Reinigungsvalidierung im pharmazeutischen Umfeld am Beispiel der TOC-Bestimmung

Geprüfte Reinheit

Die Reinigungsvalidierung bestätigt die erfolgreiche Reinigung von Produkt-berührenden Anlagenteilen anhand der Prüfung auf Rückstände, die z.B. über die Bestimmung des organischen Kohlenstoffgehaltes (TOC) erfolgen kann. Zwei Autoren beschreiben solche Prüfverfahren.

In der pharmazeutischen Industrie ist die Reinigungsvalidierung ein zentraler Parameter für die Patientensicherheit. Ihr Ziel ist, zu belegen, dass nach der Reinigung der Produktionsanlagen die Rückstandsmengen in einem für Mensch und Tier unbedenklichen Bereich liegen. Gemäß den Vorgaben in den Abschnitten 10.6 und 10.7 des EU-GMP-Leitfaden Annex 15 ist auf Produkt- und Reinigungsmittelrückstände zu prüfen sowie auf Kontaminationen durch Mikroorganismen und Endotoxine.

© TECHPharm

Allgemein ist die Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) die häufigste Messmethode, wenn es um die Rückstandsprüfung geht; vor allem, wenn auf Wirkstoffe wie Ibuprofen, Phenprocoumon oder Prednisolon zu prüfen ist. Bei komplexen Gemischen, etwa Naturstoffextrakten oder Phytopharmaka, sowie bei organischen Substanzen ohne Chromophore, wie Tensiden auf Fettsäure-Basis, stößt die HPLC an ihre Grenzen oder erfordert hohen Aufwand.

TOC-Bestimmung als Prüfverfahren

In solchen Fällen ist die TOC (Total Organic Carbon)-Bestimmung ein adäquates Analyseverfahren – und sie ist für die Prüfung auf Produkt- bzw. Reinigungsmittelrückstände im Annex 15 in Punkt 10.6.2 erwähnt. Die TOC-Bestimmung ist ein schnelles, rationelles Verfahren, das spezifisch für organische Verbindungen ist und sich auch für den Spurenbereich eignet. Sie ist arzneibuchbeschrieben (Ph. Eur. 2.2.44/USP <643>). Die Probenahme ist recht einfach: mit einem wässrigen Medium wie Aqua Purificata (AP) oder Wasser für Injektionszwecke (WfI). Die Worst-Case-Umrechnung bringt zusätzliche Sicherheit.

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Oxidationsmethoden

Den TOC zu bestimmen, ist mit unterschiedlichen Methoden möglich. Grundlegend werden die in der Probe enthaltenen Kohlenstoffverbindungen in einem Oxidationsschritt zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt und dieses dann anschließend detektiert. Die meistverbreitete Technik ist die katalytische Verbrennungsoxidation. Hierbei oxidieren die Kohlenstoff-Komponenten bei hohen Temperaturen unter Einfluss eines Platin-Katalysators. Die Detektion des entstehenden CO2 erfolgt zumeist über einen NDIR-Detektor.

Diese Technik hat sich auch in der Reinigungsvalidierung durchgesetzt, da die katalytische Verbrennung ein höheres Oxidationspotential besitzt als die ebenfalls verwendete nass-chemische UV-Oxidation. Gerade komplexere Moleküle lassen sich mit der Verbrennungsoxidation sicherer erfassen, so z. B. Proteine oder langkettige Fettsäuren, die in den Proben enthalten sein können, sowie etwaige Partikel.

Bestimmungsmethoden

Neben den verschiedenen Oxidationsmethoden kommen auch unterschiedliche Bestimmungsmethoden zum Einsatz. Bei der meistverwendeten, der sogenannten NPOC- oder Direkt-Methode, wird die Probe zunächst mit einer Mineralsäure angesäuert. Hierbei werden die anorganischen Kohlenstoffverbindungen, wie Carbonate und Hydrogencarbonate, zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt und mit einem Spülgas aus der Probe entfernt. Anschließend wird ein Aliquot der vorbereiteten Probe oxidiert und das entstehende CO2 gemessen.

Werden für die Reinigung von Anlagen etwa Reinigungsmittel eingesetzt, die zum Schäumen neigen, ist die NPOC-Methode oftmals ungeeignet: Denn beim Ausgasen des CO2 kommt es zum Aufschäumen der Probe, so dass Unterbefunde wahrscheinlich sind.

Für derartige Proben eignet sich die sogenannte Differenzmethode, bei der es zunächst gilt, durch Oxidation die Konzentration der gesamten Kohlenstoffverbindungen (TC = Total Carbon) zu ermitteln. Dafür wird ein Teil der Probe – ohne Probenvorbereitung – komplett oxidiert. In einem zweiten Schritt erfolgt dann die Messung der anorganischen Kohlenstoffverbindungen (IC = Inorganic Carbon). Dazu wird die Probe angesäuert. Die Carbonate und Hydrogencarbonate werden zu CO2 umgesetzt und mit dem Trägergas zum Detektor transportiert. Durch Differenzbildung (TC – IC = TOC) lässt sich die TOC-Konzentration berechnen.

Bei der Verbrennung der Probe auf einem heißen Katalysator entsteht aber nicht nur CO2. Bei Temperaturen ab 700 °C werden Stickstoffkomponenten wie Nitrat, Nitrit, Ammonium und organische Stickstoffverbindungen zu NO umgesetzt. Wird das Stickstoffmonoxid zu NO2 oxidiert, entstehen Lichtquanten (Chemilumineszenz), die ein Chemilumineszenz-Detektor erfasst. Für diese Bestimmung tragen die Analysatoren ein zusätzliches Stickstoff-Modul, das einen Ozongenerator und einen Chemilumineszenz-Detektor enthält. Die Erzeugung des zur Oxidation genutzten Ozons findet also direkt im Gerät statt. Damit lässt sich der TOC und der Stickstoffanteil (TNb = gesamt gebundener Stickstoff) simultan in einem Analysenlauf erfassen. Werden stickstoffhaltige Arzneimittel hergestellt, kann dies bei der Untersuchung der gereinigten Anlagen zusätzliche Informationen geben.

Bild 1: TOC-Analysator TOC-L mit Autosampler ASI-L von Shimadzu. © Shimadzu

Moderne Analysatoren, wie die der „TOC-L Serie“ von Shimadzu, übernehmen die Probenvorbereitung (Ansäuern und Ausgasen) vollautomatisch. Die Systeme arbeiten mit einem Platin-Katalysator bei einer Verbrennungstemperatur von 680 °C bzw. 720 °C (für die Bestimmung von TOC und TNb). Neben der Direktmethode (NPOC) können die Systeme auch den TOC mittels Differenzmethode bestimmen. Die Geräte haben eine spezielle Spritzeneinheit, die die Proben automatisch verdünnt, sobald der Kalibrierbereich überschritten wird; sie ermöglicht auch die automatische Verdünnung von Standards, um Kalibrierkurven auch in äquidistanten Konzentrationsabständen zu erstellen. Mit einem zusätzlichen Modul lässt sich die TNb-Konzentration simultan zum TOC bestimmen.

Zur Datenintegrität

Im pharmazeutischen Umfeld sind die Sicherung und die Integrität von Daten von höchster Bedeutung. Für die Dokumentation und Überwachung hat die Software der TOC-L-Analysatoren eine Benutzerverwaltung und einen Audit-Trail. Die Benutzerverwaltung macht durch individuelle Benutzerkonten möglich, Benutzungsrechte zu vergeben, wodurch jeder Anwender nur die ihm zugedachten Einstellungen nutzen kann. Im Audit-Trail werden dann jede Einstellung und Messung, jedes Ergebnis und jedwede Änderungen an den Einstellungen sowie Fehler und Alarme lückenlos dokumentiert. Um die Datenintegrität gemäß CFR 21 Part 11 zu erfüllen sowie die Freigabe durch eine digitale Signatur, lassen sich die TOC-Analysatoren an die „LabSolutions“-Software von Shimadzu anbinden. Hier können die Messergebnisse in einer Datenbank exportiert, zentral gespeichert, verwaltet und signiert werden.

Spül- und Swab-Tests

In der Arzneimittel- und Wirkstoffherstellungsverordnung (AMWHV) ist in § 6 (1) festgelegt, dass die Reinigungs-, Desinfektions- bzw. Sterilisationsverfahren bezüglich ihrer Effektivität zu überprüfen und die entsprechenden Verfahren zu validieren sind. Im Rahmen der Reinigungsvalidierung werden die produktberührenden Oberflächen des Herstellequipments nach der ordnungsgemäßen Reinigung beprobt.

Gemäß den Vorgaben aus dem EU-GMP-Leitfaden Annex 15 im Punkt 10.12 sollte die Probenahme im Rahmen der Reinigungsvalidierung durch Wischen (swab) oder Spülen (rinse) erfolgen. Rinse-Beprobungen sind dabei besonders beliebt, da sie sich recht schnell und kostengünstig durchführen lassen. Bei der Rinse-Beprobung wird zwischen dem „final rinse“ und dem „post-final rinse“ unterschieden.

Bei der „final rinse“-Probe wird das letzte Spülwasser bei der Reinigung untersucht. Die hier gemessenen TOC-Werte repräsentieren jedoch nicht die Rückstände auf der Anlage nach der Reinigung, da das letzte Spülwasser bereits abgereinigte Rückstände enthält und über den Abfall entsorgt wird. Bei der „post-final rinse“-Probe hingegen wird eine Extra-Beprobung nach der Reinigung durchgeführt und damit die verbliebenen Rückstände bestimmt. Als Ergänzung zu der Rinse-Beprobung ist es mit dem Swab-Test möglich, schwierige Stellen wie Anschlüsse oder Ecken gezielt zu beproben.

Bei der Probenahme sollte beachtet werden, dass das Probenahmemedium selbst keine Einträge liefern darf. Für die TOC-Bestimmung bedeutet dies, dass das Medium grundsätzlich frei von organischem Kohlenstoff sein muss. Daher werden in der Regel Reinstwässer verwendet, wie Aqua Purificata oder Wasser für Injektionszwecke (WfI). In speziellen Fällen können auch anorganische Säuren oder Laugen zugegeben werden.

Ein spezieller Fall der Rückstandsprüfung betrifft die TOC-Messung in alkalischen Lösungen, wie Natronlauge aus der Reinigung von Chromatographie-Säulen. Bei der Herstellung von z. B. Impfstoffen oder Insulinen trennt ein Aufreinigungsschritt die Wirksubstanzen mittels großer Säulen von den Syntheserückständen. Für die nächste Chargenherstellung müssen diese Säulen aufwendig gereinigt werden. Dabei kommt in vielen Fällen Natronlauge zum Einsatz. Durch die TOC-Bestimmung im „(post) final rinse“ lässt sich belegen, dass die Säule ausreichend gespült wurde und für die nächste Herstellung einsatzbereit ist. Bei Laugen ist zu beachten, dass die Proben für die TOC-Bestimmung einen sauren pH-Wert benötigen, d. h. es kann sonst zu Salzrückständen auf dem Katalysator kommen.

Fazit

Die Reinigungsvalidierung ist ein wichtiger Vorgang bei der Herstellung von Arzneimitteln zum Schutz von Menschen und Tieren, denen das jeweilige Arzneimittel verabreicht wird. Neben herkömmlichen Methoden, wie der Einzelstoffbestimmung durch HPLC, können auch Summenparameter, wie der TOC, nützlich für die Rückstandskontrolle in Herstellungsanlagen sein. Er lässt sich einfach bestimmen. Moderne Analysatoren wie die Geräte der TOC-L-Serie arbeiten die Proben automatisch auf und machen es möglich, den TOC auf unterschiedliche Weisen zu bestimmen. Unter Verwendung der Verbrennungsoxidation lassen sich zudem die Stickstoff-Komponenten ermitteln – ein möglicher Mehrwert an Information zum Zustand der Reinigung.

AUTOREN
Arno Bayerl
Laborleiter und Bereichsleiter Reinigungsvalidierung und Hygiene
TECHPharm GmbH, Bruchsal
info@techpharm.de
www.techpharm.de

Sascha Hupach
Produktspezialist für TOC / Summenparameter
Shimadzu Deutschland GmbH, Duisburg
info@shimadzu.de
www.shimadzu.de

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