Innovatives Einfrierverfahren zur Minimierung der Prozeßzeit von ...

Innovatives Einfrierverfahren zur Minimierung der
Prozeßzeit von Gefriertrocknungszyklen
Den Naturwissenschaftlichen Fakultäten
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
zur Erlangung des Doktorgrades
vorgelegt von
Martin Kramer
aus Stuttgart
- 1999 -

Kapitel 3: Materialien und Methoden
VIII
Als Dissertation genehmigt von den Naturwissenschaftlichen
Fakultäten der Universität Erlangen-Nürnberg
Tag der mündlichen Prüfung: 08.12.99
Vorsitzender der Prüfungskommission: Prof. Dr. W. Buggisch
Erstberichterstatter:
Prof. Dr. Geoffrey Lee
Zweitberichterstatter:
Prof. Dr. Achim Göpferich

Kapitel 3: Materialien und Methoden
IX
Die vorliegende Arbeit wurde von Februar 1997 bis Sommer 1999 am Lehrstuhl für
Pharmazeutische Technologie der Universität Erlangen-Nürnberg und in der Abteilung
Pharmazeutische Technologie der Bayer AG angefertigt. Die universitäre Betreuung erfolgte
durch Herrn Professor Dr. Geoffrey Lee, Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie,
Universität Erlangen-Nürnberg.
Mein besonderer Dank gilt:
- Herrn Dr. Bernd Sennhenn für die wissenschaftliche Unterstützung und Betreuung seitens
der Industrie, sowie die stete Aufmunterung und die engagierte Erörterung von
Fragestellungen,
- allen Kollegen der Firma Bayer AG, Abt. Pharmazeutische Technologie, insbesondere
Bernd Kühn, Hans-Jürgen Hamann, Axel Wollenschläger, Fritz Schückler und Jeffry-
Lynn Grunkemeyer, die mir mit Rat und Tat zur Seite standen,
- Herrn Dr. Wagner und Herrn Bräntner aus der Zentralen Forschung für die Hilfe bei der
Anfertigung von Röntgendiffraktiometrieaufnahmen,
- Herrn D.I. Itter aus der Zentralen Forschung für die Hilfe bei der Anfertigung
von DSC-Untersuchungen,
- allen Mitarbeitern des Lehrstuhls der Pharmazeutischen Technologie, die mich bei meiner
Arbeit unterstützten und
- Frau Esther Lieb für die gewissenhafte und geduldige Durchsicht des Manuskriptes.
Schließlich bedanke ich mich ganz besonders bei Herrn Prof. Dr. Geoffrey Lee für sein reges
Interesse, die stete Diskussionsbereitschaft und engagierte Betreuung der Arbeit.
Ν
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1. Einleitung 1

Kapitel 3: Materialien und Methoden
X
2. Gefriertrocknung 5
2.1 Anwendungsbereiche und Zielsetzungen der Lyophilisation 5
2.2 Der Trocknungszyklus 6
2.2.1 Das Einfrieren 6
2.2.2 Die Haupttrocknung 16
2.2.3 Die Nachtrocknung 22
2.3 Kontrolle der Prozeßparameter 24
2.3.1 Druck 24
2.3.1.1 Kapazitives Manometer 24
2.3.1.2 Wärmeleitfähigkeitsmanometer 25
2.3.2 Temperatur 26
2.3.2.1 Widerstandsthermometer 26
2.3.2.2 Thermoelemente 26
2.3.2.3 Barometric Temperature Measurement 27
2.3.3 Endpunktsdetektion 27
2.3.3.1 Komparative Druckmessung 27
2.3.3.2 Druckanstiegstest 27
2.3.3.3 Windmill Device 28
2.3.3.4 Gasanalysatoren 28
2.3.3.5 Feuchtigkeitssensoren 28
2.3.3.6 Gefriertrocknungswaagen 28
2.4 Aufbau einer industriellen Gefriertrocknungsanlage 29
3. Materialien und Methoden 30

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XI
3.1. Materialien 30
3.1.1 Gerüstbildner, Hilfsstoffe und Reagenzien 30
3.1.2 Behältnisse zur Gefriertrocknung 32
3.2 Methoden 33
3.2.1 Einfrieren 33
3.2.2 Gefriertrocknung 35
3.2.3 Wassergehalt nach Karl Fischer 36
3.2.4 Auflichtmikroskopie 37
3.2.5 Weitwinkelröntgendiffraktometrie (WAXS) 37
3.2.6 Differential Scanning Calorimetry (DSC) 37
3.2.7 Bestimmung der Auflösegeschwindigkeit 38
4. Ergebnisse und Diskussion - Teil I: 39
Barometrisches Verfahren zur Endpunktsdetektion
von Gefriertrocknungsläufen
4.1 Beeinflussung der Pirani-Röhre durch Wasserdampf 39
4.2 Beeinflussung der Pirani-Röhre bei unterschiedlichen 42
Kammerdrucken
5. Ergebnisse und Diskussion - Teil II: 46
Einfluß des Einfrierverfahrens auf die Morphologie,

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XII
Restfeuchte und die Trocknungsgeschwindigkeit
5.1 Parameterfestlegung für das vakuum-induzierte Einfrieren 46
und das Thermal Treatment
5.1.1 Druckwertfestlegung für das vakuum-induzierte Einfrieren 46
5.1.2 Thermische Analyse der gefrorenen Gerüstbildnerlösungen 48
5.1.3 Einfluß des Thermal Treatments auf die Restfeuchte 56
5.1.4 Einfluß des Thermal Treatments auf die Trocknungszeit 58
5.1.5 Einfluß des Thermal Treatments auf die Porengröße 59
5.1.6 Weitwinkelröntgendiffraktometrie (WAXS) 61
5.2 Diverse Einfrierverfahren und deren Einfluß auf die 64
Morphologie und Restfeuchte von Mannitol-Trägersystemen
5.2.1 Die Morphologie in Abhängigkeit vom Einfrierverfahren 64
5.2.2 Die Restfeuchte in Abhängigkeit vom Einfrierverfahren 77
5.2.3 Weitere Beobachtungen 79
5.2.3.1 Glasbruch 79
5.2.3.2 Verhalten der Lyophilisate bei einer Haupttrocknung mit 81
erhöhter Plattentemperatur
5.3 Ausgewählte Einfrierverfahren und deren Einfluß auf 84
Morphologie, Restfeuchte und Trocknungsgeschwindigkeit
von verschiedenen Gerüstbildnern
5.3.1 Die Morphologie in Abhängigkeit vom Einfrierverfahren 84
5.3.1.1 Auflichtmikroskopie 84
5.3.1.2 Weitwinkelröntgendiffraktometrie (WAXS) 90
5.3.2 Die Restfeuchte in Abhängigkeit vom Einfrierverfahren 101
5.3.3 Die Trocknungszeit in Abhängigkeit vom Einfrierverfahren 105
5.3.4 Die Auflösegeschwindigkeit in Abhängigkeit vom 106

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XIII
Einfrierverfahren
5.4 Kombiniertes Einfrierverfahren von „vakuum- induziertem“ 108
Einfrieren und Thermal Treatment
5.4.1 Untersuchung der Morphologie 108
5.4.1.1 Auflichtmikroskopie 108
5.4.1.2 Weitwinkelröntgendiffraktometrie (WAXS) 111
5.4.2 Bestimmung der Restfeuchte 113
5.4.3 Bestimmung der Trocknungszeit 114
5.4.4 Bestimmung der Auflösegeschwindigkeit 115
5.5 Anwendung des kombinierten Einfrierverfahrens 116
von „vakuum-induziertem“ Einfrieren und Thermal
Treatment auf einen Trocknungszyklus
6. Schlußbetrachtung 119
7. Literatur 124
Kapitel 1
Einleitung
Die Gefriertrocknung ist ein wichtiges pharmazeutisches Verfahren zur Stabilisierung von
hydrolyseempfindlichen und thermolabilen Zubereitungen, sowie von Materialien
biologischen Ursprungs, die unter schonenden Bedingungen getrocknet werden sollen. Die

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XIV
Trocknung aus dem gefrorenen Zustand vereint die Vorteile von Einfrieren und
Dehydratation bei niedriger Temperatur und wird in einem Zyklus, bestehend aus drei
aufeinanderfolgenden Teilschritten, durchgeführt:
- Einfrieren durch Abkühlung auf ein niedriges Temperaturniveau
- Haupttrocknung (Primärtrocknung) durch Sublimation des gefrorenen Wassers bei
niedriger Temperatur und erniedrigtem Druck
- Nachtrocknung (Sekundärtrocknung) von „non-frozen” Wasser bei hoher Temperatur und
erniedrigtem Druck
Mit Hilfe dieses Verfahrens können Materialien ohne größere Veränderungen
und Verluste an biologischer Aktivität getrocknet werden. Ein weiterer,
positiver Aspekt dieses Verfahrens ist, daß die getrockneten, „lyophilen”
Produkte aufgrund ihrer porösen Struktur und sehr großen spezifischen
Oberfläche [41,36] sehr schnell rekonstituierbar sind und ihre ursprünglichen
Eigenschaften in Lösung wieder annehmen. Deshalb findet die Gefriertrocknung
bevorzugt Anwendung bei therapeutischen Sera, Blutprodukten, biologisch
aktiven Substanzen (Hormonen, Vitaminen, Enzymen, Arzneistoffen,... ),
Aromen und Lebensmittelzubereitungen [53]. Allerdings ist dieses spezielle
Verfahren recht komplex in seinen physikalisch-chemischen Grundlagen und in
der praktischen Durchführung äußerst zeit-, energie- und damit kostenintensiv
[33,55]. Die größten Kosten entstehen durch die benötigte Energie für das
Einfrieren, die Sublimation während der Haupttrocknung, die Desorption von
Wasser während der Nachtrocknung [10], sowie für die Aufrechterhaltung des
Vakuums und nicht zuletzt durch die Labor- und Betriebskosten [7g]. Die
zuletzt genannten Kosten stehen wiederum in direktem Zusammenhang mit der
Prozeßzeit. Ein entscheidender Ansatzpunkt für die Optimierung eines
Gefriertrocknungs-prozesses unter wirtschaftlichen Aspekten liegt also in der
Verkürzung der Prozeßzeit, unter Beibehaltung von biologischer Aktivität,
Wirksamkeit, Stabilität und der optisch-ästhetischen Eigenschaften des
Produktes. Der erste Prozeßschritt innerhalb des Gefriertrocknungszyklus, das

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XV
Einfrieren, legt die Struktur des Lyophilisates und daher auch im wesentlichen
die Produkteigenschaften, wie Porosität, Kristallinität, Restfeuchte, aber auch
die biologische Aktivität von wirksamen Bestandteilen [20,69], fest. Diese
Erkenntnis ist letztlich ein wesentlicher Ansatzpunkt für Optimierungen von
Gefriertrocknungszyklen. Bei der Anwendung im pharmazeutischen Bereich tritt
beim Einfrieren von wässrigen Lösungen das Phänomen der Unterkühlung auf
[6,14,25,43], infolge derer die Lösung nicht am tatsächlichen Gefrierpunkt,
sondern erst bei wesentlich tieferen Temperaturen einfriert. Dies ist mitunter
auch eine Folge der Tatsache, daß pharmazeutische Lösungen zur parenteralen
Applikation partikelfrei sein müssen [18] und deshalb so gut wie keine
heterogenen Verunreinigungen aufweisen, die als Kristallisationskeime
fungieren könnten. Erst bei Temperaturen nahe –40°C sind die
Nukleationsraten hinreichend hoch, daß eine Kristallkeimbildung
wahrscheinlich wird [6]. Das Ausmaß der Unterkühlung ist zudem abhängig von
der Art der heterogenen Verunreinigungen, so daß die Temperatur, bis zu der
sich eine reine wässrige Lösung bei praktischen Anwendungen unterkühlen läßt,
durchaus 15 Kelvin unter dem Gefrierpunkt der Lösung liegen kann [7a,14]. Das
anschließende Ausfrieren und Erstarren des unterkühlten Systems verläuft
schnell [13] und ist daher über eine externe Temperatureinprägung vom
Anwender kaum zu kontrollieren. Als Folge der hohen
Erstarrungsgeschwindigkeit entstehen gefrorene Produkte, die kleine Eiskristalle
enthalten, zusammen mit einem entweder kristallinen Feststoffanteil, oder einem
amorphen Glas [12,14,]. Weiterhin können die gefrorenen Produkte hohe
Anteile an „non-frozen” Wasser, in Form von adsorbiertem oder in amorphen
Arealen eingeschlossenem Wasser, beinhalten [7a,23,43]. Derartige Produkte
lassen sich nur langsam trocknen, da die Permeabilität des getrockneten
Lyophilisatgerüstes aufgrund der kleinen Poren, entstanden aus der Sublimation
kleiner Eiskristalle, nicht allzu groß ist und für den bei der Trocknung
entweichenden Wasserdampf einen limitierenden Engpaß darstellt [13,49].
Weiterhin können große, amorphe Produktanteile, die größere Mengen an
Wasser enthalten, während der Trocknung einen Kollaps der Matrix begünstigen

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XVI
[33,44] und hohe Restfeuchtegehalte am Ende der Haupttrocknung verursachen
[6]. Die Trocknung eines solchen Systems erfordert dann genau kontrollierte
Bedingungen während der Haupttrocknung und eine langwierige Nachtrocknung
[2,49] zur Reduktion der Restfeuchte.
Das erste Ziel der vorliegenden Arbeit war es, durch ein neues, innovatives Verfahren die
auftretende Unterkühlung beim Einfrieren gezielt zu unterbinden und die Eiskristallisation
über die Stellplattentemperatur kontrolliert erfolgen zu lassen. So sollte ein geordnetes
Wachstum von großen Eiskristallen und die Erzeugung besonders großporiger
Lyophilisatgerüste ermöglicht werden. Dies wurde durch die bereits bekannte Behandlung des
zu frierenden Gutes mit Ultraschall [27], sowie durch das völlig neue Verfahren des
„vakuum-induzierten“ Einfrierens erreicht. Weiterhin sollten amorphe Anteile des
Lyophilisatgerüstes durch ein sogenanntes Thermal Treatment [7a,18,45,53,58] zur
Rekristallisation gebracht werden, um Einfluß auf die Porosität und Restfeuchte der
Lyophilisate zu nehmen. Erforscht werden sollten zunächst die Auswirkungen
unterschiedlicher Einfrierverfahren auf die makroskopische und mikroskopische
Morphologie, sowie auf die Restfeuchte von mannitolhaltigen Formulierungen. Besondere
Beachtung wurde dabei dem Auftreten von Unterkühlung und der Abkühlungsgeschwindigkeit
der jeweiligen Verfahren geschenkt, da zu erwarten war, daß sich diese
Punkte auf die Kristallgröße, Porosität und Oberflächenbeschaffenheit der Lyophilisate
auswirken würden [6,20,23,31,32,56].
Ein weiteres Ziel der Arbeit war es dann, anhand eines Hilfsstoffkatasters ausgewählte
Einfrierverfahren und deren Einfluß auf Morphologie, Restfeuchte und die Trocknungszeit
von Lyophilisaten zu erforschen. Für die Untersuchungen wurden Maltose, Saccharose,
Glycin, Mannitol und eine mannitolhaltige Modellformulierung verwendet. Das Interesse lag
hier bei der Untersuchung der Trocknungsresultate von kristallinen oder amorphen Produkten,
die ohne Unterkühlung gefroren wurden bzw. die einem Thermal Treatment unterzogen
wurden.
Als abschließendes Ziel sollte aus den gewonnenen Erkenntnissen ein optimaler
Einfrierzyklus erarbeitet werden, der eine sehr schnelle Trocknung bei möglichst hohem
Druck und hoher Temperatur auf niedrige Restfeuchtegehalte, aber ohne Kollaps und
Beschädigung des Produktkuchens, erlaubt. Durch diesen Versuch der zeitlichen Optimierung
sollte der Forderung nach Wirtschaftlichkeit des Verfahrens Rechnung getragen werden.

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XVII
Ein wichtiger Aspekt der großtechnischen Herstellung von Lyophilisaten ist die
Überwachung von Prozeßparametern zum Zwecke der Qualitätssicherung und
Prozeßkontrolle [39]. Besondere Bedeutung kommt der Endpunktsbestimmung
von Gefriertrocknungszyklen zu, weil die Restfeuchte in der Regel ein
entscheidendes Qualitätskriterium darstellt. Daher wurde im ersten Teil der
vorliegenden Arbeit ein barometrisches Verfahren zur Endpunktsdetektion
[2,16] von Trocknungszyklen näher untersucht, welches mittels
medienabhängiger und medienunabhängiger Druckmessung den
Trocknungsverlauf zu verfolgen erlaubt. In Gefriertrocknungsanlagen findet
sehr häufig die Pirani-Röhre Verwendung, welche über die Wärmeleitfähigkeit
der in der Kammer befindlichen Gase den Kammerdruck mißt [17,39]. Die
Pirani-Röhre wird meistens auf Stickstoff kalibriert, da dieser als Medium zur
Kammerdruckregulierung benutzt wird. Dieses Meßprinzip ist allerdings
beeinflußt durch die Zusammensetzung der Kammer-atmosphäre, da
Wasserdampf, welcher während der Haupttrocknung freigesetzt wird, und
Stickstoff unterschiedliche spezifische Wärmekapazitäten aufweisen. Somit ist
aber das Vorhandensein von Wasserdampf in der Trocknungskammer
detektierbar durch Verwendung einer zweiten Druckmessung, die den
Referenzdruck unabhängig von der Atmosphärenkomposition über ein
kapazitives Meßprinzip bestimmt. Es kommt dann während der Trocknung zu
einer Meßwertdiskrepanz zwischen den beiden Druck-meßgeräten, welche das
Auftreten von Wasserdampf in der Trocknungskammer indiziert. Eine erneute
Meßwertübereinstimmung detektiert schließlich das Trocknungsende. Diese
komparative Druckmessung ermöglicht eine Beobachtung des
Trocknungsverlaufs, ohne daß Produktfühler in die Vials eingebracht werden
müssen [2]. Dies ist insbesondere bei einem aseptischen Herstellungsprozeß von
Vorteil, da keine manuellen Eingriffe in den Prozeß nötig sind. Diese
Meßmethode kann wie in der vorliegenden Arbeit zur Bestimmung von
Trocknungszeiten verwendet werden.

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XVIII
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Kapitel 2
Gefriertrocknung
2.1 Anwendungsbereiche und Zielsetzungen der Lyophilisation
Die Gefriertrocknung ist ein Herstellungsverfahren, das in der Pharmazie, der
Lebensmittelproduktion und auch bei anderen technischen Anwendungen Einsatz findet.
Großtechnisch gewann die Gefriertrocknung zur Zeit des 2. Weltkrieges in den USA an
Bedeutung durch die Stabilisierung von Blutplasma und die Herstellung von Penicillinen
[2,7a]. Doch auch in der Zukunft wird die Gefriertrocknung weiter an Bedeutung
hinzugewinnen, da immer mehr Arzneistoffe von biogener Provenienz sind bzw. aus
gentechnologischer oder biotechnologischer Herstellung stammen [7h]. Diese Arzneistoffe
sind, was die Stabilität anbetrifft, besonders empfindlich und kostbar, so daß Aufwand und
Kosten der Gefriertrocknung in einem guten Verhältnis zum wirtschaftlichen Nutzen stehen
[33]. Aber auch bei herkömmlichen chemischen Arzneistoffen ist die Gefriertrocknung ein
geeignetes Herstellungsverfahren, wenn andere Trocknungs- oder Stabilisierungsmethoden

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XIX
nicht anwendbar sind. Da die Gefriertrocknung jedoch sehr aufwendig und teuer ist, muß in
diesem Fall eine eingehende Abwägung der entstehenden Kosten gegenüber alternativen
Verfahren getroffen werden.
Die Herstellung von Lyophilisaten im pharmazeutischen Bereich kann auf unterschiedliche
Arten erfolgen. Häufig werden Lyophilisate, die als Injektabilia der Diagnostika eingesetzt
werden, im Endbehältnis getrocknet, z.B. in Ampullen, Injektions- oder Infusionsflaschen,
die vor der Applikation mit einem Rekonstitutionsmedium befüllt werden. Ebenso ist eine
Gefriertrocknung in Spritzen oder Tablettenblistern möglich [7h]. Bei der „bulk“-
Trocknung von Wirkstoffen, Hilfsstoffen und wirkstoffhaltigen Zwischenprodukten wird die
Gefriertrocknung auf geeigneten Platten, Tellern oder in Schalen durchgeführt und das
getrocknete Lyophilisat weiterverarbeitet. Neben der diskontinuierlichen Trocknung in
Behältnissen ist aber auch eine Gefriertrocknung in kontinuierlich arbeitenden
Trocknungstunneln möglich [6,10,12]. Diese ermöglichen einen besonders hohen
Produktdurchsatz. Das zu trocknende Produkt wird auf gekühlten Bändern eingefroren oder in
ein Kühlmedium, z.B. LN 2 , eingetropft und im erstarrten Zustand in einen evakuierbaren
Trocknungstunnel überführt, in dem dann die Trocknung erfolgt. Da dieses Verfahren aber
keine Sterilität gewährleisten kann, findet es bevorzugt in der Lebensmittelindustrie
Anwendung.
Neben dem Ziel die Stabilität, Wirksamkeit und biologische Aktivität eines Produktes zu
optimieren, spielen wegen des hohen Aufwandes auch pekuniäre Aspekte eine große Rolle.
Hierbei ist die Verkürzung der Prozeßzeit ein wichtiger Punkt, um dieses kostenintensive
Verfahren etwas wirtschaftlicher zu gestalten [55].
2.2 Der Trocknungszyklus
Der in der Gefriertrocknung verwendete Trocknungszyklus besteht aus den drei
Prozeßschritten Einfrieren, Primärtrocknung und Sekundärtrocknung.

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XX
2.2.1 Das Einfrieren
Beim Einfrieren wird die flüssige Lösung in den festen Aggregatzustand überführt, um das
Wasser, das nun größtenteils als Eis vorliegt, bei der anschließenden Trocknung durch
Sublimation zu entfernen. Anteile von „non-frozen“ Wasser lassen sich nicht sublimieren,
sondern müssen in der Nachtrocknung durch Verdampfung bei erhöhter Temperatur entfernt
werden [49]. Wasser kann in verschiedenen Kristallgitterstrukturen existieren, wobei die
Phasenübergangstemperaturen der einzelnen Polymorphen druckabhängig sind [51]. Die
Modifikation von Eis (Abb.1), die beim Einfrieren unter Atmosphärendruck erhalten wird,
weist eine hexagonale Kristallgitterstruktur auf [6,43].

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXI
L
Abb.1: Phasendiagramm des Wassers. Verschiedene Modifikationen von Eis
in Abhängigkeit des Druckes: L flüssiges Wasser, Ih hexagonales Eis,
II bis IX diverse andere Kristallformen von Eis [6].
Da ein Kristallisationskern (Nukleolus) an seinen Ecken schneller wächst als an seinen
Innenstellen, bilden sich Eissterne von charakteristischem Erscheinungsbild, die sich im Zuge
des Wachstums immer mehr verzweigen [6]. Größe und Struktur einer solchen
Eissternstruktur sind, wie in Abb.2 dargestellt, von Abkühlgeschwindigkeit und Unterkühlung
abhängig [43].

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXII
Abb.2: Wachstum von Eiskristallen in Wasser bei von links nach rechts
zunehmender Unterkühlung [6].
Die Kristallisation einer Flüssigkeit ist das Produkt zweier Prozesse, die nacheinander
stattfinden [14]. Zuerst tritt eine Nukleation auf, infolge derer Kristalle in der Flüssigkeit
wachsen. Nukleation und Kristallwachstum gehorchen unterschiedlichen Gesetz-mäßigkeiten.
Wie viele Flüssigkeiten erstarrt eine wäßrige Lösung nicht am tatsächlichen Gefrierpunkt,
sondern läßt sich je nach Reinheit deutlich unter den Gefrierpunkt unterkühlen [6,14,25,43].
Die Unterkühlung von Lösungen beruht auf dem Ausbleiben der Nukleation, die für das
Auftreten von Kristallisationskeimen verantwortlich ist. Bei absolut reinem Wasser, das
keinerlei heterogene Verunreinigungen beinhaltet, findet eine homogene Nukleation [2,53]
statt, bei der sich Wassermoleküle spontan zusammenlagern. In der Praxis ist aber immer mit
der Anwesenheit einer heterogenen Verunreinigung zu rechnen, an deren Oberfläche eine
heterogene Nukleation [2,53] ausgelöst wird. Das Ausmaß der auftretenden Unterkühlung ist
abhängig von der Art und Oberflächenbeschaffenheit der heterogenen Verunreinigung [14].
Je ähnlicher die Oberflächenbeschaffenheit des Kristallisationskeims einem Eiskristall ist,
desto weniger ausgeprägt ist die Unterkühlung [6]. Bei Lösungen wird das Ausmaß der
Unterkühlung von der Art und Menge der gelösten Substanzen beeinflußt, so daß Lösungen
unterschiedlich stark unterkühlt werden können [14]. Bei partikelfreien Lösungen, wie sie für
die parenterale Applikation gefordert werden [18], können Unterkühlungen bis zu 10-15
Kelvin unter die eutektische Temperatur beobachtet werden [7a,14]. Die Folge eines
Einfrierens aus dem unterkühlten Zustand heraus sind Einfriervorgänge, die sehr schnell
ablaufen, ohne daß Zeit für ein ausgeprägtes und geordnetes Kristallwachstum zur Verfügung

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXIII
steht [7a]. Dieses schnelle und zufallsartig einsetzende Auskristallisieren ist zudem in seiner
Geschwindigkeit durch äußere Temperatureinprägung kaum kontrollierbar, und damit ist auch
die Produktstruktur und die Eiskristallgröße wenig beeinflußbar. Die Größe der entstehenden
Eiskristalle und damit die Porengröße des gefriergetrockneten Produktes werden, neben der
Determinierung durch Unterkühlungseffekte, von der Einfriergeschwindigkeit, bedingt durch
die Platten-temperatur, beeinflußt [6,7a]. Abb.3 zeigt die Abnahme des mittleren
Porendurchmessers einer gefriergetrockneten Dextrinlösung mit zunehmender, durch die
Plattentemperatur bedingter, Einfriergeschwindigkeit.
Abb.3: Abhängigkeit der mittleren Porendurchmesser gefriergetrockneter
Dextrin-Lösungen von der Einfriergeschwindigkeit [7a].
Die Größe der gebildeten Eiskristalle ist später in der Haupttrocknung von großer Bedeutung,
da kleine Eiskristalle kleine Poren bei der Trocknung hinterlassen und einen feinporösen
Produktkuchen erzeugen, der einen erhöhten Widerstand für den durchströmenden

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXIV
Wasserdampf darstellt und die Sublimation erschwert [30]. Die große spezifische Oberfläche
eines feinporigen Produktkuchens beschleunigt allerdings die Entfernung von „non-frozen“
Wasser in der anschließenden Nachtrocknung [30].
Beim Einfrieren zeigen Lösungen mit gut kristallisierenden Inhaltsstoffen ein eutektisches
Einfrierverhalten [12,23,43,53]. Zuerst wird Wasser als Eis auskristallisiert, und die
verbleibende, ungesättigte Lösung wird im Zuge des weiteren Auskristallisierens von Eis
immer mehr aufkonzentriert. Man spricht hier von „Gefrierkonzentration“ [7f,30]. Je kleiner
die Ausgangskonzentration der Lösung, desto größer ist der Auf-konzentrierungsfaktor.
Durch die stetige Aufkonzentrierung sinkt auch der Gefrierpunkt der verbleibenden Lösung
[35c]. Nach Erhalt einer maximal gefrierkonzentrierten Lösung (MFCS = maximally freezeconcentrated
solution [16]) kristallisieren Wasser und die gelösten Substanzen nach
Überschreiten der Löslichkeitsgrenze an der eutektischen Temperatur (T e ) gleichzeitig
nebeneinander aus [2,36]. Die mit dem Einfrieren einhergehende Aufkonzentrierung kann
zum Auftreten unerwünschter Folgeerscheinungen führen. Zum Beispiel reagieren Proteine
besonders empfindlich auf eine Veränderung ihrer Konzentration und auf pH-
Wertveränderungen [28,49]. Letztere entstehen durch die unterschiedliche Löslichkeit von
Puffersalzen und das zeitlich versetzte Auskristallisieren beim Einfrieren [7e]. So verschiebt
sich etwa der pH-Wert eines Phosphatpuffers von pH=7.0 beim Einfrieren auf pH=3.5, da das
Dinatriumphosphat eine geringere Löslichkeit hat als das Mononatriumphosphat und zuerst
auskristallisiert [30]. In Abb.4 ist das Einfrieren von Kochsalzlösung auf einer −50°C kalten
Stellplatte dargestellt. Zunächst erfolgt eine Unterkühlung um etwa 10°C unter den
Gefrierpunkt (T f ), dann beginnt am Punkt b Wasser als Eis auszukristallisieren. Die frei
werdende Kristallisationsenergie führt zu einem leichten Temperaturanstieg in der Probe. Das
System, bestehend aus Eis und konzentrierter Lösung, kühlt sich nun weiter ab, bis eine
gesättigte Kochsalzlösung (~23 %w/w) entstanden ist. Von Punkt c an kristallisieren
Kochsalz und Wasser parallel nebeneinander aus. Die frei werdende Kristallisationsenergie
führt wieder zu einem Temperaturplateau, bis die Probe vollständig erstarrt ist und im festen
Aggregatzustand vorliegt. T e liegt in diesem Fall bei −21,2 °C, und der Gehalt an „nonfrozen“
Wasser beträgt effektiv 0 %.

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXV
Abb. 4: Temperaturverlauf einer wässrigen Kochsalzlösung beim Einfrieren [2].
Ein anderes Verhalten zeigen Stoffe, die zur Übersättigung neigen, darunter z.B. diverse
Zucker oder andere Polyhydroxyverbindungen [45,61]. Sie erstarren als amorphes Glas,
anstatt am eutektischen Punkt auszukristallisieren. Beim Einfrieren und der damit
verbundenen Gefrierkonzentration bildet sich aufgrund der Übersättigung eine viskose
Lösung, in der Diffusionsvorgänge, die für eine Kristallisation von Nöten sind, nur sehr
langsam von statten gehen [33]. Deshalb kristallisiert dieses System, obwohl es
thermodynamisch instabil ist, nicht aus, sondern erstarrt kinetisch als unterkühlte Flüssigkeit
ohne vollständige Phasentrennung der Komponenten. Als Folge der ausbleibenden
Kristallisation entstehen hohe Gehalte an „non-frozen“ Wasser, das in der Glasphase
eingeschlossen ist [6,23,43]. Aus dem selben Grund ist der Aufkonzentrierungsfaktor nicht so
groß wie bei auskristallisierenden Stoffen. Ein typischer Vertreter ist Saccharose [9], deren
Einfrierverhalten in Abb.5 dargestellt ist.

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXVI
Abb.5: Temperaturverlauf einer wässrigen Saccharoselösung beim Einfrieren
[2].
Die Saccharoselösung friert nach anfänglicher Unterkühlung am Punkt T f ein, wobei die
freiwerdende Kristallisationsenergie des Wassers zum kurzzeitigen Temperaturanstieg führt.
Es bildet sich Eis und eine immer konzentrierter werdende Saccharoselösung. Im Zuge der
Konzentrierung nimmt die Viskosität der Restlösung immer weiter zu, bis sich ein
viskoelastischer „rubber“ bildet. Zuletzt erstarrt dieses „gummi-elastische“ System als festes,
amorphes Glas. Dieser Punkt T g ’ ist die Glasübergangstemperatur der MFCS, die einen
Gehalt an „non-frozen“ Wasser von w g ’ aufweist [16,44,50]. Ein Temperaturplateau gibt es
aufgrund der ausbleibenden Kristallisation nicht. T g ’ und w g ’ hängen von der Molekülgröße
und -struktur ab und sind deshalb stoffspezifische Eigenschaften [61], die für die
nachfolgende Gefriertrocknung von entscheidender Bedeutung sind. Erwärmt sich nämlich
das Produkt während der Trocknung über T g ’ kommt es zum Glas/Gummi-Übergang und
Erweichen der Gerüststruktur, wobei Wasser als Weichmacher für den Gerüstbildner fungiert
[30]. Die Zerstörung der Gerüststruktur während der Trocknung wird auch als Kollaps am
Kollapspunkt T c bezeichnet [2,14,30,44]. Derartige Systeme sind nur unter exakt
kontrollierten Trocknungsbedingungen zu trocknen, da ein Temperaturanstieg im Produkt
über T c hinaus zum Kollaps führen könnte [49]. Die Bildung eines amorphen Glases kann

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXVII
aber durchaus erwünscht sein, da Proteine und Eiweiße in solchen erstarrten Flüssigkeiten
stabilisiert werden können [33,49,61].
Abb.6: „state“-Diagramm eines Saccharose/Wasser-Systems. Dargestellt ist das
Einfrierverhalten einer Saccharose-Lösung, die beim Einfrieren die
eutektische Temperatur T e unterschreitet und nach Erreichen von T g ’
als amorphes Glas erstarrt [28].
Abb.6 zeigt das sog. „state“-Diagramm einer Saccharoselösung, welches die kinetisch
metastabilen Zustände in Abhängigkeit vom Wassergehalt darstellt. Der Verlauf der
Einfrierkurve von Punkt A an führt über den eutektischen Punkt T e in den Bereich einer
übersättigten Lösung, die bei Erreichen von T g ’ als Glas erstarrt. Die T g -Kurve in Abb.6 stellt
eine Isoviskositätskurve dar, an der die Viskosität der Saccharose/Wasser-Lösung den Wert
von ca. 10 14 Pa⋅s erreicht.

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXVIII
Ein weiteres Einfrierverhalten mit praktischer Bedeutung ist ein System, das beim Abkühlen
nur unvollständig auskristallisiert [58]. Ein Restanteil der MFCS zeigt hierbei am T e kein
eutektisches Verhalten, sondern erstarrt am T g ’ als amorphes Glas. Ein typischer Vertreter ist
Mannitol [2,16,62]. Da die metastabilen, amorphen Anteile unerwünscht sind, weil sie bei der
Trocknung zum Kollaps neigen und für eine hohe Restfeuchte am Ende der Haupttrocknung
sorgen, sollten die amorphen Anteile nachträglich zur Kristallisation gebracht werden. Hier
kommt das sogenannte „Thermal Treatment“ oder „Annealing“ zum Einsatz [12,14,25,53].
Die eingefrorene Lösung - teils kristallisiert, teils amorph erstarrt - wird über T g ’ erwärmt,
allerdings nur so weit, daß sie T e nicht überschreitet. Dabei geht der amorphe Anteil des
Systems in den viskoelastischen „rubber“ über, in dem die Beweglichkeit der Moleküle
deutlich erhöht wird und Diffusion und Kristallwachstum wieder auftreten können. Es kommt
nun bei Erreichen der Rekristallisationstemperatur T rc zu einer eruptiven Rekristallisation des
amorphen Anteils des Mannitols [16] und zur Bildung von Eis aus dem im Glas
eingeschlossenen „non-frozen“ Wasser. Das spätere Trocknungsverhalten und daher auch die
Endfeuchte des Produktes können über dieses Verfahren der nachträglichen Kristallisation
verbessert werden.
Die Unterkühlung und die Gefrierkonzentration prägen die Morphologie und das
makroskopische Erscheinungsbild des trockenen Produktes [11,23]. Produkte, die mit
Unterkühlung eingefroren wurden, setzen sich aus kleinen Kristallen zusammen oder sind
amorph erstarrt. Die Produktkuchen sind sehr gleichmäßig aus Feststoff und Eis
zusammengesetzt. Dies kann wünschenswert sein, wenn ein extensives Kristallwachstum zu
einer Beschädigung des Produktes führt, wie zum Beispiel beim Einfrieren von biologischem
Material aus Zellen (Fleisch oder Mikroorganismen). Hier kann eine Unterkühlung bewußt
herbeigeführt werden, etwa durch Einfrieren unter hohem Druck bzw. durch Einfrieren mit
Druckwechsel [51,52], da der Gefrierpunkt von Wasser druckabhängig ist [1,6]. Durch
Anlegen von hohem Druck (z.B. 200MPa) beim Einfrieren kann die Lösung ohne
auszukristallisieren auf ihre endgültige Einfriertemperatur abgekühlt werden. Die
Unterkühlung wird durch schlagartiges Aufheben des Druckes beseitigt und das System
erstarrt spontan.
Wird hingegen die Unterkühlung beim Einfrieren von Lösungen vermieden, so werden bei
geringer Abkühlgeschwindigkeit große Eiskristalle erhalten, die Konzentrations-unterschiede
und Entmischung im Produkt bewirken [6]. Durch ein langsames, ausgeprägtes
Eiskristallwachstum entstehen besonders große Eiskristalle, die, wenn ein Temperaturgradient
beim Einfrieren vorgelegen hat, in Richtung des Gradienten ausgerichtet sind. In diesem Fall

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXIX
werden Produkte erhalten, die von einer großlumigen Säulen- bzw. Kaminstruktur
durchzogen sind. Allerdings ist bei diesen groß gewachsenen Strukturen die spezifische
Oberfläche verkleinert, so daß das Rekonstitutionsverhalten negativ beeinflußt sein kann [6].
Zum Erscheinungsbild von Lyophilisaten kann auch die Ausbildung eines Häutchens an der
Produktoberfläche gehören [11,29]. Es ist die Folge der Gefrierkonzentration, bei der die
MFCS eine Grenzfläche zur Luft ausbildet und dann erstarrt. Da in diese Grenzfläche keine
großen Eiskristalle eingebettet sind, hat dieses Häutchen eine zusammenhängende Struktur.
Es kann bei der Primärtrocknung die Oberfläche des Produktkuchens so abdichten, daß der
Abtransport des Wasserdampfes behindert wird [21,31]. Ein Häutchen wird gefunden, wenn
Produkte auf vorgekühlten Stellplatten eingefroren werden, da hier die Kristallisation zuerst
am Gefäßboden einsetzt. Bei Erreichen einer hinreichend tiefen Temperatur findet am
Flaschenboden Nukleation statt, und die Kristallisation setzt spontan ein. Die überstehende
Lösung, die weniger bzw. gar nicht unterkühlt ist, friert langsam und gerichtet in einem
Temperaturgradienten von unten nach oben ein. Die immer konzentrierter werdende
Restlösung wird bei dieser Art des Einfrierens durch das von unten heraufwachsende Eis nach
oben gedrückt und bildet ein ausgeprägtes Häutchen an der Oberfläche, welches zuletzt
erstarrt [11]. Die unterkühlungsbedingte Einschränkung des Eiskristallwachstums kommt bei
diesem Verfahren nicht so stark zum Tragen, da hier nur der untere Teil der Lösung spontan
einfriert. Der Rest der überstehenden Lösung kristallisiert aber, ausgehend von den Kristallen
am Gefäßboden, relativ langsam aus.
Abb.7 zeigt schematisch die innere Morphologie gefrorenen Produktkuchens mit nach oben
gerichteten Säulenstrukturen und einem aufgelagerten Häutchen. Die vertikale Ausrichtung
der Strukturen ist die Folge des beim Einfrieren vorliegenden Temperaturgradienten. Die
säulenartigen Eisstrukturen lassen in der Haupttrocknung Kanäle entstehen, die senkrecht
zum Gefäßboden ausgerichtet sind und einen Wärme- und Stofftransport erlauben [10,49].
Einschränkend wirkt aber das Häutchen, das dem Wasserdampfstrom limitierend
entgegensteht. Beim Einfrieren in Kältebädern bei tiefer Temperatur (

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXX
Abb.7: Gefrorener Produktkuchen mit Säulenstruktur und Häutchen [31].
Dies führt zum einen zu sehr hohen Abkühl- und damit Kristallisationsgeschwindigkeiten,
zum anderen zu radial ausgerichteten Strukturen des erstarrenden Produktes [6]. Da das
Produkt von außen nach innen einfriert und Eis ein größeres Volumen als die flüssige
Restlösung einnimmt, wird die verbleibende Lösung zuerst nach innen und dann in der Mitte
nach oben geschoben. So entsteht ein Produktkuchen von typischem Erscheinungsbild mit
einer spitzen Erhebung in der Mitte [6].
2.2.2 Die Haupttrocknung
Die Aggregatzustände des Wassers sind jeweils direkt ineinander überführbar, wie aus dem
Zustandsdiagramm (Abb.8) hervorgeht. Welcher Aggregatzustand vorliegt ist druck- und
temperaturabhängig. In der Haupttrocknung wird das Eis mittels Sublimation direkt vom
festen in den gasförmigen Aggregatzustand überführt. Dies ist möglich, weil Eis einen, wenn
auch geringen, Dampfdruck besitzt [6]. In einem offenen System, dem ständig Wasserdampf

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXXI
entzogen wird, ist daher eine vollständige Überführung des Eises in Wasserdampf möglich
[36]. Dies geschieht in der apparativen Gefriertrocknung mit Hilfe eines Kondensators
[25,48], der die kälteste Stelle im System darstellt und an dessen Oberfläche der
Wasserdampf ausfriert. Treibende Kraft für die Aufrechterhaltung der Sublimation ist daher
das Dampfdruckgefälle zwischen dem gefrorenen Produkt und dem wesentlich kälteren
Kondensator.
Abb.8: Zustandsdiagramm des Wassers und einer wässrigen Lösung, sowie
Prozeßschritte bei der Gefriertrocknung (nicht maßstäblich) [6].

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXXII
Durch Anlegen von Vakuum wird die Sublimation erleichtert, da eine Anwesenheit von
Gasen den Partialdampfdruck des Eises herabsetzt [41]. Der Gesamtdruck des Systems setzt
sich nämlich additiv aus den Partialdampfdrucken der beteiligten Gaskomponenten, hier von
Eis und Luft, zusammen (Gl.1) [35].
p = p +
Gesamt
Eis
p
Luft
(Gl.1)
Beschleunigt werden kann die Trocknung durch eine Erhöhung der Temperatur [41], da der
Dampfdruck von Eis mit der Temperatur exponentiell zunimmt. Dies wird durch die
Clausius-Clapeyronsche Gleichung (Gl.2) beschrieben.
p2
∫
p1
dp
p
=
T2
∫
T1
∆H
R ⋅T
2
dT
(Gl.2)
p 1 und p 2 sind die Dampfdrucke, die bei den Temperaturen T 1 und T 2 vorliegen und ∆H ist die
molare Verdampfungswärme. Durch Sublimation wird ständig Energie verbraucht, welche
über die Plattentemperatur nachgeliefert werden muß. Es stellt sich also ein „pseudo steady
state“ [30] ein, wobei die Sublimationsrate von der zugeführten Wärmemenge abhängig ist
(Gl.3).
dQ
dt
⎛ dm ⎞
= ∆Hs ⋅ ⎜ ⎟
⎝ dt ⎠
(Gl.3)
Die Sublimation der Wassermenge dm pro Zeit dt verbraucht die Wärmeenergie dQ, wobei
für ein Gramm Wasser eine Sublimationsenergie, ∆Hs, von 2805 J/g benötigt wird [2,6]. Die
Sublimationsrate dm/dt ist weiterhin von der Differenz zwischen Dampfdruck des Eises p 0
und Kammerdruck p c [30], sowie vom Widerstand für den Abtransport des
Wasserdampfes abhängig (Gl.4).

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXXIII
dm
dt
p
=
( R
( 0
p
−
+
pc
)
R )
s
(Gl.4)
R p ist der Transportwiderstand des getrockneten Produktes und R s der Widerstand des
Stopfens auf dem Vial. Der Produktwiderstand R p ist von der Sublimationsfläche und von der
Schichtdicke abhängig. Außerdem vergrößert sich der Produktwiderstand mit steigender
Konzentration der Lösung und abnehmender Porengröße [2]. Die Übertragung der
Wärmemenge von der Platte auf das Produkt pro Zeit, (dQ/dt), ist abhängig von der Differenz
zwischen der Stellplattentemperatur T s und der Produkttemperatur T p , von der
Vialbodenfläche A v und dem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten K v [J⋅s -1 ⋅m -2 ⋅K -1 ] (Gl.5) [30].
dQ
dt
=
A
v
⋅ K
v
⋅
( T − T )
s
p
(Gl.5)
Für die Übertragung der für die Sublimation benötigten Energie, dQ, auf das Produkt stehen
drei Mechanismen zur Verfügung [2,21,36]: Wärmestrahlung, Wärmeleitung durch den
Flaschenboden und Konvektion erwärmter Gasmoleküle zur Vialwand. Da die Bodenfläche
eines Vials nach innen gewölbt ist (Abb.9), ist die Auflagefläche sehr klein und damit
der Energieübertrag durch Wärmeleitung ebenfalls gering [2]. Wärmestrahlung erwärmt das
Produkt von oben und von der Seite, wobei der radiale Wärmeeintrag vom
Beschickungsmuster der Anlage und von der Vialgeometrie abhängig ist [2]. Der größte Teil
der Energie wird abhängig vom Kammerdruck durch Konvektion übertragen (Abb.9) [19,21].
Aus den Gl.2 und Gl.5 geht hervor, daß die Trocknung um so schneller vonstatten geht, je
höher die Plattentemperatur und der Kammerdruck ist. Limitierend für den entweichenden
Wasserdampf sind die Transportwiderstände, wobei vor allem die Permeabilität des bereits
getrockneten Produktkuchens die Sublimationsrate beeinflußt [2].

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXXIV
Abb.9: Wärmeübertragung und Wasserdampftransport in der
Haupttrocknung [7a].
Abb.10 zeigt, daß der Widerstand des getrockneten Produktkuchens etwa 80% des
Gesamtwiderstandes ausmacht. Während der Haupttrocknung kühlt sich das Produkt selbst
auf eine Temperatur, die von der Sublimationsrate und dem Kammerdruck abhängt [22]. Wird
dem System mehr Energie zugeführt als durch Sublimation abgeführt werden kann, kommt es
zum Ansteigen der Produkttemperatur, wobei auf keinen Fall T e und T c überschritten werden
dürfen. Bei kristallinen Matrizes kommt es bei Überschreiten der T e zu Antaueffekten, die zur
Freisetzung von Wasser führen. Folge des Antauens ist der Verlust der porösen Gerüststruktur
[44]. Bei amorphen Systemen kommt es bei Überschreiten der T g ’ zu Relaxation und
translatorischer Diffusion [58], zu Rekristallisation und zu viskosem Fließen [44]. Folge ist
auch hier der Verlust der Gerüststruktur. T g ’ und T c korrelieren miteinander, wobei T c etwas
höher liegt als T g ’ [49]. Die Folgen eines Kollapses können hohe Feuchtegehalte, „puffing“,
Verlust an biologischer Aktivität, sowie physikalische und chemische Instabilität sein [23,53].

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXXV
Abb.10: Widerstände für den Wasserdampfstrom während der Trocknung.
Das Balkendiagramm links stellt die Einzelwiderstände im Verhältnis
zum Gesamtwiderstand dar [2].
Der bei der Trocknung entstehende Wasserdampf verläßt auf unterschiedliche Arten die
Matrix (Abb.11). Existieren Kanäle, so entweicht der Wasserdampf direkt durch Sublimation
und hinterläßt seinerseits neue Kanäle [43]. Sind keine Kanäle vorhanden, z.B. bei
amorphen Systemen, diffundieren Wassermoleküle nach der Sublimation durch die Matrix
und erreichen schließlich die Poren der bereits getrockneten Matrix, aus denen sie entweichen
können [43]. Bei Matrizes mit hohen Diffusionswiderständen, die einen
Wasserdampfrückstau verursachen, kann der Wasserdampf die Feststoffbrücken zwischen
den Poren brechen, und es entstehen Risse in der Matrix, die dann das Entweichen von
Wasserdampf wiederum erleichtern [43].
Neben dem Kollaps der Matrixstruktur können auch weitere makroskopische Veränderungen
als Folge einer Trocknung mit zu großer Energiezufuhr auftreten. Der Wasserdampfstrom
kann zusammenhängende Produktstrukturen zerreißen, zum Produktverlust aus dem Vial
führen und das Ablösen eines Häutchens von der Produktoberfläche bedingen [46].
Verursacht werden diese unerwünschten Erscheinungen durch die hohe Geschwindigkeit des
Wasserdampfstromes. Die berechnete Geschwindigkeit des Wasserdampfes bei einem
Kammerdruck von 0,1-0,3mbar kann (eine bestimmte Kondensatorkonstruktion
vorausgesetzt) etwa 50-100m/s betragen [6].

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXXVI
Abb.11: Trocknungsmechanismen der Gefriertrocknung: A) Sublimation von Eis und
Entweichen des Wasserdampfes durch Kanäle B) Wassermoleküle
diffundieren an der Trocknungsfront durch die Matrix C) Wasserdampf
entweicht durch Risse in der Matrix, die bei der Trocknung entstanden
sind D) Verlust der Matrixstruktur an der Trocknungsfront durch Kollaps
[43].
2.2.3 Die Nachtrocknung
Die Restanteile von „non-frozen“ Wasser, die einer Sublimation nicht zugänglich sind,
werden in der Nachtrocknung durch Verdampfung bei erniedrigtem Druck und erhöhter
Temperatur entfernt. Hierbei handelt es sich um oberflächlich adsorbiertes Wasser, Kristallbzw.
Hydratwasser oder in amorphen Arealen eingeschlossenes Wasser [49]. Der
Trocknungsmechanismus ist im Falle einer kristallinen Matrix die Desorption und
Verdampfung von Wasser an der Kristalloberfläche. Kristall- und Hydratwasser bleiben
zunächst in der Matrix präsent. Bei amorphen Substanzen, die bis zu 40% Wasser
einschließen können, findet eine Diffusion des Wassers aus der Glasphase an die Oberfläche
statt [2]. Dieser langsame Prozeß führt dazu, daß die Nachtrocknung oftmals der längste
Prozeßschritt in der Gefriertrocknung ist und bei amorphen Substanzen sehr viel Zeit in
Anspruch nimmt [2]. Die Nachtrocknung beginnt bereits während der Haupttrocknung, und

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXXVII
zwar in den bereits getrockneten Bereichen des Produktes, während darunter noch Eis
sublimiert [30,49]. Nachdem die letzten Eiskristalle sublimiert sind entfällt die Selbstkühlung
des Produktes, und es kommt zum Temperaturanstieg auf Plattentemperaturniveau [25]. Die
Restfeuchte nimmt in dieser Phase stark ab, bis ein „Restfeuchteplateau“ erreicht wird. Die
Höhe dieses Plateaus ist von der Plattentemperatur abhängig und kann durch eine
Temperaturerhöhung abgesenkt werden [6]. Die anschließende Desorption von „non-frozen“
Wasser erfolgt nur noch sehr langsam, wobei eine große spezifische Oberfläche die
Trocknungszeit verkürzt. Einflußgrößen für die Endfeuchte des Produktes sind die
Plattentemperatur und die Trocknungszeit. Der Kammerdruck ist von untergeordneter
Bedeutung [55]. Bei amorphen Substanzen ist darauf zu achten, daß auch während der
Nachtrocknung die T g nicht überschritten wird. Da die T g mit sinkendem Wassergehalt steigt
[50], ist es ratsam, die Temperatur in der Sekundärtrocknung langsam und schrittweise zu
erhöhen, wie dies in Abb.12 schematisch dargestellt ist.
Freeze Drying Cycle
Shelf Temperature
Chamber Pressure
60
1000
50
40
100
Temperature (°C)
30
20
10
0
-10
-20
Freezing (1a) Primary Drying (2) Secondary Drying (3)
Thermal Treatment (1b)
10
1
0,1
Chamber Pressure (mbar)
-30
0,01
-40
-50
Time
0,001
Abb.12: Gefriertrocknungszyklus (schematisch): 1a. Einfrieren 1b.Thermal
Treatment, um amorphe Anteile zur Kristallisation zu bringen 2.
Haupttrocknung bei reduziertem Druck 3. Nachtrocknung bei
gleichbleibendem Druck und schrittweisem Anheben der Stellplattentemperatur
in der Sekundärtrocknung.
2.3 Kontrolle der Prozeßparameter

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXXVIII
2.3.1 Druck
Bei der Gefriertrocknung ist eine exakte Druckmessung unerläßlich, da der Kammerdruck den
Energieeintrag und die Sublimationsrate beeinflußt. Häufig finden Wärmeleitfähigkeitsmanometer
und kapazitive Manometer Verwendung. Quecksilbermanometer
sind wegen der Kontaminationsgefahr für das Trockengut nicht geeignet. Mechanische
Manometer sind wegen ihres eingeschränkten Meßbereichs ebenfalls ungeeignet [2].
2.3.1.1 Kapazitives Manometer (Baratron MKS):
Das kapazitive Manometer (Abb.13) besteht aus einem flexiblen Metalldiaphragma, das sich
zwischen zwei parallelen Kondensatorplatten befindet. Durch Druckänderung kommt es zu
einer Deformation des Diaphragmas und damit zu einer Änderung der Kondensatorkapazität
[2]. Da es sich um ein geschlossenes System ähnlich einer Druckmeßdose handelt, ist die
Messung von der Zusammensetzung der Umgebungs-atmosphäre völlig unabhängig. Der
Meßbereich erstreckt sich je nach Bautyp von 0,001 bis 1mbar, bzw. von 0,01 bis 10mbar mit
einer Genauigkeit von 0,05 bis 3% [17].
Abb.13: Kapazitives Manometer (stark schematisch) [2]
2.3.1.2 Wärmeleitfähigkeitsmanometer (Pirani-Röhre):

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XXXIX
Das Meßprinzip der Pirani-Röhre (Abb.14) nutzt die Wärmeleitfähigkeit von Gasen aus. Sie
besteht aus einem elektrischen Heizdraht, der seine Energie an die umgebende Atmosphäre
abgibt. Der Energieverlust durch Wärmeleitung ist um so größer, je mehr Gasmoleküle
anwesend sind, d.h. je höher der Umgebungsdruck ist [39]. Ein Nachteil des Meßprinzips ist
die Abhängigkeit der Messung von der atmosphärischen Zusammensetzung, da sich die
verschiedenen Gase in ihren spezifischen Wärmekapazitäten unterscheiden. Üblicherweise
wird die Pirani-Röhre auf Luft oder Stickstoff kalibriert. Dies führt allerdings in der
Haupttrocknung zu einer Fehlmessung, da hier die Kammeratmosphäre nahezu vollständig
aus Wasserdampf besteht, der eine doppelt so große spezifische Wärmekapazität wie
Stickstoff aufweist [65,67]. Daher werden zu hohe Meßwerte anzeigt. Der Meßbereich der
Pirani-Röhre erstreckt sich von etwa 0,01 bis 10mbar bei einer Genauigkeit von ca. 2% über
dem ganzen Meßbereich [17].
Abb.14: Wärmeleitfähigkeitsmanometer (Pirani-Röhre); 1 Drahtaufhängung,
2 Draht (d=5-20µm), 3 Anschluß, 4 Gehäuse [6].
Wird zur Druckmessung sowohl die Pirani-Röhre, als auch das Kapazitätsmanometer
verwendet, wird die Anwesenheit von Wasserdampf durch eine Meßwertdiskrepanz zwischen
beiden Meßgeräten detektiert [2,17,39]. Zu Beginn der Haupttrocknung entsteht
Wasserdampf, der die Pirani-Röhre in Richtung zu hoher Meßwerte vom
Kapazitätsmanometer ablenkt. Am Trocknungsende kommt es bei den Manometern zu einer

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XL
erneuten Meßwertübereinstimmung. Die sog. komparative Druckmessung ermöglicht es also,
Beginn und Ende der Trocknungsphase zu beobachten, ohne Produktfühler in die Vials
einbringen zu müssen.
2.3.2 Temperatur
Zur Messung der Produkttemperatur sind Thermoelemente und Widerstandsthermometer am
gebräuchlichsten. Da sie allerdings nur stichprobenartig die Temperatur einzelner Vials
bestimmen, ist die Messung nicht unbedingt repräsentativ für die gesamte Charge.
Temperaturfühler können beim Einfrieren Unterkühlungseffekte unterdrücken [14,24] und
lassen keine Aussage über die Gegebenheiten beim Einfrieren in den anderen Vials zu.
Während der Haupttrocknung sind die gemessenen Temperaturwerte stark von der
Positionierung des Temperaturfühlers im Vial abhängig und die Temperaturunterschiede
zwischen den einzelnen Vials einer Charge können 10°C bis 15°C betragen [6]. Im
aseptischen Herstellungsprozeß ist das manuelle Einbringen von Temperaturfühlern eine
unerwünschte Kontaminationsquelle, die vermieden werden sollte. Eine alternative,
berührungsfreie Messung erlaubt hingegen die Barometric Temperature Measurement-
Methode (BTM) [6,24,40].
2.3.2.1 Widerstandsthermometer (RTDs)
Die Änderung des elektrischen Widerstandes von Metallen mit der Temperatur wird hiermit
genutzt. RTDs bestehen aus einem Platindraht, der in einer Keramik eingebettet ist, die
ihrerseits durch eine Glas- oder Metallhülle geschützt wird. RTDs sind groß und führen durch
Selbsterwärmung zu einem Energieeintrag in das Produkt [2,24].
2.3.2.2 Thermoelemente
Sie stellen einem Stromkreis dar, der aus zwei Drähten unterschiedlichen Metalls besteht, die
an einer Stelle miteinander verbunden sind. Erfährt die Verbindungsstelle der Drähte eine
Temperaturänderung, so wird ein elektrisches Potential und ein Stromfluß generiert, der
proportional zur Temperaturänderung ist [2]. Thermoelemente zeigen keine Selbst-

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XLI
erwärmung, sind klein, was eine punktuelle Messung im Produkt erleichtert, und sie sind
kostengünstig.
2.3.2.3 Barometric Temperature Measurement (BTM-Methode)
Die BTM-Methode mißt die Oberflächentemperatur des sublimierenden Eises über einen
Druckanstieg in der Trocknungskammer [24,40]. Hierzu wird das Ventil zwischen Kammer
und Kondensator kurzzeitig geschlossen, danach führt der aus dem Produkt entweichende
Wasserdampf zu einem Druckanstieg in der Trocknungskammer. Unter definierten
Ausgangsbedingungen wird aus dem Druckanstieg die Produkttemperatur berechnet. Die
Resultate der BTM-Messung gelten aber immer nur für einen bestimmten Gefriertrockner, ein
bestimmtes Produkt und für identische Prozeßbedingungen [24].
2.3.3 Endpunktsdetektion
2.3.3.1 Komparative Druckmessung
Wie oben beschrieben, kann mit der komparativen Druckmessung Beginn und Ende der
Haupttrocknungsphase detektiert werden.
2.3.3.2 Druckanstiegstest [2,6]
Während der Trocknung wird das Zwischenventil für einen definierten Zeitraum geschlossen.
Hat das Produkt noch mehr als die gewünschte Restfeuchte, kommt es zu einem raschen
Druckanstieg in der Kammer über einen vorher festgelegten Grenzwert hinaus. Bei einem
nicht bestandenen Druckanstiegstest wird weiter getrocknet und der Test solange wiederholt,
bis der festgelegte Grenzwert unterschritten wird. Voraussetzung für einen aussagekräftigen
Druckanstiegstest ist eine niedrige Leckrate des Trockners. Es besteht weiterhin das Risiko,
daß ein zu langer oder zu großer Druckanstieg zu einer Erwärmung und damit zu einer
Beschädigung des Produktes führt.

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XLII
2.3.3.3 Windmill Device [5]
Dies besteht aus 4 kleinen Propellern, die über den Vials auf der Stellplatte positioniert und
von der Strömung des Wasserdampfes angetrieben werden. Die Propellerdrehung wird um so
schneller, je mehr Wasserdampf sublimiert. Am Trocknungsende, wenn kein Wasserdampf
aus dem Produkt entweicht, kommt die Propellerbewegung zum Stillstand.
2.3.3.4 Gasanalysatoren [2]
Gasanalysatoren bestimmen die Zusammensetzung der Kammeratmosphäre durch
Massenspektroskopie und sind so in der Lage, die Trocknung über den Wasserdampfgehalt
zu verfolgen.
2.3.3.5 Feuchtigkeitssensoren [2,26]
Feuchtigkeitssensoren verfolgen die Trocknung durch die Detektion von Wasserdampf in der
Trocknungskammer.
2.3.3.6 Gefriertrocknungswaagen
Gefriertrocknungswaagen sind Präzisionswaagen, auf denen ein Vial im Gefriertrockner
gewogen wird. Über die Gewichtsabnahme und Gewichtskonstanz können die
Trocknungsgeschwindigkeit und das Trocknungsende bestimmt werden. Die Bewertung eines
einzigen Vials ist aber nicht unbedingt repräsentativ für die gesamte Charge.
2.4 Aufbau einer industriellen Gefriertrocknungsanlage

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XLIII
Abb.15: Aufbau einer industriellen Gefriertrocknungsanlage [10]:
1 Trocknungskammer, 2 Sichtfenster, 3 Pizza-Tür, 4 Entnahmetür,
5 Hydraulikzylinder für Stellplattenbewegung und zum Eindrücken der
Stopfen, 6 Edelstahlbalg, 7 Mantelkühlung nach der Dampfsterilisation,
8 Zwischenventil, 9 Kondensator, 10 Beladewagen,
11 Entnahmewagen, 12 entladene Stellplatten.
Um einen aseptischen Herstellungsprozeß zu gewährleisten, wird das Beladen des
Gefriertrockners im Reinraum der Klasse 100 unter „Laminar Air Flow“ durchgeführt
(Abb.15). Die Beladetür ist eine schmale Pizzaklappe, die eine Kontamination der
dampfsterilisierten Trocknungskammer durch Luftaustausch verhindert. Am Ende der
Trocknung werden die Stopfen durch Zusammenfahren der Stellplatten mittels
Hydraulikzylinder eingedrückt. Das Entladen findet in einem zweiten Reinraum der
Klasse 10.000-100.000 statt, da für das verschlossene Produkt keine Kontaminationsgefahr
mehr besteht. Dadurch ist dann auch ein zügiges Entladen mit Hilfe eines speziellen
Entnahmewagens möglich. Der Kondensator befindet sich in einem anderen Stockwerk.
Ν weiter zu Kapitel 3: Materialien und Methoden
Kapitel 3

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XLIV
Materialien und Methoden
3.1 Materialien
3.1.1 Gerüstbildner, Hilfsstoffe und Reagenzien
Folgende Gerüstbildner wurden aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalisch-chemischen
Eigenschaften [70] für die Untersuchungen herangezogen:
Mannitol:
(D-Mannitol, Mannazucker) Zuckeralkohol bzw. Hexitol
Verwendung auch als Zuckeraustauschstoff und Laxans
Abb.16 zeigt 3 Modifikationen: α-, β-, δ-Mannitol [64]
Abb.16: Röntgendiffraktogramme der alpha-, beta- und delta-Modifikation
von Mannitol [64].
Maltose: (Malzzucker) Disaccharid aus 2 Molekülen α-D-Glucose,
bildet beim Einfrieren übersättigte Lösungen ohne zu kristallisieren [1]

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XLV
Saccharose:
(Rohrzucker) Disaccharid aus β-D-Fructose und α-D-Glucose
bildet beim Einfrieren übersättigte Lösungen ohne zu kristallisieren [1]
Glycin:
(Aminoessigsäure) kristalline, süß schmeckende Aminosäure
Abb.17 zeigt 2 Modifikationen: β-, γ-Glycin [37].
Abb.17: Röntgendiffraktogramme der beta- und gamma-Modifikation von
Glycin. Die Modifikationen wurden durch Gefriertrocknung in
Gegenwart unterschiedlicher Kochsalzmengen erhalten [37].
Neben den Lösungen dieser Gerüstbildner wurde auch eine Modellformulierung
verwandt, die folgende Zusammensetzung aufweist:
Mannitol
Citronensäure
Wasser, bidest.
2,00 g
0,37 g
98,20 g

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XLVI
Für die Untersuchungen wurden die in Tab.1 aufgeführten Gerüstbildner und
Hilfsstoffe verwendet und in p.a. Qualität eingesetzt. Alle Lösungen wurden mit
bidestilliertem Wasser aus einer Glasapparatur hergestellt. Die für die
Gefriertrocknung hergestellten Lösungen wurden vor Verwendung unter Druck
über ein 0,2µm-Membranfilter aus regenerierter Cellulose (RC-Filter;
vließverstärkt / Fa. Sartorius) filtriert. Ggf. wurde der pH-Wert (pH-Meter
761 / Fa. Knick), die Osmolarität (Osmomat 030 / Fa. gonotec), und die Dichte
(Dichtemessgerät DMA 48 / Fa. Paar) der Lösungen kontrolliert.
Stoffe
L-Alanin
Glycin, krist.
D(+)-Maltose-Monohydrat
Mannitol
Natriumchlorid
Saccharose
Citronensäure
Hersteller
Merck
Merck
Riedel-deHaën
Merck
Merck
Pfeifer & Langen
Haarmann & Reimer
Tab. 1 : Eingesetzte Gerüstbildner und Hilfsstoffe.
Zu analytischen Zwecken wurden folgende Reagenzien verwendet:
Für die coulometrische Wasserbestimmung nach Karl Fischer wurden als Anolyt
Hydranal Coulomat A und als Katolyt Hydranal Coulomat C (beide Fa. Merck)
verwandt.
3.1.2 Behältnisse zur Gefriertrocknung
Für die Gefriertrocknung wurden die Lösungen jeweils zu 3ml in 10ml-
Röhrenglasvials (Abb.18) der Fa. Bünder Glas abgefüllt. Die Glasqualität
entsprach dabei den Anforderungen des Deutschen Arzneibuches für

Kapitel 3: Materialien und Methoden
XLVII
Parenteralia [18], nämlich neutralem Borosilikatglas (Glasart 1). Die Vials
wurden vor Verwendung in einer Spülmaschine (Fa. Gilowy) gespült und
1,5h bei 90°C getrocknet. Nach dem Befüllen wurden graue, silikonisierte
Gefriertrocknungsstopfen (Abb.19) aus Chlorobutylkautschuk (Fa. The West
Company) aufgesetzt, mit denen die Vials in der Gefriertrocknungsanlage
verschlossen wurden.
Abb.18: 10R-Injektionsflasche
nach DIN-ISO 8362, Teil 1 [7h].
Abb.19: GT-Injektionsstopfen
(Iglu-Typ) [6].

3.2 Methoden
3.2.1 Einfrieren
Für die Untersuchungen, die den Einfluß des Einfrierens auf die getrockneten
Lyophilisate aufzeigen sollten, wurden 7 verschiedene Einfrierverfahren
(Varianten A-G) benutzt:
Variante A:
Die Vials wurden auf den Stellplatten mit einer Abkühlrate von 0,1K/min auf −40°C
eingefroren. Die Kristallkeimbildung ist beim langsamen Einfrieren stark verzögert, aber die
langsame Abkühlung sollte nach Einsetzen der Kristallisation ungehindertes Volumenwachstum
von Eiskristallen zu tendenziell großen Eiskristallen ermöglichen [7e].
Variante B:
Die Vials wurden auf den Stellplatten mit einer Abkühlrate von 2K/min auf
−40°C eingefroren. Die gewählte Abkühlgeschwindigkeit sollte sowohl
Unterkühlung ermöglichen, als auch das Wachstum von Eiskristallen
beschränken [7e].
Variante C: Thermal Treatment
Die Vials wurden auf den Stellplatten mit einer Abkühlrate von 2K/min auf −40°C
eingefroren. Anschließend wurden die erstarrten Produkte mit 2K/min auf eine Temperatur
gebracht, die 0,5°C über dem durch DSC-Untersuchungen ermittelten Schmelzbeginn des
Eises 1 lag. Die Proben wurden 4h bei dieser Temperatur getempert und dann erneut mit
2K/min auf −40°C abgekühlt. „Non-frozen“ Wasser und amorphe Produktanteile, die beim
ersten Abkühlen nicht auskristallisiert waren, sollten so zur Kristallisation gebracht werden
[53].
Variante D:
1 Die Temperatur am Beginn des Schmelzpeaks des Eises während der Aufheizphase in der DSC wurde als
Schmelzbeginn bezeichnet.

Die Vials wurden durch Eintauchen in ein Ethanol/Trockeneisbad schnell (ca.
15K/min) auf −60 °C abgekühlt. Die gefrorenen Proben wurden anschließend in
den Gefriertrockner auf −40°C kalte Stellplatten verbracht. Somit sollten
aufgrund der schnellen Abkühlung nur kleine Eiskristalle entstehen [6].
Variante E:
Die Vials wurden auf Stellplatten gestellt, die bereits auf −40°C vorgekühlt
waren. Auf diese Weise sollten die Lösungen am Vialboden schnell
einfrieren, die überstehende Lösung aber sollte in einem Temperaturgradienten
von unten nach oben einfrieren und vertikal ausgerichtete Eiskristallstrukturen
bilden [31].
Variante F: Einfrieren mit Ultraschallbehandlung
Die Vials wurden im Gefriertrockner leicht unterkühlt (auf ca. −8°C), schnell von den
Stellplatten genommen und zur Eiskristallisation in ein auf 0°C temperiertes Ultraschallbad
(Transsonic T 460 / Fa. Faust) getaucht. Die Proben wurden solange mit Ultraschall
behandelt, bis die Nukleation einsetzte [27]. Sofort nach Einsetzen der Kristallisation wurden
die Vials in den Gefriertrockner zurückgestellt und mit 0,1K/min auf −40°C abgekühlt. Die
sehr geringe Unterkühlung beim Einfrieren und das langsame Abkühlen sollten ein
ausgeprägtes Eiskristallwachstum zur Folge haben [6].
Variante G: vakuum-induziertes Einfrieren
Die Vials wurden auf den Stellplatten bei +10°C vortemperiert. Dann wurde der
Kammerdruck auf einen Druckwert abgesenkt, der visuell zum oberflächlichen
Einfrieren der Lösungen führt. Die Evakuierung bewirkt eine Kühlung der
Flüssigkeitsoberfläche durch Verdampfung und führt letztlich zur Bildung einer
ca. 1-3mm dünnen Eisschicht an der Oberfläche. Beim Evakuieren, das etwa
5min benötigte, wurde das Zwischenventil geöffnet und der Kondensator auf
−65°C vorgekühlt, um den anflutenden Wasserdampf abzuführen. Nach der
Kristallisationsinduktion wurde die Trocknungskammer sofort wieder auf
Atmosphärendruck belüftet und gleichzeitig die Stellplattentemperatur auf eine

Temperatur 3-4°C unter den Schmelzbeginn des Eises 1 gebracht. Die Proben
wurden 1h bei dieser Temperatur gehalten, wobei das Eiskristallwachstum einen
durchscheinenden Eiskuchen erzeugt und der elektrische Leitwert auf einen
nahezu konstanten Wert absinkt. Zum Schluß wurden die Vials mit 2K/min auf
−40°C abgekühlt. Auf diese Art und Weise sollte die Unterkühlung und die
ausbleibende Kristallisation beim Abkühlen umgangen werden und durch die
langsame Kristallisation in der Nähe des Gefrierpunktes ein extensives
Eiskristallwachstum ermöglicht werden.
Variante G+C: Kombination von vakuum-induziertem Einfrieren und Thermal Treatment
Die Lösungen wurden nach Variante G eingefroren, nach Abkühlung auf –40°C
nochmals auf eine Temperatur 0,5°C oberhalb des Schmelzbeginns des Eises 1
erwärmt und dann, wie bei Variante C beschrieben, über 4h getempert. Auf
diese Art und Weise sollte die Unterkühlung unterdrückt, ein extensives
Eiskristallwachstum gefördert, sowie amorphe Anteile und „non-frozen“ Wasser
zur Kristallisation gebracht werden.
3.2.2 Gefriertrocknung
Die Gefriertrocknungen wurden mit 2 Anlagen durchgeführt. Anlage A (Fa.
Leybold) mit 5 Stellplatten und 1,2 m² Stellfläche und Anlage B (Fa. Kniese)
mit 3 Stellplatten und 0,6 m² Stellfläche.
Bei den Untersuchungen diverser Einfrierverfahren anhand von mannitolhaltigen
Formulierungen (Kapitel 5.2) wurde die Haupttrocknung bei einem
Kammerdruck von 1,6mbar und einer Stellplattentemperatur von −10°C über
24h durchgeführt. Die Nachtrocknung erfolgte über 2h bei 1,6mbar und +40°C.
Zur Beobachtung von Auffälligkeiten bei erhöhter Energiezufuhr wurde eine
1 Die Temperatur am Beginn des Schmelzpeaks des Eises während der Aufheizphase in der DSC wurde als
Schmelzbeginn bezeichnet.

Haupttrocknung auch bei +40°C und 1,6mbar über 8h durchgeführt. Die
Nachtrocknung entfiel hierbei. Bei den Untersuchungen von geeigneten
Einfrierparametern (Kapitel 5.1), von verschiedenen Gerüstbildnern anhand
ausgewählter Einfrierverfahren (Kapitel 5.3) und bei der Untersuchung des
kombinierten Einfrierverfahrens (Kapitel 5.4) erfolgte die Haupttrocknung bei
0,2mbar und −10°C über 20h. Die Nachtrocknung erfolgte über 2h bei 0,2 mbar
und +40°C.
Zur Messung des Kammerdrucks wurden in Anlage A ein
Wärmeleitfähigkeitsmanometer (Thermovac TR 211 KF / Fa. Leybold) und in
Anlage B ein Wärmeleitfähigkeitsmanometer (Thermovac TM 22 / Fa. Leybold)
verwendet. Der Referenzdruck wurde in beiden Anlagen durch ein kapazitives
Manometer (Baratron Type121A / Fa. MKS Instruments) bestimmt. Der
Kammerdruck wurde in beiden Anlagen nach dem
Wärmeleitfähigkeitsmanometer geregelt.
Zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Probe während der
Einfrierphase wurde eine 10R-Leitwertflasche (Fa. Teichmann), wie in Abb.20
dargestellt, mit zwei eingebauten Temperaturfühlern und einem Leitwertfühler
verwendet. Der Meßbereich der Leitwert-meßeinheit (Fa. Teichmann) beträgt
1000µS bis 0,01µS.

Abb.20: 10R-Leitwertflasche (Gerätedokumentation Fa. Teichmann)
3.2.3 Wassergehalt nach Karl Fischer
Die Restfeuchte in den Lyophilisaten wurde durch eine coulometrische KF-
Titration (DL 37 KF Coulometer / Fa. Mettler) bestimmt. Für jede
Titration wurden ca. 10-20mg Lyophilisat eingewogen. Die Ermittlung der
Einwaage erfolgte über eine mit dem Titrator gekoppelte Microwaage
(DeltaRange AT 261/ Fa. Mettler) durch Rückwiegen. Für jede Untersuchung
wurden jeweils 5 Proben vermessen.
3.2.4 Auflichtmikroskopie
Die Morphologie der getrockneten Lyophilisate wurde unter einem
Lichtmikroskop (Axioplan / Fa. Zeiss) untersucht. Die Größe von Poren und
Kavitäten wurde mit einem geeichten Meßfadenkreuz (MFK II / Fa. KAPPA
messtechnik) bestimmt und mittels eines Videoprinters (Color Video Printer
UP5200-MDV / Fa. Sony) dokumentiert.
3.2.5 Weitwinkelröntgendiffraktometrie (WAXS)
Die Untersuchungen wurden an einem Pulverdiffraktometer (2-Kreis-Goniometer ID 3000,
Strichfokus, Ni-Filter, Cu-Anode, Cu-K α -Strahlung mit λ=0,15418nm; Fa. Seiffert,
Ahrensburg; TTK Heizgenerator 25100, Fa. Paar KG, Graz, Österreich) durchgeführt. Das zu
untersuchende Material wurde ohne Komprimierung in die quaderförmige Vertiefung des
Probenaufnehmers gegeben. Die Reflexionsmessung erfolgte bei Raumtemperatur und einer
Anodenspannung von 40kV und einer Stromstärke von 45mA im Meßbereich von

2θ=3°-70° in Einzelschritten von 0,1°. Die Meßdauer bei jedem Einzelschritt betrug 10s bei
einer Zählrohrblende von 1°, 0,22 mm.
3.2.6 Differential Scanning Calorimetry (DSC)
Zur Untersuchung der Lösungen wurde ein DSC 7 Gerät der Fa. Perkin-Elmer
(Überlingen) mit CCA 7 Tieftemperaturregelung mit He (Fa. Messer,
Griesheim) und einem TAC7/DX Signalumwandler verwendet. Etwa 25-30 mg
der zu untersuchenden Lösung wurden zuvor mittels einer Mikrowaage 4503
(Fa. Sartorius) in tarierte Aluminiumtiegel (50 µl, Fa. Perkin-Elmer)
eingewogen. Die Tiegel wurden anschließend mit einem Deckel (Cover, Fa.
Perkin-Elmer) und einer Universalverschlußpresse (Perkin-Elmer) verschlossen
und in die Meßzelle gebracht. Bei der Messung wurden die Proben mit einer
Kühl- bzw. einer Heizrate von 5°C/min zuerst auf –100°C eingefroren und
wieder erwärmt auf eine Temperatur, die einige Grade unterhalb des
Schmelzpunktes des Eises lag. Anschließend wurde die Probe ein zweites Mal
auf –100°C abgekühlt und dann bis über den Schmelzpunkt hinaus auf 20°C
erwärmt. So sollten reversible Phasenübergänge von Phasenübergängen mit
anschließender Rekristallisation unterschieden werden [2,25].
3.2.7 Bestimmung der Auflösegeschwindigkeit
Die Vials wurden mit je 10ml bidestilliertem Wasser aufgefüllt und mit dem
Gefrier-trocknungsstopfen verschlossen. Danach wurden die Vials langsam auf
den Kopf und wieder zurück gedreht. Die Auflösezeit wurde in 5-
Sekundenschritten ermittelt. Das vollständige Auflösen des Lyophilisates wurde
optisch unter Zuhilfenahme einer Fiberglasoptik (KL1500 / Fa. Schott)
kontrolliert.

Ν weiter zu Kapitel 4: Barometrische Endpunktsdetektion
Kapitel 4
Ergebnisse und Diskussion – Teil I
Barometrisches Verfahren zur Endpunktsdetektion von
Gefriertrocknungsläufen
4.1 Beeinflussung der Pirani-Röhre durch Wasserdampf
Um die komparative Druckmessung zur Bestimmung der Haupttrocknungsdauer
zu nutzen, muß zuerst die Beeinflußbarkeit der Pirani-Röhre durch den
Wasserdampf in der Trocknungskammer bestimmt werden. Wasserdampf besitzt
mit c v =1,40kJ/kgK eine fast doppelt so hohe spezifische Wärmekapazität (c v )
wie Stickstoff mit c v =0,74kJ/kgK [65]. Daher wird, wie in Abb.4.1 zu sehen, die
auf Stickstoff kalibrierte Pirani-Röhre während der Haupttrocknung durch die
Anwesenheit von Wasserdampf zu höheren Meßwerten im Vergleich zum
kapazitiven Manometer abgelenkt. Das kapazitive Manometer gibt niedrigere
Werte an, da es vom Wasserdampf nicht beeinflußt wird [17]. Da der
Kammerdruck über die Pirani-Röhre geregelt wird, bleiben ihre Meßwerte
während der Haupttrocknung in Abb.4.1 konstant. Das Ende der
Haupttrocknung wird durch einen Anstieg der Werte des Kapazitätsmanometers
und eine erneute Übereinstimmung mit den Meßwerten der Pirani-Röhre
detektiert. Abb.4.2 zeigt diesen letzten Abschnitt der Haupttrocknung nochmals

im Detail. Ebenso ist zu sehen, daß das Ende der Sublimationsphase durch das
Ansteigen der Produkttemperatur auf Plattentemperaturniveau angezeigt wird.
Erst nachdem die Produkttemperatur die Plattentemperatur erreicht hat und auf
konstantem Niveau bleibt, steigt der Druck am Kapazitätsmanometer an. Dieser
Druckanstieg scheint also ein besserer Indikator für das Ende der
Haupttrocknung zu sein, da er unabhängig von der Positionierung des
Temperaturfühlers im Produkt das Verschwinden von Wasserdampf direkt
anzeigt. Darüber hinaus betrachtet diese Meßmethode die Gesamtheit aller Vials
und ist damit auch unabhängig von der Positionierung der Produktfühler im
Gefriertrockner.
Plattentemperatur (A)
Pirani-Röhre (C)
Produkttemperatur (B)
kapazitives Manometer (D)
20
1,00E+03
Temperatur [°C]
10
0
-10
-20
-30
(A)
(C)
(D)
1,00E+02
1,00E+01
1,00E+00
1,00E-01
Kammerdruck [mbar]
-40
(B)
1,00E-02
-50
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Zeit [min]
1,00E-03
Abb.4.1: Trocknung von 1000ml isotoner NaCl-Lösung in 2 planen
Schalen bei 0,1mbar und 0°C Plattentemperatur in Anlage B. Das durch
einen Kreis markierte Ende der Haupttrocknung ist in Abb.4.2 nochmals
im Detail dargestellt.

Plattentemperatur (A)
Produkttemperatur (B)
Pirani-Röhre (C)
kapazitives Manometer (D)
10
2,00E-01
0
(A)
Temperatur [°C]
-10
-20
-30
(B)
(C)
1,50E-01
1,00E-01
Kammerdruck [mbar]
-40
(D)
-50
5,00E-02
1300 1350 1400 1450 1500 1550
Zeit [min]
Abb.4.2: Detailansicht vom Ende der Haupttrocknung aus Abb.4.1.
Die Bestimmung der Diskrepanz zwischen Pirani-Röhre und dem
Kapazitätsmanometer wurde wie folgt vorgenommen: In einem mittleren
Abschnitt der Trocknung wurde über 2h der Mittelwert der Pirani-Werte und der
Meßwerte des Kapazitätsmanometers ermittelt. Danach wurde die Differenz
zwischen beiden gemittelten Meßwerten gebildet. Die Pirani-Röhre maß einen
Kammerdruck von 0,1mbar, der dem vorgegebenen Sollwert entsprach, das
kapazitive Manometer zeigte im Mittel 0,0613mbar an, eine Differenz also von
−0,038mbar. Dies entspricht einer prozentualen Abweichung von −63%.
Um den Einfluß von Wasserdampf auch bei Abwesenheit einer Dampfströmung
zu beobachten, wurden nach Beendigung der Sublimationsphase die
Vakuumpumpen und die Kondensatorkühlung abgestellt. Das während der
Trocknung am Kondensator abgeschiedene Eis beginnt nun im Zuge der
Erwärmung zu sublimieren, und der Kammerdruck steigt wieder an (Abb.4.3).
Nach etwa 25min ist eine gleichmäßige Erwärmung des Kondensators und auch

ein gleichmäßiger Druckanstieg infolge der wachsenden
Wasserdampfkonzentration zu beobachten.
Kondensatortemperatur (A) Pirani-Röhre (B) kapazitives Manometer (C)
0
-10
-20
-30
(A)
1,00E+02
1,00E+01
Temperatur [°C]
-40
-50
-60
(B)
(C)
1,00E+00
Druck [mbar]
-70
-80
1,00E-01
-90
-100
0 20 40 60 80 100 120 140
Zeit [min]
1,00E-02
Abb.4.3: Druckanstieg nach Abschalten der Vakuumpumpen und der
Kühlung des eisbeladenen Kondensators nach einer Trocknung von
1000ml isotoner NaCl-Lösung in 2 planen Schalen bei 0,1mbar und 0°C
Plattentemperatur in Anlage B.
Wie in Abb.4.3 zu sehen, sind während dieser Phase die Meßwerte der Pirani-
Röhre erwartungsgemäß höher als die des Kapazitätsmanometers. Die
prozentuale Diskrepanz zwischen Pirani-Röhre und dem Kapazitätsmanometer
scheint jedoch im unteren Druckbereich größer zu sein als im oberen. Dies
bedeutet, daß der Kammerdruck Einfluß auf die Differenz von Pirani-Röhre und
Kapazitätsmanometer nimmt, welcher noch genau ermittelt werden muß.
4.2 Beeinflussung der Pirani-Röhre bei unterschiedlichen Kammerdrucken

Als relevanter Druckbereich gilt der Bereich von 3mbar-0,05mbar, da bei
Drucken größer als 6mbar keine Sublimation mehr möglich ist [7a] und bei
Drucken kleiner 0,01mbar die Genauigkeit der Pirani-Röhre nicht mehr
ausreichend ist [17]. Abb.4.4 zeigt die Abweichung der Pirani-Röhre vom
Kapazitätsmanometer, welche durch die Gefrier-trocknung von jeweils 500ml
0,9%iger Kochsalzlösung in einer planen Schale bei 0°C Plattentemperatur und
Kammerdrucken von 0.05mbar, 0.1mbar, 0.25mbar, 0.5mbar, 0.75mbar,
1.0mbar, sowie 3.0mbar ermittelt wurde.
100
Abweichung der Pirani-Röhre vom
Kapazitätsmanometer [%]
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Kammerdruck (Pirani-Röhre):
3,00 mbar 1,00 mbar 0,75 mbar
0,50 mbar 0,25 mbar 0,10 mbar
0,05 mbar
0
0,01 0,1 1 10
Kammerdruck Kapazitätsmanometer [mbar]
Abb.4.4: Abweichung der Pirani-Röhre vom Kapazitätsmanometer
während der Haupttrocknung bei verschiedenen Kammerdrucken. Die
Abweichung stellt einen Mittelwert dar, der bei Druckmessungen über eine
Zeitspanne von 2h gebildet wurde.
Anschließend wurde daraus die
prozentuale Abweichung errechnet.
Die Abweichungen der Pirani-Röhre im unteren Druckbereich sind größer (60-
70%) als im oberen Druckbereich (30-40%) und nehmen mit steigendem Druck
annähernd logarithmisch ab. Allerdings muß man berücksichtigen, daß aus

Gründen der Kalibrierung die Meßwerte der Pirani-Röhre und des
Kapazitätsmanometers im wasserdampffreien Zustand, also nach Beendigung
der Sublimationsphase, nicht exakt übereinstimmen.
Abb.4.5 zeigt neben der Meßwertdiskrepanz bei laufender Gefriertrocknung,
d.h. bei Anwesenheit von Wasserdampf, auch die Diskrepanz der beiden
Meßgeräte in Abwesenheit von Wasserdampf. Daher müssen über den ganzen
Druckbereich die Meßwerte der Pirani-Röhre mit einem Korrekturfaktor, der
Kapazitätsmanometer-Werte und Pirani-Meßwerte in Abwesenheit von
Wasserdampf auf ein gemeinsames Übereinstimmungsniveau bringt,
multipliziert werden. Erst danach können die Werte der beiden Meßgeräte
miteinander verglichen werden.
10
10
Kammerdruck Pirani-Röhre [mbar]
1
0,1
Pirani-Röhre (wasserdampfhaltige
Atmosphäre)
Pirani-Röhre (wasserdampffreie
Atmosphäre)
Kapazitives Manometer
1
0,1
Kammerdruck Kapazitätsmanometer [mbar]
0,01
0,01
0,01 0,1 1 10
Kammerdruck [mbar]
Abb.4.5: Meßwerte der Pirani-Röhre und des Kapazitätsmanometers mit und ohne
die Anwesenheit von Wasserdampf in verschiedenen Druckbereichen.

Diese Korrektur wurde für jeden einzelnen Meßpunkt vorgenommen und ist in Abb.4.6 als
korrigierte, druckabhängige Abweichung der Pirani-Röhre dargestellt. Die Geraden für die
Pirani-Röhre bei wasserdampffreier Atmosphäre und für das Kapazitätsmanometer sind nun
deckungsgleich.
10
10
Kammerdruck PIRANI [mbar]
1
0,1
Pirani-Röhre (wasserdampffreie
Atmosphäre)
Pirani-Röhre (wasserdampfhaltige
Atmosphäre)
Kapazitives Manometer
1
0,1
Kammerdruck Kapazitätsmanometer [mbar]
0,01
0,01
0,01 0,1 1 10
Kammerdruck [mbar]
Abb.4.6: Meßwerte der Pirani-Röhre und des Kapazitätsmanometers mit und ohne die
Anwesenheit von Wasserdampf in verschiedenen Druckbereichen nach erfolgter
Korrektur.
Um die Abhängigkeit der Meßwertdiskrepanz vom Kammerdruck zu verdeutlichen, ist in
Abb.4.7 die prozentuale Abweichung der Pirani-Röhre vom Kapazitätsmanometer nach der
Korrektur dargestellt. Die Ablenkung der Pirani-Röhre durch Wasserdampf in den
verschiedenen Druckbereichen schwankt nun zwischen ca. 60% im oberen und 75% im
unteren Druckbereich, d.h. je niedriger der Kammerdruck, desto größer ist die Abweichung
der Pirani-Röhre vom Baratron-Meßgerät. Die Zunahme der Meßwertdiskrepanz mit
sinkendem Kammerdruck nimmt einen annähernd logarithmischen Verlauf. Dieses Verhalten
ist auf die unterschiedliche Empfindlichkeit der Pirani-Röhre im untersuchten Meßbereich

zurückzuführen [39]. Die Stärke des Signal-Outputs nimmt mit kleiner werdendem Druck zu
und damit auch das Ausmaß der Ablenkung durch Wasserdampf. Zudem ist die Abhängigkeit
des Meßsignals von der Konzentration der Gasteilchen nicht linear, sondern kann allenfalls
im Bereich zwischen 0,13 und 0,013mbar als annähernd linear betrachtet werden.
100
90
Abweichung der Pirani-Röhre vom
Kapazitätsmanometer [%]
80
70
60
50
40
30
20
10
Kammerdruck (Pirani-Röhre)
1,00 mbar 0,75 mbar
0,50 mbar 0,25 mbar
0,10 mbar 0,05 mbar
0
0,01 0,1 1 10
Kammerdruck Kapazitätsmanometer [mbar]
Abb.4.7: Abweichung der korrigierten Pirani-Röhre vom Kapazitätsmanometer bei
verschiedenen Trocknungsdrucken.
Die Zunahme der prozentualen Meßwertabweichung mit sinkendem Druck ist
kontinuierlich und betrifft sowohl die Druckmessung während der
Gefriertrocknung, als auch die Messung einer wasserdampfhaltigen Atmosphäre.
Die Abweichungen im untersuchten Druckbereich sind so groß, daß das
Auftreten von Wasserdampf sicher detektiert werden kann. Da im Druckbereich
von 3mbar bis 0,05mbar die Haupttrocknung durchgeführt wird, ist eine
qualitative Detektion von Wasserdampf möglich und somit auch eine
barometrische Endpunktsbestimmung der Haupttrocknung, wie bereits in
Abb.4.1 gezeigt. Damit ist die Sensitivität und Eignung der barometrischen

Endpunktsbestimmung quantitativ belegt. In allen folgenden
Gefriertrocknungsversuchen wird die Dauer der Haupttrocknung mit dieser
Methode ermittelt. Ν zurück zum Inhaltsverzeichnis Ν weiter
zu Kapitel 5.1
Kapitel 5
Ergebnisse und Diskussion - Teil II
Einfluß des Einfrierverfahrens auf die Morphologie, Restfeuchte
und die Trocknungsgeschwindigkeit
5.1 Parameterfestlegung für das vakuum-induzierte Einfrieren
und das Thermal Treatment
5.1.1 Druckwertfestlegung für das vakuum-induzierte Einfrieren
Beim vakuum-induzierten Einfrieren erfolgt das partielle Einfrieren bei einem
Druck, der von den jeweils verwendeten Substanzen abhängig ist. Abb.5.1 zeigt
die Ergebnisse, die für Mannitol-, Saccharose-, Maltose-, Glycin-, und
Natriumchlorid-Lösungen in verschiedenen Konzentrationen erhalten werden,
wenn man diese auf den Stellplatten bei +10°C vortemperiert und die
Trocknungskammer bis zum visuell wahrnehmbaren Einsetzen der
Eiskristallisation evakuiert. Die Druckwerte stellen die erforderlichen
Mindestvakuumwerte dar, die in der Trocknungskammer erreicht werden
müssen, um eine partielle Eiskristallisation zu induzieren. Da bei diesem
Einfrierverfahren durch die Evakuierung bereits Wasserdampf aus dem Produkt

entweicht, wurde die Druckmessung mit dem Kapazitätsmanometer
durchgeführt.
Reines Wasser beginnt bei einem Druck von 1mbar durch die
Verdampfungskühlung oberflächlich einzufrieren, und es bildet sich bei
Verwendung eines 10ml-Vials mit 10mm Füllhöhe eine dünne Eisschicht von
etwa 1-3mm Dicke. Die Lösungen im Konzentrations-bereich von 0,1-ca.
0,5mol/l verhalten sich ähnlich und beginnen ebenfalls, mit Ausnahme des
Glycin, im Druckbereich von 0,5-1,5mbar partiell einzufrieren. Mit steigender
Konzentration ist ein immer niedrigerer Druck nötig, um bei den Lösungen eine
partielle Eiskristallisation zu induzieren. Dies korreliert mit der
Dampfdruckerniedrigung des Wassers in den Lösungen, welche mit steigender
Konzentration immer größer wird.
Mannitol Saccharose Maltose Glycin Natriumchlorid Wasser
Kammerdruck Kapazitätsmanometer [mbar]
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Konzentration [mol/l]
Abb.5.1: Erforderliche Vakuumwerte, bei deren Erreichen bzw.
Unterschreiten eine
partielle Eiskristallisation visuell wahrnehmbar induziert wird
(n=5).

3,5
Alanin
Glycin
Kammerdruck Kapazitätsmanometer [mbar]
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
Konzentration [mol/l]
Abb.5.2: Erforderliche Vakuumwerte, bei deren Erreichen bzw.
Unterschreiten eine
partielle Eiskristallisation bei Glycin- und Alanin-Lösungen
visuell wahrnehmbar
induziert wird (n=5).
Anders verhalten sich Lösungen von Glycin (Abb.5.1). Die Lösungen beginnen
im Konzentrationsbereich von 0,1-0,7mol/l bereits bei einer Druckabsenkung
auf ca. 2,5mbar mit der Eisbildung. Der relativ hohe Druckwert bei dem sich
bereits eine Eiskristallisation induzieren läßt, und die Tendenz auch bei
Konzentrationen >0,7mol/l keine Blasen zu bilden und zu sieden machen das
Glycin zu einer gut geeigneten Substanz für das vakuum-induzierte Einfrieren.
Die Induktion der Eiskristallbildung bei höheren Druckwerten ist
charakteristisch für Glycin und tritt z.B. bei Alanin, einer ebenfalls neutralen
Aminosäure, nicht auf (Abb.5.2). Alanin-Lösungen beginnen mit der
Eiskristallisation, ähnlich wie die in Abb.5.1 dargestellten Lösungen, bei etwa
1,5mbar. Sowohl Alanin-, als auch Glycin-Lösungen lassen bei Konzentrationen
>0,7mol/l ein vakuum-induziertes Einfrieren ohne Blasenbildung und starkes
Sieden zu. Außerdem wird bei diesen Lösungen keine Abhängigkeit des zur

Eiskristallisation notwendigen Druckes von der Konzentration der gelösten
Stoffe beobachtet.
Bei allen weiteren Versuchen mit dem vakuum-induzierten Einfrieren wurde die
Kammer zur initialen Eiskristallisation auf einen Druckwert von 0,65mbar
evakuiert. Dies stellt sicher, daß 2%ige Lösungen von Mannitol (0,11mol/l),
Saccharose (0,06mol/l), Maltose (0,06mol/l) und die Modellformulierung
(0,13mol/l) in der gewünschten Weise einfrieren. Für das vakuum-induzierte
Einfrieren von 2%iger Glycin-Lösung (0,27mol/l) wurde dagegen ein
Kammerdruck von 1,7mbar verwendet.
5.1.2 Thermische Analyse der gefrorenen Gerüstbildnerlösungen
Das Thermal Treatment sollte bei einer möglichst hohen Temperatur oberhalb
T g ’ und T rc durchgeführt werden, während die Eiskristallisation beim vakuuminduzierten
Einfrieren 3-4°C unterhalb des Schmelzbeginns des Eises
erfolgen sollte. Daher müssen die entsprechenden Eigenschaften der gefrorenen
Gerüstbildnerlösungen vorab ermittelt werden, z.B. welche von ihnen überhaupt
mit Hilfe eines Thermal Treatments vom amorphen in den kristallinen Zustand
überführt werden können. Darüber hinaus müssen T g ’, T rc , sowie die
Temperatur des Schmelzbeginns des Eises gemessen werden.
Mannitol: Abb.5.3 zeigt die erste Aufheizung einer auf −100°C abgekühlten,
2%igen Mannitol-Lösung. Bei −36°C ist ein schwacher Glasübergang der
amorphen MFCS zu erkennen (T g ’), auf den bei −25,5°C ein exothermer
Vorgang folgt. Hierbei handelt es sich um die eruptive Rekristallisation von
amorphen Mannitol, nachdem T g ’ überschritten wurde [16]. Die hier gemessene
T g ’ und T rc stimmen mit den Literaturwerten (T g ’= −33°C, T rc = −23°C)
gut überein [16].

Abb.5.3: DSC-Thermogramm der 1. Aufheizung von 2%iger Mannitol-Lösung.

Abb.5.4: DSC-Thermogramm der 2. Aufheizung von 2%iger Mannitol-
Lösung.
Bei der zweiten Aufheizung (Abb.5.4) ist der vormals beobachtete Glasübergang
der MFCS und die Rekristallisation nicht mehr zu erkennen, da das Mannitol
nun vollständig im kristallinen Zustand vorliegt. Weiter ist bei −3,4°C der
Beginn des Schmelzens von Eis erkennbar. Somit ist ein Thermal Treatment von
Mannitol-Lösungen möglich, indem das gefrorene Produkt für eine noch zu
bestimmende, geeignete Zeitdauer über die T rc von −25,5°C erwärmt
wird. Die Anteile von amorph erstarrtem Mannitol gehen dabei in den
kristallinen Zustand über. Da bei −3,4°C der Schmelzbeginn des Eises liegt,
sollte diese Temperatur bei einem Thermal Treatment nicht überschritten
werden. Wie aus der Literatur bereits bekannt, bildet sich knapp oberhalb des
Schmelzbeginns in Produktzwischenräumen Wasser, jedoch schmilzt das
gefrorene Produkt nicht vollständig durch [53]. Daher wird eine Temperatur von
−3°C als die höchst mögliche Behandlungstemperatur für das Thermal
Treatment von Mannitol angenommen.
Modellformulierung: Bei der Untersuchung der Mannitol/Citronensäure-Modell-formulierung
wurde ein vergleichbares Ergebnis erzielt, wie bei reiner Mannitol-Lösung. Abb.5.5 zeigt die
erste Aufheizung der Modellformulierung mit einer T g ’ bei −36°C und einer anschließenden
Rekristallisation des Mannitols bei einer T rc von −25,5°C.

Abb.5.5: DSC-Thermogramm der 1. Aufheizung der
Mannitol/Citronensäure-
Modellformulierung.
In der zweiten Aufheizung (Abb.5.6) sind keine thermischen Vorgänge mehr zu
beobachten, was wiederum auf einen vollständigen Übergang in den kristallinen
Zustand schließen läßt. Der Schmelzbeginn des Eises setzte bei −3,5°C ein.
Die in der Formulierung enthaltene Citronensäure führt also zu keinem
meßbaren thermischen Vorgang, da sie nur in geringem Anteil von ~0,4%
beigesetzt ist. Es läßt sich daher schließen, daß auch das Mannitol in der
gefrorenen Modellformulierung durch ein Thermal Treatment bei einer
Temperatur oberhalb von T rc = −25,5°C in den kristallinen Zustand überführt
werden kann. Die höchste Temperatur für das Thermal Treatment wird wie bei
der reinen Mannitol-Lösung mit −3°C angenommen.

Abb.5.6: DSC-Thermogramm der 2. Aufheizung der Mannitol/Citronensäure-
Modellformulierung.
Wird die Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung nicht auf −100°C
abgekühlt, sondern, wie bei praktischen Anwendungen in der
Gefriertrocknung häufig üblich, nur auf −40°C eingefroren und dann mit
5K/min im DSC untersucht, bleibt das Ergebnis unverändert (Abb.5.7): T g ’
liegt bei −36°C und T rc bei −24,5°C.

Abb.5.7: DSC-Thermogramm der 1. Aufheizung der Mannitol/Citronensäure-
Modellformulierung nach initialem Einfrieren auf −40°C.
Abb.5.8: DSC-Thermogramm der 1. Aufheizung der Mannitol/Citronensäure-
Modellformulierung nach initialem Einfrieren auf −30°C.

Wird das Einfrieren jedoch nur bei −30°C durchgeführt, ist beim 1.
Aufheizen (Abbb.5.8) weder ein Glasübergang, noch eine T rc zu erkennen.
In diesem Fall wurde T g ’ = −36°C beim Einfrieren nicht erreicht. Die
Lösung wurde daher nicht vollständig gefrierkonzentriert und es kommt
bei −30°C offenbar nicht zur Ausfällung des Mannitols, weder in der
amorphen, noch in der kristallinen Form. Deshalb wird für diese
Formulierung eine Temperatur von −40°C zum ersten Einfrieren vor dem
Thermal Treatment bei der Gefriertrocknung festgelegt. Zudem stellt diese
Temperatur sicher, daß unterkühlte Lösungen quasi spontan einfrieren [6].
Saccharose: Abb.5.9 zeigt die erste Aufheizung einer auf −100°C abgekühlten, 10%igen
Saccharose-Lösung mit einer von T g ’ von −33°C. Dies stimmt mit den Werten,
die in der Literatur zu finden sind, überein [14,33]. Es kommt aber nicht, wie im
Falle von Mannitol (vgl.Abb.5.3), zu einer nachfolgenden Rekristallisation der
Saccharose. In Abb.5.9 sind neben der T g ’ keine weiteren thermischen Prozesse
zu beobachten, da Saccharose bekanntlich aus übersättigten Lösungen nicht
auskristallisiert [2,9]. Bei der zweiten Aufheizung (Abb.5.10) war der vorher
beobachtete Glasübergang der MFCS ebenfalls zu sehen, was den reversiblen
Charakter auch von diesem Glasübergang der MFCS widerspiegelt. Der
Schmelzbeginn des Eises beträgt −2,5°C (Abb.5.10), auch für eine 2%ige
Saccharose-Lösung.

Abb.5.9 DSC-Thermogramm der 1. Aufheizung von 10%iger Saccharose-
Lösung.
Abb.5.10: DSC-Thermogramm der 2. Aufheizung von 10%iger Saccharose-
Lösung.

Maltose: Das bei der Saccharose beobachtete thermische Verhalten wird in ähnlicher Weise
bei einer 10%igen Maltose-Lösung (Abb.5.11 und Abb.5.12) wiedergefunden. Bei Maltose
liegt die T g ’ bei −31°C. Auch dieser Wert liegt im Bereich der in der Literatur angegebenen
Werte [14,33]. Der Schmelzbeginn des Eises einer 2%igen Lösung liegt bei −2,5°C.
Abb.5.11: DSC-Thermogramm der 1. Aufheizung von 10%iger Maltose-Lösung.

Abb.5.12: DSC-Thermogramm der 2. Aufheizung von 10%iger Maltose-Lösung.
Ein Thermal Treatment gefrorener Lösungen mit dem Ziel amorphe Saccharose
und Maltose in die kristalline Form zu überführen, ist aufgrund des Ausbleibens
einer Rekristallisation nicht möglich. Zudem muß die Produkttemperatur bei
einer Gefriertrocknung unterhalb T g ’ gehalten werden, da mit Überschreiten von
T g ’ die Gefahr eines Kollapses besteht [49]. Die T c für Saccharose und Maltose
liegt nach Literaturangaben bei etwa −32°C [14], was mit den ermittelten T g ’-
Werten gut übereinstimmt.
Glycin: Bei der Untersuchung einer 2%igen Glycin-Lösung, die bei −100°C
eingefroren war, konnte in der ersten Aufheizung kein thermischer Vorgang
beobachtet werden. Die zweite Aufheizung (Abb.5.13) lieferte ein
eutektisches Schmelzverhalten mit einem Schmelzbeginn des Eises bei −5,5°C.
Neutrales Glycin gilt als gut kristallisierende Aminosäure und besitzt nach
Literaturangaben eine eutektische Temperatur von −3,4°C [37]. Aufgrund
der DSC-Ergebnisse wird kein Einfluß eines Thermal Treatments auf die
Kristallinität erwartet.

Abb.5.13: DSC-Thermogramm der 2. Aufheizung einer 2%igen Glycin-
Lösung.
5.1.3 Einfluß des Thermal Treatments auf die Restfeuchte
Als entscheidendes Kriterium für den Erfolg des Thermal Treatments von
mannitolhaltigen Formulierungen wird neben der Rekristallisation des
Mannitols vor allem die Restfeuchte der Lyophilisate am Ende der Trocknung
angesehen. Abb.5.14 zeigt die Veränderung der Restfeuchte der
Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung in Abhängigkeit von der Dauer
und der Temperatur des Thermal Treatments. Die Temperaturen im Bereich von
−8°C bis −3°C sind bewußt sehr hoch gewählt und liegen nahe am
Eisschmelzpunkt der Formulierung (−3,5°C; siehe Abb.5.6) bzw. darüber.
Die beobachtete Restfeuchteabnahme während des Thermal Treatments erfolgt
erwartungsgemäß mit steigender Behandlungs-temperatur immer rascher. Eine
Temperaturbehandlung bei −8°C über eine Dauer bis zu 2,5h zeigte keinen
Einfluß auf die Restfeuchte der Formulierung, die nach der Gefriertrocknung bei

ca. 2% lag (Abb.5.14). Vergleichsproben, die ohne Thermal Treatment nach
Variante B eingefroren wurden, weisen ebenfalls eine Restfeuchte von etwa 2%
auf. Erst nach einer Behandlungsdauer von ≥4h kommt es schließlich zu einer
moderaten Reduzierung der Restfeuchte. Ähnlich verhalten sich die Proben nach
einer Behandlung bei −5°C.
2,5
Modellformulierung
2
-8°C
-5°C
-4°C
-3°C
Restfeuchte [%]
1,5
1
0,5
0
0 240 480 720 960 1200 1440 1680
Dauer des Thermal Treatments [min]
Abb.5.14: Einfluß des Thermal Treatments auf die Restfeuchte der
Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung (n=5).
Allerdings weisen diese schon nach kürzerer Behandlungsdauer niedrigere Restfeuchtegehalte
auf. Bei −4°C stellt sich deutlich schneller eine Reduktion der Restfeuchte ein und
schon nach 4h Thermal Treatment ist die Restfeuchte der Formulierung bereits auf unter 1%
gesunken. Am schnellsten verläuft das Thermal Treatment bei −3°C, wobei nach einer
Behandlungsdauer von 4h die Restfeuchte auf annähernd 0,5% abgefallen ist und durch eine
längere Behandlung kaum weiter reduziert wird. Im Temperaturbereich von −3 bis −4°C ist
die Mobilität von nicht-gefrorenen Wassermolekülen in amorphen Arealen ausreichend
erhöht, so daß sich bestehende Eiskristalle durch Anlagerung von Wassermolekülen schnell
vergrößern können [25]. Damit ist eine Verringerung des Anteils an „non-frozen“ Wasser

möglich, aber auch eine gleichzeitige Vergrößerung von Poren im getrockneten Produkt, die
in Kapitel 5.1.5 beschrieben wird. Bei einer Temperatur von −3°C befinden sich die Proben
bereits 0,5°C oberhalb des Schmelzbeginns des Eises, so daß durch Antaueffekte Wasser in
Produktzwischenräumen entsteht [53], das durch Anlagerung an Eiskristalle ebenfalls zu einer
Porenvergrößerung beitragen kann. Da die Dauer des Thermal Treatments aus ökonomischen
Gesichtspunkten möglichst kurz gehalten werden sollte, wird eine Temperaturbehandlung bei
−3°C über 4h als geeignet angesehen.
5.1.4 Einfluß des Thermal Treatments auf die Trocknungszeit
Durch die Dauer und die Temperatur des Thermal Treatments wird nicht nur die
Restfeuchte am Ende der Gefriertrocknung beeinflußt, sondern es verändert sich
auch die Dauer der Sublimationphase (Trocknungszeit). Mit Hilfe der in Kapitel
4 beschriebenen komparativen Druckmessung kann nun die Abhängigkeit der
Trocknungszeit von Temperatur und Dauer des Thermal Treatments bestimmt
werden.
1200
Modellformulierung
Trocknungszeit [min]
1100
1000
900
800
-8°C
-5°C
-4°C
-3°C
700
600
0 240 480 720 960 1200 1440 1680
Dauer des Thermal Treatments [min]
Abb.5.15: Einfluß des Thermal Treatments auf die Trocknungszeit der
Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung.

Analog zu den Ergebnissen aus der Restfeuchteuntersuchung ergibt sich auch
hier bei der Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung eine Verkürzung der
Trocknungszeit mit steigender Dauer und Temperatur der thermischen
Behandlung (Abb.5.15). Bei einer Behandlungstemperatur im Bereich von −8°C
bis −5°C ist innerhalb von 4h kaum ein Einfluß auf die Trocknungsdauer
feststellbar. Erst nach etwa 12h Behandlungszeit wird eine Verkürzung der
Trocknungsdauer beobachtet, die durch eine längere Behandlungszeit oder eine
höhere Temperatur nicht weiter steigerbar ist. Die Trocknungszeit von Proben
ohne Thermal Treatment liegt im Bereich von 1000min und die Verkürzung, die
durch das Thermal Treatment nach 12h bei −8°C erreicht wird, entspricht etwa
100min. Durch ein Thermal Treatment bei −3°C ist eine Verkürzung der
Trocknungszeit um über 100min bereits nach 4h erreicht, so daß auch die
Resultate der Trocknungszeitbestimmung ein Thermal Treatment bei −3°C über
4h als geeignetes Prozedere nahelegen. Eine mögliche Verringerung des Anteils
an „non-frozen“ Wasser scheint als direkte Ursache für die Verkürzung der
Trocknungszeit unwahrscheinlich. Es könnte jedoch infolge einer
Eiskristallreifung eine Vergrößerung der Poren im getrockneten Produkt
auftreten, die nun näher untersucht wird.
5.1.5 Einfluß des Thermal Treatments auf die Porengröße
Der Einfluß der Behandlungstemperatur und der Zeitdauer des Thermal
Treatments auf die Struktur und Porengröße der getrockneten
Modellformulierung wurde mit Hilfe mikroskopischer Beobachtungen geklärt.

Abb.5.16a: Matrixstruktur durch
Einfrieren mit 2K/min (Variante B).
Abb.5.16c Matrixstruktur durch
Thermal Treatment über 4h bei
−3°C.
Abb.5.16a-c:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen
der gefriergetrockneten
Mannitol/ Citronensäure-
Modellformulierung
bei 2,5-facher Vergrößerung.
Abb.5.16b Matrixstruktur durch
Thermal Treatment über 12h bei
−5°C.
Abb.5.16a zeigt die poröse Struktur des Produktkuchens der
Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung bei 2,5-facher Vergrößerung unter
dem Auflichtmikroskop. Diese Struktur wurde durch Einfrieren mit 2K/min auf
−40°C ohne ein nachfolgendes Thermal Treatment (Variante B) und eine
anschließende Gefriertrocknung erzeugt. Der Produkt-kuchen besteht aus einem
lockeren Nadelfilz von Mannitolkristallen, die ein netzwerkartiges Gerüst mit
wabenförmigen Hohlräumen bilden. Diese Netzwerkstruktur ist offenbar aus

einer kohärenten Eisphase entstanden, die vor der Primärtrocknung die in
Verbindung stehenden Hohlräume ausgefüllt hat. Der mit einem Meßfadenkreuz
ermittelte Poren- bzw. Hohlraumdurchmesser beträgt etwa 85µm. Abb.5.16b
zeigt im Vergleich dazu die Struktur eines Produktkuchens nach 12h Thermal
Treatment bei −5°C, das eine mäßige Reduzierung der Restfeuchte (Abb.5.14)
und eine Verkürzung der Trocknungszeit (Abb.5.15) verursacht. Der
Porendurchmesser ist bei diesen Produktkuchen durch die
Temperaturbehandlung auf ca. 115µm angewachsen. Wird das Thermal
Treatment bei −3°C durchgeführt, was sowohl die Restfeuchte (Abb.5.14), als
auch die Trocknungszeit (Abb.5.15) stark reduziert, so wird bereits nach 4h ein
Porendurchmesser von ca. 120µm erhalten. Dieser wird durch ein längeres
Thermal Treatment bei dieser Temperatur nicht mehr vergrößert (Abb.5.16c).
Tab.2 faßt zusammen, wie die Porengröße der Mannitol/Citronensäure-
Modellformulierung mit steigender Temperatur und Dauer des Thermal
Treatments tendenziell zunimmt. Am schnellsten und ausgeprägtesten verläuft
diese Zunahme bei einer Temperatur von −3°C, die auch schon den größten
Einfluß auf Restfeuchte und Trocknungszeit ausgeübt hat.
Thermal −3°C −5°C −8°C
Treatment
0 h 85 µm 85 µm 85 µm
4 h 120 µm 100 µm 100 µm
12 h 120 µm 115 µm 110 µm
Tab.2: Abhängigkeit der Porengröße der Modellformulierung von Dauer
und Temperatur des Thermal Treatments

Über den wachsenden Porendurchmesser läßt sich sowohl die Verringerung der
Trocknungszeit (Abb.5.15), als auch die Verringerung der Restfeuchte
(Abb.5.14) mit steigender Behandlungstemperatur und -dauer erklären. Beim
Thermal Treatment wird bei Überschreiten der T g ’ „non-frozen“ Wasser der
amorphen Gerüstbildnerphase an bereits existierende Eiskristalle angelagert,
welche sich dadurch vergrößern [7a]. Zusätzlich entsteht bei der −3°C-
Behandlung, die 0,5°C über dem Schmelzbeginn des Eises liegt, durch
Antaueffekte Wasser in Produktzwischenräumen [53], das ebenfalls an
existierende Eiskristalle angelagert werden kann. In der Haupttrocknung
hinterlassen diese vergrößerten Eiskristalle dann Poren („Ice ghosts“[33]), die
wegen ihres größeren Durchmessers eine höhere Trocknungsgeschwindigkeit
bewirken [13,49]. Die beobachtete Abnahme der Restfeuchte am Ende der
Haupttrocknung kommt daher, daß das nachträgliche Wachstum von
Eiskristallen eine Verringerung des Anteils an „non-frozen“ Wasser zur Folge
hat [18].
5.1.6 Weitwinkelröntgendiffraktometrie (WAXS)
Das Röntgendiffraktogramm der gefriergetrockneten Mannitol/Citronensäure-
Modell-formulierung (Abb.5.17), die ohne Thermal Treatment mit 2K/min auf
−40°C eingefroren wurde (Variante B), zeigt das Beugungsmuster von Mannitol
in der metastabilen
α-Modifikation mit orthorhombischem
Kristallgitter und charakteristischen Banden bei 2θ=9.5° und 13.7° [64].

Abb.5.17: Weitwinkelröntgendiffraktogramm der gefriergetrockneten Mannitol/
Citronensäure-Modellformulierung nach Einfrieren mit 2K/min auf
−40°C (Variante B) ohne Thermal Treatment.
Zudem sind schwache Reflexe bei 2θ=9.7° und 36.1° zu erkennen. Vermutlich
handelt es sich hierbei um geringe Anteile der δ-Modifikation des Mannitols.
Reflexe der Citronen-säure können nicht identifiziert werden, was auf ein
amorphes Vorliegen schließen läßt.
Wird nun ein Thermal Treatment über 1h bei –3°C durchgeführt, so verändert
sich dieses Bandenspektrum. Abb.5.18 zeigt nun, daß charakteristische Banden
des α-Mannitols (z.B. bei 2θ=9.5° und 13.7°) verschwinden und neue Banden
hinzukommen (z.B. bei 2θ=14.6°, 23.3° und 29.5°). Bei diesen neuen Banden
handelt es sich um Reflexe des β-Mannitols, das ebenfalls ein orthorhombisches
Kristallgitter besitzt [64]. Weiter ist zu erkennen, daß die Reflexe des δ-
Mannitols bei 2θ=9.7° und 36.1° deutlich angewachsen sind. Also findet
während der Erwärmung des gefrorenen Produktes eine Umwandlung von
metastabilem α-Mannitol in δ-Mannitol und in das bei Raumtemperatur
thermodynamisch stabile β-Mannitol statt.

Abb.5.18: Weitwinkelröntgendiffraktogramm der gefriergetrockneten Mannitol/
Citronensäure-Modellformulierung nach 1h Thermal Treatment
bei −3°C.
Nach 4h Thermal Treatment bei −3°C sind fast keine Reflexe des α-Mannitols
und des δ-Mannitols mehr erkennbar (Abb.5.19), dafür sind aber die
Reflexintensitäten des β-Mannitols deutlich angestiegen. Folglich läuft
die Umwandlung des Mannitols unter diesen Bedingungen nahezu vollständig
ab, und es liegt nun β-D-Mannitol vor. Das Thermal Treatment bei −3°C über 4h
verändert also sowohl die Restfeuchte, als auch die Kristallform des Mannitols.

Abb.5.19: Weitwinkelröntgendiffraktogramm der gefriergetrockneten Mannitol/
Citronensäure-Modellformulierung nach 4h Thermal Treatment bei −3°C.
Ν weiter zu Kapitel 5.2: Diverse Einfrierverfahren
5.2 Diverse Einfrierverfahren und deren Einfluß auf die Morphologie
und
Restfeuchte von Mannitol-Trägersystemen
5.2.1 Die Morphologie in Abhängigkeit vom Einfrierverfahren

Um den Einfluß der Einfrierbedingungen auf die Morphologie und Restfeuchte
von mannitolhaltigen Lyophilisaten zu untersuchen, wurden die mannitolhaltige
Modellformulierung und eine 5%ige Mannitol-Lösung nach den Varianten A, C,
D, E, F und G (siehe Kapitel 3.2.1) eingefroren und gefriergetrocknet. Dabei
erzeugt jedes Einfrierverfahren ein charakteristisches Erscheinungsbild der
Lyophilisate, das für das jeweilige Einfrierverfahren typisch ist und das
besonders an der Produktoberfläche zutage tritt. Da beim Einfrieren in Vials die
Produktoberfläche in der Regel zuletzt erstarrt und diese gleichzeitig die
Grenzfläche zur Umgebungsatmosphäre darstellt, scheint die daraus
resultierende Oberflächenmorphologie der Lyophilisate besonders geeignet zu
sein, eine Zuordnung zum jeweiligen Einfrierverfahren zu treffen. Die
unterschiedlichen Ausprägungen der Produktoberfläche der jeweiligen
Formulierung entstehen durch eutektische Kristallisation oder durch amorphes
Erstarren und sind damit u.a. die Folge unterschiedlicher Abkühlraten [11,23].
Abb.5.19a: Oberfläche des
Lyophilisat-kuchens.
Abb.5.19b: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
(horizontale Schnittebene).
Abb.5.19a-b: Lichtmikroskopische Aufnahmen der gefriergetrockneten,
mannitol-haltigen Modellformulierung nach Einfrieren durch Variante A
(mit 0,1K/min auf –40°C) bei 2,5-facher Vergrößerung.

Abb.5.19a+b zeigen die Oberfläche und die innere Porenstruktur der
gefriergetrockneten, mannitolhaltigen Modellformulierung, die durch ein
langsames Einfrieren mit 0,1K/min (Variante A) erzeugt wurden. Es handelt sich
um einen lockeren Nadelfilz, vermutlich aus Mannitolkristallen, die sich
netzwerkartig zusammenlagern. Die Citronensäure hat aufgrund ihres niedrigen
Anteiles von ca. 0,4% offenbar keinen strukturgebenden Einfluß beim Aufbau
der Gerüststruktur. Aufgrund der niedrigen Feststoffkonzentration von ~2%
entsteht keine Matrix mit geschlossenen Poren, sondern nur ein lockeres Gerüst
mit Hohlräumen (Abb.519b), die miteinander in Verbindung stehen. Der
Durchmesser der horizontal durchgeschnittenen Hohlräume („Ice ghosts“), die
von diesem Netzwerk umschlossen werden, beträgt nach optischer Abmessung
etwa 80µm.
Die Oberfläche der gefriergetrockneten Mannitol-Lösung (Abb.5.20a) scheint
im Gegensatz zur Modellformulierung sehr homogen zu sein. Die innere
Porenstruktur in Abb.5.20b ist auch etwas kompakter und weist nur einen
Porendurchmesser von etwa 40µm auf. Dieser Unterschied deutet auf einen
Einfluß der Citronensäure hin, da beide Proben unter den gleichen Bedingungen
gefriergetrocknet wurden. Darüber hinaus ist die Feststoff-konzentration der
Ausgangslösung mehr als doppelt so hoch wie in der Modellformulierung, und
weniger Wasser führt bekanntlich zu kleineren Eiskristallen bzw. „Ice ghosts“
[33].

Abb.5.20a: Oberfläche des
Lyophilisat-kuchens.
Abb.5.20b: Porenstruktur des
Lyophilisatkuchens (horizontale
Schnittebene).
Abb.5.20a-b: Lichtmikroskopische Aufnahmen der gefriergetrockneten,
5%igen Mannitol-Lösung nach Einfrieren durch Variante A (mit 0,1 K/min
auf –40°C) bei 2,5-facher Vergrößerung.
Beim Einfrieren der Modellformulierung mit anschließendem Thermal
Treatment (Variante C) liegt, wie in Abb.5.21b erkennbar, ein Produktkuchen
mit wabenförmigen Hohlporen vor, der im Vergleich zum Einfrieren nach
Variante A (Abb.5.19b) nun einen deutlich größeren Porendurchmesser von
etwa 120µm aufweist. Diese Vergrößerung der „Ice ghosts“ von etwa 80µm auf
120µm ist, wie in Kapitel 5.1.5 bereits gezeigt, das Resultat eines Wachstums
der Eiskristalle während der Temperaturbehandlung bei –3°C. Die Oberfläche
hat ein unebeneres Aussehen (Abb.5.21a) als bei Variante A ohne Thermal
Treatment (Abb.5.19a), und es bildet sich an der Oberfläche des Produktkuchens
ein dünnes, elastisches Häutchen aus, das sich relativ leicht vom Produktkuchen
ablösen läßt. Abb.5.21c zeigt dieses Häutchen mit der darunterliegenden
Porenstruktur des Produktkuchens.

Abb.5.21a: Oberfläche des
Lyophilisat-kuchens.
Abb.5.21c: Häutchen und darunterliegende
Porenstruktur.
Abb.5.21b: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
(horizontale Schnittebene).
Abb.5.21a-c:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen der
gefriergetrockneten,
mannitol-haltigen
Modellformulierung nach
Einfrieren der Variante C
(Thermal Treatment) bei 2,5-
facher Vergrößerung.
Offenbar kommt es durch die Rekristallisation von „non-frozen“ Wasser
während des Thermal Treatments bei –3°C zur Bildung von „additional“ Eis
[43], das Feststoffanteile zur Produktoberfläche schiebt. Diese bilden dann ein
zusammenhängendes, nahezu porenfreies Häutchen, das mit dem übrigen
Produktkuchen nur wenig verzahnt ist.

Bei der Mannitol-Lösung ist die Oberfläche des Produktkuchens nach dem
Thermal Treatment deutlich rauher (Abb.5.22a) als beim Einfrieren nach
Variante A (Abb.5.20a). Darüber hinaus ist eine Vergrößerung der Hohlporen
von ca. 40µm auf nunmehr 70µm zu verzeichnen (Abb.5.22b). Wie bei der
Modellformulierung führt das Thermal Treatment auch bei der Mannitol-Lösung
zu einem ablösbaren Häutchen an der Produktoberfläche (Bild nicht gezeigt).
Abb.5.22a: Oberfläche des
Lyophilisat-kuchens.
Abb.5.22b: Porenstruktur des Lyophilisat-
Abb.5.22a-b:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen der
gefriergetrockneten, 5%igen
Mannitol-Lösung nach
Einfrieren der Variante C
(Thermal Treatment) bei 2,5-
facher Vergrößerung.

kuchens (horizontale Schnittebene).
Wird die Modellformulierung im einem Kältebad schnell auf −60°C abgekühlt
(Variante D), so kommt es zu einem gerichteten Erstarren der Lösung, bei dem
das Eiskristallwachstum wegen des ausgeprägten Temperaturgradienten von den
Vialwänden nach innen zur Produktmitte hin voranschreitet. Dadurch wird die
verbleibende, flüssige Phase zuerst nach innen und dann nach oben in die Mitte
des Produktkuchens gedrängt, so daß der entstehende Kuchen eine spitze
Erhebung in der Mitte aufweist [6]. Ebenfalls aus diesem Grunde weist die in
Abb.5.23a gezeigte Matrix unter der porösen Oberfläche eine Strukturierung
auf, welche als Folge dieses speziellen Einfriervorgangs zur Produktmitte
ausgerichtet ist. Die inneren Poren des Produktkuchens sind, wie in Abb.5.23b
dargestellt, kaum als solche zu erkennen. Vielmehr handelt es sich um eine
lockere, poröse Matrix, die sich aus kleinen Mannitolkristallen zusammensetzt.
Abb.5.23a: Oberfläche des Lyophilisatkuchens
und darunterliegende Porenstruktur.

Abb.5.23a-b:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen der
gefriergetrockneten, mannitolhaltigen
Modellformulierung
nach Einfrieren der Variante D
(Kälte-bad –60°C) bei 2,5-
facher Ver-größerung.
Abb.5.23b: Porenstruktur des
Lyophilisat-kuchens (tangentiale
Schnittebene).
Eine regelmäßige Porengeometrie ist aus Abb.5.23b kaum zu erkennen, deshalb
kann die Weite der englumigen Zwischenräume von ca. 30µm nur abgeschätzt
werden. Aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit (~15K/min) ist kein
extensives Eiskristallwachstum möglich, das die Entstehung von großen Poren
im getrockneten Lyophilisat ermöglicht [6,7a]. Ebenso läßt die schnelle
Erstarrungsgeschwindigkeit keine Auflagerung bzw. kein Häutchen an der
Oberfläche des Produktkuchens entstehen [6].
Ein vergleichbares Bild bietet sich beim Mannitol, das ebenfalls eine feinporöse
Oberfläche (Abb.5.24a) ohne Auflagerungen besitzt, sowie einen porösen
Produktkuchen (Abb.5.24b) aus äußerst kleinen Mannitolkristallen und kleinen
Hohlräumen, die aufgrund ihrer Größe und Geometrie nicht mit dem
Lichtmikroskop vermessen werden können. Ein visueller Vergleich mit
Abb.5.23b führt zu einem Schätzwert

Abb.5.24a: Oberfläche des
Lyophilisat-kuchens.
Abb.5.24a-b:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen der
gefriergetrockneten, 5%igen
Mannitol-Lösung nach
Einfrieren der Variante D
(Kältebad –60°C) bei 2,5-
facher Vergrößerung.
Abb.5.24b: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
(tangentiale Schnittebene).
Beim Einfrieren der mannitolhaltigen Modellformulierung auf vorgekühlten
Stellplatten bei –40°C (Variante E) ist eine sehr rauhe Oberfläche mit
erkennbaren Kristallstrukturen zu sehen (Abb.5.25a), sowie eine netzwerkartige
Matrix mit wabenförmigen Hohlräumen (Abb.5.25b). Der Durchmesser der
Kavitäten beträgt etwa 110µm, d.h. die Poren sind größer als beim langsamen
Einfrieren mit 0,1K/min nach Variante A, bei der die Unterkühlung maßgeblich
das Eiskristallwachstum determiniert [7a]. Beim Einfrieren auf vorgekühlten
Stellplatten wird nur der unterste Teil der Lösung im Vial unterkühlt [31]. Dann
setzt dort nach der Nukleation am Vialboden das Eiskristallwachstum ein und

schreitet in einem Temperaturgradienten von unten nach oben voran. Somit
wachsen durch die langsamere Abkühlung größere Eiskristalle in der
verbleibenden Lösung heran.
Abb.5.25a: Oberfläche des
Lyophilisat-kuchens.
Abb.5.25c: Häutchen und darunterliegende
Porenstruktur.
Abb.5.25b: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
(horizontale Schnittebene).
Abb.5.25a-c:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen der
gefriergetrockneten,
mannitol-haltigen
Modellformulierung nach
Einfrieren der Variante E
(vorge-kühlte Stellplatten) bei
2,5-facher Vergrößerung.
Mit dieser Art des Eiskristallwachstums ist auch die Ausbildung eines dünnen
Häutchens an der Produktoberfläche verbunden, welches in Abb.5.25c

zusammen mit der darunter-liegenden Porenstruktur zu sehen ist. Im Gegensatz
zum Einfrieren mit Thermal Treatment (Variante C) ist dieses Häutchen gut mit
dem Produktkuchen verbunden und kann nur schwerlich abgelöst werden.
Die Untersuchung der Mannitol-Lösung nach dem Einfrieren auf vorgekühlten
Stellplatten (Abb.5.26a+b) ergibt wie bei der Modellformulierung eine
Vergrößerung der Poren im Vergleich zum langsamen Einfrieren mit 0,1K/min
(Variante A). Der Porendurchmesser liegt bei etwa 60µm, was eine Folge des
oben diskutierten Einfriermechanismus ist. Ebenso bildet sich an der Oberfläche
ein dünnes Häutchen, welches in Abb.5.26c zu sehen ist.
Abb.5.26a: Oberfläche des
Lyophilisat-kuchens.
Abb.5.26c: Häutchen und darunterliegende
Porenstruktur.
Abb.5.26a-c:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen der
gefriergetrockneten, 5%igen
Mannitol-Lösung nach
Einfrieren der Variante E

Einfrieren der Variante E
(vorgekühlte Stell-platten) bei
2,5-facher Ver-größerung.
Abb.5.26b: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
(tangentiale Schnittebene).
Das Einfrieren auf vorgekühlten Stellplatten scheint daher bezüglich der
Porengröße einen Vorteil gegenüber dem langsamen Einfrieren mit 0,1K/min
nach Variante A aufzuweisen. Ausschlaggebend für diesen Effekt ist, daß ein
großer Teil der Lösung im oberen Bereich des Vials beim Einfrieren nicht
unterkühlt, und dort, ausgehend von Impfkristallen am Vialboden, ein relativ
langsames und damit ein ausgeprägtes Eiskristallwachstum stattfindet.
Beim Einfrieren nach Variante F wird die Unterkühlung durch
Ultraschallkavitation aufgehoben, damit eine Eiskristallisation initiiert und
anschließend wird die Formulierung langsam abgekühlt. Dies soll zu einem
extensiven Eiskristallwachstum führen.
Abb.5.27a: Oberfläche des
Lyophilisat-kuchens.
Abb.5.27c: schematische
Darstellung der
charakteristischen Kaminporen.

Abb.5.27a-b:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen der
gefriergetrockneten, mannitolhaltigen
Modellformulierung
nach Einfrieren der Variante F
(Ultra-schall) bei 2,5-facher
Vergrößerung.
Abb.5.27b: Porenstruktur des
Lyophilisat-kuchens (horizontale
Schnittebene).
Bei der Modellformulierung entsteht hierbei eine Oberflächenausprägung wie
sie in Abb.5.27a dargestellt ist. Erkennbar ist eine glatte Oberflächenschicht, die
von feinen Spalten mit teilweise über 0,5mm Länge durchzogen ist. Diese
oberflächliche Schicht scheint das Ergebnis einer Gefrierkonzentration zu sein,
bei der letztendlich die maximal gefrierkonzentrierte Lösung an der Grenzfläche
zur Umgebung erstarrt ist. Die großen, spaltartigen Öffnungen in der Oberfläche
gehören zu schmalen, kaminartigen Kavitäten, die weit in den Produktkuchen
hineinragen und diesen in vertikaler Richtung durchziehen. Diese Kaminporen
mit meist glatten Wandungen bilden, wie in Abb.5.27c schematisch skizziert,
ein Gerüst, das in großen Teilen zusammenhängend ist. Derartige Strukturen
sind offensichtlich aus großen, zusammenhängenden Eisformationen entstanden,
die während einer sehr langsamen, geordneten Eiskristallisation in vertikaler
Richtung gewachsen sind und nach der Trocknung entsprechend großlumige
Kanäle („Ice ghosts“) hinterlassen haben. Neben diesen Kaminstrukturen kommt
im Inneren des Produktkuchens auch eine Porenstruktur in Form eines
grobmaschigen Netzwerks vor, das Hohlräume mit einer Ausdehnung von etwa
150µm umschließt (Abb.5.27b).

Ähnliches wird beim Einfrieren der 5%igen Mannitol-Lösung nach Variante F
mit anschließender Gefriertrocknung beobachtet. Die Oberfläche der Produkte
ist hier glänzend und mit großen, fächerartigen Auflagerungen versehen, die sich
durch die langsame Abkühlungsgeschwindigkeit ausbilden konnten (Abb.5.28a).
Im Inneren des Produktkuchens liegt ein Netzwerk aus flächigen, blattartigen
Mannitolbestandteilen vor, zwischen denen große „Ice ghosts“ eingebettet sind
(Abb.5.28b). Der Durchmesser der Hohlräume beträgt etwa 125µm. Neben
dieser Hohlporenstruktur liegen wie bei der Modellformulierung überwiegend
kaminartige Kavitäten vor, die den Produktkuchen in vertikaler Richtung
durchziehen. Abb.5.28c zeigt Teile der glatten Wandungen dieser Kavitäten,
welche sehr charakteristisch mit kleinen Löchern perforiert sind, über die die
vormals existierenden Eisformationen in Verbindung standen. Bei dieser Art des
Einfrierens sind im Vergleich zum langsamen Einfrieren mit 0,1K/min (Variante
A) die Poren und Kavitäten der Modellformulierung, als auch der Mannitol-
Lösung, bei gleicher Abkühlgeschwindigkeit stark vergrößert. Dies macht den
determinierenden Einfluß der Unterkühlung auf das Eiskristallwachstum
deutlich. Langsames Abkühlen der Stellplatten bzw. des Produktes bewirkt kein
langsames und kontrolliertes Eiskristallwachstum, sondern führt nach der
Nukleation der unterkühlten Lösung bei tiefer Temperatur lediglich zum
Wachstum relativ kleiner Eiskristalle, die kleine Hohlräume im Produktkuchen
hinterlassen [13]. Nur die Beseitigung der Unterkühlung durch Ultraschall und
die Nukleation bei höherer Temperatur lassen ein kontrolliertes
Eiskristallwachstum zu besonders großen Eiskristallen zu.

Abb.5.28a: Oberfläche des
Lyophilisat-kuchens.
Abb.5.28c: perforierte Kavitätenwandungen
des Produktkuchens.
Abb.5.28b: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
(horizontale Schnittebene).
Abb.5.28a-c:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen der
gefriergetrockneten,
5%igen Mannitol-Lösung
nach Einfrieren der
Variante F (Ultraschall) bei
2,5-facher Vergrößerung .
Eine Vermeidung der Unterkühlung beim Einfrieren der Lösung und eine
langsame Eiskristallisation wird auch beim vakuum-induzierten Einfrieren
(Variante G) erreicht. Die Morphologie der Lyophilisate ist direkt mit den
zuletzt beschriebenen Beobachtungen beim Einfrieren mittels
Ultraschallnukleation vergleichbar. Die Modellformulierung weist eine

Oberfläche auf, die von Spalten mit einer Länge bis ca. 0,5mm durchzogen ist
(Abb.5.29a). An die Unterseite der Oberflächenschicht schließt sich, wie in
Abb.5.29b dargestellt, ein zum Teil netzwerkartiger Produktkuchen an, der
Porendurchmesser von ca. 150µm aufweist. Hauptsächlich sind die Lyophilisate
aber aus länglichen, kaminartigen Hohlräumen aufgebaut, die den
Produktkuchen in vertikaler Richtung durchziehen (Abb.5.29c).
Abb.5.29a: Oberfläche des
Lyophilisat-kuchens.
Abb.5.29c: Porenstruktur des
Lyophili-satkuchens (horizontale
Schnittebene).
Abb.5.29b: Unterseite der Oberflächen-
Abb.5.29a-c:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen der
gefriergetrockneten,
mannitol-haltigen
Modellformulierung nach
Einfrieren der Variante G
(vakuum-induziert) bei 2,5-
facher Vergrößerung.

schicht und Teile der Porenstruktur.
Auch die Mannitol-Lösung zeigt beim vakuum-induzierten Einfrieren ein
vergleichbares Erscheinungsbild wie beim Einfrieren mit Ultraschallnukleation
(Variante F). Der Produktkuchen besitzt eine glänzende Oberfläche mit
fächerartigen Strukturen (Abb.5.30a) und ist von großen, kaminartigen
Kavitäten in vertikaler Richtung durchzogen (Abb.5.30b). Besonders deutlich ist
der blätterteigartige Charakter der Porenstruktur in Abb.5.30b erkennbar.
Abb.5.30c zeigt die Oberfläche des Produktkuchens und die darunterliegenden
Kaminporen mit einem Porendurchmesser von ca. 125µm.
Abb.5.30a: Oberfläche des
Lyophilisat-kuchens.
Abb.5.30c: Oberfläche und darunterliegende
Porenstruktur.

Abb.5.30b: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
(horizontale Schnittebene).
Abb.5.30a-b-c:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen der
gefriergetrockneten, 5%igen
Mannitol-Lösung nach
Einfrieren der Variante G
(vakuum-induziert) bei 2,5-
facher Vergrößerung.
Die ermittelten Porendurchmesser, die durch die jeweiligen Einfrierverfahren
erzeugt werden, sind in Abb.5.31 zusammengefaßt. Die Modellformulierung hat
in allen Fällen die größeren Kavitäten, da sie immer eine geringere
Konzentration an Gerüstbildner aufweist als die Mannitol-Lösung. Recht große
Porendurchmesser und Kavitäten werden erhalten, wenn während des
Einfrierens ein sehr langsames Eiskristallwachstum stattgefunden hat, wie dies
beim Einfrieren mit Ultraschallnukleation (Variante F) und dem vakuuminduzierten
Einfrieren (Variante G) der Fall ist. Bei anderen Einfrierverfahren
verursacht die Unterkühlung während des Einfrierens eine Beschränkung des
Eiskristallwachstums, so daß auch ein nachfolgendes Thermal Treatment nicht
die Eiskristallgröße erzeugen vermag, wie dies bei den Einfriervarianten F und
G erreicht wird. Dennoch ist das Thermal Treatment ein vielversprechendes
Verfahren, da es nicht nur die Porengröße deutlich erhöht, sondern gleichzeitig,
wie in Kapitel 5.1.5 beschrieben, die Restfeuchte erniedrigt. Ein leicht positiver
Effekt auf die Porengröße ist auch beim Einfrieren auf vorgekühlten Stellplatten

(Variante E) zu verzeichnen, das durch seinen besonderen Einfriermechanismus
größere Porendurchmesser erzeugt als die Einfriervariante A.
160
5%ige Mannitol-Lösung
Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung
140
120
Porengröße [µm]
100
80
60
40
20
0
Variante A Variante C Variante D Variante E Variante F Variante G
Abb.5.31: Beeinflussung der Porengröße bei der Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung
und einer 5%igen Mannitol-Lösung durch verschiedene
Einfriervarianten: Variante A: 0,1K/min auf –40°C; Variante C: Thermal
Treatment; Variante D: im Kältebad auf –60°C (Werte für Variante D
geschätzt); Variante E: auf vorgekühlten Stellplatten; Variante F:
Ultraschallbehandlung; Variante G: vakuum-induziertes Einfrieren.
5.2.2 Die Restfeuchte in Abhängigkeit vom Einfrierverfahren
In Abb.5.35 sind die Restfeuchtegehalte der Modellformulierung und einer 5%igen
Mannitol-Lösung bei verschiedenen Einfriervarianten dargestellt. Aus ihr ist klar
ersichtlich, daß das Thermal Treatment (Variante C) ein potentes Verfahren ist, um die
Restfeuchte der Lyophilisate deutlich zu verringern. Durch die eruptive
Rekristallisation von Mannitol während der Temperaturbehandlung und das simultane
Wachstum von Eiskristallen wird vermutlich der am Ende des Einfrierens verbleibende

Anteil an „non-frozen“ Wasser reduziert. Bei der Modellformulierung führt dies zu
einer Reduktion der Restfeuchtegehalte von ca. 4% beim langsamen Einfrieren mit
0,1K/min (Variante A) auf unter 0,5% beim Einfrieren nach Variante C.
Mannitol 5%
Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung
6
5
Restfeuchte [%]
4
3
2
1
0
Variante A
Variante C
Variante D
Variante E
Variante F
Variante G
Abb.5.32: Beeinflussung der Restfeuchten von 5%iger Mannitol-Lösung
und der Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung durch
verschiedene Einfrier-varianten (n=5): Variante A: 0,1K/min auf
–40°C; Variante C: Thermal Treatment; Variante D: im Kältebad
auf –60°C; Variante E: auf vorgekühlten Stellplatten; Variante
F: Ultraschallbehandlung; Variante G: vakuum-induziertes
Einfrieren.
Aber auch das schnelle Einfrieren im Kältebad bei −60°C (Variante D) und das
Einfrieren auf vorgekühlten Stellplatten (Variante E) liefern im Vergleich zu
Variante A niedrigere Restfeuchten bei beiden Formulierungen. Es ist dabei
folgender Zusammenhang erkennbar: Je schneller die Abkühlung beim
Einfrieren, desto niedriger ist die Restfeuchte am Ende der Haupttrocknung.

Vermutlich ist die Abkühlrate ursächlich für das vollständigere
Auskristallisieren von Eis aus den mannitolhaltigen Lösungen und damit für die
niedrigeren Gehalte an „non-frozen“ Wasser verantwortlich [4]. Hohe
Feuchtegehalte, die bei der Modellformulierung nach langsamen Einfrieren
(Variante A) bei etwa 4% liegen, werden ebenfalls bei den Einfrierverfahren mit
Ultraschallnukleation (Variante F) und beim vakuum-induzierten Einfrieren
(Variante G) erhalten, welche eine Unterkühlung beim Einfrieren vermeiden und
ein ausgeprägtes Eiskristallwachstum ermöglichen. Das langsame, extensive
Eiskristallwachstum führt zu äußerst großen Eiskristallformationen, die den
Widerstand des Produktkuchens für den entweichenden Wasserdampf während
der Haupttrocknung (Sublimationsphase) herabsetzen. Die Anteile an „nonfrozen“
Wasser bleiben jedoch bei diesen Verfahren offenbar unverändert. Beim
Einfrieren, sowohl mit, als auch ohne Unterkühlung, tritt keine Beeinflussung
der Restfeuchte auf.
Der deutlichste Einfluß auf die Restfeuchte und gleichzeitig auf die Porengröße
wird durch ein Thermal Treatment erzielt, das zudem die Anteile nichtkristallinen
Mannitols reduziert. Aber auch das Einfrieren auf vorgekühlten
Stellplatten (Variante E) liefert leicht reduzierte Restfeuchtegehalte und etwas
erhöhte Porendurchmesser. Dieses Verfahren hat diesbezüglich einen leichten
Vorteil gegenüber Variante A. Für weitere Untersuchungen interessant
erscheinen aufgrund der sehr deutlichen Einflüsse auf Restfeuchte und
Porengröße nur das Einfrieren mit nachfolgendem Thermal Treatment (Variante
C) und das vakuum-induzierte Einfrieren (Variante G), das im Vergleich zur
Ultraschallnukleation (Variante F) mit geringerem Aufwand durchzuführen ist.
5.2.3 Weitere Beobachtungen
5.2.3.1 Glasbruch

Bei den Untersuchungen der verschiedenen Einfrierverfahren an
mannitolhaltigen Trägersystemen konnte nach der Gefriertrocknung eine große
Anzahl an zerbrochenen Vials beobachtet werden. Besonders ausgeprägt war
dieses Phänomen bei der 5%igen Mannitol-Lösung. Es kam infolge einer
Expansion des Produktkuchens zum visuell erkennbaren Bersten der Vialwand.
Dieses Phänomen ist typisch für Mannitol und korreliert mit der eruptiven
Rekristallisation von amorphen Mannitol bei Erwärmung des gefrorenen
Produktes [3,4]. Im Zuge dieser Rekristallisation findet ein Kristallwachstum
statt bei dem sich Wasser- und Mannitolmoleküle an bereits existierende
Kristalle anlagern. Dabei treten bei der Erwärmung räumliche Veränderungen
des Produktkuchens auf, die eine horizontale Druckspannung auf die Glaswand
ausüben [3]. Diese Rekristallisation bei Erwärmung findet im Bereich von etwa
−25°C statt (s.Abb.5.3). Das Auftreten von Glasbruch wurde nach
Literaturangaben ebenfalls in diesem Temperaturbereich beobachtet [3].
Außerdem ist das Auftreten von Glasbruch abhängig von der verwendeten
Gefäßart, dem Füllvolumen, von der Konzentration der Lösung, sowie vom
Zusatz anderer Excipients [3]. Dies erklärt warum die Modellformulierung mit
ihrer niedrigen Feststoffkonzentration und dem Zusatz an Citronensäure nicht
von diesem Phänomen betroffen ist.

60
50
% Glasbruch
40
30
20
10
0
Variante A Variante C Variante D Variante E Variante F Variante G
Abb.5.33: Glasbruch bei gefriergetrockneter, 5%iger Mannitol-
Lösung unter Anwendung verschiedener Einfrierverfahren
und anschließender Gefriertrocknung: Variante A: 0,1K/min
auf –40°C; Variante C: Thermal Treatment; Variante D: im
Kältebad auf –60°C; Variante E: auf vorgekühlten
Stellplatten; Variante F: Ultraschallbehandlung; Variante
G: vakuum-induziertes Einfrieren.
Mit Ausnahme von Variante C und D sind ca. 25% der Vials nach der
Gefriertrocknung zerbrochen (Abb.5.33). Die Haupttrocknung wurde bei einer
Plattentemperatur von −10°C durchgeführt, nachdem das Produkt auf –40°C
eingefroren wurde. Daher hat sich der Produktkuchen während der
Haupttrocknung auf über −25°C erwärmt, und eine Rekristallisation des
Mannitols hat dabei stattgefunden. Bei Variante C und D ist aber der Anteil an
Glasbruch auf ca. 50% erhöht (Abb.5.33), was darauf schließen läßt, daß die
Rekristallisation und die damit verbundene Expansion besonders ausgeprägt

verläuft. Dies wird indirekt durch die Beobachtung der Restfeuchten (Abb.5.32)
bestätigt. Bei den Verfahren, die zu einer Erniedrigung der Anteile von „nonfrozen“
Wasser führen, also Thermal Treatment (Variante C) und schnelles
Einfrieren auf −60°C (Variante D), kommt es im Zuge einer vollständigeren
Eiskristallisation zu einem erhöhtem Ausmaß an Glasbruch. Während beim
Thermal Treatment die Erwärmung und Rekristallisation gezielt in der
Einfrierphase herbeigeführt wird, muß beim schnellen Einfrieren nach Variante
D ein anderer Mechanismus zu der ausgeprägten Rekristallisation führen. Beim
schnellen Einfrieren von Lösungen auf tiefe Temperaturen wird insbesondere
bei Mannitol-Lösungen kein ausgeprägtes Eiskristallwachstum erzielt, da die
Mannitol-Moleküle das Wachstum von Nukleoli behindern [4]. Die viskose
MFCS erstarrt teils amorph und teils kristallin, aber in Form von nicht perfekt
geordneten Eiskristallen mit Gitterfehlstellen, von denen dann die
Rekristallisation bevorzugt ausgeht [4]. Wird bei der Haupttrocknung eines
derart erstarrten Produktkuchens infolge der Erwärmung die
Rekristallisationstemperatur überschritten, so kommt es schließlich zu einer
wesentlich ausgeprägteren Rekristallisation als bei Produkten, die mit einer
geringen Abkühlrate eingefroren wurden, d.h. perfekter kristallisiert wurden [4].
Beim Einfrieren auf vorgekühlten Stellplatten (Variante E) wurde zwar keine
Erhöhung des Glasbruchs beobachtet, dennoch könnte hier die hohe Abkühlrate
in gleicher Weise die Rekristallisation während der Haupttrocknung
begünstigten und für die im Vergleich zu Variante A erniedrigten
Restfeuchtegehalte (Abb.5.32) verantwortlich sein.
5.2.3.2 Verhalten der Lyophilisate bei einer Haupttrocknung mit erhöhter Plattentemperatur
Das optische Erscheinungsbild der Produktkuchen kann durch Kollaps oder
mechanische Beschädigung durch den Wasserdampfstrom beeinträchtigt sein.
Um diese unerwünschten Ereignisse besser beobachten zu können, wurde die
Haupttrocknung bei einer auf +40°C erhöhten Plattentemperatur durchgeführt.

Der verstärkte Energieeintrag sollte die Sublimationsrate deutlich erhöhen, die
Erwärmung des Produktes während der Haupttrocknung verstärken und somit
das Auftreten derartiger Phänomene begünstigen. Abhängig vom
Einfrierverfahren änderte sich, wie in Tab.3 dargestellt, bei der
Modellformulierung und der 5%igen Mannitol-Lösung die Art und die
Häufigkeit der beobachteten Auffälligkeiten.
Einfrierverfahren
Modellformulierung 5%ige Mannitol-Lösung
Variante
A
Oberflächenschicht bei vielen
Proben angehoben und partiell
abgelöst (++)
Oberfläche bei vielen Proben
aufgerissen, Lyophilisate am
Vialboden kollabiert (++)
Variante C (-)
Häutchen bei wenigen Proben
partiell abgelöst (+)
Variante D Oberflächenschicht bei vielen
Proben partiell abgelöst; Produktkuchen
auseinandergerissen (+++)
Variante E (-)
Viele Lyophilisate am Vialboden
kollabiert; Produktkuchen auseinandergerissen
(+++)
wenige Lyophilisate am Vialboden
kollabiert (+)
Variante F (-) (-)
Variante G (-) (-)
Tab.3: Unerwünschte Veränderungen und Beschädigungen des Produktkuchens bei
verschiedenen Einfrierverfahren und Haupttrocknung mit erhöhter Plattentemperatur:
Variante A: 0,1K/min auf –40°C; Variante C: Thermal Treatment;
Variante D: im Kältebad auf –60°C; Variante E: auf vorgekühlten Stell-platten;
Variante F: Ultraschallbehandlung; Variante G: vakuum-induziertes Einfrieren.

Eine Gewichtung von Stärke und Häufigkeit der aufgetretenen Beobachtungen
wurde mit (-), d.h. keine, (+) schwach, (++) stark und (+++) sehr stark
vorgenommen.
Durch die erhöhte Sublimationsrate wird der Wasserdampfstrom verstärkt,
welcher aber im Falle einer meist zusammenhängenden Oberflächenschicht
einen erhöhten Transport-widerstand zu überwinden hat [11,29]. Im Extremfall
wird dabei die Oberflächenschicht vom Produktkuchen partiell abgelöst oder
gewaltsam aufgerissen. Diese Erscheinung wird vor allem bei den
Einfriervarianten A, C und D auffällig, wobei das Ausmaß mit wachsender
Impedanz im Produktkuchen, d.h. mit kleiner werdendem Porendurchmesser,
größer wird. Besonders betroffen sind daher die Produktkuchen, die sehr schnell
(nach Variante D) eingefroren wurden. Bei diesen Proben wurde nicht nur die
Oberfläche abgelöst, bzw. aufgerissen, sondern auch der gesamte
Produktkuchen auseinandergerissen. Hingegen wird diese Beobachtung nicht bei
Variante E gemacht, da sich, wie in Abb.5.25 erkennbar ist, die bessere
Verbindung von Häutchen und Produktkuchen offensichtlich positiv auf diese
Art der Beschädigung auswirkt. Im Falle von Variante F und G ist die
Oberfläche, ebenfalls in Kapitel 5.2.1 gezeigt, mit großen Spalten durchzogen,
die dem durchströmenden Wasserdampf nur geringen Widerstand bietet. Daher
kommt es bei diesen Einfrierverfahren zu keiner Beeinträchtigung der oberen
Produktschicht.
Kollaps und Antaueffekte treten bevorzugt bei der 5%igen Mannitol-Lösung auf, da die
Produktkuchen aufgrund der höheren Feststoffkonzentration kompakter sind und kleinere
Poren aufweisen (Abb.5.31). Die Anzahl kollabierter Lyophilisate ist bei Variante D
besonders hoch, da es aufgrund der äußerst kleinen Poren und Kavitäten zu einem
Wasserdampfrückstau und damit zu einer Temperaturerhöhung im Produkt während der
Haupttrocknung kommt [2,43]. In einigen Fällen wurde auch ein Kollaps bei Variante A und
Variante E beobachtet. Häufigkeit und Ausprägung steigern sich mit abnehmendem
Porendurchmesser, weshalb Variante A stärker betroffen ist als Variante E. Weder Kollaps,
noch irgendwelche anderen Auffälligkeiten sind bei den Einfrierverfahren mit extensivem

Eiskristallwachstum, nämlich bei Variante F und G, zu entdecken. Hier sind offensichtlich die
Porengröße und das Auftreten von kaminartigen Kavitäten ausschlaggebend für das
Ausbleiben von Kollaps, Antaueffekten, sowie Beschädigung an der Produktoberfläche.
Daraus läßt sich schließen, daß die großlumigen Kavitäten, welche den Produktkuchen wie
Kamine durchziehen, den Wasserdampf entweichen lassen, ohne ihm einen relevanten
Widerstand entgegenzustellen, und somit bei diesen Einfrierverfahren eine sehr schnelle
Haupttrocknung bei hohen Temperaturen unter vollem Erhalt des optischen
Erscheinungsbildes möglich ist.
Ν weiter zu Kapitel 5.3: Ausgewählte Einfrierverfahren
5.3 Ausgewählte Einfrierverfahren und deren Einfluß auf Morphologie,
Restfeuchte
und Trocknungsgeschwindigkeit von verschiedenen Gerüstbildnern
Wegen des ausgeprägten Einflusses auf die Porengröße von mannitolhaltigen
Lyophilisaten wurde das vakuum-induzierte Einfrieren (Variante G) bei
verschiedenen anderen, auch amorphen Gerüstbildnern untersucht. Ebenso sollte
das Einfrieren mit Thermal Treatment (Variante C) wegen seines Einflusses auf
die Porengröße und auf die Restfeuchte von mannitolhaltigen Formulierungen
auch bei anderen Gerüstbildnern angewendet werden. Als Beispiel für einen
Einfriervorgang, bei dem die Eiskristallisation kaum beeinflußbar ist, wurde das
Einfrieren mit 2K/min (Variante B) gewählt, da hier sowohl eine Unterkühlung,
als auch eine relativ hohe Abkühlrate erwartet wird.
5.3.1 Die Morphologie in Abhängigkeit vom Einfrierverfahren
5.3.1.1 Auflichtmikroskopie
Abb.5.32a zeigt die innere Porenstruktur des Lyophilisatkuchens einer 2%igen
Mannitol-Lösung, die mit 2K/min auf –40°C (Variante B) eingefroren wurde.

Erkennbar ist ein Nadelfilz aus Mannitolkristallen mit netzwerkartiger
Hohlporenstruktur und einem Porendurchmesser von ca. 90µm. Nach einem
Thermal Treatment (Variante C) sind die „Ice ghosts“, wie in Kapitel 5.1 und
5.2 bereits dargestellt, durch die eruptive Rekristallisation von Mannitol und die
Anlagerung von „non-frozen“ Wasser an die vorhandenen Eiskristalle auf
120µm vergrößert (Abb.5.32b). Mittels des vakuum-induzierten Einfrierens
(Variante G) entstehen charakteristische, große Kaminporen, die vertikal
ausgerichtet sind (Abb.5.32c). Die Durchmesser des elliptischen
Porenquerschnitts betragen für den kleinsten Durchmesser etwa 140µm und für
den größten über 1mm. Abb.5.32d zeigt die glatten Wandungen dieser
Spaltenstruktur tangential angeschnitten und Abb.5.32e die vertikale
Ausrichtung der langgestreckten, kaminartigen Kavitäten, die in die
Produktoberfläche einmünden. Es ist zu erwarten, daß im Gegensatz zu einer
Struktur aus wabenartig angelegten Hohlporen derartige, weitlumige Kanäle
während der Haupttrocknung (Sublimationsphase) nur einen geringen
Widerstand für den entweichenden Wasserdampf darstellen und somit eine
höhere Sublimationsrate erlauben [13,49].
Abb.5.32a: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante B
(horizontale Schnittebene).
Abb.5.32b: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der
Variante C (horizontale Schnittebene).

Abb.5.32c: Spaltstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante G
(horizontale Schnittebene).
Abb.5.32a-e:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen einer
gefriergetrockneten, 2%igen
Mannitol-Lösung bei 2,5-
facher
Vergrößerung. Variante B: 2K/min;
Variante C: Thermal Treatment;
Variante G: vakuum-induziert.
Abb.5.32d: Lyophilisatkuchen nach Abb.5.32e: Lyophilisatkuchen nach
Einfrieren der Variante G (tangentiale Einfrieren der Variante G (tangentiale
Schnittebene).
Schnittebene.)
In Abb.5.33a ist die innere Porenstruktur des Lyophilisatkuchens der mannitolhaltigen
Modellformulierung zu sehen, die mit 2K/min auf –40°C (Variante B) eingefroren wurde.
Analog zu den Beobachtungen bei der Mannitol-Lösung ist auch hier eine netzwerkartige
Hohlporenstruktur mit einem Porendurchmesser von ca. 90µm zu beobachten. Wie bei der
Mannitol-Lösung führt ein Thermal Treatment (Variante C) durch Rekristallisation von
Mannitol und „non-frozen“ Wasser zu einer Vergrößerung des Porendurchmessers auf
ca. 120µm (Abb.5.33b). Das vakuum-induzierte Einfrieren (Variante G) erzeugt bei der
Modellformulierung die für dieses Einfrierverfahren charakteristische Spaltenstruktur mit

ausgeprägten, vertikalen Kaminporen, die in Abb.5.33c horizontal angeschnitten zu sehen
sind.
Abb.5.33a: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante B
(horizontale Schnittebene).
Abb.5.33b: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der
Variante C (horizontale Schnittebene).
Abb.5.33a-c:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen der
gefriergetrockneten,
mannitol-haltigen
Modellformulierung bei
2,5-facher Vergrößerung.
Variante B: 2K/min;
Variante C: Thermal
Treatment;
Variante G: vakuuminduziert.
Abb.5.33c: Spaltstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante G
(horizontale Schnittebene).
Die Saccharose-Lösung bildet nach Einfrieren mit 2K/min (Variante B) und anschließender
Gefriertrocknung einen Produktkuchen, der ein netzwerkartiges Gespinst aus glänzenden

Saccharosefäden darstellt (Abb.5.34a). Ähnliche Bilder wurden bereits von Franks
publiziert [33].
Abb.5.34a: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante B
(horizontale Schnittebene).
Abb.5.34b: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der
Variante C (horizontale Schnittebene).
Abb.5.34c: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante G
(horizontale Schnittebene).
Abb.5.39a-c:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen
der
gefriergetrockneten, 2%igen
Saccharose-Lösung bei 2,5-
facher
Vergrößerung. Variante B:
2K/min; Variante C: Thermal
Treatment; Variante G: vakuuminduziert.
Diese netzwerkartige Struktur umschließt „Ice ghosts“, die im Durchmesser

etwa 120µm groß sind. Diese Matrix besteht vermutungsweise aus amorpher
Saccharose [9,33]. Nach einem Thermal Treatment (Variante C) ist die Textur
dieses Netzwerkes nahezu unverändert zu erkennen (Abb.5.34b). Die Größe der
„Ice ghosts“ beträgt ebenfalls 120µm, jedoch sind zusätzlich größere,
langgestreckte Hohlräume vorhanden, die radial im Produktkuchen angeordnet
sind. Möglicherweise sind diese Hohlräume durch Kollaps während der
Trocknung oder durch eine Reifung von Eiskristallen während des Thermal
Treatments entstanden. Das vakuum-induzierte Einfrieren erzeugt bei der
Saccharose-Lösung ebenfalls eine charakteristische Spaltenstruktur, welche den
Produktkuchen mit kaminartigen Poren, wie in Abb.5.34c zu sehen, vertikal
durchzieht. Die Ausbildung dieser Kamine erfolgt also mit kristallinen (z.B.
Mannitol), als auch mit amorphen Gerüstbildnern.
Auch die Maltose liegt nach der Gefriertrocknung bekanntlich amorph vor [61].
Die Maltose-Lösung liefert bei allen 3 Einfrierverfahren das gleiche
Erscheinungsbild wie die Saccharose.
Abb.5.35a: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante B
(horizontale Schnittebene).
Abb.5.35b: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der
Variante C (horizontale Schnittebene).

Abb.5.35a-c:
Lichtmikroskopische
Aufnahmen
der
gefriergetrockneten, 2%igen
Maltose-Lösung bei 2,5 -
facher
ßerung. Variante B: 2K/min; Variante C:
Thermal Treatment; Variante G:
vakuum-induziert.
Abb.5.35c: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante G
(horizontale Schnittebene).
Das Einfrieren mit 2K/min (Variante B) erzeugt ein gespinstartiges Netzwerk
mit „Ice ghosts“, die einen Durchmesser von etwa 120µm aufweisen
(Abb.5.35a). Ebenso liefert das Thermal Treatment (Variante C) neben einem
nahezu unveränderten Netzwerk glänzender Maltosefäden und „Ice ghosts“ von
ca. 120µm im Durchmesser langgestreckte Kavitäten, die größere Bereiche des
Produktkuchens in radialer Anordnung durchziehen. Auch hier könnte ein
Kollaps während der Trocknung, oder eine Eiskristallreifung der Grund für das
Auftreten derartiger Kavitäten sein. Wie bei der Saccharose und den
mannitolhaltigen Formulierungen beobachtet man beim vakuum-induzierten
Einfrieren (Variante G) der Maltose-Lösung das Auftreten von
charakteristischen Kaminporen, die das Produkt vertikal durchziehen. Abb5.35c
zeigt diese Spaltstrukturen horizontal angeschnitten mit einer Längsausdehnung
des Querschnitts von mehr als 1mm und einer Breite von ca. 140µm.
Das Einfrieren mit 2K/min erzeugt bei der 2%igen Glycin-Lösung einen
Produktkuchen mit wabenförmig angeordneten „Ice ghosts“ mit einem
Durchmesser von etwa 80µm (Abb.5.36a). Diese Struktur erinnert mehr an die

Morphologie des kristallinen Gerüstbildners Mannitol (Abb.5.32a) und weniger
an die Morphologie der amorphen Saccharose (Abb.5.34a). Ein Einfrieren mit
Thermal Treatment (Variante C) führt nach der Gefriertrocknung zu einer
Matrix, deren „Ice ghosts“ nun auf einem Durchmesser von ca. 120µm
vergrößert sind (Abb.5.36b). Allerdings ist bei der Erwärmung des gefrorenen
Produktes während der thermoanalytischen Untersuchung in Kapitel 5.1.2 kein
Hinweis auf eine Rekristallisation, vergleichbar mit der des Mannitols, zu
finden, welche während des Thermal Treatments stattgefunden haben könnte.
Daraus kann geschlossen werden, daß die Vergrößerung der Poren nicht die
Folge einer Rekristallisation von amorphem Glycin und „non-frozen“ Wasser
ist, sondern vermutlich durch eine Eiskristallreifung im Zuge der erhöhten
Mobilität von Wassermolekülen während der Temperaturbehandlung bedingt ist.
Zudem wurde das Thermal Treatment bei einer Temperatur, die 0,5°C über dem
Schmelzbeginn des Eises liegt, durchgeführt, so daß auch Wasser, das bei
Antauprozessen frei wird, durch Anlagerung an bereits existierende Eiskristalle
zur Vergrößerung von Eiskristallen, und damit der „Ice ghosts“, beitragen
könnte. Bei etwa 90% dieser Lyophilisate wurde jedoch kein intakter
Produktkuchen in Form einer zusammenhängenden Matrix erhalten. Die
entsprechenden Produkte bestehen aus zusammenhaltlosen Glycinnadeln, die ein
pulverförmiges Lyophilisat darstellen. Offenbar wurde durch die Vergrößerung
der Eiskristalle beim Thermal Treatment die mechanische Stabilität der
getrockneten Matrix soweit beeinträchtigt, daß die räumliche Matrixstruktur
während der Trocknung kollabiert ist. Eine blätterteigartige Struktur, die
kaminartig den Produktkuchen in vertikaler Richtung durchzieht, wird wie bei
den anderen untersuchten Gerüstbildnern durch das vakuum-induzierte
Einfrieren (Variante G) erhalten. Abb.5.36c zeigt diese charakteristische
Struktur horizontal angeschnitten mit einer Längsausdehnung der
Spaltenquerschnitte von über 1mm und einer Breite von ca. 120µm.

Abb.5.36a: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante B
(horizontale Schnittebene).
Abb.5.36b: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der
Variante C (horizontale Schnittebene).
Abb.5.36a-c:
ikroskopische Aufnahmen der
gefriergetrockneten, 2%igen Glycin-
Lösung bei 2,5-facher Vergrößerung.
Variante B: 2K/min;
Variante C: Thermal Treatment;
Variante G: vakuum-induziert.
Abb.5.36c: Spaltstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante G
(horizontale Schnittebene).
5.3.1.2 Weitwinkelröntgendiffraktometrie (WAXS)
Im Weitwinkelröntgendiffraktogramm der gefriergetrockneten
Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung (Abb.5.37), die mit 2K/min auf
−40°C eingefroren wurde (Variante B), ist das Beugungsmuster des metastabilen
α-Mannitols mit „strong lines“ z.B. bei 2θ=9.5° und 13.7° [64] zu sehen. Zudem
sind schwache Reflexe bei 2θ=9.7° und 36.1° zu erkennen, bei denen es sich

um geringe Anteile der δ-Modifikation handeln könnte. Charakteristische
Reflexe der Citronensäure können nicht identifiziert werden, was auf ein
amorphes Vorliegen schließen läßt. Nach 4h Thermal Treatment bei −3°C sind
fast keine Reflexe des α-Mannitols und des δ-Mannitols mehr erkennbar
(Abb.5.38), dafür sind aber die Reflexintensitäten von β-Mannitol (z.B. bei
2θ=14.6° und 23,4°) deutlich angestiegen. Folglich läuft die Umwandlung des
Mannitols unter diesen Bedingungen nahezu vollständig ab und es liegt nun
überwiegend β-Mannitol vor. Alle diese Beobachtungen stimmen gut mit den
Ergebnissen aus Kapitel 5.1.6 überein. In Abb.5.39 ist das Beugungsmuster der
Modellformulierung nach vakuum-induziertem Einfrieren gezeigt. Hier sind
neben den Reflexen des α-Mannitols auch deutliche Reflexe des δ-Mannitols,
z.B. bei 2θ=9.7°, 36.1° und 40.4°, zu erkennen. Im Unterschied zur
Einfriervariante B (2K/min) ermöglicht offenbar das vakuum-induzierte
Einfrieren und die langsame Kristallisation bei einer Temperatur, die nahe am
Eischmelzpunkt der Lösung liegt, die Entstehung der im Vergleich zur α-
Modifikation stabileren δ-Modifikation.

Abb.5.37: Weitwinkelröntgendiffraktogramm der Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung
nach Einfrieren mit 2K/min (Variante B) und anschließender
Gefriertrocknung.
Abb.5.38: Weitwinkelröntgendiffraktogramm der Mannitol/Citronensäure-
Modellformulierung
nach Einfrieren mit Thermal Treatment (Variante C)
und
anschließender Gefriertrocknung.

Abb.5.39: Weitwinkelröntgendiffraktogramm der Mannitol/Citronensäure-
Modellformulierung
nach vakuum-induziertem Einfrieren (Variante G)
und
anschließender Gefriertrocknung.
Anders als bei der Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung ist nach dem
Einfrieren der 2%igen Mannitol-Lösung mit 2K/min (Variante B) und
anschließender Gefriertrocknung in Abb.5.40, das Reflexbandenspektrum des
bei Raumtemperatur thermodynamisch stabilen β-Mannitols zu erkennen.
Durch ein Thermal Treatment (Variante C) kommen neue Reflexe zum
Vorschein (z.B. bei 2θ=9.7°, 36.1° und 40.4°), die dem δ-Mannitol zuzuordnen
sind (Abb.5.41). Folglich findet durch die Erwärmung beim Thermal Treatment
eine partielle Umwandlung des stabilen β-Mannitols in das bei Raumtemperatur
weniger stabile δ-Mannitol statt und es liegt nun ein Gemisch aus β- und
δ-Mannitol vor. Das vakuum-induzierte Einfrieren führt bei der Mannitol-
Lösung, wie zuvor beim Einfrieren mit 2K/min, ebenfalls zur Bildung von β-
Mannitol (Abb.5.42). Aufgrund der schwachen Reflexe bei 2θ=9.7° und 36.1°
kann zudem auf geringe Anteile an δ-Mannitol geschlossen werden.

Abb.5.40: Weitwinkelröntgendiffraktogramm von 2%iger Mannitol-Lösung nach
Einfrieren mit 2K/min (Variante B) und Gefriertrocknung.

Abb.5.41: Weitwinkelröntgendiffraktogramm von 2%iger Mannitol-Lösung
nach
Einfrieren mit Thermal Treatment (Variante C) und Gefriertrocknung.

Abb.5.42: Weitwinkelröntgendiffraktogramm von 2%iger Mannitol-Lösung
nach
vakuum-induziertem Einfrieren (Variante G) und Gefriertrocknung.
Der Vergleich der Weitwinkelröntgendiffraktogramme von 2%iger Mannitol-
Lösung mit denen der Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung legt nahe,
daß dem Zusatz von Citronensäure besondere Bedeutung zukommt. Die reine
Mannitol-Lösung in Abwesenheit von Citronensäure bildet bei der
Gefriertrocknung bevorzugt die stabile β-Modifikation aus und wird durch ein
Thermal Treatment teilweise in die bei Raumtemperatur weniger stabile δ-
Modifikation überführt. Bei der Gefriertrocknung von Mannitol-Lösung in
Anwesenheit der Citronensäure werden jedoch bevorzugt die instabile α- und δ-
Modifikation gebildet, und ein Thermal Treatment führt zur Umwandlung in die
stabile β-Modifikation.
Unabhängig von den drei verwendeten Einfrierverfahren liegt Saccharose nach
der Gefriertrocknung immer in der amorphen Form vor. Dieses Ergebnis gründet
in der Eigenschaft von Saccharose beim Einfrieren übersättigte Lösungen zu
bilden, die dann amorph erstarren [2].

Abb.5.43: Weitwinkelröntgendiffraktogramm von 2%iger Saccharose-Lösung nach
Einfrieren mit 2K/min (Variante B) und Gefriertrocknung.

Abb.5.44: Weitwinkelröntgendiffraktogramm von 2%iger Saccharose-Lösung
nach
Einfrieren mit Thermal Treatment (Variante C) und
Gefriertrocknung.
Abb.5.45: Weitwinkelröntgendiffraktogramm von 2%iger Saccharose-Lösung
nach
vakuum-induziertem Einfrieren (Variante G) und
Gefriertrocknung.
Abb.5.43 zeigt das Weitwinkelröntgendiffraktogramm der amorphen,
gefriergetrockneten Saccharose nach Einfrieren mit 2K/min (Variante B). Auch
das Thermal Treatment (Variante C) führt, wie in Abb.5.44 gezeigt, zu keiner
Veränderung am Röntgen-diffraktogramm der Saccharose, die auch hier amorph
vorliegt. Dieses Verhalten ist erwartungsgemäß, da in der DSC-Untersuchung
einer wässrigen Saccharose-Lösung (s.Abb.5.9 und Abb.5.10) ein reversibler
Glasübergang der MFCS (T g ’), jedoch keine Rekristallisation der Saccharose,

eobachtet wird. Das vakuum-induzierte Einfrieren (Variante G) liefert nach
der Gefriertrocknung ebenfalls amorphe Saccharose (Abb.5.45).
Gefriergetrocknete Maltose zeigt das gleiche Erscheinungsbild wie Saccharose
und liegt bei den drei Einfriervarianten B, C und G in der amorphen Form vor.
Abb.5.46 zeigt die amorphe gefriergetrocknete Maltose nach Einfrieren mit
2K/min (Variante B), Abb.5.47 nach Thermal Treatment (Variante C) und
Abb.5.48 nach vakuum-induziertem Einfrieren (Variante G). Maltose, wie auch
Saccharose, neigt zur Bildung übersättigter Lösungen [61] und zeigt in der
thermoanalytischen Untersuchung (s.Abb.5.11 und Abb.5.12) ebenfalls einen
reversiblen Glasübergang der MFCS (T g ’).
Abb.5.46: Weitwinkelröntgendiffraktogramm von 2%iger Maltose-Lösung nach
Einfrieren mit 2K/min (Variante B) und Gefriertrocknung.

Abb.5.47: Weitwinkelröntgendiffraktogramm von 2%iger Maltose-Lösung nach
Einfrieren mit Thermal Treatment (Variante C) und
Gefriertrocknung.

Abb.5.48: Weitwinkelröntgendiffraktogramm von 2%iger Maltose-Lösung nach
vakuum-induziertem Einfrieren (Variante G) und
Gefriertrocknung.
Das Weitwinkelröntgendiffraktogramm von gefriergetrockneter, 2%iger Glycin-
Lösung nach Einfrieren mit 2K/min (Variante B) ist in Abb.5.49 dargestellt und
entspricht dem des kristallinen Glycins in der β-Modifikation [37]. Ein Thermal
Treatment (Variante C) liefert im Vergleich zu Variante B ein leicht verändertes
Bandenspektrum (Abb.5.50) mit einem zusätzlichen schwachen Reflex bei
einem Bragg-Winkel von 2θ= 29.8°, der evtl. von γ-Glycin herrührt. Das
Thermal Treatment über 4h bei –5°C führt bei der Glycin-Lösung vermutlich zur
Entstehung eines Gemisches aus überwiegend β-Glycin und aus sehr geringen
Anteilen an γ-Glycin. Das vakuum-induzierte Einfrieren liefert, wie in Abb.5.51
dargestellt, nach der Gefriertrocknung β-Glycin.
Es läßt sich also beobachten, daß bei den kristallisierenden Gerüstbildnern
Glycin und Mannitol die Erwärmung während des Thermal Treatments in
geringem Umfang zur Bildung einer thermodynamisch weniger stabilen
Modifikation führt. Hingegen führt bei der Mannitol/Citronensäure-
Modellformulierung das Thermal Treatment zur Umwandlung in die bei
Raumtemperatur stabilste Modifikation des Mannitols. Die nach dem Einfrieren
amorph vorliegenden Gerüstbildner Saccharose und Maltose werden vom
Thermal Treatment nicht verändert.

Abb.5.49: Weitwinkelröntgendiffraktogramm von 2%iger Glycin-Lösung nach
Einfrieren mit 2K/min (Variante B) und Gefriertrocknung.
Abb.5.50: Weitwinkelröntgendiffraktogramm von 2%iger Glycin-Lösung nach
Einfrieren mit Thermal Treatment (Variante C) und Gefriertrocknung.

Abb.5.51: Weitwinkelröntgendiffraktogramm von 2%iger Glycin-Lösung nach
vakuum-induziertem Einfrieren (Variante G) und Gefriertrocknung.
5.3.2 Die Restfeuchte in Abhängigkeit vom Einfrierverfahren
Die Untersuchung der Restfeuchte ergibt, wie in Abb.5.52 dargestellt, bei der
gefriergetrockneten
Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung
Feuchtegehalte von ca. 1,9% nach Einfrieren mit 2K/min (Variante B) und
ca. 1,8% nach dem vakuum-induziertem Einfrieren (Variante G). Eine
dramatische Reduzierung der Restfeuchte auf ca. 0,6% wird durch ein
Thermal Treatment (Variante C) bei –3°C über 4h erreicht. Diese Reduktion der
Restfeuchte, die bereits in Kapitel 5.2.2 beschrieben ist, kann über eine
Rekristallisation von „non-frozen“ Wasser, sowie von amorphem Mannitol
während der Temperaturbehandlung erklärt werden.

Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung
2,5
2
Restfeuchte [%]
1,5
1
0,5
0
Variante B Variante C Variante G
Abb.5.52: Restfeuchte einer 2%igen, gefriergetrockneten
Mannitol/Citronensäure-
Modellformulierung bei verschiedenen Einfrierverfahren.
Variante B:
2K/min auf –40°C; Variante C: Thermal Treatment; Variante G:
vakuuminduziertes
Einfrieren (n=5).
Das Einfrieren mit 2K/min führt bei einer 2%igen Mannitol-Lösung zu einer
Restfeuchte von ca. 0,9% und das vakuum-induzierte Einfrieren zu einer
Restfeuchte von ca. 1,4% (Abb.5.53). Die Entfernung der Citronensäure
verbessert also die Trocknung des Produktkuchens. Dies stimmt mit der
röntgengeometrischen Beobachtung bei der Mannitol/Citronensäure-
Modellformulierung in Abb.5.37 überein, die auf ein Vorliegen amorpher
Citronensäure schließen läßt. Bei der Mannitol-Lösung wird die Restfeuchte
durch ein Thermal Treatment auf ca. 0,4% reduziert, was ebenfalls geringer ist

als bei Anwesenheit von Citronensäure. Auch diese Reduktion der Restfeuchte
kann über eine Rekristallisation von „non-frozen“ Wasser während der
Temperaturbehandlung erklärt werden.
2,5
Mannitol 2%
2
Restfeuchte [%]
1,5
1
0,5
0
Variante B Variante C Variante G
Abb.5.53: Restfeuchte einer 2%igen, gefriergetrockneten Mannitol-Lösung
bei
verschiedenen Einfrierverfahren. Variante B: 2K/min auf –40°C;
Variante C: Thermal Treatment; Variante G: vakuum-induziertes
Einfrieren; (n=5).
Die amorphen Gerüstbildner weisen ein völlig anderes Verhalten auf. Abb.5.54
zeigt, daß die Restfeuchte der gefriergetrockneten Saccharose-Lösung durch die
verschiedenen Einfrierverfahren nicht beeinflußt wird. Sowohl bei
Einfriervariante B, Variante C, als auch bei Variante G liegen die ermittelten
Feuchtewerte bei etwa 2%. Gleichermaßen unbeeinflußt durch die
verschiedenen Einfrierverfahren ist auch die Restfeuchte der gefriergetrockneten

Maltose-Lösung (Abb.5.55). Die Restfeuchten liegen bei allen drei
Einfrierverfahren bei ca. 1,5-2%.
2,5
Saccharose 2%
2
Restfeuchte [%]
1,5
1
0,5
0
Variante B Variante C Variante G
Abb.5.54: Restfeuchte einer 2%igen, gefriergetrockneten Saccharose-
Lösung
bei verschiedenen Einfrierverfahren. Variante B: 2K/min auf –
40°C;
Variante C: Thermal Treatment; Variante G: vakuum-induziertes
Einfrieren (n=5).
2,5
Maltose 2%
2
Restfeuchte [%]
1,5
1
0,5
0
Variante B Variante C Variante G

Abb.5.55: Restfeuchte einer 2%igen, gefriergetrockneten Maltose-Lösung
bei
verschiedenen Einfrierverfahren. Variante B: 2K/min auf –40°C;
Variante C: Thermal Treatment; Variante G: vakuum-induziertes
Einfrieren (n=5).
Saccharose und Maltose liegen, wie in Kapitel 5.3.1.2 bereits gezeigt, bei allen
untersuchten Einfriervarianten amorph vor und liefern auch bei den
thermoanalytischen Untersuchungen in Kapitel 5.1.2 keinen Hinweis auf eine
Rekristallisation während Aufheizung der gefrorenen Proben. Folglich kann
weder das Thermal Treatment, noch das vakuum-induzierte Einfrieren Einfluß
auf die Restfeuchte am Ende der Gefriertrocknung nehmen.
Bei den Lyophilisaten der Glycin-Lösung liegt die Restfeuchte nach Einfrieren
mit 2K/min (Variante B) bei etwa 1,9% und nach dem vakuum-induzierten
Einfrieren (Variante G) bei etwa 2,2% (Abb.5.56). Das Thermal Treatment
(Variante C) führt zu einer Reduktion der Restfeuchte auf ca. 1,2%, jedoch mit
sehr großen Schwankungen bei den untersuchten Proben. Vermutlich ist hier der
Verlust der Gerüststruktur während der Haupttrocknung, welcher in Kapitel
5.3.1.1 beschrieben wird, der Grund für die Inhomogenität bezüglich
Restfeuchte innerhalb der Charge. Eine nachträgliche Kristallisation von „nonfrozen“
Wasser während des Thermal Treatments ist nicht zuletzt wegen des
Ergebnisses der thermoanalytischen Untersuchung in Kapitel 5.1.2, die keinen
Hinweis auf eine Rekristallisation bei der Aufheizung des gefrorenen Produktes
liefert, unwahrscheinlich.

Glycin 2%
2,5
2
Restfeuchte [%]
1,5
1
0,5
0
Variante B Variante C Variante G
Abb.5.56: Restfeuchte einer 2%igen, gefriergetrockneten Glycin-Lösung
bei
verschiedenen Einfrierverfahren. Variante B: 2K/min auf –40°C;
Variante C: Thermal Treatment; Variante G: vakuum-induziertes
Einfrieren (n=5).
5.3.3 Die Trocknungszeit in Abhängigkeit vom Einfrierverfahren
Für die Bestimmung des Einflusses der 3 ausgewählten Einfrierverfahren auf die
Trocknungszeit (Sublimationsdauer) wird die in Kapitel 4 beschriebene
komparative Druckmessung benutzt.

1200
Variante B Variante C Variante G
1000
Trocknungszeit [min]
800
600
400
200
0
Modellformulierung Mannitol 2% Saccharose 2% Maltose 2% Glycin 2%
Abb.5.57: Trocknungszeiten diverser Formulierungen bei verschiedenen Einfriervarianten:
Variante B: Einfrieren mit 2K/min; Variante C: Thermal
Treatment; Variante G: vakuum-induziertes Einfrieren
In Abb.5.57 ist eindeutig zu sehen, daß das vakuum-induzierte Einfrieren
(Variante G) bei jeder Formulierung die kürzeste Trocknungszeit aufweist. Die
jeweils längsten Trocknungszeiten sind beim Einfrieren mit 2K/min (Variante
B) zu beobachten. Trocknungszeiten, die zwischen den Werten dieser beiden
Verfahren liegen, werden durch das Einfrieren mit Thermal Treatment
(Variante C) erreicht. Die Trocknungszeiten nehmen in Abhängigkeit des
Einfrierverfahrens von Variante B über C nach G jeweils um ca. 100-
200min ab. Dies korreliert mit der in 5.3.1 beobachteten Größenveränderung der
„Ice ghosts“, welche durch das Thermal Treatment im Vergleich zum Einfrieren
mit 2K/min etwas vergrößert erscheinen. Die größten Kavitäten werden durch
das vakuum-induzierte Einfrieren erzeugt und weisen damit die geringste
Impedanz für den in der Haupttrocknung entweichenden Wasserdampf auf, was
wiederum die Sublimationsdauer verkürzt [13]. Die Trocknungszeit der Glycin-

Lösung nach Thermal Treatment wurde mit 782min ermittelt und ist damit fast
ebenso kurz wie die Trocknungszeit nach vakuum-induziertem Einfrieren,
welche mit 776min bestimmt wurde. Neben der in Kapitel 5.3.1.1 beobachteten
Vergrößerung der „Ice ghosts“ könnte hier auch der Strukturkollaps der Matrix
während der Haupttrocknung zu einem reduzierten Widerstand für den
entweichenden Wasserdampfstrom geführt haben, was sich wiederum
verkürzend auf die Sublimationsdauer auswirkt. Von Relevanz ist auch die
Beobachtung, daß die amorphen Gerüstbildner tendenziell kürzere
Trocknungszeiten als die kristallinen Gerüstbildner aufweisen.
5.3.4 Die Auflösegeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Einfrierverfahren
In Tab.4 ist das Rekonstitutionsverhalten der Lyophilisate nach der Gefriertrocknung
dargestellt.
Einfrierverfahreformulierung
Modell-
Mannitol 2% Saccharose 2% Maltose 2% Glycin 2%
(Variante B) ++ ++ +++ ++ ++
(Variante C) + + +++ +++ ++
(Variante G) +++ ++ +++ +++ ++
Tab.4: Rekonstitutionsverhalten der Lyophilisate: Die Auflösegeschwindigkeit wurde
wie folgt beurteilt: +++ spontan löslich; ++ innerhalb von 5sec löslich;
+ innerhalb von 10sec löslich. Variante B: Einfrieren mit 2K/min;
Variante C: Thermal Treatment; Variante G: vakuum-induziertes Einfrieren.
Alle Lyophilisate zeigen bei der Rekonstitution ein gutes Lösungsverhalten und
sind innerhalb von maximal 10sec unter vorsichtigem Umdrehen der Vials

löslich. Ein spontanes Lösungsverhalten zeigen Saccharose und Maltose. Dies
ist offenbar darauf zurückzuführen, daß diese beiden Gerüstbildner nach der
Gefriertrocknung amorph vorliegen. Bekanntermaßen weisen amorphe
Substanzen meist eine höhere Lösungsgeschwindigkeit als kristalline Stoffe auf
[36]. Am langsamsten lösen sich die gefriergetrocknete Modellformulierung und
die Mannitol-Lösung nach Einfrieren mit Thermal Treatment (Variante C) auf,
wobei Auflösezeiten von bis zu 10sec benötigt werden. Dies ist u.U. eine Folge
der Rekristallisation von amorphen Mannitol und der in Kapitel 5.3.1.2
beobachteten Modifikationsumwandlung.
Ν weiter zu Kapitel 5.4 und 5.5: Kombiniertes Einfrierverfahren
5.4 Kombiniertes Einfrierverfahren von vakuum-induziertem Einfrieren
und Thermal Treatment
Es stellt sich nun die Frage, ob die Entstehung einer weitlumigen
Kaminporenstruktur mittels vakuum-induzierten Einfrieren (Variante G) mit der
bei mannitolhaltigen Lyophilisaten beobachteten Restfeuchtereduktion durch
Thermal Treatment (Variante C) in einem innovativen Einfrierzyklus
kombiniert werden können. Dies hat vor allem
zum Ziel, die
Gesamttrocknungszeit deutlich zu verkürzen. Das kombinierte Verfahren
(Variante G+C) wird am Beispiel einer 2%igen Mannitol-Lösung und der
Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung untersucht.
5.4.1 Untersuchung der Morphologie
5.4.1.1 Auflichtmikroskopie

Das vakuum-induzierte Einfrieren mit nachfolgendem Thermal Treatment
(Variante G+C) erzeugt bei der 2%igen Mannitol-Lösung eine netzwerkartige
Hohlporenstruktur, in Gestalt eines Nadelfilzes mit einem Porendurchmesser
von ca. 150µm (Abb.5.58a). Neben der Hohlporenstruktur wird hauptsächlich
die für das vakuum-induzierte Einfrieren charakteristische Kaminporenstruktur
beobachtet, die den Produktkuchen in vertikaler Richtung durchzieht
(Abb.5.58b). Die Kavitäten besitzen einen länglichen Querschnitt mit einer
Längsausdehnung von bis zu 1mm und weisen das typische Erscheinungsbild
des vakuum-induzierten Einfrierens ohne Thermal Treatment (Variante G) auf,
welches für Mannitol bereits in Abb.5.32c zu sehen ist. In Abb.5.58c ist gezeigt,
wie die kaminartig angelegten Poren den Produktkuchen in vertikaler Richtung
durchziehen. In Abb.5.58d ist die Unterseite der Oberflächenschicht des
Produktkuchens dargestellt. Besonders gut erkennbar sind hier die länglichen
Abdrücke, die die großgewachsenen Eiskristalle in der Matrix hinterlassen
haben.
Abb.5.58a: Porenstruktur des Lyophilisat- Abb.5.58b: Spaltstruktur des Lyophili-

kuchens nach Einfrieren der Variante
G+C (horizontale Schnittebene).
satkuchens nach Einfrieren der
Variante G+C (horizontale
Schnittebene).
Abb.5.58c: Spaltstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante
G+C (tangentiale Schnittebene).
Abb.5.58d: Unterseite der Oberflächenschicht
nach Einfrieren der Variante
G+C.
Abb.5.58a-d:
Lichtmikroskopische Aufnahmen der gefriergetrockneten, 2%igen Mannitol-Lösung bei
2,5-facher Vergrößerung. Variante G+C: vakuum-induziertes Einfrieren kombiniert mit
Thermal Treatment.
Abb.5.59a zeigt die innere Porenstruktur der gefriergetrockneten
Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung. Wie bei der Mannitol-Lösung
erzeugt das vakuum-induzierte Einfrieren mit einem nachfolgendem Thermal
Treatment (Variante G+C) eine poröse, netzwerkartige Matrix mit wabenförmig
angelegten Hohlporen, die einen Durchmesser von ca. 150µm aufweisen. Diese
Porengröße entspricht dem in Kapitel 5.2.1 ermittelten Porendurchmesser für
das vakuum-induzierte Einfrieren (Variante G). Zum anderen ist wie bei der
Mannitol-Lösung die für das vakuum-induzierte Einfrieren charakteristische

Kaminporenstruktur mit langgestreckten, vertikalen Spalten erkennbar, die in
Abb.5.59b horizontal angeschnitten zu sehen ist.
Abb.5.59a: Porenstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante
G+C (horizontale Schnittebene).
Abb.5.59b: Spaltstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante
G+C (horizontale Schnittebene).
Abb.5.59c: Spaltstruktur des Lyophilisatkuchens
nach Einfrieren der Variante
G+C (tangentiale Schnittebene).
Abb.5.59a-c:
Lichtmikroskopische Aufnahmen der
gefriergetrockneten, mannitolhaltigen
Modellformulierung bei
2,5-facher Vergrößerung.
Variante G+C: vakuum-induziertes
Einfrieren kombiniert mit Thermal
Treatment.
Diese kaminartigen Spalten besitzen einen elliptischen Querschnitt mit einer
maximalen Längsausdehnung von bis zu 1mm und durchziehen, wie in
Abb.5.59c dargestellt, weite Bereiche des Produktkuchens in vertikaler
Richtung. Folglich wird die durch das vakuum-induzierte Einfrieren erzeugte

Struktur nicht weiter durch das nachfolgende Thermal Treatment verändert und
es findet auch keine weitere Vergrößerung der Poren mehr statt.
5.4.1.2 Weitwinkelröntgendiffraktometrie (WAXS)
Bei der gefriergetrockneten Mannitol-Lösung liegt nach vakuum-induziertem
Einfrieren, kombiniert mit einem anschließendem Thermal Treatment (Variante
G+C) das Mannitol teils in der β-Modifikation, was an den Reflexen z.B. bei
2θ=14.6° und 29.5° zu erkennen ist, und teils in der δ-Modifikation mit
Reflexen z.B. bei 2θ=9.7° und 36.2° vor (Abb.5.60).
Abb.5.60: Weitwinkelröntgendiffraktogramm der gefriergetrockneten, 2%igen
Mannitol-Lösung nach vakuum-induziertem Einfrieren mit anschließendem
Thermal Treatment (Variante G+C).

Ein vergleichbares Bandenspektrum liefert die mannitolhaltige
Modellformulierung nach dem kombinierten Einfrierverfahren. Auch in
Abb.5.61 sind deutlich die Reflexbanden des β-Mannitols, z.B. bei
2θ=14.6° und 29.5°, sowie des δ-Mannitols, z.B. bei 2θ=9.7° und 36.2°,
erkennbar. Also liegen auch hier beide Modifikationen nebeneinander vor.
Abb.5.61: Weitwinkelröntgendiffraktogramm der gefriergetrockneten Mannitol/
Citronensäure-Modellformulierung nach vakuum-induziertem Ein-frieren mit
anschließendem Thermal Treatment (Variante G+C).
Ein Vergleich der Ergebnisse aus Abb.5.60 mit Abb.5.41 ergibt, daß im Falle
einer reinen Mannitol-Formulierung das Thermal Treatment auch nach dem
vakuum-induzierten Einfrieren partiell zur Bildung des bei Raumtemperatur
weniger stabilen δ-Mannitols führt und nach der Gefriertrocknung ein Gemisch
aus β- und δ-Mannitol vorliegt. Bei der Mannitol/Citronensäure-
Modellformulierung, die nach vakuum-induziertem Einfrieren überwiegend als
α-Mannitol mit vermutlich geringen Anteilen an δ-Mannitol vorliegt

(s.Abb.5.39) und durch das Thermal Treatment in die bei Raumtemperatur
stabile β-Modifikation umgewandelt wird, ist jedoch zu erkennen, daß
diese Umwandlung unvollständig ist und noch δ-Mannitol neben dem β-
Mannitol vorliegt. Offenbar ist beim kombinierten Einfrierverfahren (Variante
G+C) die Zeitdauer von 4h für die vollständige Modifikationsumwandlung
während des Thermal Treatments nicht ausreichend.
5.4.2 Bestimmung der Restfeuchte
In Abb.5.62 sind die Ergebnisse der Restfeuchtebestimmung der
gefriergetrockneten, 2%igen Mannitol-Lösung und der Modellformulierung
aufgeführt.
2,5
Mannitol 2%
Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung
2
Restfeuchte [%]
1,5
1
0,5
0
Variante B Variante C Variante G Variante G + C
Abb.5.62: Restfeuchten der 2%igen Mannitol-Lösung und der Mannitol/ Citronensäure-
Modellformulierung bei verschiedenen Einfrierverfahren, (n=5). Variante B:
Einfrieren mit 2K/min; Variante C: Thermal Treatment; Variante G: vakuuminduziertes
Einfrieren; Variante G+C: vakuum-induziertes Einfrieren mit
nachfolgendem Thermal Treatment.

Bei der Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung führt das Einfrieren mit
2K/min (Variante B) und das vakuum-induzierte Einfrieren (Variante G), wie
aus Kapitel 5.3.2 bereits bekannt, zu Feuchtegehalten von ca. 2%. Ein Thermal
Treatment (Variante C) reduziert offenbar durch die nachträgliche
Rekristallisation von „non-frozen“ Wasser und amorphem Mannitol die
Restfeuchte auf ca. 0,6%. Die Kombination von vakuum-induziertem Einfrieren
und Thermal Treatment (Variante G+C) führt bei der Modellformulierung
ebenfalls zu einer Reduzierung der Restfeuchte auf ca. 0,8%. Bei der Mannitol-
Lösung wird gleichfalls eine deutliche Reduktion der Restfeuchte durch das
Thermal Treatment auf ca. 0,4%, sowie durch das kombinierte Verfahren
(Variante G+C) auf nur 0,2% beobachtet, obgleich bei der Bestimmung der
Porengröße in Kapitel 5.4.1.1 weder bei der Mannitol-Lösung, noch bei der
Modellformulierung eine Vergrößerung der Poren beobachtet wird. Folglich
können die beim vakuum-induzierten Einfrieren erhaltenen Anteile an „nonfrozen“
Wasser durch ein anschließendes Thermal Treatment soweit reduziert
werden, daß eine Trocknung auf niedrige Feuchtegehalte möglich ist und evtl.
auf eine Nachtrocknung verzichtet werden könnte. Die Zeitdauer für das
Thermal Treatment von 4h ist hierbei ausreichend, um die gewünschte
Reduzierung der Restfeuchte zu gewährleisten.
5.4.3 Bestimmung der Trocknungszeit
In Abb.5.63 sind die Trocknungszeiten der Mannitol-Lösung und der Mannitol/
Citronensäure-Modellformulierung in Abhängigkeit des Einfrierverfahrens
dargestellt.

1200
Mannitol 2%
Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung
1000
Trocknungszeit [min]
800
600
400
200
0
Variante B Variante C Variante G Variante G + C
Abb.5.63: Trocknungszeiten der 2%igen Mannitol-Lösung und der Mannitol/
Citronensäure-Modellformulierung bei verschiedenen Einfrierverfahren. Variante B:
Einfrieren mit 2K/min; Variante C: Thermal Treatment; Variante G: vakuuminduziertes
Einfrieren; Variante G+C: vakuum-induziertes Einfrieren mit
nachfolgendem Thermal Treatment.
Die Sublimationsdauer ist, wie schon in Abb.5.37 gezeigt, beim Einfrieren mit
2K/min (Variante B) am größten und nimmt durch das Thermal Treatment
(Variante C), vor allem aber durch das vakuum-induzierte Einfrieren (Variante
G), deutlich ab. Wird an das vakuum-induzierte Einfrieren noch ein Thermal
Treatment angeschlossen (Variante G+C), so wird die Sublimationsdauer
dadurch nicht mehr weiter verkürzt. Dies korreliert mit der Beobachtung der
Porengrößen in Kapitel 5.4.1.1, die durch die Kombination beider
Einfrierverfahren im Vergleich zum vakuum-induzierten Einfrieren allein nicht
weiter vergrößert erscheinen. Zwar wird die Trocknungszeit durch das
kombinierte Einfrierverfahren nicht weiter verkürzt, dennoch besteht die
Möglichkeit, daß ein derart eingefrorener Produktkuchen unter wesentlich
drastischeren Bedingungen in der Haupttrocknung ohne Beschädigungen auf

sehr niedrige Restfeuchten getrocknet werden kann. Dies wird exemplarisch im
folgenden Kapitel 5.5 untersucht.
5.4.4 Bestimmung der Auflösegeschwindigkeit
In Tab.5 ist das Rekonstitutionsverhalten der gefriergetrockneten Mannitol-
Lösung und der Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung dargestellt.
Einfrierverfahren
(Variante B) (Variante C) (Variante G) (Variante C + G)
Modellformulierung
++ + +++ ++
Mannitol 2% ++ + ++ ++
Tab.5: Rekonstitutionsverhalten der Lyophilisate: Die Auflösegeschwindigkeit wurde
wie folgt beurteilt: +++ spontan löslich; ++ innerhalb von 5sec löslich;
+ innerhalb von 10sec löslich. Variante B: Einfrieren mit 2K/min;
Variante C: Thermal Treatment; Variante G: vakuum-induziertes Einfrieren;
Variante G+C: vakuum-induziertes Einfrieren mit nachfolgendem Thermal
Treatment.
Neben den bereits in Tab.4 gezeigten Ergebnissen zur Auflösegeschwindigkeit
bei Verwendung ausgewählter Einfrierverfahren, wird beim vakuum-induzierten
Einfrieren mit anschließendem Thermal Treatment (Variante G+C) ein
Lyophilisat erhalten, das sich innerhalb von 5sec rekonstituieren läßt. Das
Thermal Treatment (Variante C), das eine Verringerung der
Auflösegeschwindigkeit zur Folge hat und Rekonstitutionszeiten bis zu 10sec
verursacht, zeigt aber diesen Effekt bei der Kombination von vakuum-

induziertem Einfrieren und Thermal Treatment nicht.
5.5 Anwendung des kombinierten Einfrierverfahrens von vakuum-induziertem
Einfrieren und Thermal Treatment auf einen Trocknungszyklus
Das kombinierte Verfahren von vakuum-induziertem Einfrieren mit einem
Thermal Treatment (Variante G+C) führt also eindeutig zu einer Verkürzung der
Trocknungszeiten und einer Reduzierung der Restfeuchte bei mannitolhaltigen
Lyophilisaten. Am Beispiel der Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung
und einer 2%igen Mannitol-Lösung wird nun eine Gefriertrocknung mit diesem
innovativen Einfrierverfahren durchgeführt. Die hierfür gewählten Parameter für
die Haupttrocknung sind extrem: +60°C und 1,6mbar sollten eine möglichst
rasche Sublimation ermöglichen.
Der Trocknungsverlauf ist in Abb.5.64 dargestellt. Am Beginn des
Trocknungszyklus ist die kurzzeitige Evakuierung auf 1mbar mit anschließender
Eiskristallisation der partiell eingefrorenen Modellformulierung bei einer
Stellplattentemperatur von –7,5°C zu erkennen. Am Ende der einstündigen
Kristallisationsphase erreicht die Produkttemperatur die Stellplattentemperatur,
und die Eiskristallisation ist abgeschlossen. Danach wird das Produkt zum Start
des Thermal Treatments weiter auf –40°C abgekühlt. Wie aus der
thermoanalytischen Untersuchung in 5.1.2 bekannt ist, muß vor dem Thermal
Treatment eine Einfriertemperatur erreicht sein, die unterhalb der T g ’ der MFCS,
d.h. unter –36°C, liegt. Anschließend findet das Thermal Treatment über 4h bei
–3°C statt.

70
1,00E+03
Temperatur [°C]
60
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
(A)
(B)
(C)
(D)
1,00E+02
1,00E+01
1,00E+00
1,00E-01
Kammerdruck [mbar]
-40
-50
1,00E-02
0 100 200 300 400 500 600 700
Zeit [min]
Plattentemperatur (A)
Druck [Pirani-Röhre] (C)
Produkttemperatur unten (B)
Druck [Kapazitätsmanometer] (D)
Abb.5.64: Verlauf einer Gefriertrocknung der Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung
mit dem innovativen vakuum-induzierten Einfrieren, kombiniert mit
einem Thermal Treatment.
Während der Sublimationsphase, die in Abb.5.65 nochmals vergrößert
dargestellt ist, erwärmt sich das Produkt am Vialboden auf eine Temperatur von
–7°C, die sehr nahe am Schmelzpunkt des Eises (–3,5°C) liegt, bevor die
Sublimationsfront den Vialboden erreicht und dort zu einer kurzzeitigen
Temperaturabsenkung führt. Daraus kann abgelesen werden, daß der Druck und
die Temperatur während der Haupttrocknung nicht weiter erhöht werden
können, ohne das Produkt durch einen Kollaps, bzw. ein Auftauen zu gefährden
[19]. Wie aus der komparativen Druckmessung erkennbar, ist die
Sublimationsphase bereits nach 220min beendet, und die Pirani-Röhre zeigt,

nachdem kein Wasserdampf mehr das Produkt verläßt, wieder den gleichen
Druckwert an wie das Kapazitätsmanometer. Die Produktkuchen der
Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung weisen sehr niedrige
Restfeuchtegehalte von ca. 0,2% auf und zeigen keine Auffälligkeiten, wie
Kollaps oder mechanische Beschädigung der Gerüststruktur. Durch eine derart
kurze Haupttrocknung wird eine Gesamtprozeßzeit realisiert, die nur etwa 11,5h
beträgt.
70
60
(A)
1,00E+03
50
40
(B)
1,00E+02
Temperatur [°C]
30
20
10
0
-10
-20
-30
(C)
(D)
1,00E+01
1,00E+00
1,00E-01
Kammerdruck [mbar]
-40
-50
1,00E-02
400 450 500 550 600 650 700
Zeit [min]
Plattentemperatur (A)
Druck [Pirani-Röhre] (C)
Produkttemperatur unten (B)
Druck [Kapazitätsmanometer] (D)
Abb.5.65: Verlauf einer Haupttrocknung der Mannitol/Citronensäure-
Modell-formulierung nach dem innovativen, vakuuminduzierten
Einfrieren, kombiniert mit einem Thermal
Treatment (Ausschnitt aus Abb.5.64).
Der Trocknungsverlauf einer 2%igen Mannitol-Lösung (ohne Abb.) ist
vergleichbar mit dem der Modellformulierung und liefert innerhalb einer

Gesamtprozeßzeit von etwa 11,5h Produktkuchen mit einer Restfeuchte von
ebenfalls ca. 0,2% und ohne Auffälligkeiten wie Kollaps oder mechanische
Beschädigung der Gerüststruktur.
Die Zykluszeit von ca. 11,5h ist für einen Gefriertrocknungsprozeß
ausgesprochen kurz [7a], und somit ist das innovative vakuum-induzierte
Einfrieren kombiniert mit einem Thermal Treatment geeignet, die Trocknung
der mannitolhaltigen Formulierungen deutlich wirtschaftlicher zu gestalten.
Ν
weiter zu Kapitel 6: Schlußbetrachtung
Kapitel 6
Schlußbetrachtung
Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit einem innovativen Einfrierverfahren zur Minimierung
der Prozeßzeit von Gefriertrocknungszyklen. Speziell wird der Einfluß des Einfrierverfahrens
auf die Morphologie, Restfeuchte und Trocknungszeit von Lyophilisaten untersucht, unter
besonderer Berücksichtigung des „Thermal Treatment“-Verfahrens [7a,18,45,53,58] und des
neuen „vakuum-induzierten“ Einfrierens.
Nachteile des konventionellen Gefriertrocknungsverfahrens sind die hohen Labor- und
Betriebskosten, die durch die meist langen Prozeßzeiten verursacht werden [7g,10,33,55].
Alternative Trocknungsverfahren mit einem meist günstigeren Kostenprofil sind z.B. die
Vakuumtrocknung oder die Sprühtrocknung, welche aber nicht universell einsetzbar sind. Ein
anderer Gesichtspunkt, der sich beim Einfrieren nachteilig auswirken kann, ist das Phänomen
der Unterkühlung [6,14,25,43], die eine schnelle Eiskristallisation und Erstarren des
Produktes zur Folge hat [13], welches vom Anwender durch äußere Temperatur-einprägung
kaum zu kontrollieren ist. Somit entstehen Produkte, die im gefrorenen Zustand kleine
Eiskristalle enthalten, welche in der Primärtrocknung kleine Poren („Ice ghosts“ [33])
hinterlassen. Diese feinporigen Matrizes stellen dann in der Haupttrocknung für den
entweichenden Wasserdampfstrom einen limitierenden Widerstand dar [13,49]. Zudem

können die gelösten Feststoffe beim Einfrieren teilweise oder vollständig amorph erstarren
und größere Mengen an „non-frozen“ Wasser in der Glasphase einschließen [7a,23,43].
Derartig erstarrte Produkte können nur unter streng kontrollierten Bedingungen getrocknet
werden und verursachen lange Trocknungszeiten [2,49]. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei
der großtechnischen Herstellung von Lyophilisaten ist die Prozeßkontrolle und insbesondere
die Endpunktsbestimmung von Gefriertrocknungszyklen, da die Restfeuchte in der Regel ein
entscheidendes Qualitätskriterium darstellt [39].
Bei der komparativen Druckmessung wird durch die Detektion von
Wasserdampf in der Kammeratmosphäre der Endpunkt der Haupttrocknung
bestimmt [2,6]. Diese barometrische Endpunktsdetektion nutzt zum einen eine
Pirani-Röhre, welche den Druck über die Wärmeleitfähigkeit der jeweiligen
Gase in der Trocknungskammer bestimmt und zum anderen ein
Kapazitätsmanometer, das unabhängig von der Atmosphärenkomposition den
Druck mißt. In der Primärtrocknung gibt es eine Beeinflussung der auf
Stickstoff kalibrierten Pirani-Röhre durch Wasserdampf hin zu höheren
Meßwerten. Diese Abweichung der Meßwerte, die sowohl bei einer im
Gleichgewicht mit Eis befindlichen, wasserdampfhaltigen Atmosphäre, als auch
während einer laufenden Gefriertrocknung (pseudo steady state) auftritt,
resultiert aus der fast doppelt so hohen spezifischen Wärmekapazität (c v ) des
Wasserdampfes gegenüber Stickstoff [67]. Folglich bedeutet dies für
Gefriertrocknungsanlagen, deren Kammerdruck nach der Pirani-Röhre geregelt
wird, daß mit Beginn der Sublimation eine negative Meßwertabweichung des
Kapazitäts-manometers von der Pirani-Röhre auftritt, und daß während der
Sublimationsphase ein nicht ganz korrekter Kammerdruck eingestellt wird. Die
beobachteten Meßwertabweichungen sind dabei so groß, daß im untersuchten
Meßbereich das Auftreten von Wasserdampf sicher detektiert werden kann. Am
Ende der Sublimationsphase, wenn kein Wasserdampf mehr aus dem Produkt
entweicht, zeigt ein Meßwertanstieg beim Kapazitätsmanometer und eine
erneute Meßwertübereinstimmung mit der Pirani-Röhre das Ende der
Haupttrocknung an. Die Sensitivität der barometrischen Endpunktsdetektion ist
so groß, daß ein Einsatz sowohl im Labor-, als auch im Produktionsmaßstab

möglich ist und in der vorliegenden Arbeit für die Bestimmung von
Trocknungszeiten genutzt wird. Ein Vorteil der komparativen Druckmessung ist,
daß sie berührungsfrei arbeitet und dabei die Gesamtheit aller Vials im
Gefriertrockner betrachtet. Die direkte Detektion des entweichenden
Wasserdampfes scheint somit ein besserer Indikator für das Trocknungsende zu
sein als z.B. die Messung der Produkttemperatur mittels Temperaturfühler. Das
manuelle Einbringen von Produktfühlern stellt zudem in der aseptischen
Produktion ein Kontaminationsrisiko dar und ermöglicht nur eine
stichprobenartige Messung in einzelnen Vials, die zusätzlich durch die
Positionierung der Temperaturfühler im Produkt beeinflußt ist [13]. Ein weiteres
Verfahren zur Endpunktsdetektion, der Druckanstiegstest, überprüft zu
festgelegten Zeitpunkten die Beendigung der Trocknung und muß im Falle
eines Nichtbestehens wiederholt
werden [2,6]. Dabei kann der
Druckanstieg im Falle eines unvollständig getrockneten Produktes zur
Erwärmung und damit möglicherweise zum Kollaps oder Auftauen führen
[6]. Die komparative Druckmessung erlaubt hingegen eine kontinuierliche
Beobachtung der Sublimationphase, ohne das Produkt zu beeinflussen.
Der wesentliche Teil dieser Arbeit besteht darin, den Einfluß des Einfrierverfahrens auf die
Morphologie, Restfeuchte und Trocknungszeit von Lyophilisaten zu ermitteln. Die
entscheidenden Einflußfaktoren beim Einfrieren sind die Abkühlrate und das Auftreten von
Unterkühlung. Wie bereits aus der Literatur bekannt, werden mit steigender Abkühlrate
immer kleinere Eiskristalle erhalten, die entsprechend kleine Kavitäten („Ice ghosts“) im
getrockneten Produkt hinterlassen [7a]. Da die Poren in der getrockneten Matrix einen
limitierenden Engpaß für den in der Haupttrocknung entweichenden Wasserdampf darstellen,
werden mit sinkendem Porendurchmesser erwartungsgemäß immer längere Trocknungszeiten
beobachtet, was ebenfalls aus der Literatur bekannt ist [13,49]. Entscheidend für die
Porengröße ist aber nicht allein die Abkühlrate, sondern auch das Auftreten von
Unterkühlung, welche die Geschwindigkeit der Eiskristallisation determiniert [6,7a,14]. Die
Unterkühlung führt auch bei einer geringen Abkühlrate nach Einsetzen der Nukleation zu
einer schnellen Eiskristallisation, die lediglich das Wachstum tendenziell kleiner Eiskristalle
erlaubt. Wird jedoch die Unterkühlung vermieden, so kann eine langsame, über die
Plattentemperatur kontrollierte Eiskristallisation durchgeführt und so ein extensives

Eiskristallwachstum ermöglicht werden. Eine Nukleation nahe am Gefrierpunkt der Lösung
kann durch eine Ultraschallbehandlung oder durch das innovative, vakuum-induzierte
Einfrieren, welches Impfkristalle in der Lösung erzeugt, initiiert werden. Die so erzeugten
Lyophilisate zeichnen sich durch große Kavitäten und durch eine charakteristische Struktur
kaminartiger Kavitäten mit elliptischem Querschnitt aus, die den Produktkuchen in vertikaler
Richtung durchzieht und teilweise in ihrer Ausprägung an einen Blätterteig erinnert.
Aufgrund der großen Porendurchmesser weisen derartige Lyophilisate auch die kürzesten
Trocknungszeiten auf [13]. Außerdem wird beobachtet, daß neben der Porengröße auch die
Restfeuchten der untersuchten mannitolhaltigen Formulierungen von der Abkühlrate
beeinflußt werden. Je größer die Abkühlgeschwindigkeit, desto niedriger ist die beobachtete
Restfeuchte der Lyophilisate. Dies hängt offenbar mit einer unvoll-ständigen, nicht perfekten
Kristallisation des Mannitols bei hohen Abkühlraten zusammen, die zu Gitterfehlstellen in
den Mannitolkristallen führt, von denen dann bevorzugt eine Rekristallisation des amorphen
Mannitols und von „non-frozen“ Wasser während der Haupttrocknung ausgeht [3,4]. Analog
zur Reduzierung der Restfeuchte tritt bei einer 5%igen Mannitol-Lösung auch das Phänomen
des Glasbruches auf, das die Folge einer Expansion des Produktkuchens infolge der
Rekristallisation ist. Das Ausmaß an Glasbruch wird dabei mit steigender Abkühlrate
mengenmäßig verstärkt beobachtet. Da bei der Mannitol/Citronensäure-Modellformulierung
kein Glasbruch auftritt, ist die bei der Gefriertrocknung amorph anfallende Citronensäure
offensichtlich ein geeigneter Hilfsstoff, um beschädigte Vials bei der Herstellung zu
vermeiden. Sehr ausgeprägt wird das Phänomen des Glasbruches auch dann beobachtet, wenn
durch ein Thermal Treatment gezielt die Rekristallisation im gefrorenen Produkt
herbeigeführt wird. Bei den mannitolhaltigen Formulierungen zeigt das Thermal Treatment
außerdem einen deutlichen Einfluß auf die Restfeuchte und Porengröße der Lyophilisate. Bei
Erwärmung der gefrorenen Produkte über die T g ’ der MFCS von −36°C kommt es zu einer
eruptiven Rekristallisation von amorphen Anteilen des Mannitols und von „non-frozen“
Wasser bei T rc = −25,5°C, was gut mit den Werten aus der Literatur übereinstimmt [16]. Mit
der Rekristallisation ist offensichtlich nicht nur eine Verringerung der Anteile an „nonfrozen“
Wasser verbunden, sondern auch die simultane Vergrößerung der Eiskristalle,
wodurch die Restfeuchten der Lyophilisate verringert und die Porendurchmesser vergrößert
werden. Es zeigt sich, daß die Vergrößerung der Poren, die Abnahme der Restfeuchte und
damit die Verkürzung der Trocknungszeit erwartungsgemäß mit steigender
Behandlungstemperatur immer schneller ablaufen. Deshalb ist es naheliegend für das Thermal
Treatment eine möglichst hohe Behandlungstemperatur zu wählen, die im Falle der
vorliegenden Arbeit 0,5°C über dem Schmelzbeginn des Eises der betreffenden Formulierung
liegt. Ein Problem, daß sich jedoch aus einer derart hohen Behandlungstemperatur ergeben

kann ist, daß bei Plattentemperaturschwankungen von ±2°C für einen Teil der Charge die
vorgesehene Behandlungszeit nicht ausreichend ist und ein anderer Teil sich soweit erwärmt,
daß das Produkt vollständig durchschmilzt. Folglich besteht die Gefahr von Inhomogenitäten
bezüglich der Morphologie der Produkte. Von Vorteil ist aber, daß aufgrund der erhöhten
Kristallinität der Produkte und der größeren Porendurchmesser eine schnellere Trocknung bei
höheren Temperaturen durchführbar ist. Keinen Einfluß auf die Restfeuchte und Kristallinität
hat das Thermal Treatment auf Gerüstbildner wie Saccharose und Maltose, die aufgrund ihres
schlechten Kristallisationsverhaltens nach der Gefriertrocknung immer amorph erhalten
werden [33,61]. Glycin, das als gut kristallisierende Aminosäure gilt [37], wird bei den
untersuchten Einfrierverfahren kristallin erhalten, was ein Thermal Treatment überflüssig
macht. Somit ist die beobachtete Porenvergrößerung bei der Glycin-, Saccharose- und
Maltose-Formulierung offensichtlich die Folge einer Eiskristallreifung, die während der
Temperaturbehandlung stattgefunden hat. Das vakuum-induzierte Einfrieren erzeugt sowohl
bei den kristallisierenden Gerüstbildnern wie Mannitol und Glycin, als auch bei den
amorphen Gerüstbildnern wie Saccharose und Maltose, ausgesprochen große Kavitäten und
die für dieses Verfahren charakteristische Kaminporenstruktur. Daher werden auch
entsprechend kurze Trocknungszeiten bei diesem Verfahren gemessen. Einfluß auf die
Restfeuchte der Lyophilisate hat die langsame, extensive Eiskristallisation aber weder bei den
kristallisierenden, noch bei amorphen Gerüstbildnern. Da bekanntermaßen mit steigendem
Feststoffgehalt der Lösung die Porengröße abnimmt, erzielt diese Einfriermethode vor allem
bei verdünnten Lösungen ihren maximalen Erfolg. Besonders geeignet für dieses Verfahren
scheinen, auch wegen der problemlosen Eiskristallinduktion, Lösungen mit Konzentrationen

Modellformulierung vorgestellte Gefriertrocknungszyklus realisiert aufgrund der extremen
Haupttrocknungsbedingungen eine Gesamtprozeßzeit von weniger als 12h, was für
Gefriertrocknungsprozesse ausgesprochen kurz ist. Die klaren Vorteile des vakuuminduzierten
Einfrierens liegen damit
‣ in einer kürzeren Sublimationsdauer und
‣ in der Möglichkeit den Energieeintrag stark zu erhöhen, um die Trocknung zu
beschleunigen, ohne daß das Produkt dabei Schaden nimmt.
‣ Kombiniert mit einem Thermal Treatment können mannitolhaltige Lyophilisate
mit niedrigen Restfeuchten erhalten werden, so daß u.U. auf eine Nachtrocknung
verzichtet werden kann.
Besonders geeignet für dieses neue vakuum-induzierte Einfrieren sind Lösungen mit
möglichst niedriger Konzentration und Gerüstbildner, die vorzugsweise kristallin anfallen, um
ohne Rücksicht auf eine T g bzw. T c einen maximalen Energieeintrag bei der Haupttrocknung
realisieren zu können. In der Pharmazie ist dabei auch die Stabilität des Wirkstoffes zu
berücksichtigen, welche die Anwendbarkeit des Verfahrens limitieren kann. Dies ist z.B. dann
der Fall, wenn der Wirkstoff besonders thermolabil ist oder zum Erhalt der biologischen
Aktivität in einem amorphen Gerüstbildner stabilisiert werden muß. Ausblickend läßt sich
feststellen, daß noch weitere Gerüstbildnersysteme auf ihre Eignung für das vakuuminduzierte
Einfrieren überprüft werden müssen und in diesem Zusammenhang auch die
Stabilisierung von Wirkstoffen im Vergleich zu konventionell gefriergetrockneten
Lyophilisaten zu untersuchen ist. Da das Thermal Treatment, wie bei den mannitolhaltigen
Formulierungen gezeigt wird, zu Änderungen der Kristallmodifikation führen kann, sind auch
in diesem Zusammenhang die Auswirkungen auf Lyophilisat-eigenschaften, wie z.B.
Stabilität, ein interessantes Aufgabengebiet, das noch Fragen zur Beantwortung bereithält.
Ν zum Literaturverzeichnis
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d) IV. Moderne Anlagen zur Lyophilisation (H. Willemer)
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f) VI. Lyophilisation von niedermolekularen Substanzen, Peptiden und
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g) VII. Herstellung von Lyophilisaten unter Berücksichtigung von GMPund
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