Novas Abordagens para Congelamento e Armazenamento de Substâncias Medicamentosas

Por Jeff Johnson, presidente, Biotech Design LLC

O crescimento significativo do mercado de medicamentos biológicos, reforçado pela pandemia de COVID-19 e pelo desenvolvimento de vacinas relevantes, levou à necessidade de métodos aprimorados de congelamento e armazenamento de substâncias medicamentosas (DS) a granel.

Congelar DS em freezers convencionais de temperatura ultrabaixa (ULT) resulta em muitas inconsistências em uma única execução - por exemplo, algumas garrafas congelam relativamente rápido, enquanto outras são bastante lentas - o que pode levar a problemas de qualidade do produto. Além disso, o congelamento de materiais à temperatura ambiente requer a remoção de uma grande quantidade de calor, o que sobrecarrega o sistema de refrigeração. Os freezers de armazenamento ULT convencionais não são projetados para lidar com esse processo. Essa alta tensão pode levar a manutenções frequentes e/ou reduzir muito a vida útil.

Após o DS passar pelo processo de congelamento, ele deve ser armazenado em freezers de longa duração. Existem várias opções de freezer de armazenamento disponíveis. Uma avaliação econômica das diferentes opções pode levar à escolha da tecnologia ideal para cada aplicação do usuário final.

Primeiro, vamos explorar a tecnologia mais recente para congelar o DS a partir da temperatura ambiente. Em seguida, veremos equipamentos para armazenar DS já congelados.

Os freezers ULT padrão que atingem uma temperatura de -80°C são projetados para armazenar material já congelado com pouca capacidade adicional. Quando usado para congelar DS a partir de temperaturas ambientes, suas taxas de congelamento variam significativamente com a carga do produto (de algumas horas a vários dias) e de lote para lote, dependendo do carregamento do DS. Dada a falta de capacidade para remover o calor de forma eficaz, tempos de execução longos (48 a 72 horas) durante um ciclo de congelamento podem resultar em danos permanentes ao sistema de refrigeração. As garrafas também congelam em taxas diferentes, resultando em variabilidade na qualidade do DS.

Para entender melhor a carga de calor e a capacidade de um freezer de lidar com ela, a carga de calor real para um freezer pode ser calculada. O primeiro cálculo é quanto calor é transferido através das paredes de um freezer com a câmara a -80°C e o ar ambiente externo a 25°C.

A carga térmica do gabinete base (Q') é calculada usando a seguinte equação:

kf x As x ΔT/t = Q'

Onde:

kf é a condutividade térmica.

Assim como a área.

ΔT é a variação de temperatura.

t é a espessura da parede.

Inserir os valores de um gabinete congelador ULT padrão resulta na seguinte equação:

0,020 W / (m - K) x 6,3 m2 x 105°C (105 K) / 0,127 m = 104 W

O mesmo cálculo pode ser repetido para a porta do freezer, rendendo 30 W. Além disso, há perda de calor adicional na junta da porta de ~24 W, resultando em um calor total transferido para dentro do gabinete de fora de 158 watts:

Parede do gabinete da base (superior, posterior, lateral e inferior) (104 W) + na face da porta (30 W) + na junta da porta (24 W) = 158 W

O sistema de refrigeração de um freezer ULT convencional é normalmente superdimensionado para remover a carga de calor do gabinete em 30% a 40%. Isso equivale a uma carga de projeto entre 210 W e 243 W, deixando 52 W a 85 W como capacidade do freezer ou buffer para carregamento e congelamento de produtos quentes e/ou recuperações de temperatura de aberturas de portas.

Outra abordagem para congelar DS é usar um freezer projetado especificamente para o processo de congelamento, como um freezer rápido ou de taxa controlada. Esses freezers são projetados para remover o calor de grandes volumes de materiais usando convecção de ar forçado e estão disponíveis em vários fornecedores, como Cryometrix, FARRAR, Meissner e Thermo Fisher Scientific. Os freezers rápidos normalmente são projetados para congelar em uma taxa de congelamento, enquanto os freezers de taxa controlada podem ser programados para congelar e/ou descongelar de acordo com um perfil de temperatura definido. Para calcular a capacidade desse tipo de freezer, a Figura 1 mostra as cargas de transferência de calor (Q) para o gabinete, soprador, porta e batente da porta usando a Câmara de Taxa Controlada FARRAR Modelo 4000 como exemplo.