原薬の凍結と保管の新しいアプローチ

Biotech Design LLC 社長、ジェフ・ジョンソン著

新型コロナウイルス感染症のパンデミックと関連ワクチンの開発によって支えられた生物学的製剤市場の大幅な成長により、バルク原薬（DS）の凍結および冷凍保存方法の改善の必要性が生じています。

従来の超低温 (ULT) フリーザーで DS を凍結すると、1 回の実行内で多くの不一致が生じます。たとえば、一部のボトルは比較的早く凍結しますが、他のボトルは非常にゆっくりと凍結します。これは、製品品質の問題につながる可能性があります。 さらに、材料を周囲温度から冷凍するには大量の熱を除去する必要があり、これが冷凍システムに負担をかけます。 従来の ULT ストレージ フリーザーは、このプロセスを処理できるように設計されていません。 このような高い歪みは、頻繁なメンテナンスにつながったり、耐用年数が大幅に短縮されたりする可能性があります。

DS は冷凍プロセスを経た後、冷凍庫に長期保管する必要があります。 利用可能な保存冷凍庫のオプションが多数あります。 さまざまなオプションの経済性を評価することで、各エンド ユーザーのアプリケーションに最適なテクノロジを選択できます。

まず、DS を周囲温度から凍結するための最新テクノロジーを見てみましょう。 次に、冷凍済みのDSを保管するための設備について見ていきます。

マイナス 80°C の温度を実現する標準的な ULT フリーザーは、追加容量をほとんど追加せずに、すでに冷凍された材料を保管できるように設計されています。 DS を周囲温度から凍結するために使用する場合、その凍結速度は製品の負荷 (数時間から数日) および DS の負荷に応じてバッチごとに大きく異なります。 熱を効果的に除去する能力が不足しているため、冷凍サイクル中の長い運転時間 (48 ～ 72 時間) は、冷凍システムに永久的な損傷を与える可能性があります。 ボトルの凍結速度も異なるため、DS の品質にばらつきが生じます。

熱負荷とそれを処理する冷凍庫の能力をより深く理解するために、冷凍庫の実際の熱負荷を計算できます。 最初の計算は、庫内温度がマイナス 80°C、外気温度が 25°C の場合に、冷凍庫の壁を通って伝わる熱の量です。

ベースキャビネットの熱負荷 (Q') は、次の式を使用して計算されます。

kf x As x ΔT/t = Q'

どこ：

kf は熱伝導率です。

地域も同様です。

ΔT は温度変化です。

t は壁の厚さです。

標準的な ULT 冷凍庫キャビネットの値を代入すると、次の方程式が得られます。

0.020 W / (m - K) x 6.3 m2 x 105°C (105 K) / 0.127 m = 104 W

冷凍庫のドアについても同じ計算を繰り返すと、30 W の電力が得られます。さらに、ドアのガスケット全体で約 24 W の熱損失が追加され、外部からキャビネット内に伝わる総熱量は 158 ワットになります。

ベースキャビネットの壁 (上面、背面、側面、底面) (104 W) + ドアの前面全体 (30 W) + ドアのガスケット全体 (24 W) = 158 W

従来の ULT フリーザーの冷凍システムは通常、キャビネットの熱負荷を 30% ～ 40% 除去するために大型になっています。 これは 210 W ～ 243 W の設計負荷に相当し、温かい製品の投入と冷凍、および/またはドア開口部からの温度回復のための冷凍庫の容量またはバッファとして 52 W ～ 85 W が残ります。

DS を冷凍するもう 1 つのアプローチは、ブラスト冷凍庫や速度制御冷凍庫など、冷凍プロセス専用に設計された冷凍庫を使用することです。 これらの冷凍庫は、強制空気対流を使用して大量の材料から熱を除去するように設計されており、Cryometrix、FARRAR、Meissner、Thermo Fisher Scientific などの多くのサプライヤーから入手できます。 ブラストフリーザーは通常、ある凍結速度で凍結するように設計されていますが、制御速度フリーザーは、定義された温度プロファイルに従って凍結および/または解凍するようにプログラムできます。 このタイプの冷凍庫の容量を計算するために、図 1 に、FARRAR モデル 4000 制御レート チャンバーを例として使用した、キャビネット、送風機、ドア、およびドア枠の熱伝達負荷 (Q) を示します。

図1 ：レートチャンバーの概略図

この例の冷凍システムは、マイナス 80°C で合計 2,100 W の熱負荷に対処できるように設計されています。 キャビネットの熱負荷が 158 W (従来の ULT と同様)、送風機の熱負荷が 325 W 追加された場合、冷凍庫の定常状態の熱負荷の合計は 483 W になります。これにより、この冷凍庫の容量または負荷のバッファーとして 1,617 W が残ります。暖かい DS および/またはドア開口部の消費電力は、従来の ULT 冷凍庫の 158 W と比べて 1,800% 以上増加します。

冷凍庫の性能を評価するために必要な 2 番目の計算は、バルク DS を冷凍するのにどの程度の熱除去が必要かということです。 この分析では、典型的な例として、8 L の水を満たした 10 L カーボイが使用されます。 8 L の水を 25°C からマイナス 80°C に凍結するには、470 万ジュールのエネルギーを除去する必要があります (Q = mx Cp x ΔT)。 熱除去率の計算はさらに困難です。 1 つのアプローチは、冷凍庫がその最大能力で熱を除去できる理想的なケースを検討することです。これは、上記で一般的な ULT の場合は 85 W、ブラスト冷凍庫の例では 1,617 W として計算されます。 この計算では、8 L カーボイの冷凍に ULT の場合は 15 時間、ブラスト冷凍庫の場合は 0.8 時間かかります。 これは理想的なケースであり、実際の凍結時間はさらに長くなりますが、冷凍庫のタイプ間の凍結可能性の違いが浮き彫りになります。

2 番目のより厳密なアプローチは、8 L カーボイと冷凍庫の間の熱伝達率を計算することです。 凍結プロセスには 3 つの熱伝達抵抗があります。液体から容器内壁への対流熱伝達、壁を通した伝導、外壁から冷気への対流です。 最初に凍結が始まるときの凍結プロセス (液体は 0°C、冷凍庫の空気はマイナス 80°C) に注目すると、主な熱伝達抵抗は容器の壁からチャンバーの空気までです。 これは次の式から計算できます。

Q = U x A x ΔT

どこ：

U は対流熱伝達係数です。

A は、チャンバーの空気にさらされる充填済みの容器壁の面積です。

ΔT は温度差です。

自由対流 (ULT チャンバー内の停滞空気) の熱伝達係数は ~10 W/m^2/C です。 ブラスト冷凍庫で見られるような強制対流の熱伝達係数は、自由対流の熱伝達係数よりも 2 ～ 5 倍高くなる可能性があります。 控えめにするために、計算では 20 W/m^2/C の係数が使用されます。

この 2 番目のアプローチの結果は、10L カーボイからの可能な熱伝達率が自由対流で 100 W、強制空気対流で 200 W であることを示しています。 これを冷凍庫の熱除去能力と比較すると、ULT の 85 W の能力は、できるだけ早く熱を除去するために必要な能力の 85% にすぎません。 ブラスト冷凍庫の例では、1,617 W の容量は必要量の 8 倍であり、8 台のカーボイから熱を除去するのに十分です (2 倍の速度で)。 また、2 倍の速度で凍結することに加えて、ブラストフリーザーの強制空気はチャンバー全体でより均一な冷却を提供し、DS コンテナ間でより均一な凍結を実現します。

従来の ULT フリーザーでは冷凍時間が大幅に長く変動することに加えて、バルク DS の冷凍に従来の ULT フリーザーを使用する場合には、機械的信頼性に関する追加の懸念があります。 冷凍時間が長いため、エネルギー消費が高い時間帯にコンプレッサーが何日も連続して稼働することになり、冷凍システムの過熱や早期故障につながる可能性があります。 この故障モードは冷凍システムのオイルログとして知られており、コンプレッサーを冷却するための冷たい冷媒が不足し、コンプレッサーが故障します。

図 2 は、標準の ULT フリーザーと強制空気を備えたフリーザーの違いをまとめたものです。 対流。

図2:強制空気対流式フリーザーと標準的なULTフリーザーの違い

DS の凍結プロセス後、DS を医薬品に充填する必要があるまで、冷凍容器をマイナス 70 ℃ ～ マイナス 80 ℃ で保管する必要があります。 通常、保管期間は 6 か月程度です。 最近まで、凍結された DS を保持するには 2 つの従来のアプローチがありました。 1 つ目は従来の ULT 冷凍庫でした。これには、資本コストが低く、納期が短いという利点がありますが、保管容量が小さいために多くの冷凍庫が必要となり、施設の設置面積が大きくなり、認定および検証のコストが高く、多くの温度ポイントが必要になるという欠点がありました。校正と監視を行います。 2 番目の従来のアプローチは大型のカスタム設計冷凍庫であり、ULT 冷凍庫アプローチの欠点に対処しますが、資本コストがはるかに高く、納期が長くなるという欠点があります。

最近、新しいテクノロジーにより、容量に制約のある ULT フリーザーと容量無制限のカスタム設置との間のギャップが埋められました。 超低室 (ULC) 冷凍庫とも呼ばれるこれらの設計は、標準の約 27 立方メートルの約 7 倍の保管容量を備えています。 フィートULTですが、一般的なカスタム設計ユニットよりも小型です。 各アプローチには長所と短所があり、エンド ユーザーごとに正しい解決策を決定するのは難しい場合があります。 最適な解決策を見つけるための 1 つのアプローチは、割引キャッシュ フロー (正味現在コスト) アプローチを使用した経済評価です。 このアプローチでは、20 年間にわたる各オプションのコストが決定され、その後、正味現在のコストが割引率 (通常は約 10%) で計算されます。 考慮されるコストには、冷凍庫と施設の初期資本コスト、電気運用コスト、初期 IQ/OQ/検証のコスト、モニタリング コスト、およびメンテナンス コストが含まれます。 この計算の結果を以下の図 3 に示します。

図3:DS 冷凍保管オプションの経済的評価

図 3 は、必要な冷凍庫の容量に応じて、適切な冷凍保存ソリューションが異なることを示しています。 必要な ULT フリーザーが 5 台未満の小規模アプリケーションの場合、従来の ULT フリーザーが全体コストが最も低くなります。 100 台を超える ULT フリーザーが必要となる非常に大規模なアプリケーションの場合、大型のカスタム フリーザーがコスト上の利点を示し始めます。

そして、その中間、5 ～ 100 台の冷凍庫では、ULC ソリューションが最適です。 上記は仮定とコストの例に基づいており、結果は各エンド ユーザーの実際のコストによって異なります。 ただし、これは典型的なケースであり、経済的評価を使用することの威力を示しています。

結論

従来の ULT フリーザーは、バイオ医薬品バルク DS の冷凍と保管に使用されますが、常に最適なソリューションであるとは限りません。 ULT フリーザーは冷凍材料を保管するように設計されており、液体 DS を凍結する能力には限界があります。

バルク DS を冷凍する場合、アプリケーション向けに設計された強制空気対流式フリーザーは、はるかに速い凍結速度、より安定した凍結速度、および優れた機械的信頼性を実現します。

バルク DS の保管には、従来の ULT フリーザー、大型カスタム フリーザー、そして新しいオプションの中型 ULC フリーザーの 3 つのオプションが利用可能になりました。 各オプションには長所と短所があり、最適な解決策を見つけるための 1 つのツールは経済的評価です。 評価例の結果から、必要な冷凍庫の容量に応じて最適解が異なることが分かりました。 冷凍庫の容量要件が小さい場合 (ULT フリーザー約 5 台以下)、ULT フリーザーが全体コストを最も低く抑えます。 100 台を超える ULT フリーザーが必要となる非常に大規模な用途には、大型のカスタム フリーザーが最適です。 また、5 ～ 100 台の ULT フリーザーの冷凍庫容量が必要な場合は、ULC 冷凍庫オプションが全体コストを最も低く抑えます。

著者について：

Jeff Johnson は、バイオプロセス エンジニアリング コンサルタント会社である Biotech Design LLC の社長です。 以前は Merck & Co. Inc に勤務し、グローバル エンジニアリング ソリューションズの新技術責任者およびディレクターを務め、メルクのワクチン、生物製剤、および無菌製造プロセスの新しい製造技術の評価を担当していました。 彼は、SUN-Merck のシングルユース技術イニシアチブとプロセス技術イノベーション実践コミュニティを共同主導しました。 メルクでのこれまでの役職には、バイオプロセスエンジニアリングのディレクター、新しいワクチンおよび生物製剤の資本プロジェクトのビジネスケースとコンセプト開発の責任者、治療用タンパク質の商業化のためのネットワーク管理のディレクター、ガーダシルの技術移転チームのリーダーなどがあります。 Merck に入社する前は、Genzyme Corp.、Raytheon Engineers、Koch Engineering、ARCO Chemical Co. で働いていました。ロチェスター大学で化学工学の学士号を取得し、ペンシルバニア大学で化学工学の修士号を取得し、タフツ大学のバイオテクノロジー。

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