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Reinigungsvalidierung mittels TOC In Summe geprüft, per TOC-Analysator

Autor / Redakteur: Dr. Fabian Alt* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Kontaminationsfrei muss es sein, besonders bei der Medikamentenherstellung. Ob die Reinigung der Anlagen gelungen ist, kann die Analyse des „Gesamten Organischen Kohlenstoff­gehaltes“ (TOC) zeigen. Als Summenparameter gibt der TOC-Wert auf einen Blick an, ob unerwünschte Fremdbestandteile zurückgeblieben sind.

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Abb.1: In einem halbautomatisierten Screening-Prozess lässt sich der TOC-Wert bestimmen – ein bewährter Parameter der Qualitätsüberwachung.
Abb.1: In einem halbautomatisierten Screening-Prozess lässt sich der TOC-Wert bestimmen – ein bewährter Parameter der Qualitätsüberwachung.
(Bild: Elementar Analysensysteme GmbH)

Um Wasserproben auf organische Verunreinigungen zu untersuchen, eignet sich die Analyse des „Gesamten Organischen Kohlenstoffgehaltes“ (TOC) als erster Anhaltspunkt – eine vergleichsweise einfache Methode. Damit bleibt zwar unbekannt, wodurch die Probe genau verunreinigt wurde, allerdings kann eine aufgetretene Kontamination schnell erkannt werden. Daher ist die Methode längst sowohl in flüssigen als auch festen Proben zum etablierten Screening-Parameter geworden, der z. B. auch in der Reinigungsvalidierung bei der Medikamentenherstellung eingesetzt wird. Mit der TOC-Analytik lassen sich selbst Spuren von unterschiedlichsten Reinigungsmitteln, Wirkstoffen, Hilfsstoffen oder auch Abbauprodukten quasi auf einen Blick erfassen. Auf diese Weise lassen sich Kreuzkontaminationen zwischen Medikamenten verhindern, sodass die Produkt- bzw. Chargenintegrität gesichert ist. Auch mikrobielle Ablagerungen an Geräten oder eine Übertragung von Keimen zwischen den Produkten ist mithilfe des TOC-Wertes frühzeitig zu erkennen.

Die amerikanische Behörde für Lebens- und Arzneimittel (FDA) erkennt diesen Parameter seit der Veröffentlichung des Inspektionsleitfadens zur Reinigungsvalidierung im Jahr 1993 an. Besonders hilfreich ist es, wenn die Ergebnisse der Reinigungsvalidierung und damit auch die der TOC-Analytik in ein routinemäßiges Monitoring übergehen und in den gesamten Validierungsprozess integriert werden.

Der große Vorteil der TOC-Analyse: Sie ist nicht inhaltsstoffspezifisch und liefert quantitative, schnelle Ergebnisse mit einer niedrigen Nachweisgrenze. Für die Reinigungsvalidierung erfolgt entweder eine indirekte Probenahme mit der letzten Spülung (Final Rinse) oder eine direkte Oberflächenbeprobung mit Tupfern (Swab-Test).

Welche Oxidationstechnik darf es sein?

In der pharmazeutischen Industrie haben sich zwei unterschiedliche TOC-Aufschlussmethoden als Best Practice etabliert, um organische Verunreinigungen zu beurteilen – sowohl in Final-Rinse-Proben als auch rückgelöst von den Tupfern. Beide Oxidationsverfahren zur TOC-Bestimmung in Flüssig-Proben sind in den relevanten Normen beschrieben. Diese Verfahren sind die katalytische Hochtemperaturverbrennung und die nasschemische UV/Persulfat-Oxidation. Einschlägige Richtlinien in den meisten Ländern beziehen sich üblicherweise darauf.

Unabhängig von der gewählten Methode können weitere Elemente und Parameter in die flexiblen TOC-Analysatoren integriert werden. Der Analysegerätehersteller Elementar bietet Geräte für beide Methoden an. Welche Methode letztendlich zum Einsatz kommt, hängt von der Probenmatrix, dem Konzentrationsbereich und der jeweiligen Anwendung ab.

Ein Pluspunkt der Hochtemperatur-Verbrennungsmethode gegenüber der UV/Persulfat-Methode ist ihr höheres Oxidationspotenzial. Somit können auch sehr stabile organische Verbindungen gecrackt werden, weshalb die Methode auch für den Swab-Test einsetzbar ist. Daraus folgt ein breiter Anwendungsbereich von Reinstwasser bis Feststoffen.

Nasschemische Oxidation vs. Verbrennung

Die Kombination eines nasschemischen Oxidationsverfahrens mit hochenergetischer UV-Strahlung gewährleistet einen vollständigen Aufschluss aller organischen Verbindungen. Für präzise Messergebnisse wird typischerweise eine (Natrium-)Persulfatlösung zur Probe gegeben und mit UV-Licht bestrahlt. Durch die Kombination von Persulfat und UV-Licht entstehen OH- und O-Radikale, die wiederum alle Kohlenstoffverbindungen in einer Wasserprobe zu CO2 überführen. Um den Blindwert gering zu halten, kann bei Konzentrationen unter 2 ppm auch auf Persulfat verzichtet und ein reiner UV-Aufschluss durchgeführt werden. Dieses CO2 lässt sich dann mit einem nichtdispersiven Infrarotdetektor (NDIR-Detektor) nachweisen.

Die UV/Persulfat-Methode zeichnet aus, dass hohe Injektionsvolumina analysiert werden können. Der TOC-Analysator Acquray von Elementar kann beispielsweise bis zu 40 ml verarbeiten, im Vergleich zu 2 ml mit dem Analysator, der die katalytische Hochtemperaturverbrennung nutzt. Durch die größeren Injektionsvolumina erreichen Anwender bei ihren Analysen eine niedrigere Nachweisgrenze (LOD). Auch weist die UV/Persulfat-Methode eine bessere Reproduzierbarkeit und Stabilität insbesondere im unteren Messbereich auf.

Wasserunlösliche Proben untersuchen

Das modulare Konzept des Acquray erlaubt sowohl die Analyse über den Final Rinse als auch den Einsatz von Swab-Tests. Dabei lassen sich über das Basis-Gerät wasserlösliche organische Verbindungen und über das Feststoffmodul nicht oder kaum wasserlösliche Verbindungen wie Ciprofloxacin oder Atropin analysieren. Bei der Final-Rinse-Analyse wird die letzte Spülflüssigkeit beprobt und mit dem Flüssig-TOC-Modul analysiert, wenn Wasser als Lösemittel verwendet wurde.

Abb.2: Deutlich von der Basislinie getrennter Peak (Cyprofloxacin) für 200 µg Kohlenstoff; Quelle: eigene Datenerhebungen mit TOC-Gerätesoftware
Abb.2: Deutlich von der Basislinie getrennter Peak (Cyprofloxacin) für 200 µg Kohlenstoff; Quelle: eigene Datenerhebungen mit TOC-Gerätesoftware
(Bild: Elementar Analysensysteme GmbH)

Beim Swab-Test können Kohlenstoffkonzentrationen auf Tupfern aus Glas- oder Quarzwolle, die bei 400 °C getempert wurden, direkt mit dem Feststoff-Modul analysiert werden. Bei einer Einwaage von beispielsweise 0,36 mg des Antibiotikums Ciprofloxacin (entsprechend 220 μg Kohlenstoff) ergibt sich etwa ein gut detektierbarer Peak, der deutlich von der Basislinie getrennt ist, da die Nachweisgrenze bei 2 μg Kohlenstoff liegt (s. Abb. 2).

Obwohl der UV/Persulfat-Aufschluss im Vergleich zur Hochtemperaturverbrennung etwas weniger leistungsfähig ist, ist die UV/Persulfat-Technik in der weltweiten pharmazeutischen Industrie präsenter. Dies liegt an der niedrigeren Nachweisgrenze, welche typischerweise die wichtigste Spezifikation ist. Dennoch haben auch TOC-Analysatoren mit Hochtemperaturverbrennung einen bedeutenden Marktanteil in der pharmazeutischen Industrie, v. a. bei komplexeren organischen Verbindungen.

Vorgaben: Wer prüft die Analysatoren?

Nach der Europäischen Pharmakopöe (EP 2.2.44) und der US Pharmakopöe (USP 643) muss nicht nur die Analysemethode, sondern auch die Genauigkeit eines TOC-Analysators an sich geprüft werden. Dies geschieht, indem die Wiederfindung einer schwer abbaubaren Verbindung (1,4-Benzochinon) und einer leicht abbaubaren Verbindung (Saccharose) verglichen wird. Beide Lösungen werden mit 0,5 mg/l Konzentration vorbereitet und vermessen. Um die Anforderungen zu erfüllen, die gemäß USP für Reinstwasser oder gemäß EP für Wasser für den pharmazeutischen gelten, muss das Verhältnis der beiden zwischen 0,85 und 1,15 liegen. Gleichzeitig muss der untere Messbereich eingehalten werden (z. B. ein LOD kleiner als 50 ppb).

Abb.3: Der TOC-Analysator der Acquray Serie nutzt den UV/Persulfat-Aufschluss.
Abb.3: Der TOC-Analysator der Acquray Serie nutzt den UV/Persulfat-Aufschluss.
(Bild: Elementar Analysensysteme GmbH)

Für einen solchen Test wurde im Acquray ein Injektionsvolumen von 7 ml im TC-Modus definiert. Auch der Vario TOC Cube wurde getestet, wobei der NPOC-Modus (nicht flüchtiger organischen Kohlenstoff) mit einem Injektionsvolumen von 1 ml verwendet wurde. Die Verbrennungstemperatur betrug 850 °C und es wurde ein Platinkatalysator mit einem niedrigen Blindwert verwendet. Das Ergebnis: Beide Geräte erreichen beim System-Eignungstest eine sehr gute Wiederfindung und Präzision. Der Acquray erzielte etwa für Saccharose 100,4 % (± 0,57 %) und für Benzochinon eine Wiederfindungsrate von 99,0 % (± 1,21 %). Die Auswertung wird automatisch über die Software beider Analysatoren durchgeführt.

Fazit: TOC als zuverlässiger Parameter

Die durchgeführten Tests bestätigen, dass sich beide Analysator- Typen für Labore in der pharmazeutischen Industrie eignen. Beide Geräte bestimmen zuverlässig die TOC-Konzentration im unteren ppb-Messbereich in allen Wässern, die in der Produktion, sowie in Final Rinse Proben verwendet werden. Selbstverständlich lassen sich alle Messwerte in jedes gängige LIMS inte­grieren. Als Hersteller bietet Elementar bietet darüber hinaus verschiedene Gerätequalifizierungen an, von der einmaligen Installationsqualifizierung (IQ) über die regelmäßige Betriebsqualifizierung (OQ) bis zur Leistungsqualifizierung (PQ). Durch die PQ wird nachgewiesen und dokumentiert, dass der Analysator unter realen Laborbedingungen gleichbleibend die definierten Leistungsparameter erfüllt und somit dauerhaft wiederholbare und zuverlässige Ergebnisse liefert.

Unabhängig davon, welches TOC-Analysegerät später zum Einsatz kommt, sollten Anwender immer im Hinterkopf behalten, dass es sich um einen Summenparameter handelt. Daher sollte sichergestellt werden, dass der gemessene Kohlenstoff auch wirklich aus der Probe stammt.

* Dr. Fabian Alt, Elementar Analysensysteme, 63505 Langenselbold

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