Al formular proteínas, ¿Debería secar por aspersión o secar por congelación?
Bart nos presenta una descripción general rápida de sus dos técnicas favoritas para deshidratar proteínas: Secado por aspersión y Secado por congelación.
Una de las razones más comunes por las que necesitamos formular proteínas y péptidos es para aplicaciones farmacéuticas. En las formulaciones de medicamentos, varias sustancias se combinan con un ingrediente activo. Sin embargo, este ingrediente activo puede no incorporarse directamente a una formulación, ya que puede ser inestable o mostrar cualidades no deseadas. Una forma de facilitar el almacenamiento antes de la incorporación en una formulación final es formular previamente el ingrediente en forma líquida o sólida.
El tipo de técnica que elija para secar un biofarmacéutico generalmente depende del uso final del compuesto, las características del compuesto, los aspectos financieros y la capacidad y los requisitos de producción.
Las técnicas más comunes que se utilizan para formular proteínas y péptidos son el secado por aspersión y el secado por congelación . Primero, comparemos estos con una descripción general:
| Spray drying | Freeze drying | |
|---|---|---|
| Drying time | Short - seconds | Long - days/weeks |
| Yield | 50 - 80% on lab scale units | 100% in vial |
| Product temperature | 50⁰C or above | >0⁰C - primary drying 20 - 40⁰C - secondary drying |
| Stresses | Shear, atomization, air-liquid, interfacial, mechanical, thermal, dehydration | Ice crystal formation (solid-liquid interfacial stress), change of ionic strength and pH, phase separation, dehydration, crystallization |
| Control of particle characteristics | Yes | No |
| Capital cost | Moderate | Very high |
| Operating cost | Moderate | High |
| Production | Continuous | Batch |
Usar secado por aspersión para formular proteínas
El secado por aspersión es la solución preferida para secar muchas moléculas pequeñas y para dispersiones sólidas amorfas. Las ventajas de la técnica, incluidas las posibilidades de ingeniería de partículas y el bajo costo, la convierten en una opción atractiva para las formulaciones de secado de productos biofarmacéuticos. El método es de alto rendimiento, continuo, fácil de escalar y rentable.
En términos financieros, los costos de inversión y operativos del secado por aspersión cuando se formulan proteínas son entre 4 y 7 veces más bajos que los del secado por congelación, a pesar de que se genera gas caliente y el proceso consume una gran cantidad de energía.
La capacidad de controlar las características de las partículas del polvo seco cambiando los parámetros del proceso hace que la técnica sea ideal para aplicaciones como la administración pulmonar y nasal, donde las características de las partículas son de particular importancia. El uso del secado por aspersión para formular proteínas permite una buena procesabilidad del polvo en tabletas o cápsulas después de mezclarlo con excipientes.
¿Cómo funciona el secado por aspersión cuando se formulan proteínas?
El secado por aspersión se logra disolviendo, emulsionando o dispersando una sustancia central en un solvente o en una solución de material portador. Luego, el material se atomiza y se rocía en una cámara de secado, donde una corriente de gas de secado caliente se evapora al solvente para producir partículas sólidas secas. Estas partículas sólidas se separan aún más de la corriente de gas y se recogen.
Dado que la transformación de un producto líquido en un polvo seco se logra en un solo paso, el secado por aspersión es ventajoso siempre que formule proteínas, debido a los costos, la ampliación y la simplificación del proceso. Puede generar fácilmente comprimidos o cápsulas sin necesidad de triturar o realizar pasos posteriores de procesamiento. Dado que el secado por aspersión expone las biomoléculas a tensiones de cizallamiento, aire-líquido, interfaciales y de deshidratación, la mayoría de los sensibles a la temperatura, incluidas las enzimas, las proteínas y los antibióticos, se pueden secar por pulverización sin sufrir una pérdida importante de actividad.
Una desventaja de usar el secado por aspersión para formular proteínas son los rendimientos a escala de laboratorio. Dado que sufre pérdida de producto en la pared de la cámara de secado y hacia el aire de escape, los rendimientos suelen estar en el rango del 20 al 70%.
El uso de ciclos de alta eficiencia puede aumentar los rendimientos hasta alcanzar más del 80%.
Sin embargo, tenga en cuenta que las fuerzas insuficientes de atomización del líquido y la incapacidad del ciclón para separar de forma eficaz las partículas finas con un diámetro inferior a 2 μm dificultan la producción y recuperación de partículas submicrométricas. El secado por atomización a escala de laboratorio tampoco es adecuado para la producción de partículas con un rango de tamaño superior a 50 μm, similares a las producidas a gran escala.
Utilización de la liofilización para formular proteínas
El secado por congelación, también conocida como liofilización, es una forma eficaz de secar material. El método se basa en el principio físico de la sublimación, que implica la transición directa entre la fase sólida y la gaseosa, sin pasar por la fase líquida. La muestra congelada se seca al vacío, sin descongelación intermedia. La liofilización es particularmente adecuada para aplicaciones como la preservación de material delicado contra la degradación o descomposición, la preservación de las características del producto y su forma original, la conservación de productos que requieren una rápida rehidratación o el acondicionamiento de un producto para su uso posterior.
Los parámetros clave para controlar cuando formula proteínas mediante liofilización incluyen la presión y la temperatura. La forma de configurar estos parámetros se rige por las características de la muestra.
Un proceso típico de liofilización consta de dos etapas, congelación y secado primario. En algunos casos, es posible que se requiera una tercera etapa, denominada secado secundario, para eliminar las moléculas de disolvente firmemente adheridas a la muestra y reducir aún más el contenido de humedad.
La mayor parte del agua se elimina de la muestra al final de la fase de secado primario.
Independientemente de si formula proteínas u otras muestras, el contenido de humedad residual del producto suele rondar el 5-10% debido al agua unida a la matriz.
Después de la fase de secado primario, el hielo ya no debería estar presente en la muestra. El paso de secado secundario elimina las moléculas de agua adsorbidas por desorción. Para lograr las condiciones ideales para la desorción, se requieren la presión más baja posible y altas temperaturas de almacenamiento. Cuando seleccione la temperatura de almacenamiento, también debe considerar los efectos sobre la estabilidad del producto. La etapa de secado secundario suele ser más rápida que la etapa de secado primario.
Al final del secado secundario cuando formula proteínas, el contenido de humedad del producto debe estar en el rango de 1-5%.
En términos de aplicaciones farmacéuticas, la liofilización suele ser el método preferido para la conservación de una amplia gama de compuestos farmacológicos, especialmente cuando la estabilidad en estado líquido es inadecuada y cuando las formulaciones no requieren procesamiento adicional, ya que se envasan directamente en viales, que se sellan en el secado después del ciclo para evitar una posible contaminación.
La liofilización opera a bajas temperaturas de proceso y conduce a altos rendimientos, gran uniformidad del producto, alta calidad en términos de actividad, contenido de agua y estabilidad. Se obtiene un producto de altísima calidad, ya que la liofilización reduce los riesgos de que se produzcan propiedades intrínsecas del producto, como el colapso, la fusión eutéctica o la superación de las temperaturas de transición vítrea.
En este punto, señalaremos cómo puede utilizar las dos técnicas si desea formular proteínas. Aquí algunos ejemplos de formulaciones de proteínas de la vida real preparadas mediante secado por aspersión y liofilización:
| Process | Proteins/peptides | Stabilizers |
|---|---|---|
| Freeze drying | IgG | Trehalose, Sucrose, PEG |
| Freeze drying | Lyzozyme | PEG, Glycerol, Sucrose, Trehalose, Dextran |
| Freeze drying | BSA | Glucose, Sucrose, Maltose, Trehalose, Maltotriose |
| Freeze drying | Anti-IgE antibody | Histidine, Arginine, Glycine, Aspartic acid |
| Spray Drying | IgG | Trehalose, Sucrose, Leucine, Glycine, Lysine, Phenylalanine |
| Spray Drying | Trastuzumab | Trehalose, HPβCD, βCD |
| Spray Drying | Anti-IgE Mab, rhDNase | Mannitol, Trehalose, Sucrose |
| Spray Drying | Catalase | Arginine, Histidine, Glycine |
| Spray Drying | Influenza vaccine | HEPES buffer, Phosphate buffer |
| Spray Drying | Alkaline phosphatase | Sodium carboxy methylcellulose |
| Spray Drying | EPO | Dextran |
Denoulet Bart
Texto extraído del Blog de Bart de BUCHI. Para mas información acceda al Blog original haciendo clic aquí
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