TOC-Gehalt von Reinstwasser zuverlässig bestimmen Sauberes Wasser für sichere Medikamente

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Bei der Herstellung von Medikamenten sind reinste Ausgangsmaterialien wichtig, so auch sehr sauberes Wasser – Reinstwasser. Die Bestimmung des gesamten organischen Kohlenstoffs (engl. Total Organic Carbon, TOC) ist eine der zentralen Kenngrößen der chemischen Reinheit von Reinstwasser und kann mithilfe verschiedener Methoden erfolgen.

Wenn in der Medizin eines von übergeordnet wichtiger Bedeutung ist, dann ist es die Hy­giene. Nicht nur um Infektionen im direkten Umgang mit Patienten zu vermeiden, sondern auch um beispielsweise pharmazeutische Produkte sicher für die Anwendung zu machen.

Die Pharmazie beschäftigt sich mit der Entwicklung, Wirkung, Prüfung und Herstellung von Medikamenten für die Human- und Veterinärmedizin. Hierbei sollen bestimmte Inhaltsstoffe je nach Anwendung in verschiedenen Darreichungsformen ihre gewünschte Wirkung entfalten. Verunreinigungen, Rückstände und andere störende Substanzen in den Arzneimitteln sind hingegen unerwünscht. Daher ist es wichtig, zur Herstellung von Medikamenten reinste Ausgangsmaterialien einzusetzen. Dazu zählen Wirk- und Hilfsstoffe sowie sauberes, rückstandsfreies Herstellequipment. Um diese Reinheit zu gewährleisten, ist der Einsatz von sehr sauberem Wasser – Reinstwasser – notwendig. Die gebräuchlichsten Reinstwasserqualitäten sind Aqua Purificata (AP) und Wasser für Injektionszwecke (WfI).

Reinstwasser – wie rein ist rein?

Amtliche Arzneibücher, die so genannten Pharmakopöen, enthalten sowohl Vorschriften und Regeln für die Herstellung von Reinstwasser, wie Wasser für Injektionszwecke, als auch Vorgaben in Bezug auf die Qualität und Prüfung der eingesetzten Reinstwässer. Um die Qualität des Reinstwassers sicherzustellen, sind gemäß Europäischem Arzneibuch (Ph. Eur.) bzw. US-amerikanischem Arzneibuch (USP) neben den mikrobiologischen Parametern Keimzahl und Endotoxine auch chemische Qualitätskriterien zu kontrollieren. Neben Aussehen, Leitfähigkeit und Ionen, wie Nitrat, Sulfat oder Chlorid, ist die Bestimmung des gesamten organischen Kohlenstoffs (engl. Total Organic Carbon, TOC) die zentrale Kenngröße der chemischen Reinheit von Reinstwasser.

Der TOC ist ein Summenparameter für organische Substanzen, die im Wasser vorkommen. Dies sind zum einen die organischen Bestandteile, wie Huminsäuren oder Pestizide aus dem Trinkwasser, das für die Herstellung des Reinstwassers verwendet wird, und zum anderen Rückstände aus dem Produktionsequipment. Neben der Qualitätskontrolle bei den Reinstwässern stellt die TOC-Bestimmung auch eine der zentralen Messgrößen in der Reinigungsvalidierung zur Rückstandsprüfung auf Reinigungsmittel oder Wirksubstanzen dar. Allgemein ist die TOC-Bestimmung die Kenngröße für die „organische Sauberkeit“ in den Wasserproben.

Für die Reinstwässer AP bzw. WfI ist im Europäischen bzw. Amerikanischen Arzneibuch jeweils ein Grenzwert von 0,5 mg/l TOC [1, 2] festgelegt. Neben der hauptsächlichen Anwendung von WfI bei der Arzneimittelproduktion wird es auch als steril abgefülltes Wasser für Injektionszwecke in Ampullen oder Flaschen benötigt. Dieses sterile WfI wird vor Ort beim Patienten, in den Kliniken oder bei den Ärzten zum Ansetzen oder Verdünnen von Medikamenten benötigt. Für dieses sterile WfI sind im USP in Abhängigkeit von der Gebindegröße spezielle Grenzwerte definiert.

Vorgaben für die TOC-Bestimmung

Die Kapitel im Ph. Eur. [3] und im USP [4] haben verschiedene Vorgaben für die TOC-Bestimmung. Zentraler Punkt für die Messung des TOC ist die Vorgabe, dass das Ergebnis nur den organischen Kohlenstoff berücksichtigen darf. Die verschiedenen Messmethoden werden im weiteren Verlauf des Artikels näher beleuchtet. Eine exakte Beschreibung der Messmethode bzw. des Messmodus ist in den Arzneibüchern nicht gegeben, sodass hier der alte Satz „Alle Wege führen nach Rom“ gelten kann. Für die weiteren Betrachtungen wird von der üblichsten Messmethode, dem NPOC-Modus (engl. Non Purgeable Organic Carbon) ausgegangen.

Auch für die Kalibrierung des TOC-Gerätes werden in den Arzneibüchern [3, 4] keine Vorgaben gemacht. Es wird nur verlangt, dass eine Nachweisgrenze von 0,05 (0) mg/l TOC erreicht wird. Durch die gegenseitige Anerkennung der Arzneibücher Ph. Eur., USP und der Japanischen Pharmakopöe (JP) wird gemäß JP 2.59 [5] für die Kalibrierung des NPOC-Modus üblicherweise Kaliumhydrogenphtalat (KHP) verwendet.

Für die Durchführung des Systemeignungstests (SST) gibt es in den jeweiligen Kapiteln [3, 4] genaue Vorschriften. In beiden Arzneibüchern ist Saccharose als leicht oxidierbare und 1,4-Benzochinon als schwer oxidierbare Substanz vorgeschrieben. Für die Reinstwässer AP und WfI als Bulk-Ware (Bereitstellung über die Wasserleitung oder als nicht-sterile Gebinde) werden hierfür Lösungen mit einer 0,5 mg/l TOC entsprechenden Menge an Referenzsubstanz eingesetzt. Die Wiederfindung gemäß der in den Arzneibüchern angegebenen Formel muss zwischen 85 und 115 Prozent liegen. Im Falle des Ph. Eur. ist der Grenzwert bei der TOC-Bestimmung in AP und WfI immer „max. 0,5 mg/l TOC“, während den Vorgaben des USP folgend der exakte Grenzwert (rL) aus den Daten des SSTs unter Berücksichtigung des TOC-Messwertes für die Saccharose-Lösung (rS) und des eingesetzten Reagenzwassers (rW) berechnet wird (rL = rS–rW).

TOC-Bestimmung in sterilem WfI

Auch bei der TOC-Bestimmung in WfI_steril erfolgt der SST mit den oben genannten Substanzen Saccharose und 1,4-Benzochinon. Jedoch sind die einzusetzenden Konzentrationen und damit auch die Grenzwerte (L2) von der Gebindegröße abhängig (s. Tab. 1). Ergänzend wird noch eine Saccharose-Limit-Lösung (L1) auf 67 Prozent des SST-Niveaus analysiert. Für die Bewertung der TOC-Ergebnisse sind drei Fälle zu betrachten:

• TOC-Ergebnis ist nicht größer als der Grenzwert L1 (Limit-Lösung (L1)) – Reagenzwasser => das TOC-Ergebnis entspricht der Qualität für WfI_steril

• TOC-Ergebnis ist größer als der Grenzwert L2 (Limit-Lösung (L2)) – Reagenzwasser => das TOC-Ergebnis entspricht nicht der Qualität für WfI_steril

• TOC-Ergebnis liegt zwischen den Grenzwerten L1 und L2. In diesem Fall ist eine Quantifizierung der organischen Einzelverunreinigungen und Bewertung dieser Ergebnisse vorgeschrieben.

Methoden zur TOC-Bestimmung

Zur Bestimmung des TOC stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung. Grundlegend werden die in der Probe enthaltenen Kohlenstoffverbindungen in einem Oxidationsschritt zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt und dieses anschließend detektiert. Die meistverbreitete Technik ist die katalytische Verbrennungsoxidation. Hierbei werden die Kohlenstoffkomponenten bei hohen Temperaturen in einer sauerstoffhaltigen Umgebung unter Einfluss eines Platinkatalysators oxidiert. Die Detektion des CO₂ erfolgt meist über einen NDIR-Detektor.

Bei der meistverwendeten TOC-Bestimmungsmethode, der NPOC- oder Direkt-Methode, wird die Probe mit einer Mineralsäure (z. B. 1M HCl) angesäuert. Hierbei werden die anorganischen Kohlenstoffverbindungen, wie Carbonate und Hydrogencarbonate, zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt und mittels Spülgas aus der Probe entfernt. Anschließend wird ein Aliquot der vorbereiteten Probe oxidiert und das entstehende CO₂ gemessen.

In bestimmten Fällen, wie bei tensid- oder proteinhaltigen Proben aus der Reinigungsvalidierung, kann es beim Ausblasen der Proben mit dem Spülgas zur Schaumbildung kommen. Hier ist die NPOC-Methode oftmals ungeeignet, da durch das Aufschäumen der Probe Unterbefunde wahrscheinlich sind. Für derartige Proben eignet sich die so genannte Differenzmethode. Dabei wird zunächst durch Oxidation die Konzentration der gesamten Kohlenstoffverbindungen (engl. Total Carbon, TC) ermittelt. Dafür wird ein Teil der Probe – ohne Probenansäuerung – komplett oxidiert. In einem zweiten Schritt werden die anorganischen Kohlenstoffverbindungen (IC = Inorganic Carbon) gemessen. Dazu wird die Probe angesäuert. Die Carbonate und Hydrogencarbonate werden zu CO₂ umgesetzt und mit dem Trägergas zum Detektor transportiert. Durch Differenzbildung (TOC = TC – IC) wird die TOC-Konzentration berechnet.

Moderne Analysatoren wie die der TOC-L Serie von Shimadzu übernehmen die Probenvorbereitung (Ansäuern und Ausgasen) vollautomatisch. Die Systeme arbeiten mit einem hocheffektiven Platinkatalysator bei einer Verbrennungstemperatur von 680 °C. Neben der Direktmethode (NPOC) können die Systeme aber auch den TOC mittels Differenzmethode bestimmen. Die Geräte verfügen über eine spezielle Spritzeneinheit, die automatische Verdünnungen von Proben bei Überschreitung des Kalibrierbereiches sowie die automatische Verdünnung von Standards zur Erstellung von Kalibrierkurven auch in äquidistanten Konzentrationsabständen ermöglicht.

Im pharmazeutischen Umfeld spielen neben der Qualität der TOC-Bestimmung auch die Sicherung und Integrität von Daten eine herausragende Rolle. Zur Dokumentation und Überwachung verfügt die Software der TOC-L-Analysatoren über eine Benutzerverwaltung und einen Audit Trail gemäß den aktuellen GMP-Vorgaben. Die Benutzerverwaltung ermöglicht durch individuelle Benutzerkonten eine Vergabe von Benutzungsrechten. Somit kann jeder Anwender das Analysegerät nur nach den für ihn angedachten Einstellungen nutzen. Im Audit Trail werden jede Einstellung und Messung, jedes Ergebnis und jedwede Änderungen an den Einstellungen sowie Fehler und Alarme lückenlos dokumentiert. Die Software erfüllt die in der CFR 21 Part 11 geforderte Datenintegrität sowie die Freigabe der Ergebnisse durch eine digitale Signatur. Dazu werden die Messergebnisse in eine Datenbank exportiert, zentral gespeichert und können hier verwaltet und signiert werden.

Messbeispiel

Ein Wasser für Injektionszwecke in einer 2-ml-Ampulle wurde auf den TOC-Gehalt analysiert. Um die Grenzwerte zu bestimmen, wurden zuvor zwei Kontrolllösungen (L1 und L2) sowie das Reagenzwasser zur Bestimmung des Blindwertes gemessen. Die Kontrolllösungen ergaben nach Abzug des Blindwerts einen TOC-Gehalt von 31,5 mg/l für den Grenzwert L1 und 48,5 mg/l für den Grenzwert L2. Bei der TOC-Bestimmung der Probe (WfI aus 2-ml-Ampulle) wurde eine Konzentration von 2,6 mg/l gemessen. Damit liegt die TOC-Konzentration unterhalb des geforderten Grenzwertes L1: Das Ergebnis entspricht der geforderten Qualität.

Fazit

Der TOC ist ein aussagekräftiger Summenparameter für die Überwachung von reinsten Wässern. Die Arznei­bücher enthalten Vorschriften und Regeln für die Herstellung von Reinstwasser sowie Vorgaben in Bezug auf dessen Qualität und Prüfung. Moderne Analysatoren wie der TOC-L von Shimadzu erfüllen alle notwendigen Vorgaben der Pharmakopöen und erledigen die Probenvorbereitung und Messung nahezu vollautomatisch. (ott)

Literatur:

[1] „Water, purified“, Ph. Eur. 04/2018:0008, European Pharmacopoeia, 11. Edition

[2] „Water, purified“, US Pharmacopoeia (USP), Edition 2022

[3] „Total organic carbon in water for pharmaceutical use“, Ph. Eur. 2.2.44, European Pharmacopoeia, 11. Edition

[4] „Total organic Carbon“, USP <643>, US Pharmacopoeia (USP), Edition 2022

[5] „Test for total organic Carbon“, JP 2.59, Japanese Pharmacopoeia, 18. Edition

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