Formation of Enzyme Containing Particles by Spray Drying

Publication: ResearchPh.D. thesis – Annual report year: 2008

Documents

View graph of relations

Spraytørring anvendes ofte som et led i produktionen af bioteknologiske og farmaceutiske produkter. Ved spraytørring forstøves en suspension eller en opløsning, og de dannede dråber bringes i kontakt med en opvarmet gasstrøm. Herved fordamper opløsningsmidlet i dråberne, og partikler dannes. Formuleringer indeholdende industrielle enzymer spraytørres ofte, da håndteringen af det endelige produkt lettes, og enzymernes lagerstabilitet er betydeligt bedre end i en flydende formulering. Det er afgørende, at enzymholdige produkter fremstilles med en konstant, høj kvalitet. Derfor bliver valgene af procesbetingelser og formuleringsingredienser vigtige og træffes i denne forbindelse mest hensigtsmæssigt på baggrund af en detaljeret indsigt i de forskellige processer, der forekommer under tørringen. Formålet med denne afhandling er at bidrage til den grundlæggende forståelse af den dråbetørringsproces, der finder sted i et spraytørringsanlæg. Konkret omhandler nærværende arbejde tørring af enzymholdige formuleringer, idet fokus er på tørrehastighed, temperaturudvikling og morfologidannelse under tørring af enkeltdråber. Yderligere er et af hovedemnerne for afhandlingen at undersøge metoder til at reducere den termiske enzymnedbrydning, der sker ved spraytørring. Der er udviklet en matematisk model til simulering af forløbet, hvor en dråbe, der består af en opløsning, tørres til en kompakt og massiv partikel. Modellen beskriver masse- og varmetransport fra omgivelserne til dråbeoverfladen såvel som internt i dråben. Modellens forudsigelser af tørringsforløb for vandige opløsninger af maltodextrin og trehalose udviser god overensstemmelse med eksperimentelle resultater fra en ultralydslevitator. I lighed med den eksisterende litteratur viser modellen, at tørringsforløbet kan inddeles i to adskilte tørringsfaser, der normalt omtales som perioden med konstant tørrehastighed og perioden med aftagende tørrehastighed. Modellen viser, at tørringen er hurtig i perioden med konstant tørrehastighed, mens temperaturen er tilnærmelsesvis lig den våde termometertemperatur, hvilket ligeledes er i overensstemmelse med den eksisterende litteratur. I perioden med aftagende tørrehastighed forløber tørringen langsomt, og temperaturen nærmer sig hurtigt omgivelsernes temperatur. Modellen viser, at på trods af, at Biot-tallet for 9 dråben er en smule højere end den kritiske værdi på 0.1, kan en ensartet temperaturfordeling i dråben antages med god rimelighed. De vigtigste konklusioner, der kan drages på baggrund af modelberegningerne, er, at tørringen i perioden med konstant tørrehastighed begrænses af masse- og varmetransport mellem dråbeoverfladen og omgivelserne. I perioden med aftagende tørrehastighed begrænses tørringen af intern massetransport. Kinetikken for tørring af enkeltdråber er yderligere undersøgt, idet der er udført en række eksperimenter på den såkaldte Droplet Dryer. Droplet Dryeren er en spraytørrer i pilot størrelse, som er designet med henblik på at undersøge dråbetørringen under veldefinerede temperatur- og strømningsforhold. Eksperimenterne har til formål at kortlægge indflydelsen af forskellige formuleringsingredienser på tørringshastigheden og morfologidannelsen, idet fokus lægges på formuleringsingredienser, der ofte anvendes i den bioteknologiske og farmaceutiske industri. Baseret på de eksperimentelle resultater konkluderes det, at tilsætning af ingredienser, som reducerer vandaktiviteten (maltodextrin, dextrin, Na2SO4 eller NaCl), til en suspension bestående af uopløseligt risstivelse og vand medfører en forøgelse af dråbetemperaturen under tørring snarere end at reducere tørrehastigheden. Modsat viser forsøgene at tilsætning af uopløseligt TiO2 til vand/risstivelsessuspensionen, hverken har en effekt på temperaturen eller tørrehastigheden. Forklaringen på dette er, at TiO2 ikke påvirker vandaktiviteten. Disse konklusioner er af stor vigtighed for design af formuleringer, der indeholder varmefølsomme materialer såsom enzymer. Forskellige forløb for dannelse af de partikelmorfologier, der er observeret under forsøgene, er givet og forklaret i detaljer. Dette indbefatter morfologidannelsesforløb for et stof (risstivelse), der kan gelatinere under tørring. Den vigtigste konklusion omkring morfologidannelse er, at selv små ændringer i formuleringen kan have stor indflydelse på den endelige partikelmorfologi. Yderligere præsenteres en billig og hurtig metode til vurdering af enzymholdige formuleringers evne til at bevare enzymaktiviteten under spraytørring. Metoden er baseret på eksperimenter med et differential scanning calorimeter, hvor der blot bruges få milligram af enzymformuleringen. Dette efterfølges af modellering af den termiske inaktiveringsreaktion, der forløber under tørringsprocessen. De kinetikparametre, der indgår i modellen, estimeres fra eksperimenterne, og under anvendelse af modellen simuleres omfanget af inaktiveringen ved temperaturer og fugtindhold, som er relevante ved spraytørring. Når der er udført eksperimenter og simuleringer for en række forskellige formuleringer kan det udledes, hvilken formulering der bedst bevarer enzymaktiviteten. Dette er eksemplificeret ved et designstudie, hvor fire forskellige enzymholdige formuleringer evalueres. Endeligt valideres metoden ved sammenligning med data fra et pilot spraytørringsanlæg. Det konkluderes, at selv meget simple formuleringsændringer kan medføre en 10 væsentlig reducering i aktivitetstabet ved spraytørring. Således kan den udviklede metode til evaluering af enzymholdige formuleringer være værdifuld i industrien. Yderligere er det af stor vigtighed, at der er opstillet en model, der kan bestemme inaktiveringshastigheden under tørring. Denne model for inaktiveringen anvendes i den sidste del af nærværende arbejde, hvor modellen kobles til en model, som beregner vandindholdet såvel som temperaturen i en tørrende dråbe. Den samlede model er opstillet for tørring af en enkelt dråbe, der består af vand, uopløselige samt opløselige komponenter, hvilket inkluderer enzymer. Modellen opdeler tørringsforløbet i de to tidligere nævnte perioder – perioden med konstant tørringshastighed og perioden med aftagende tørringshastighed. Den førstnævnte modelleres således, at fordampningen sker fra dråbeoverfladen, hvorimod fordampningen sker fra en skrumpende kerne i perioden med aftagende tørrehastighed. Det fordampede vand diffunderer gennem en porøs skorpe, der omslutter den skrumpende kerne. Simuleringer af tørringsforløbet viser, at enzymet udsættes for den mest omfattende inaktivering i perioden med aftagende tørrehastighed. Dette kan forklares ved, at der opnås en høj temperatur i dråben i denne del af tørringen. Ligeledes konkluderes det, at enzymet oplever mere inaktivering i den skrumpende kerne end i skorpen, fordi der opstår uheldige kombinationer af temperatur og vandindhold i kernen. Baseret på modelsimuleringerne gives afslutningsvis følgende anbefalinger til begrænsning af aktivitetstabet ved spraytørring af enzymholdige formuleringer i industriel skala. Startdråbestørrelsen bør være så lille som muligt og den relative fugtighed i tørreluften skal holdes lavt. Yderligere anbefales det at bruge en lav temperatur i spraytørreren, da en høj temperatur har en væsentlig mere negativ effekt på aktivitetsbevarelsen end den forlængede tørretid. Endelig foreslås det at undersøge indflydelsen af formuleringen på enzyminaktiveringen nøje, da simuleringerne har verificeret, at en simpel ændring i formuleringen kan forbedre restaktiviteten betydeligt. Det noteres dog, at valget af procesparametre såvel som valget af formuleringsingredienser er en afvejning mellem acceptabelt aktivitetstab og andre produktspecifikationer.
Original languageEnglish
Publication dateJan 2008
Number of pages155
StatePublished
Download as:
Download as PDF
Select render style:
APAAuthorCBEHarvardMLAStandardVancouverShortLong
PDF
Download as HTML
Select render style:
APAAuthorCBEHarvardMLAStandardVancouverShortLong
HTML
Download as Word
Select render style:
APAAuthorCBEHarvardMLAStandardVancouverShortLong
Word

Download statistics

No data available

ID: 4954737