Im Folgenden behandeln wir die Grundlagen der Kryotechnik mit besonderem Bezug auf die pharmazeutische und Healthcare-Industrie. Dabei erhalten Sie einen Einblick in die Definition der Kryotechnik und weshalb diese in der Pharmaindustrie sowie der modernen Medizin so wichtig ist. Nebst den Stoffen an sich, finden Sie Informationen über portable Kryobehälter und grössere Tiefkühlschränke, die zur Lagerung und für den Transport verwendet werden.
Definition
Gemäss dem Nationalen Institut für Normen und Technologie der USA deckt die Kryotechnik Temperaturen von -150 ºC (-238 ºF) oder kälter ab. Bei der Herstellung von Aktiven Pharmazeutischen Wirkstoffen (API) sind jedoch Temperaturen von etwa -80 ºC für die meisten Anforderungen der Guten Herstellungspraxis (cGMP) ausreichend niedrig.
01 Warum werden Pharmazeutika und Proben tiefgefroren?
Kryogene Bedingungen können Verunreinigungen eingrenzen und die Verarbeitung von hochreaktiven Verbindungen erleichtern. Durch die extreme Kälte wird die Selektivität der Reaktion verbessert. Unerwünschte Nebenreaktionen werden entweder vermieden oder reduziert. Zu den weiteren Vorteilen gehört die Begrenzung der Flüchtigkeit von Verbindungen, wodurch die allgemeine Sicherheit bis zum Abschluss einer Reaktion verbessert wird. Und nicht zuletzt bedeutet die schnelle Abkühlung, dass sich keine Eiskristalle bilden.
Bei der Kryokonservierung für Biobankzwecke werden Gewebe oder Zellen in einem "verglasten" Zustand konserviert. Das heisst die Techniker frieren die Probe schnell ein, um die hexagonale (kristalline) Phase der Eisbildung zu umgehen. Stattdessen geht der Gefrierprozess direkt in die amorphe Eisphase über, so dass die Lagerung langfristig möglich ist.
Da die Temperatur so niedrig ist, wird der gesamte Wassergehalt der Zellen entweder durch Osmose entzogen oder versteinert. Dadurch kommen die Stoffwechselprozesse zum Erliegen.
Es gibt verschiedene gesellschaftliche Auswirkungen. Einige grenzen an Science-Fiction, während andere Teil der heutigen Behandlungen für kinderlose Paare sind. Vor allem aber haben Biobanken eine Veränderung der traditionellen gesellschaftlichen Grenzen bewirkt. In ihrer 2018 an der Universität Zürich veröffentlichten Arbeit mit dem Titel "Geeignete Substanzen: Wie Biobanken Biologisches (wieder) aufbewahren" stellt Sandra Bärnreuther fest, dass Fruchtbarkeitsbehandlungen in Biobanken und IVF-Techniken zu Situationen geführt haben, die sich von der natürlichen Fortpflanzung unterscheiden.
Im kommerziellen Massstab erfordern kryogene Herstellungsverfahren Geräte und Anlagen, die wesentlich umfangreicher sind als typische Laboreinrichtungen. Um nur einige zu nennen, sind Wärmeträgerflüssigkeiten, ummantelte Gefässe, hochentwickelte Pumpen und komplexe Kontrollsysteme erforderlich.
Wie C. Challener in dem Artikel Zunehmende Wirkstoffkomplexität treibt die Nachfrage für kryogene Möglichkeiten (Pharmaceutical Technology 42 (8), 2018) darlegt, erfordert die Kryotechnik spezielle Analysewerkzeuge. So würde beispielsweise die Flüssigkeit in herkömmlichen Quecksilber- oder Alkoholthermometern einfrieren, weshalb stattdessen Platin-Widerstandsthermometer und Sondensensoren die Regel sind.
02 Kryotechnik in der pharmazeutischen Industrie
Wie bereits erwähnt, kann die Verwendung von sehr niedrigen Temperaturen die Reaktionswege beeinflussen. Dieser Punkt ist besonders wichtig bei Reaktionen, bei denen sich gewünschte und unerwünschte Produkte aus energetischer Sicht nur geringfügig unterscheiden, sei es in Bezug auf Stereo-, Regio- oder Chemoselektivität.
Ebenso sind Reaktionen mit instabilen Zwischenprodukten, insbesondere mit metallorganischen Reagenzien, bei oder nahe Raumtemperatur nicht durchführbar. Umgekehrt sind solche Reaktionen oft bei viel niedrigeren Temperaturen möglich. Darüber hinaus sind Prozesse, die gasförmige Reagenzien einbeziehen, manchmal leichter bei Temperaturen unter Null durchzuführen.
Aus all diesen Gründen entwickelt der Pharmasektor neue kryogene Produktionsverfahren. Ziel ist es, die Effizienz bei der Herstellung bestehender Produkte zu steigern.
Betrachten wir nun die Kühlmethoden und die Lagerung in der Kryotechnik.
Trockeneis
Trockeneis ist relativ kostengünstig, weltweit verfügbar und besteht aus verfestigtem Kohlendioxid. Es eignet sich zur Kühlung von Substanzen und Proben auf Temperaturen von bis zu -80 °C.
Obschon relativ einfach in der Handhabung, ist für den sicheren Umgang mit Trockeneis eine persönliche Schutzausrüstung, einschliesslich Handschuhen, erforderlich. In industriellen Prozessen kann es grosse Mengen an Produkten kühlen, z. B. eine ganze Palette.
Trockeneis ist immer dann die richtige Wahl, wenn eine Temperatur von etwa -80 °C erforderlich ist, wie dies bei API oder bei der Konservierung und dem Transport von menschlichem Gewebe oder anderen Proben der Fall ist.
Praktischerweise ist es auch in Frachträumen von Flugzeugen zulässig. Weitere Vorteile sind die relativ niedrigen Kosten und das es nicht giftig ist.
Trockeneis wird entweder in grossen oder kleinen Blöcken geliefert. Auch kleine zylindrische Pellets sind möglich. Standardblöcke wiegen etwa 30 Kilogramm. Diese grösseren Blöcke, die mit Klebeband umwickelt sind, werden üblicherweise im Versand eingesetzt. Aufgrund ihrer hohen Dichte und ihres geringen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen erfolgt die Sublimation (das Äquivalent zur Verdampfung) in der Regel nur langsam. Im Gegensatz dazu eignen sich Pellets mit einem Durchmesser von etwa einem Zentimeter für den Kleinsteinsatz, z. B. in isolierten Laborkästen.
Flüssigstickstoff
Flüssigstickstoff ist teurer als Trockeneis und gefährlicher in der Handhabung. Soll eine Probe, eine Substanz oder ein Zwischenprodukt in der Glasphase (d. h. kälter als -150 °C) aufbewahrt werden, ist Flüssigstickstoff die einzige Alternative. Es siedet bei -195.8 °C und gefriert bei -210 °C.
Dieses beliebte Kühlmittel siedet jedoch sofort bei Kontakt mit wärmeren (oder weniger kalten) Oberflächen, was seine Wirksamkeit einschränkt. Ausserdem erhält das gekühlte Objekt durch das Sieden bei Minusgraden eine isolierende Hülle aus Stickstoffblasen: der Leidenfrost-Effekt. Um diesen Effekt zu minimieren, taucht man die Objekte in eine Mischung aus festem und flüssigem Stickstoff statt nur in LN2, um eine schnellere Abkühlung zu erreichen.
Für diese Ultra-Tieftemperaturen sind spezielle kryokompatible Behälter erforderlich. Sie verfügen über eine Vakuumkammer und eine relativ kleine Nutzlast von manchmal nur wenigen Kubikzentimetern.
Da LN2 oder Flüssigstickstoff die Fähigkeit besitzt, extrem kalte Temperaturen aufrechtzuerhalten, sind diese Kältemittel besonders geeignet für folgende Bereiche:
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Die Lagerung von Zellen bei Laborarbeiten
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Die Kryokonservierung von Blut, Keimzellen, anderem biologischen Material und Proben
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Die Konservierung von Gewebe aus chirurgischen Entnahmen für medizinische Studien
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Die Kryokonservierung von tierischen Genressourcen (Neben der Verwendung in Forschung und Entwicklung und in der Biowissenschaft können kryokonservierte Exemplare bedrohte oder ausgestorbene Rassen wiederbeleben.)
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Reaktionen bei sehr niedrigen Temperaturen und kontrollierte Verdampfung (wie sie für fortschrittliche Verfahren typisch sind)
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Kühlbäder und Vakuumpumpenfallen, die für die Chemie und die Laborforschung typisch sind
Kryobehälter
Die Beständigkeit von Vakuumflaschen, die auch als Kryobehälter bezeichnet werden, hängt von ihrer Bauart und Grösse ab. Ihre Konstruktion reduziert den Wärmeübergang und die Verdampfung. Die Innenauskleidung besteht in der Regel aus Borosilikat oder Edelstahl. Damit die Behälter besonders langlebig sind, besteht die äussere Auskleidung in der Regel aus Karbon- oder Edelstahl.
Dewar-Gefässe für die Forschung haben in der Regel ein Fassungsvermögen zwischen 0.5 und 6 Litern. Im Gegensatz dazu haben die Dewars der MVE-Lab-Serie ein Innenvolumen zwischen 4 und 50 Litern.
Dewargefässe für Lagerung und Transport
Die heutigen tragbaren Kryobehälter sind auslaufsicher konstruiert. Bei Beachtung der empfohlenen Gebrauchsanweisungen und der richtigen Fülltechnik bleibt die Aussenhülle dieser Dewargefässe trocken. Folglich werden sie als nicht gefährlich eingestuft, was die Handhabung durch Kuriere vereinfacht und die Transportkosten senkt. Ausserdem begünstigt diese Methode die Erhaltung der Lebensfähigkeit der Proben.
Entscheidend ist, dass die Befüllung langsam erfolgt. Je nach Art des Behälters können 2 bis 4 Zyklen erforderlich sein, da die absorbierende Schicht den flüssigen Stickstoff aufsaugt. Aus offensichtlichen Sicherheitsgründen sollte eine Überfüllung vermieden werden.
Während ältere Dewargefässe die Temperaturen vielleicht über einige Stunden hinweg niedrig genug hielten, können die heutigen Pendants wochenlang zuverlässig funktionieren. Mit der Zeit neigen die Dewargefässe jedoch dazu, Feuchtigkeit anzusammeln, was ihre Leistung beeinträchtigt.
Im Inneren eines typischen Dewargefässes für Flüssigstickstoff kühlt der trockene Stickstoffdampf den Inhalt auf -150 °C oder kälter ab. Das Fassungsvermögen reicht in der Regel für etwa 22 Stück 10ml-Flaschen oder 75 Stück 2ml-Fläschchen.
Die maximale Haltbarkeitsdauer der meisten tragbaren Dewargefässe beträgt etwa 10-12 Tage. Die Handhabung und der Transport sind dank der neuesten Schutzmechanismen für Transportbehälter, die ein Umkippen verhindern und den Behälter aufrecht halten, sicherer.
Tiefkühlschränke
Die neuesten superisolierten Vakuumbehälter ermöglichen die längere Lagerung von Proben in Flüssigstickstoff. Die Verluste liegen bei nur 2% pro Tag. Für grössere Volumen und langfristige Lagerung sind jedoch spezielle Tiefkühlschränke für Flüssigstickstoff besser geeignet.
Die Hersteller von Kryogeräten bieten eine Auswahl an leicht zugänglichen Weithalsgefriergeräten und hocheffizienten Versionen mit geringem LN2-Verbrauch. Die weniger voluminösen Modelle sind mit Rollen ausgestattet, um gelegentlich die Position zu wechseln. In der Regel messen diese Edelstahlgeräte mehr als einen Meter in der Höhe.
Die Verkabelung und die Rohrleitungen sind in der Regel vollständig gekapselt, was sowohl Sicherheit als auch ästhetische Vorteile mit sich bringt. Einige dieser zylindrischen Tiefkühlschränke haben standardmässig eine einfache Einstiegsstufe, während einige höhere Varianten über eine doppelstöckige Klapptreppe verfügen. Oben wird der Verschluss mit einem robusten Metallgriff bedient.
In den neuesten Produktkatalogen sind Kryobehälter und Tiefkühlschränke mit Dampfphasen- oder Flüssigphasenkühlung aufgeführt. Zu den fortschrittlichen Merkmalen gehören neben der genauen Messung auch Touchscreen-Bedienung, Passwortsicherheit, benutzerdefinierte Alarme und Fernüberwachung. Darüber hinaus ermöglicht die Firmware die Kommunikation mit mehreren Geräten und Netzwerkverbindungen. Der eingebaute Speicher bietet reichlich Platz für die Aufzeichnung tausender Ereignisse.
03 Die Überwachung eines Kryo-Containers bringt Herausforderungen mit sich
Die Entwicklungen der Zell- und Gentherapie (CGT) der letzten Jahre fordern eine geschlossene Lieferkette und einen geschlossenen Transportkreislauf. In diesem speziellen Bereich ist die Zeit oft von entscheidender Bedeutung, was die CGT-Logistik vor besondere Herausforderungen stellt. Vor allem übermässige Temperaturschwankungen oder Lieferverzögerungen können zu klinischen Risiken und finanziellen Verlusten führen.
Anforderungen spezifizieren
In jüngster Zeit haben die COVID-19-Pandemie und die intensiven Bemühungen zur Erforschung und Herstellung wirksamer Impfstoffe die Notwendigkeit einer angemessenen Überwachung von Kryobehältern und deren Inhalt verdeutlicht. Vielleicht sind Sie bereits mit Benutzeranforderungsspezifikation (URS) als Teil der Sendungsdokumentation und -kontrolle vertraut.
Eine URS wird verwendet, um Geräte zu identifizieren, deren Inhalt aufzulisten und andere Parameter wie die maximal zulässige Abweichung von der empfohlenen Umgebungsbedingung zu definieren. In dem Dokument wird auch angegeben, wo solche Abweichungen zu registrieren sind.
In einer URS wird vor allem beschrieben, was die betreffenden Geräte tun und welche Kriterien für eine sichere Lagerung und Lieferung gelten. Beschreibungen der Funktionsweise der Geräte sind nicht erforderlich.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sollten Sie nicht mehrere Anforderungen in einem einzigen Abschnitt aufführen. Um die Überprüfung und Validierung der einzelnen Bedingungen zu vereinfachen, sollten die Punkte nummeriert und einzeln aufgeführt. Wenn manuelle Kontrollen vom Personal durchgeführt werden, sind üblicherweise Details wie Namen, Ort, Datum, Uhrzeit und Gewicht des Behälters, sowohl im leeren als auch im vollen Zustand, zu notieren.
Datenlogger und Sensoren
Um den Grad der Abkühlung im Inneren des Behälters zu überwachen, benötigen Sie einen externen Sensor mit einem Fühler. Bei der Auswahl eines Datenloggers ist daher unbedingt darauf zu achten, wie der Sensor in die Innenkammer des Kryobehälters passt. Im Idealfall verfügt Ihr Datenlogger auch über einen internen Sensor zur Aufzeichnung der Umgebungsbedingungen, d. h. im Gehäuse des Loggers.
Zu den weiteren Merkmalen, auf die Sie achten sollten, gehören anpassbare Bedingungen und die regelmässige Überwachung des Behälterinhalts während des Beladens, der Versandvorbereitung und des Versands. Die Neigungserkennung ist wichtig, um Verluste und sicherheitsrelevante Vorfälle zu vermeiden, die durch Pannen mit dem/den überwachten Container(n) verursacht werden. Wenn Ihr Unternehmen oder Ihre Organisation eine Mietflotte betreibt, muss die Batterie des Loggers mindestens ein Jahr lang halten.
Der PDF-Datenlogger LIBERO CD verfügt über einen internen Sensor und Bluetooth®-Konnektivität, ist aber nur für Temperaturen bis -95 ºC geeignet. Das LIBERO CE-Modell und der mit dem Real-Time-Webbrowser kompatible LIBERO GE verfügt über einen externen Sensor und eine Option zur Anpassung an den Standard ISO 17025, um Temperaturen von bis zu -200 ºC abzudecken.
ISO/IEC 17025 ist eine weit verbreitete Norm, die die allgemeinen Anforderungen für Prüfungen und Kalibrierungen auflistet. Sie ermöglicht es Laboratorien, ihre Kompetenz zu demonstrieren und ihre Testergebnisse und Messungen zu bestätigen, was das Vertrauen fördert. Die Norm erleichtert auch die Zusammenarbeit zwischen Laboratorien und nationalen oder internationalen Einrichtungen. Daher ist die Einhaltung ihrer Bestimmungen für den Handel von Vorteil.
Warum ist die Überwachung eines kryogenen Behälters so schwierig?
Alles über die Herausforderungen bei der Überwachung eines Kryobehälters und wie man sie meistert.
04 Qualifizierung von Kryobehältern
Normalerweise werden pharmazeutische Produkte, CGT-Fläschchen und Impfstoffsendungen von einem Labor oder einer Produktionsstätte zu ihrem endgültigen Bestimmungsort, in der Regel einem Krankenhaus, einer Klinik oder einer Apotheke, transportiert. Da Pharmaunternehmen ihre Fracht meist durch Dritte spedieren lassen, gibt es auf jeder Etappe der Reise durch Lagerhäuser, Lastwagen, Flugzeuge oder Schiffe wenig oder gar keinen Raum für Fehler.
Im Winter 2020 und bis vor kurzem standen die Entwicklung und der Transport des COVID-19-Impfstoffs im Mittelpunkt der Schlagzeilen. Dennoch werden die Kühlkette und die logistischen Vorkehrungen der Branche durch die anhaltende Notwendigkeit, CGTs und gewebezüchtete Produkte zu schützen, auf die Probe gestellt.
Wie zu erwarten, unterliegt der Transport von pharmazeutischen Produkten strengen Vorschriften. Daher ist eine einfache oder Flottenqualifizierung für jeden Transportweg oder jede Transportroute obligatorisch. In den folgenden Abschnitten finden Sie die wichtigsten Empfehlungen und Regularien, die zu beachten sind.
US-Regularien
In den USA unterliegt der Transport kryogener Materialien den Vorschriften des Verkehrsministeriums (Department of Transportation, DOT), die den Transport von Gefahrgut in Kraftfahrzeugen regeln. Diese Regularien sehen jedoch bestimmte Ausnahmen vor, darunter die Ausnahmeregelung für Materialien des Handels (Materials of Trade, MOT).
Die MOT-Ausnahme gilt, wenn die Mitarbeitenden eine Sensibilisierungsschulung erhalten und bestimmte Anforderungen befolgen. Insbesondere kryogene Stoffe, einschliesslich Flüssigstickstoff und Helium, fallen unter die DOT-Gefahrenklasse 2.2. Um sie im Rahmen der MOT-Ausnahme zu transportieren, dürfen die Behälter nicht mehr als 100 kg (220 Pfund) wiegen oder unter einem Druck von mehr als 25.3 PSI (Pfund pro Quadratzoll), also etwa 1.7 Bar, stehen. Ausserdem sollten die Verschlüsse sicher konstruiert sein und fest sitzen.
Die Aussenbehälter müssen sicher im Fahrzeug befestigt sein und dürfen während der Fahrt nicht verrutschen. Im Rahmen der MOT-Ausnahme beträgt das maximale Ladegewicht 200 kg (440 Pfund).
Einzelne LN2-Dewargefässe mit einem Fassungsvermögen von weniger als einem Liter sind von den DOT-Vorschriften ausgenommen. Sie müssen jedoch mit einer doppelten Glaswandisolierung und einer robusten Aussenverpackung versehen sein, z. B. Kisten mit Innenpolsterung und klarer Beschriftung.
Europäische Vorschriften
Im Jahr 2013 veröffentlichte die Europäische Kommission Leitlinien für die gute Praxis beim Vertrieb von Humanarzneimitteln. Die Behältnisse sollten mit Etiketten versehen sein, auf denen der Inhalt und die Herkunft sowie die Handhabungsvorschriften und Sicherheitsvorkehrungen angegeben sind.
Für Produkte, die besonderen Bedingungen unterliegen, oder für Arzneimittel, die hochaktive Stoffe enthalten, sind spezielle Behälter und sichere Fahrzeuge erforderlich. Ausserdem müssen die entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen und -massnahmen den internationalen Vereinbarungen und den nationalen Rechtsvorschriften entsprechen.
Die Beförderung temperaturempfindlicher Produkte erfordert qualifizierte Ausrüstungen wie Thermoverpackungen und temperaturüberwachte Container. Ebenso sollten die Fahrzeuge über eine angemessene Klimaanlage oder die notwendige Kühlung verfügen, um die richtigen Umgebungsbedingungen während der Beförderung der Sendungen zwischen Hersteller, Grosshändler und Kunde zu gewährleisten.
Regelmässige Wartung und Kalibrierung sind für die in den Fahrzeugflotten installierten Überwachungsgeräte unerlässlich. Ausserdem wird in den Empfehlungen darauf hingewiesen, dass das Mapping unter repräsentativen Bedingungen und unter Berücksichtigung saisonaler Schwankungen durchgeführt werden sollte.
Schliesslich haben die Kunden das Recht, Informationen anzufordern, die belegen, dass Arzneimittel und medizinische Proben während des Transports den erforderlichen physikalischen Bedingungen ausgesetzt waren, wie dies auch bei anderen verderblichen Gütern der Fall ist. Als Teil der Qualitätskontrollen garantiert dies die Einhaltung der Vorschriften.
Flottenqualifizierung von Kryobehältern
Warum ist es empfehlenswert, eine Flottenqualifizierung für Ihre Kryobehälter durchzuführen?
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