización y como pueden influir los diferentes parámetros de proceso
en uno de los atributos de calidad comunes en todos los productos
liofilizados como es la humedad final. Pretende también identificar
las opciones que propone el mercado para monitorizar y controlar
cada uno de los parámetros críticos identificados.
Validación Científica: del control del
producto al control del proceso, caso:
proceso de liofilización
1.-Introducción
En los últimos años la industria farmacéutica ha aumentado su gasto en actividades
de validación basadas en un enfoque tradicional, debido en parte, a los grandes
esfuerzos realizados en las etapas de cualificación que a menudo son muy costosos y
requieren mucho tiempo.
El entorno normativo internacional está
cambiando y se están adoptando los nuevos principios, basados en la gestión de
riesgos de calidad, conocimiento científico
del producto y comprensión del proceso.
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El entorno normativo
internacional está adoptando
los principios de gestión
de riesgos, conocimiento
científico y comprensión de
proceso
El nuevo concepto llamado “Quality by
Design (QdD)”, calidad basada en el diseño, redefine las normas de correcta fabricación (GMP) para integrarlas en los sistemas
de calidad de la industria farmacéutica,
realizando una gestión de la calidad basada
en análisis de riesgos bajo la premisa que
el conocimiento científico del producto y la
comprensión del proceso reducen el riesgo
de falta de calidad. (Ver figura 1)
La atención en el conocimiento del producto y el proceso se basa en un enfoque
de ciclo de vida del producto que abarca
I+D, fabricación y control de calidad.
La calidad basada en el diseño (QbD),
permite a la industria farmacéutica con-
seguir una gestión de la calidad y cumplimiento normativo más rentable basado en
la aplicación de nuevas tecnologías y métodos tales como tecnología analítica de proceso (PAT), diseño de experimentos (DoE) y
liberación a tiempo real (RTR).
La gestión de riesgos de calidad permite
a la industria farmacéutica reducir los esfuerzos de cualificación, validación y mantenimiento, usando las nuevas guías internacionales como ASTM E2500 o la nueva
guía de validación de proceso de la FDA.
La tecnología analítica de proceso (PAT)
ha sido definida por la FDA como un mecanismo de diseño, análisis y control de
los procesos de fabricación farmacéutica a
través de la monitorización y control de los
parámetros críticos de proceso (CPP) que
tienen una influencia directa o indirecta en
los atributos críticos de calidad (CQA) del
producto.
2.-Introducción al Proceso de
Liofilización
La esencia del proceso es extraer el agua de
una disolución manteniendo las estructuras
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2. físicas y químicas de la mezcla intactas.
La primera etapa del proceso consiste
en estabilizar la estructura del producto a
través de su congelación. Se trata de una
etapa complicada donde se crean las estructuras cristalinas o amorfas de moléculas
de producto activo (API) y excipientes. La
composición de los materiales determina
la curva de congelación, en la que se pueden aplicar tratamientos térmicos (anealing) para favorecer la formación de estructuras cristalinas.
La segunda etapa se basa en reducir la
presión de la cámara por debajo de las
condiciones del punto triple de equilibrio
del agua, para que esta pueda pasar de estado sólido a gas sin hervir, condición que
hay que evitar ya que destruiría las estructuras formadas a través de la congelación.
Conectado a la cámara se encuentra el
condensador, el cual aloja en su interior el
serpentín que se encuentra a una temperatura inferior a la temperatura de congelación del producto, de forma que la presión
parcial de agua de su entorno es inferior
a la del entorno del producto congelado.
Este hecho y la aplicación de calor (calor
latente de sublimación) al producto crea
un flujo de vapor desde la cámara hasta
el serpentín del condensador (Ver figura
2). Durante la etapa de secado primario el
producto debe mantenerse congelado y
en ningún caso debe superar la temperatura eutéctica o de transición vítrea ya que
nos haría colapsar la estructura.
Una vez el agua de la estructura ha sido
sublimada, el producto no se considera
suficientemente seco ya que aún contiene
moléculas de agua de absorción o intersticial que hacen que su la humedad sea demasiado alta como para poder conservarlo
sin riesgos. Para disminuir la humedad se
realiza una segunda etapa de secado (secado secundario) durante la cual se aumenta
la temperatura del producto y se reduce
la presión al límite permitido por la instalación.
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3.- Del Control de la Humedad del
Producto Liofilizado al Control del
Proceso
La humedad final o residual es un atributo crítico de calidad común en todos los
productos liofilizados. Para determinar, la
cantidad de agua (o disolvente) que queda
retenida en la muestra después del proceso
de liofilización, simplemente hay que restar
la masa de agua sublimada de la masa de
agua inicial y dividir el resultado por el número de viales cargados en el liofilizador.
Humedad final =
vapor de agua entre los viales y el serpentín
del condensador. El condensador, si está
bien dimensionado, será capaz de condensar todos los vapores generados en la
cámara manteniendo el sistema en equilibrio y la presión del conjunto constante (ver
figura 3). En el momento que se cierre la
válvula que une la cámara y el condensador,
los vapores quedan retenidos en la cámara aumentando la presión (ver figura 4). Al
abrir de nuevo la válvula la presión vuelve a
estabilizarse al valor inicial.
massa de agua - massa de agua sublimada
número de viales del lote
Detrás de esta fórmula tan obvia y sencilla se esconden dos suposiciones que se
deben cuestionar:
1.- ¿La masa de agua sublimada es conocida?
2.- ¿El proceso de secado ha sido el mismo en todos los viales y por tanto la masa
de agua sublimada proviene de todos los
viales en partes iguales?
3.1.- ¿La masa de agua sublimada es
conocida?
Conocer la cantidad de agua sublimada
no es trivial. De hecho se han dedicado y
se dedican muchos esfuerzos para medir la
cantidad de agua que ha sublimado durante el ciclo.
¿Qué herramientas ofrece el mercado
para obtener información del flujo de vapor
existente durante el tiempo de secado?
Test de incremento de presión (Pressure
rise test)
El test de incremento de presión (pressure rise test) se basa en cerrar la válvula
cámara / condensador durante la fase de
secado por un periodo corto de tiempo
(5 – 6 segundos). Si se
alarga el periodo de
tiempo de la válvula
cerrada podría hervir
el producto.
Durante el secado
(primario y secundario) existe un flujo de
Si se representa gráficamente la evolución de la presión en función del tiempo
durante el cerrado de válvula se obtendría
una gráfica muy similar al de la figura 5.
El punto A nos indica el momento en que
se ha cerrado la válvula y el punto B cuando
se ha abierto de nuevo.
La inclinación inicial de la pendiente de
la curva representada, nos da una idea del
caudal de vapor puntual que en ese momento se está liberando en la cámara.
Este test es muy simple y se pueda aplicar a cualquier liofilizador que disponga de
válvula entre cámara y condensador y de un
sensor de medida de presión absoluta en
cámara, fiable y preciso en rangos por debajo de 1 mbar. Da información de la evolución del ciclo, pudiendo identificar la etapa
de secado en que nos encontramos.
Como aspecto negativo de este sistema
cabe destacar que no se trata de una medida continua sino puntual y el cierre de la
válvula puede tener influencia en el proceso de secado.
Sin quererme extender en este tema
me gustaría comentar que el test también
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3. validaciones, certificaciones
CASO PRÁCTICO
aporta una información muy relevante sobre la temperatura del frente de sublimación del producto. Si se prolonga la curva
de subida de presión esta llegaría a converger hasta un valor de presión, el cual coincide con la presión de vapor del frente de
sublimación del producto. A partir de esta y
a través de las tablas de equilibrio del agua
se puede conocer la temperatura media de
los frentes de sublimación de todos los viales. Conocer la temperatura del frente de
sublimación en cada una de las etapas de
secado es de gran importancia para saber si
la receta programada se ajusta a las características del producto a liofilizar.
Medida de la humedad del ambiente de
la cámara durante el secado
Otra de las herramientas que aporta información del proceso es la instalación del
sensor de humedad o presión parcial de
vapor en la cámara, siempre que la presión
en la cámara sea controlada a través de una
fuga controlada de gas inerte libre de humedad.
El control de presión durante el secado
primario, se puede realizar de dos formas
actuando sobre la válvula que une el condensador con el grupo de bombas de vacío
(indicada como B en el dibujo) o sobre una
válvula que crea una fuga controlada de
gas hacia el interior de la cámara (indicada
como A en el dibujo). (Ver figura 6)
Para que la presión parcial de vapor sea
una información útil, y aporte luz al proceso, es importante que la presión durante el
secado se controle actuando sobre la válvula de fuga controlada (A en el dibujo) y
que el gas introducido sea inerte y libre de
condensables. En el momento que el caudal de vapor desprendido por el producto
no es suficiente para mantener la presión
de consigna, se abrirá la válvula de fuga
controlada introduciendo gases no condensables en la cámara. El sensor de humedad
indicará la disminución de la presión parcial
de vapor a medida que el ciclo se acerca al
secado secundario.
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A diferencia del
test de incremento de
presión, el sensor de
humedad nos da una
información continua
y no tiene ninguna influencia en el proceso.
Como aspecto negativo cabe destacar
que no aporta información sobre el caudal de
vapor sublimado y se
recomienda su instalación en el conducto
que va de la cámara al condensador.
Espectroscopia de absorción de diodo
laser (TDLAS)
Se basa en la medición de la concentración de un gas (vapor de agua) a partir de
la absorción de energía de una determinada longitud de onda y en la medición de
la velocidad de flujo mediante el desplazamiento del espectro de onda por efecto
Doppler. A partir de los dos valores y el diámetro del conducto que une la cámara y el
condensador se obtiene el caudal másico
de vapor.
La generación del flujo de luz así como
la detección de la concentración de moléculas de agua y flujo de vapor se realiza
en el conducto que une la cámara con el
condensador.
3.2.- ¿El proceso de secado ha sido el
mismo en todos los viales y por tanto la
masa de agua sublimada proviene de todos los viales en partes iguales?
De nada sirve conseguir un sistema que
sea capaz de medir de forma exacta la masa
de agua sublimada durante el proceso si no
se conoce de donde proviene. Los viales
cargados en un liofilizador deben procesarse de forma idéntica, independientemente
de la posición que ocupen.
Es cierto que en los últimos años han surgido diferentes sistemas de monitorización
del producto contenido en un vial que nos
aportan información del proceso. Algunos
de ellos son:
• TEMPRIS: Sistema de medida de temperatura sin cables ni batería que se
introduce dentro del producto. La temperatura puede monitorizarse en tiempo
real.
• TrackSense Pro: Sistema de medida de
temperatura sin cables con batería. Adquiere temperatura en tiempo real pero
esta no puede ser visualizada hasta que
no ha acabado el ciclo.
• Sistema de pesado: Micro balanza que
determina la pérdida de peso en el vial
Para extrapolar los
resultados obtenidos en un vial
al resto de la carga debemos
analizar las diferencias que
pueden existir entre viales y
minimizarlas
durante el secado, minimizando los
errores de medida por cambios de temperatura y presión.
• Sensores NIR: Sistema de medida de la
humidad final del producto a partir de
la absorción de energía de una determinada longitud de onda por parte de las
moléculas de agua.
Pero para poder extrapolar los resultados
obtenidos en un vial al resto de la carga se
deben analizar las diferencias que pueden
existir entre viales y minimizarlas.
A continuación analizaremos las etapas del ciclo de liofilización y algunos de
los factores que pueden influir en crear
diferencias de proceso entre diferentes
viales.
Carga De Producto
El análisis asociado a la carga de un liofilizador tanto si se realiza de forma manual
como automática, merecería un artículo entero debido a la amplia gama de opciones
que existen en el mercado y a la gran complejidad de algunas de ellas. Por esta razón,
en el presente artículo nos centraremos en
el análisis de la carga desde el momento
en que los viales entran en contacto con
las placas de la cámara del liofilizador hasta
que empieza la etapa de congelación.
Generación de partículas:
El producto aséptico es transportado
desde la llenadora de viales hasta el liofilizador en entorno clase A libre de partículas
en viales parcialmente tapados. En el momento que el producto entra dentro de la
cámara, desaparece la protección de flujo
laminar de forma que una posible generación de partículas dentro de la cámara podría contaminar el producto y crear núcleos
que afectaran su congelación posterior y,
de forma indirecta, a la humedad final.
Desafortunadamente, en el mercado actual no existe un sistema de medida en la
cámara de un liofilizador industrial que pueda asegurar que no se han generado partículas durante la carga de viales. Por este
motivo, será necesario identificar posibles
focos de generación de partículas y analizar
cómo minimizar su influencia.
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4. Durante la etapa de carga, dentro de la
cámara se pueden generar partículas básicamente debido a:
1.- Por rozamiento entre las placas y los
viales o bandejas porta viales.
2.- Por rozamiento metal – metal durante el desplazamiento del castillo de placas
cuando se realiza la carga a una altura contante o cómoda.
Humedad en las placas:
Es una práctica habitual realizar la carga
del producto a una temperatura ligeramente superior a 0ºC para disminuir el tiempo
de congelación o debido a características
de estabilidad del producto a procesar.
La carga, a una temperatura inferior a la
temperatura de rocío del ambiente, genera
condensaciones de agua en la superficie de
las placas creando una fina capa de agua
entre el vial y la placa. Al empezar la etapa
de congelación cristaliza el agua condensada creando una resistencia a la transferencia de calor que afectará tanto al tiempo
de congelación como al tiempo de secado
primario y secundario, y consecuentemente en la humedad final del producto. (Ver
figura 7).
Para evitar condensaciones hay que asegurar que la temperatura de las placas es
siempre superior a la temperatura de rocío
del ambiente. Monitorizando la temperatura de rocío del ambiente y creando un enFarmespaña INDUSTRIAL
clavamiento que permita realizar la carga
de viales a una temperatura inferior se
evitaría el problema
de forma muy simple
y segura.
Congelación
La etapa de congelación del producto
tiene como objetivo
descender la temperatura del producto
por debajo de su
temperatura de congelación (punto eutéctico o transición
vítrea). Una congelación rápida generará
estructuras cristalinas
compactas, contrariamente una congelación lenta creará
estructuras cristalinas
más grandes. Como
mas grande sea la
estructura cristalina,
mayores serán los canales que permitirán
la salida de los vapores y, en consecuencia,
más rápido será el secado.
Congelación rápida → Canales pequeños → Resistencia alta a la salida del vapor
→ Secado lento.
Congelación lenta → Canales de salida
grandes → Resistencia baja a la salida del
vapor → Secado rápido.
Debido a la relación entre la congelación
y la velocidad de sublimación del producto,
hay que prestar mucha atención a la uniformidad de congelación de todos los viales
cargados en el liofilizador. Diferencias entre
viales, pueden acabar afectando a la humedad final del producto contenido en cada
uno de ellos.
Uniformidad de temperatura entre
viales:
Aunque se realice una gran cualificación
del equipo, comprobando que existen
unas diferencias de temperatura mínimas
entre placas y diferentes puntos de cada
placa (<2ºC) en condiciones de vacío, en
condiciones de proceso se creará un gradiente de temperatura entre los puntos de
entrada y salida de fluido térmico que repercutirá en diferencias en la congelación
de los diferentes viales. En el momento que
ponemos una masa encima de las placas
e intercambiamos calor con el fluido que
pasa a través de los canales internos de la
El impulso de la FDA
hacia la innovación debe ser
aprovechado por parte de los
proveedores de instalaciones
y equipos de proceso para
generar ventajas competitivas
placa dependiendo de si el fluido térmico
está absorbiendo o desprendiendo calor irá
incrementando o descendiendo su temperatura. La diferencia de temperatura depende de varios factores: velocidad del fluido,
diferencias de temperatura entre producto
y fluido…
Secado Primario y Secundario
Uniformidad de recepción de calor.
Durante las etapas de secado primario
y secundario se aporta calor al producto a
través del fluido térmico que circula en las
placas. El calor llega al producto a través de
tres mecanismos, convección (1), conducción (2) y radiación (3). Ver figura 8.
El calor de conducción se transmite por
el contacto del vial con las placas calefactoras, el calor de convección por el contacto
entre moléculas del ambiente y el calor de
radiación a través de la energía liberada por
superficies cercanas.
Los viales situados en los límites de las
placas y, especialmente, los que están cerca de la conducción que une la cámara con
el condensador, reciben una aportación de
calor por radiación diferente a la recibida
por el resto de viales.
4.- Conclusión
En los últimos años se ha avanzado mucho
en la visualización del proceso de liofilización, pero aún queda un largo camino por
hacer.
El nuevo marco de validación basado en
el análisis de riesgos, el conocimiento del
producto y la comprensión del proceso, genera un abanico enorme de posibilidades
de innovación tecnológica basada en
1.- Conocimiento profundo del proceso.
2.- Conocimiento normativo de la industria regulada GMP.
3.- Capacidad de adaptación a las diferentes tipologías de productos a procesar.
El impulso de la FDA hacia la innovación
debe ser aprovechado por parte de los
proveedores de instalaciones y equipos
de proceso para generar ventajas competitivas en un sector cada vez más global y
saturado.
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