Entwicklung und Validierung eines physikalisch-chemischen Prozessmodells für die Primär- und Sekundärtrocknungsphase der Gefriertrocknung
| Autor: | Klepzig, Leon |
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| Přispěvatelé: | Strube, Jochen |
| Jazyk: | němčina |
| Rok vydání: | 2022 |
| Předmět: | |
| Popis: | In dieser Arbeit wurde ein physikalisch-chemisches Prozessmodell für Simulation der Primär- und Sekundärtrocknungsphase der Lyophilisation entwickelt und validiert. Betrachtet wurde die Trocknung von Saccharose in Injektionsvials. Saccharose wurde als typisches Bulk-Material als Beispielsystem gewählt. Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines Modells, welche drei Zielgrößen beschreibt: jeweils die Dauer von Primär- und Sekundärtrocknung sowie die Restfeuchte, welche sich aus gefrorenem sowie gebundenem Wasser zusammensetzt. Die untersuchten Parameter Stellflächentemperatur und Kammerdruck sowie Dauer der Nachtrocknung wurden ausgewählt, da sie die direkt am Gefriertrockner einstellbaren und messbaren Prozessgrößen darstellen, mit welchen ein Lyophilisationsprozess entwickelt wird. Die Gefriertrocknung wird zur Erhöhung der Haltbarkeit und Transportfähigkeit von Lebensmitteln und Pharmazeutika eingesetzt. Die Trocknung in Injektionsvials ist aufgrund der genauen Dosierung und der relativ simplen Rehydrierung gerade für pharmazeutische Wirkstoffe interessant. Prozessmodellierung hat sich in der Vergangenheit bereits als vielversprechender Ansatz für die beschleunigte Prozessentwicklung und -optimierung sowie zum Scale-Up bewiesen. Zudem kann sie, gekoppelt mit einem Konzept zur Prozessanalysetechnik (PAT), für die beschleunigte Prozessentwicklung und on-line Optimierung von Prozessen eingesetzt werden. Hierfür muss eine Rechendauer erreicht werden, welche weit unter der Prozesszeit selbst liegt. Die präsentierte Arbeit umfasst eine umfassende Literaturstudie zu den Themen Lyophilisation und Prozessmodellierung, sowohl allgemein als auch auf die Grundoperation bezogen. Auf dieser Grundlage wurde ein physikalisch-chemisches Prozessmodell entwickelt, welches den Anspruch hat, in Zukunft unter anderem zur on-line Optimierung von Gefriertrocknungsprozessen eingesetzt zu werden. Dieser Anspruch wurde durch eine Rechenzeit von wenigen Minuten erfüllt. Die Verifizierung des Modells hat durch einen Vergleich von simulierten Daten mit einem Experiment aus der Literatur stattgefunden. Die Validierung hinsichtlich Präzision und Genauigkeit erfolgte anhand eines in der Literatur etablierten Arbeitsablaufs. Aufgrund der statistischen Auswertung und dem Vergleich von experimentell gewonnen und simulierten Ergebnissen konnten begründete Empfehlungen für die Weiterentwicklung des Modells gegeben werden. In this work, a physico-chemical process model was developed and validated for simulation of the primary and secondary drying phases of freeze-drying. The drying of sucrose in injection vials was considered. Sucrose was chosen as a typical bulk material as an system to be worked with. The aim of the work was to develop a model that describes three target variables: the duration of primary and secondary drying phase and the residual moisture, which is composed of frozen and bound water. The parameters investigated, i.e. the temperature and pressure of the drying chamber and the duration of secondary drying, were selected because they represent the process variables that can be directly adjusted and measured at the freeze dryer and are used to develop a lyophilization process. Freeze drying is used to increase the shelf life and transportability of food and pharmaceuticals. Drying in injection vials is especially interesting for pharmaceutical agents due to the precise dosing and the relatively simple rehydration. Process modeling has already proven to be a promising approach for accelerated process development and optimization as well as for scale-up. Moreover, coupled with a process analytical technology (PAT) concept, it can be used for accelerated process design and on-line optimization of processes. For this purpose, a computation time should be achieved, which is far below the process time itself. The presented work includes a comprehensive literature study on the topics of lyophilization and process modeling, both in general and related to the process of freeze-drying itself. On this basis, a physico-chemical process model was developed, which has the claim to be used in the future for on-line optimization of freeze-drying processes, among other applications. This claim was fulfilled by a computation time of a few minutes. Verification of the model has taken place by comparing simulated data with an experiment from the literature. Validation in terms of precision and accuracy was performed using a workflow established in the literature. Based on the statistical evaluation and the comparison of experimentally obtained and simulated results, well-founded recommendations for the further development of the model could be given. |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
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