Aplikačné možnosti lyofilizácie a príklady súčasnej inštrumentácie

Lyofilizácia je technikou sušenia, pri ktorej je produkt solidifikovaný (spevnený) zmrazením, pričom rozpúšťadlo, ktoré obsahuje (obvykle voda), je odstránené sublimáciou. Tento sublimačný proces je potom často podporený vákuom a zahrievaním. Podstatné je, že k premene pevnej fázy na fázu plynnú dochádza bez toho, aby voda, či všeobecne rozpúšťadlo, prechádzali cez kvapalnú fázu.

Počas procesu lyofilizácie stráca materiál vždy viac ako 90% vody, ktorú pôvodne obsahoval. Jednou z vlastností lyofilizácie, ktorá ju odlišuje od ostatných dehydratačných techník, je, že dehydratácia prebieha zo zmrazeného, a teda chemicky menej aktívneho produktu a tiež vo vákuu, ktoré minimalizuje účinky prípadnej oxidácie u materiálov senzitívnych na pôsobenie kyslíka. V neposlednom rade nízka teplota významným spôsobom prispieva k potlačeniu prípadných termodegradačných procesov v sušenom materiáli. Tieto benefity urobili z lyofilizácie široko akceptovanú techniku pre spracovanie z mnohých dôvodov nestabilných produktov, ako sú najmä materiály biologického pôvodu (napr. enzýmy, proteíny, DNA, RNA a pod.) alebo účinné látky na použitie v liekoch.

Ďalšou dôležitou črtou lyofilizácie je, že si produkt vo veľkej miere zachováva svoju pôvodnú štruktúru a po pridaní vhodného množstva rozpúšťadla (zvyčajne vody) získa svoju pôvodnú morfológiu (napríklad bunkové materiály a pod.). Lyofilizácia tak ušetrí materiál nielen pred štrukturálnou degradáciou, ale aj pred negatívnymi denaturačnými javmi spôsobenými ohrevom pri bežne používaných konvenčných metódach sušenia. V takýchto materiáloch, keďže lyofilizácia je vysoko účinným spôsobom odstránenia vody (rozpúšťadla), bráni tak mikrobiálneho rastu a chemickým zmenám v dôsledku prítomnosti vody vedúcim k znehodnoteniu vzorky.

V materiáloch, kde je dôležité zachovanie aj senzorických vlastností, vzhľadom k ľahkej sublimácii vody nedochádza pri lyofilizácii k odstráneniu väčšiny ostatných prchavých zložiek, čo je v prípade potravín veľmi dôležité. Príkladom môže byť zachovanie prítomnosti acetaldehydu, ktorý u citrusových plodov významne podporuje ich typické vonné a chuťové vlastnosti.

Zaujímavosťou je, že výhody lyofilizácie boli známe už v staroveku. Napr. peruánski Inkovia v Andách zvyšovali trvanlivosť svojich zásob potravín tým, že ich ukladali na vrcholky Machu Picchu, kde ich nízka teplota zamrazila a spolu s nízkym vzdušným tlakom viedla vlastne k pomalému lyofilizačnému procesu a odstráneniu vody z týchto potravín. Napriek tomu proces lyofilizácie nebol komerčne dostupný až do druhej svetovej vojny, kedy získal široké použitie ako prostriedok na uchovávanie krvnej plazmy potrebnej pre zranených vojakov na fronte. Krátko nato bol proces lyofilizácie aplikovaný pri výrobe penicilínu a lyofilizácia bola uznaná ako jedna z dôležitých techník pre konzerváciu biologických vzoriek.

V súčasnej dobe má lyofilizácia veľmi široké uplatnenie. Dominantné postavenie má potravinársky a farmaceutický výskum, vývoj a priemysel. Je to dané jednak historicky (pozri úvodnú časť tohto príspevku) a ďalej potom aj principiálnymi dôvodmi - pracuje sa s chemicky a tepelne citlivými materiálmi. V neposlednom rade hrajú úlohu aj dôvody čisto ekonomické, ako je potreba predĺženia doby expirácie u potravín, liekov a pod.

Okrem spomínaných dvoch dominantných odborov postupne pribúda využitie lyofilizácie aj v ďalších oblastiach, ako je napríklad reštaurovanie starých kníhtlač a obrazov poškodených vlhkosťou (takto boli napríklad ošetrované vzácne knihy z pražských archívov postihnutých povodňou v roku 2002). Je možné vymenovať mnoho ďalších príkladov použitia lyofilizácie, ktoré zahŕňajú tvorbu mikrobiálnych a tkanivových databánk, konzervácie tkanív a bakteriálnych kultúr a pod.

Technika lyofilizácie sa tiež používa v narastajúcej miere v analytických laboratóriách, kde veľmi efektívne pomáha predpripraviť celý rad vzoriek pre ďalšie spracovanie a analýzy - napríklad zeminy, kaly v rámci hydrogeologických štúdií v krajine. V nasledujúcej tabuľke je uvedené stručné zhrnutie aktuálneho aplikačného využitia lyofilizácie.

Tab. 1 - Zhrnutie aplikačných oblastí lyofilizácie

Inštrumentácia umožňujúca úspešné vykonanie lyofilizácie (v akomkoľvek meradle) musí rešpektovať fázové stavy odstraňovaného rozpúšťadla (vody). Na príklade fázového diagramu vody (obr. 1) je jasne viditeľné, v akých hodnotách teplôt a tlakov je možné sa pohybovať, aby nastala práve žiadaná sublimácia - teda prechod medzi pevnou (ľad) a plynnou fázou vody (rozpúšťadla).

Obr. 1 - Fázový diagram vody

Obr. 2 - Záznam fyzikálnych parametrov počas lyofilizácie na zariadení CHRIST (Nemecko)

V dnešnej dobe je lyofilizácia inštrumentovaná, rovnako ako celý rad iných fyzikálnych technologických procesov, do troch obvyklých meradiel:

• Laboratórne meradlo
  
• Pilotné meradlo
  
• Výrobné meradlo
  

Hlavným znakom laboratórneho meradla je práca s malým množstvom vzoriek (jednotky g až jednotky kg roztokov či suspenzií) s možnosťou pohotových zmien fyzikálnych parametrov počas vlastnej lyofilizácie. Je možné pracovať so všetkými obvyklými nádobami (banky, Petriho misky, vialky a pod.). Laboratórne lyofilizátory sa výborne hodia pre prácu v oblasti základného výskumu a všade tam, kde je potreba skôr náhodne lyofilizovať veľké množstvo rôznych typov malých vzoriek. S výhodou tieto lyofilizátory používajú vedeckí pracovníci základného výskumu (chemici, biológovia, mikrobiológovia pod.). Na obr. 3 je uvedený typický laboratórny lyofilizátor.

Obr. 3 - Laboratórny lyofilizátor Alpha 2-4 LSCbasic spoločnosti CHRIST (Nemecko)

Lyofilizátory pilotného meradla spracovávajú stredne veľké množstvo vzoriek (jednotky až desiatky kg roztokov či suspenzií) s možnosťou zmien fyzikálnych parametrov počas vlastnej lyofilizácie. Väčšinou už ale pracujú s vialkami, pričom môžu byť prispôsobené aj na ostatné bežné nádoby ako stroje laboratórneho meradla (banky, Petriho misky a pod.). Sledovanie fyzikálnych parametrov lyofilizácie je u pilotných lyofilizátorov sofistikovanejšie než u laboratórnych a možno tak lepšie optimalizovať lyofilizačný proces pre prípadný prechod na výrobné meradlo. Nie je výnimkou tiež možnosť merania teploty priamo v samotných vzorkách a sledovať tak jednotlivé fázové prechody prebiehajúce v samotnom lyofilizovanom materiáli. V dnešnej dobe toto možno riešiť napr. unikátnym bezdrôtovým systémom, napr. WTMplus vyvinutom spoločnosťou CHRIST. Obr. 5 znázorňuje bezdrôtové teplotné čidlo umiestnené do vialiek. Výnimkou nie je tiež rozšírenie aj o možnosť váženia vzoriek (viď obr. 6) či ďalších inštrumentácií v podobe rôznych spektroskopických metód, ktoré ďalej umožňujú monitorovať deje v spracovávanom materiáli. Samozrejmosťou tiež je, že pilotné stroje umožňujú ísť do väčšieho rozsahu základných fyzikálnych hodnôt počas lyofilizácie (nižšie teploty, hlbšie vákuum) a sú tiež lepšie prispôsobené na prácu aj s nevodnými rozpúšťadlami. Samozrejmosťou bývajú kvalifikácia IQ/OQ a prevedenie do čistých priestorov. Pilotné stroje sú zvyčajne využívané vo výrobných podnikoch na účely malovýroby alebo optimalizácie prechodu na veľkú výrobu. Na obr. 4 je zobrazený typický pilotný lyofilizátor.

Obr. 4 - Pilotný lyofilizátor Epsilon 2-10D LSCplus spoločnosti CHRIST (Nemecko)

Obr. 5 - Bezdrôtové teplotné čidlo systému WTMplus spoločnosti CHRIST (Nemecko)

Obr. 6 - Systém LyoBalance spoločnosti CHRIST (Nemecko)

Výrobné lyofilizátory sú už uspôsobené na opakované spracovávanie veľkého množstva vzoriek (stovky kg roztokov či suspenzií). Najčastejšie pracujú s veľkým množstvom vialiek (farmaceutickej výroby), ale keďže sa vždy jedná o systémy stavané na mieru užívateľovi, možno potom lyofilizovať aj z iných nádob. V celku sa vždy jedná o stavebnicový systém, kde je myslené aj na prípadné budúce zmeny. U výrobných lyofilizátorov sú samozrejmosťou všetky ďalšie vlastnosti, ktoré už mali pilotné lyofilizátory, a taktiež súlad s ďalšími štandardmi farmaceutických a potravinárskych výrob, a teda aj práca v sterilnom prostredí a nadväzujúce technológie umožňujúce pravidelnú sterilizáciu vlastného zariadenia. Jeden z možných výrobných lyofilizátorov spoločnosti CHRIST je zobrazený na obr. 7.

Obr. 7 - Produkčný lyofilizátor spoločnosti CHRIST (Nemecko)

U výrobných lyofilizátorov spoločnosti CHRIST sú samozrejmosťou aj ďalšie rozširujúce technológie v podobe automatických podávačov vzoriek a pod. Ukážka výrobného lyofilizátora s automatickým podávaním a odberom vzoriek je na obr. 8 a na obr. 9 a 10 je uvedený detail takéhoto zariadenia.

Obr. 8 - Produkčný lyofilizátor s automatickým podávaním a odberom vzoriek CHRIST (Nemecko)

Obr. 9 - Nakladacie zariadenie pre vialky pre výrobný lyofilizátor spoločnosti CHRIST (Nemecko)

Obr. 10 - Vykladacie zariadenie pre vialky pre výrobný lyofilizátor spoločnosti CHRIST (Nemecko)

U pilotných a výrobných lyofilizátorov je samozrejmosťou precízny riadiaci softvér a ako príklad možno uviesť softvér LCSplus SCADA System spoločnosti CHRIST, ktorý poskytuje užívateľsky prívetivé a intuitívne rozhranie pre riadenie všetkých procesov a systémov lyofilizátora. Medzi základné vlastnosti tohto softvérového rozhrania patrí:

• Riadenie procesu pre ručné a/alebo plne automatizované procesy sušenia
  
• Vizualizácia všetkých kľúčových hodnôt a častí systému
  
• Protokolovanie procesu (dáta merania a audit trail)
  
• Dokumentácia procesu
  
• Zálohovanie a obnova dát
  
• Správa programov a receptov lyofilizácie
  
• Správa užívateľov

Softvér LPCplus bol vyvinutý v súlade s ustanoveniami predpisu 21 CFR časť 11 amerického úradu pre kontrolu potravín a liečiv (FDA), pokiaľ ide o dáta uložené v elektronickej podobe a elektronické podpisy.

LPCplus možno použiť s rôznymi radičmi (vrátane LSCplus a Siemens PLC) a beží pod rôznymi operačnými systémami pre PC.

Ukážky vybraných dialógových okien riadiaceho softvéru LCSplus SCADA System spoločnosti CHRIST sú na obr. 11 a 12.