Dynamische Gefriertrocknung mit flüssigem Stickstoff in der Biopharmaproduktion

Gemeinsamer Ansatz für die Gefriertrocknung

Die Anforderungen an moderne Gefriertrocknungsprozesse steigen kontinuierlich. Neben der Stabilisierung empfindlicher Wirkstoffe rücken Aspekte wie Reproduzierbarkeit, Prozesssicherheit und Ressourceneffizienz zunehmend in den Fokus. Vor diesem Hintergrund haben Lyophitech, ein Spezialist für dynamische Gefriertrocknung, und Air Liquide, ein weltweit führender Anbieter von Gasen, Technologien und Dienstleistungen für Industrie und Gesundheit, ihre Kompetenzen gebündelt. 

 Lyophitech hat sich auf die Entwicklung innovativer Gefriertrocknungslösungen spezialisiert und verfolgt mit der dynamischen Gefriertrocknung einen Ansatz, der klassische Prozessabläufe gezielt weiterentwickelt. Air Liquide bringt seine langjährige Erfahrung in den Bereichen Kryotechnik, pharmazeutische Gase und Versorgungskonzepte für regulierte Produktionsumgebungen ein. 

Ziel der Zusammenarbeit ist es, die Vorteile einer kryogenen Schockfrostung mit den Anforderungen moderner Pharma- und Biotechproduktionen zu verbinden. Die Kombination aus Prozess- und Anlagentechnologie einerseits sowie kryogenem Know-how und Gasversorgungskompetenz andererseits ermöglicht einen integrierten Ansatz – von der Schockfrostung über die Gefriertrocknung bis hin zur zuverlässigen Versorgung mit hochreinem Stickstoff. 

Kryogene Schockfrostung als Grundlage

Der MiniDyn ermöglicht die Untersuchung und Optimierung dynamischer Gefriertrocknungsprozesse im Labormaßstab und unterstützt die Übertragung auf industrielle Anwendungen.

© Lyophitech

Im Zentrum des Verfahrens steht die Schockfrostung mit flüssigem Stickstoff bei  -196 °C. Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren erfolgt die Abkühlung innerhalb kürzester Zeit, wodurch eine homogene Kristallisation unterstützt wird. Insbesondere bei empfindlichen biologischen Wirkstoffen kann dies von Vorteil sein. Durch die Bildung feiner und gleichmäßiger Eiskristalle lassen sich thermische Belastungen reduzieren und kritische Produkteigenschaften besser erhalten. Dies betrifft beispielsweise Antikörper, Peptide, Impfstoffe oder andere biopharmazeutische Wirkstoffe.  Darüber hinaus bietet die kryogene Technik verfahrenstechnische Vorteile. Das Dampfkondensationssystem arbeitet ohne klassische Kompressortechnik und kommt mit wenigen beweglichen Komponenten aus. Dadurch können Wartungsaufwand und mechanische Belastungen reduziert werden.  Auch die Wahl des Kältemediums spielt bei der Auslegung moderner Gefriertrocknungsprozesse eine wichtige Rolle. Vor dem Hintergrund regulatorischer Anforderungen an fluorierte Kältemittel stellt flüssiger Stickstoff eine Alternative dar, die ein Treibhauspotenzial (GWP) von null aufweist und ohne fluorierte Kältemittel auskommt. 

Für Anwendungen mit direktem Produktkontakt stehen zudem Stickstoffqualitäten zur Verfügung, die speziell auf die Anforderungen der Pharmaindustrie ausgelegt sind. Ergänzende Lösungen zur Dokumentation, Rückverfolgbarkeit und Identitätsprüfung unterstützen die Einhaltung regulatorischer Vorgaben sowie von GMP-Anforderungen entlang der Prozesskette. Darüber hinaus spielen Versorgungssicherheit und die kontinuierliche Verfügbarkeit kryogener Medien eine zentrale Rolle für stabile Produktionsprozesse. Insbesondere bei sensiblen pharmazeutischen Anwendungen gewinnt die zuverlässige Versorgung mit hochreinem Stickstoff zunehmend an Bedeutung. 

Dynamische Gefriertrocknung verändert die Prozesskette

Im Unterschied zur klassischen Gefriertrocknung wird das Produkt zunächst schockgefrostet und zu festen Pellets geformt. Die Trocknung erfolgt anschließend in loser Schüttung.  Dadurch befindet sich das Produkt bereits frühzeitig im festen Zustand. Im Gegensatz zu klassischen Verfahren, bei denen das Produkt über weite Teile der Prozesskette als empfindliche Flüssigkeit vorliegt, erfolgt die weitere Handhabung als stabiler Feststoff. Dadurch können Kontaminationsrisiken reduziert und Prozessschritte vereinfacht werden. Gleichzeitig unterstützt die Pelletgeometrie einen effizienten Stoff- und Wärmetransport während der Sublimation.  

Für Hersteller ergeben sich daraus Vorteile hinsichtlich Prozessstabilität und Chargenhomogenität. Die homogene Schockfrostung ermöglicht eine reproduzierbare Prozessführung und unterstützt eine gleichmäßige Chargenqualität. Dies ist insbesondere für Anwendungen relevant, die hohe Anforderungen an Dokumentation, Validierung, Qualitätsaudits und regulatorische Zulassungsverfahren stellen. Gleichzeitig reduziert sich die Anzahl kritischer Prozessschritte, bei denen Kontaminationen oder Produktverluste auftreten können. Die dynamische Gefriertrocknung stellt damit eine Weiterentwicklung etablierter Verfahren dar, ohne deren grundlegendes Wirkprinzip zu verändern. Vielmehr werden einzelne Prozessschritte gezielt optimiert, um den Anforderungen moderner Pharma- und Biotechproduktionen gerecht zu werden. 

Energieeffizienz rückt stärker in den Fokus

Neben der Produktqualität wird die Energieeffizienz zunehmend zu einem entscheidenden Bewertungskriterium. Die Gefriertrocknung zählt zu den energieintensivsten Verfahren der pharmazeutischen Produktion.  Neue Prozesskonzepte zielen deshalb darauf ab, Energieeinsatz und Zykluszeiten zu reduzieren. Die Kombination aus schneller kryogener Schockfrostung, optimierten Trocknungszyklen und einer kompakten Anlagenauslegung kann hierzu einen Beitrag leisten. Gleichzeitig ermöglicht die präzisere Prozesssteuerung eine Anpassung an unterschiedliche Produktanforderungen. Auch die kompakte Bauweise der Anlagen und die gezielte Steuerung einzelner Prozessschritte eröffnen Potenziale zur Verbesserung der Ressourceneffizienz. Kurze Gefrierzeiten und optimierte Trocknungszyklen können dazu beitragen, den Energiebedarf gegenüber konventionellen Verfahren zu reduzieren. Mit Blick auf steigende Energiekosten und Nachhaltigkeitsziele gewinnt die ganzheitliche Betrachtung von Gefrier- und Trocknungsprozessen zunehmend an Bedeutung. Dabei rücken nicht nur die Leistungsfähigkeit eines Verfahrens, sondern auch dessen Beitrag zu einem effizienten Ressourceneinsatz in den Fokus. 

Vom Labor bis zum Produktionsmaßstab

Die Einführung neuer Gefriertrocknungsprozesse erfordert eine enge Abstimmung zwischen Formulierungsentwicklung, Anlagentechnik und Medienversorgung. Dabei müssen Parameter wie Schockgefrierprofil, Stickstoffqualität und Sublimationsbedingungen auf die jeweiligen Produkteigenschaften abgestimmt werden.  Für Entwicklungs- und Machbarkeitsstudien steht mit dem MiniDyn ein System zur Verfügung, das die dynamische Gefriertrocknung im Labormaßstab abbildet. Dadurch lassen sich Formulierungen sowie kritische Prozessparameter bereits in frühen Entwicklungsphasen unter praxisnahen Bedingungen untersuchen. Die Zusammenarbeit von Lyophitech und Air Liquide ermöglicht es, die Prozessentwicklung und die kryogene Versorgungstechnik von Beginn an gemeinsam zu betrachten. Dies unterstützt die Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf industrielle Produktionsmaßstäbe und trägt zu einer konsistenten Prozessführung bei.  Eine besondere Bedeutung kommt der Skalierung vom Labor in die Produktion zu. Nur wenn die Prozessbedingungen reproduzierbar übertragen werden können, lassen sich die Anforderungen an Produktqualität, Prozesssicherheit und regulatorische Konformität langfristig erfüllen. 

Perspektiven für die Pharmaindustrie

Steigende Anforderungen an Produktqualität, Prozesssicherheit und Ressourceneffizienz treiben die Weiterentwicklung etablierter Gefriertrocknungsverfahren voran. Die Kombination aus kryogener Schockfrostung und dynamischer Gefriertrocknung zeigt, wie sich diese Anforderungen in einem integrierten Prozessansatz verbinden lassen. Insbesondere bei empfindlichen biopharmazeutischen Wirkstoffen eröffnet die Technologie Potenziale für eine reproduzierbare und zugleich effiziente Produktion. 

Gleichzeitig verdeutlicht die Zusammenarbeit von Lyophitech und Air Liquide, welchen Mehrwert die enge Verzahnung von Gefriertrocknungstechnologie, Kryotechnik und Prozess-Know-how für pharmazeutische Anwendungen schaffen kann. Diese Bündelung komplementärer Kompetenzen ermöglicht eine ganzheitliche Betrachtung der Anwendung – von der Entwicklung bis zur industriellen Umsetzung. Damit liefert die Zusammenarbeit ein Beispiel dafür, wie innovative Lösungen entstehen können, wenn unterschiedliche Expertisen gezielt zusammengeführt