Новые подходы к замораживанию и хранению лекарственных веществ

Джефф Джонсон, президент Biotech Design LLC

Значительный рост рынка биологических препаратов, вызванный пандемией COVID-19 и разработкой соответствующих вакцин, привел к необходимости усовершенствовать методы замораживания и хранения нерасфасованных лекарственных препаратов (ЛС).

Замораживание DS в обычных морозильниках со сверхнизкой температурой (ULT) приводит к множеству несоответствий в течение одного цикла — например, некоторые бутылки замораживаются относительно быстро, а другие — довольно медленно, что может привести к проблемам с качеством продукции. Кроме того, замораживание материалов при температуре окружающей среды требует отвода большого количества тепла, которое нагружает систему охлаждения. Обычные морозильники ULT не предназначены для этого процесса. Такая высокая нагрузка может привести к частому техническому обслуживанию и/или значительному сокращению срока службы.

После того как АС прошел процесс заморозки, его необходимо хранить в морозильных камерах длительного хранения. Существует несколько вариантов морозильных камер. Экономическая оценка различных вариантов может привести к оптимальному выбору технологии для каждого приложения конечного пользователя.

Во-первых, давайте изучим новейшую технологию замораживания DS при температуре окружающей среды. Затем рассмотрим оборудование для хранения уже замороженных ДС.

Стандартные морозильники ULT, поддерживающие температуру минус 80°C, предназначены для хранения уже замороженного материала с небольшой дополнительной вместимостью. При использовании для замораживания АВ от температуры окружающей среды скорость их замораживания существенно варьируется в зависимости от загрузки продукта (от нескольких часов до нескольких дней) и от партии к партии в зависимости от загрузки АВ. Учитывая отсутствие способности эффективно отводить тепло, длительное время работы (от 48 до 72 часов) во время цикла заморозки может привести к необратимому повреждению холодильной системы. Бутылки также замораживаются с разной скоростью, что приводит к разнице в качестве сухого спирта.

Чтобы лучше понять тепловую нагрузку и способность морозильной камеры справиться с ней, можно рассчитать фактическую тепловую нагрузку морозильной камеры. Первый расчет заключается в том, сколько тепла передается через стенки морозильной камеры с температурой в камере минус 80°C и наружным воздухом при температуре 25°C.

Тепловая нагрузка базового шкафа (Q') рассчитывается по следующему уравнению:

kf x As x ΔT/t = Q'

Где:

kf – теплопроводность.

Как и территория.

ΔT – изменение температуры.

t – толщина стенки.

Подстановка значений стандартного морозильного шкафа ULT приводит к следующему уравнению:

0,020 Вт / (м - К) x 6,3 м2 x 105°C (105 К) / 0,127 м = 104 Вт

Тот же расчет можно повторить для двери морозильной камеры, что дает 30 Вт. Кроме того, дополнительные теплопотери через уплотнение двери составляют ~24 Вт, что дает общее количество тепла, передаваемого в камеру снаружи, 158 Вт:

Стенка основного шкафа (сверху, сзади, по бокам и снизу) (104 Вт) + по лицевой стороне двери (30 Вт) + поперек уплотнителя двери (24 Вт) = 158 Вт

Холодильная система обычного ULT-морозильника обычно имеет большие размеры, чтобы снизить тепловую нагрузку на камеру на 30–40%. Это соответствует расчетной нагрузке от 210 до 243 Вт, при этом остается от 52 до 85 Вт в качестве мощности морозильника или буфера для загрузки и замораживания теплых продуктов и/или восстановления температуры через дверные проемы.

Другой подход к замораживанию DS заключается в использовании морозильной камеры, специально предназначенной для процесса замораживания, например, камеры шоковой заморозки или морозильной камеры с контролируемой скоростью. Эти морозильники предназначены для отвода тепла от больших объемов материалов с помощью принудительной конвекции воздуха и доступны у ряда поставщиков, таких как Cryometrix, FARRAR, Meissner и Thermo Fisher Scientific. Аппараты шоковой заморозки обычно предназначены для замораживания с одной скоростью замораживания, тогда как морозильники с регулируемой скоростью можно запрограммировать на замораживание и/или оттаивание в соответствии с определенным температурным профилем. Для расчета мощности морозильника этого типа на рисунке 1 показаны нагрузки теплопередачи (Q) для шкафа, вентилятора, двери и дверного косяка на примере камеры с регулируемой скоростью FARRAR модели 4000.