Définition et avantages

La lyophilisation est un processus de séchage à basse température permettant de retirer l’eau contenue dans un produit. Cela consiste en trois étapes : la congélation de ce dernier puis sa sublimation et enfin la désorption. Le procédé est réalisé en maintenant le produit à une basse température sous vide. Le produit obtenu est appelé lyophilisat. Le terme “lyophile” signifie en grec “affinité avec un solvant”, en effet le lyophilisat ayant une structure poreuse, il présente une grande affinité pour les solvants aqueux. Cette structure lui permet le plus souvent de se dissoudre facilement par un solvant (Watson JJ et al., 2016). Pour redonner au produit ses caractéristiques initiales, une 3ème étape de réhydratation est nécessaire. L’objectif primordial de la lyophilisation est :

Par la congélation : l’inhibition des réactions chimiques et biochimiques avec pour conséquence le passage dans un état inerte.

Par la sublimation : La déshydratation du produit, le rendant ainsi considérablement plus stable que lorsqu’il était hydraté, ce qui facilite sa conservation (Adams G et al., 2007) .

Le cycle de lyophilisation

 

Un processus typique de lyophilisation se compose de trois étapes : la congélation, le séchage primaire et le séchage secondaire. La congélation est une étape de dessiccation efficace où la plupart du solvant, généralement l'eau, est séparée des solutés pour former de la glace. Le séchage primaire ou sublimation de glace, commence dès que la pression de la chambre est réduite et la température de l'étagère est augmentée pour fournir de la chaleur. Pendant le séchage primaire, la pression de la chambre est en dessous de la pression de vapeur de glace, et la glace est transférée du produit au condenseur par sublimation. En règle générale, l'étape de séchage primaire est l'étape la plus longue de lyophilisation et l'optimisation de cette étape a un grand impact sur l'économie des procédés. Le séchage secondaire est l'étape où l'eau est désorbée du produit, généralement à température élevée et basse pression. Dans certains cas, le séchage secondaire se produit au tout début du séchage primaire car la glace est retirée d'une région du produit, mais l'essentiel du séchage secondaire se produit après la fin du séchage primaire quand la température du produit a augmenté. Le séchage secondaire ne prend normalement que quelques heures, et la possibilité de réduire le temps grâce à l'optimisation des processus est limité (Pikal M. J 2002).Pour un cycle de lyophilisation optimal, les trois étapes du processus devront être optimisées.

Développement d’un cycle de lyophilisation et astuces :

1- La congélation :

Durant la congélation, la température sur étagère doit être inférieure à la Tg’ si le produit est amorphe ou en dessous de Teu s'il est à l'état cristallin. Le lot de produits doit être conservé à cette température assez longtemps pour que toute la solution se solidifie. En raison de la conductivité thermique limitée entre les flacons et les étagères, une congélation complète nécessite un temps considérable. Le temps dépend du volume de remplissage; autrement dit, plus le volume de remplissage est grand, plus le produit mettra du temps à geler complètement (Pikal M. J. 1990). Généralement, nous utilisons une température de 2°C inférieure à Tg’ ou Teu et il faut laisser le produit un temps suffisant pour une congélation complète. La température finale est maintenu pendant 1 h si la profondeur de remplissage est inférieure ou égale à 1 cm ou 2h si la profondeur de remplissage est supérieure à 1 cm. Une profondeur de remplissage supérieure à 2 cm devrait être évitée si possible, mais si nécessaire, le temps de congélation doit être augmenté proportionnellement.

2- Le séchage primaire :

La deuxième étape du cycle de lyophilisation consiste à optimiser la température du produit (Tp). Ce paramètre dépend des propriétés de formulation, de la température de conservation et la pression de la chambre du lyophilisateur. Il est souvent difficile d'optimiser le processus de lyophilisation pour une formulation donnée, même lorsqu’on connait sa Tc (Température de « collapse ») et Tg’. L'optimisation de cette partie du processus a un impact économique important, parce que le séchage primaire est l’étape la plus longue du cycle de lyophilisation (Pikal M. J. 1990). Même avec des scientifiques hautement qualifiés, l'optimisation du séchage primaire peut nécessiter un certain nombre d’études expérimentales chronophages. Par conséquent, nombreuses formulations sont lyophilisées dans des conditions qui sont loin d’être optimales. Les procédés de lyophilisation non optimisés peuvent augmenter considérablement le temps de traitement et peuvent compromettre la qualité du produit et ou susciter des préoccupations réglementaires.

La philosophie du séchage primaire consiste à choisir une température optimale du produit. Amener le produit rapidement à cette température et maintenir une température du produit (Tp) constante durant tout le séchage primaire. La température du produit doit être maintenue en dessous de la température de collapse(Tc) afin d'obtenir un produit sec avec une apparence correcte. La différence de température entre Tp et Tc s'appelle la marge de sécurité de température. C'est bien connu que la température élevée du produit offre un processus rapide, avec chaque augmentation de 1°C de la température du produit, le temps de séchage primaire diminue d'environ 13% (Pikal M. J. 1990). Par conséquent, un processus de lyophilisation optimisé fonctionne avec une Tp aussi élevée que possible. En d'autres termes, la température cible du produit doit être au plus près de Tc. Cependant, le risque d'effondrement est élevé si la température du produit est trop proche de Tc. Par conséquent, la Tp optimale est un compromis entre sécurité et temps de lyophilisation. Nous suggérons qu'une petite marge de sécurité soit utilisée. Si le temps de séchage primaire est long (par exemple, plus de 2 jours), une petite marge de sécurité (2°C) doit être appliquée. En cas où le temps de séchage primaire est court (<10 h), une grande marge de sécurité (5°C) pourrait être utilisée. Si le temps de séchage primaire se situe entre 2 jours et 10 h, une marge de 3°C est recommandée. En général, la Tp ne doit pas être supérieur à -15 ° C, ou bien les capacités de transfert de masse du lyophilisateur peuvent être surchargées. La surcharge du lyophilisateur entraîne généralement des pertes du contrôle de la pression de la chambre et une augmentation de la température du produit. D’où l’importance de déterminer le taux d’engorgement (Choke Flow) sur un lyophilisateur de production.

Le point final du séchage primaire peut être détecté par différentes méthodes. À la fin du séchage primaire, il n’y a plus de glace dans les flacons (c.-à-d. plus de sublimation de glace et ainsi pas de chaleur éliminée par sublimation); ainsi la température du produit augmente pour atteindre celle des étagères.

3- Le séchage secondaire :

Les produits doivent être conservés à «haute» température pendant une période suffisante pour permettre la désorption complète de l’eau. Il est conseillé d'utiliser une température d'étagère élevée pendant une courte durée plutôt qu’une température basse pendant une longue période (Pikal M. J. et al., 1990). La raison est que le taux de désorption de l'eau diminue considérablement avec le temps à une température donnée. Des temps supérieurs à 6 h n’ont pas d’effet sur l’élimination de l’humidité résiduelle. Les produits amorphes sont plus difficiles à sécher que les produits cristallins. Ainsi, des températures plus élevées et plus de temps sont nécessaires pour éliminer l'eau absorbée. Les conditions de séchage secondaire dépendent également de la concentration du soluté. À une concentration de soluté élevée (c-à-d > 10% de solides en solution), il est plus difficile d'éliminer l'eau absorbée. Donc des durées plus longues et/ou des températures plus élevées sont nécessaires pour terminer le séchage secondaire. Normalement, le temps optimal de séchage secondaire est de 3 à 6h à une température comprise entre 40 et 50°C.

Conclusion

Plusieurs paramètres physico-chimiques influencent le cycle de lyophilisation. En plus de ces éléments, le choix du lyophilisateur reste primordial. Différentes conditions devraient être respectées pour définir le lyophilisateur le plus adaptés à notre application. Parmi ses éléments, nous citons : la nature du produit à lyophiliser, son conditionnement, le volume total, ainsi que d’autres détails à prendre en considération. Le secret d’un cycle de lyophilisation réussi reste un atout de conditions de lyophilisation et d’un appareil techniquement adapté.

Références :

Watson JJ, Pati S, Schreiber MA. Plasma Transfusion: History, Current Realities, and Novel Improvements. Shock. 2016 Nov;46(5):468-479. doi: 10.1097/SHK.0000000000000663. PMID: 27380536.

Adams G. The principles of freeze-drying. Methods Mol Biol. 2007;368:15-38. doi: 10.1007/978-1-59745-362-2_2. PMID: 18080460.

Pikal M. J. Lyophilization. In J. Swarbrick and J. Boylan (eds.), Encyclopedia of Pharmaceutical Technology, Marcel Dekker,New York, 2002, pp. 1299–1326.

Pikal M. J. Freeze-drying of proteins. Part I: process design. BioPharm 3:18–28 (1990). Pikal M. J. Freeze-drying of proteins part II: formulation selection.BioPharm 3:26–30 (1990).

Pikal M. J, S. Shah, M. L. Roy, and R. Putman. The secondary drying stage of freeze drying: drying kinetics as a function of temperature and chamber pressure. Int. J. Pharm. 60:203–217 (1990).