Influence de la conception des flacons de lyophilisation sur le transfert thermique

Source : www.lyophilizationworld.com - 19/10/2020 - Influence of Lyophilization Vials Design on Heat Transfer

Le séchage primaire est reconnu comme l'étape la plus longue d'un cycle de lyophilisation. Face aux exigences croissantes en matière d'efficacité des procédés et de qualité des produits, l'attention se porte aujourd'hui davantage sur les principes fondamentaux du couplage entre transfert de chaleur et transfert de masse, qui doivent être pris en compte dès les premières phases du développement jusqu'à la montée en échelle.

Le débit massique peut être décrit comme le rapport entre la force motrice et la somme des résistances. Concernant le transfert thermique pendant le séchage primaire, trois mécanismes sont décrits dans la littérature :

  1. Conduction directe de l'étagère vers le flacon aux points de contact direct
  2. Conduction à travers la vapeur présente dans l'espace entre l'étagère et le fond du flacon
  3. Transfert de chaleur par rayonnement

La chaleur nécessaire à la sublimation de la glace doit franchir plusieurs barrières avant d'atteindre l'interface de sublimation. Dans le cas des flacons, ces barrières sont les suivantes :

  1. Le transport à travers l'étagère elle-même
  2. L'espace rempli de gaz
  3. L'espace entre la surface de l'étagère et le fond du flacon (selon la pression de la chambre)
  4. Le fond du contenant, généralement un flacon
  5. Le produit congelé.

Caractéristiques de transfert thermique des flacons

Avec des flacons, la principale résistance au flux de chaleur provient de l'espace rempli de gaz entre la surface de l'étagère et le fond du flacon, car ce dernier n'est pas parfaitement plan et le contact thermique entre le fond du flacon et l'étagère est médiocre.

À pression et température d'étagère données, le système de conditionnement impose une résistance déterminante au transfert thermique. Il est donc évident que la prise en compte de la température critique de la formulation ne suffit pas : les informations sur les caractéristiques de transfert thermique du flacon sont essentielles pour optimiser le transfert de chaleur de l'étagère vers le produit et atteindre la température de produit souhaitée.

Les caractéristiques de transfert thermique d'un flacon peuvent être décrites au moyen du coefficient de transfert thermique du flacon Kv, défini comme le rapport entre le flux de chaleur normalisé par la surface et la différence de température entre la source et le puits de chaleur. La connaissance des caractéristiques de transfert thermique du système de conditionnement est cruciale pour l'optimisation des cycles de lyophilisation, les simulations de lyophilisation et la montée en échelle.

Le recours à des flacons en verre tubulaire ou en verre moulé dépendait traditionnellement du volume de remplissage. Les flacons moulés étaient principalement

utilisés pour les volumes plus importants en raison de leur meilleure stabilité et d'un risque réduit de casse des flacons, tandis que la lyophilisation des parentéraux de petit volume était le domaine des flacons tubulaires, réputés offrir un meilleur transfert thermique.

Les avantages et inconvénients des flacons tubulaires et moulés tiennent à leur procédé de fabrication, qui diffère après le mélange et la fusion des matières premières. Pour former des flacons moulés, des paraisons de verre en fusion (gobs) sont acheminées vers un moule ébaucheur, dans lequel la bague et l'ébauche sont formées. Le formage peut être réalisé à l'air comprimé (procédé soufflé-soufflé) ou à l'aide d'un poinçon (procédé pressé-soufflé).

Pour la production de flacons tubulaires, des tubes de verre doivent d'abord être étirés à partir du verre en fusion. L'une des possibilités est le procédé Danner, dans lequel le verre s'écoule sur un mandrin creux en rotation (tube Danner). L'insufflation d'air permet de contrôler une large gamme de diamètres et d'épaisseurs de paroi avec une précision et une uniformité excellentes. Les tubes de verre sont ensuite transformés en flacons à l'aide de chaleur et d'outils de formage. De manière générale, des parois extérieures et des fonds fins ainsi qu'une faible courbure du fond caractérisent les flacons tubulaires pour sérum.

Constatant qu'il existait une conception intermédiaire pouvant être optimisée pour la lyophilisation, SGD Pharma a développé la gamme de flacons EasyLyo. Les flacons EasyLyo associent la résistance et la durabilité chimique des flacons moulés à la géométrie et aux caractéristiques visuelles des flacons à paroi fine.

Les études techniques portant sur les taux de casse et la capacité de transfert thermique en lyophilisation ont donné des résultats favorables pour les flacons EasyLyo. Ils se sont révélés cinq à dix fois plus résistants que les flacons à paroi fine face aux ruptures sous charge latérale et verticale. Lors des tests de casse en lyophilisation, réalisés avec une formulation et un cycle les plus défavorables conçus pour casser les flacons, les flacons EasyLyo ont obtenu de meilleurs résultats que les flacons traditionnels à paroi fine et que les flacons moulés standard, tout en étant 33 % plus légers que ces derniers ! Dans les études de transfert thermique, le fond plat, l'épaule et le talon à angle marqué ainsi que l'épaisseur uniforme de la paroi latérale des flacons EasyLyo ont permis d'obtenir des performances à moins de 5 % de celles des flacons traditionnels à paroi fine.

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