Reinigungsvalidierung Die richtige TOC-Analysemethoden für ihre Reinigungsvalidierung

Autor / Redakteur: Dr. Fabian Alt* / Anke Geipel-Kern

Der TOC-Wert ist ein wichtiger Screening-Parameter für den Reinigungsvalidierungsprozess. Hiermit lassen sich potenzielle Kreuzkontaminationen in Batch-Prozessen oder Rückstände von Reinigungsmitteln im Herstellprozess von Medikamenten schnell erkennen. Dem Anwender stehen hierfür unterschiedliche Methoden zur Verfügung.

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Probenvorbereitung im Glaskolben
Probenvorbereitung im Glaskolben
(Bild: Elementar)

Dank ihrer Einfachheit ist die TOC-Analyse sowohl in flüssigen als auch festen Proben längst zum festen Screening-Parameter in der Reinigungsvalidierung geworden. Mit ihr lassen sich selbst Spuren an unterschiedlichsten Reinigungsmitteln, Wirkstoffen, Hilfsstoffen oder auch Abbauprodukte quasi auf einen Blick erfassen. Auf diese Weise können Kreuzkontaminationen zwischen Medikamenten verhindert und so die Produkt- bzw. Chargenintegrität gesichert werden. Auch mikrobielle Ablagerungen auf Geräten oder eine Übertragung von Keimen zwischen den Produkten lassen sich darüber frühzeitig erkennen.

Auch die 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: diese ist nicht inhaltsstoffspezifisch und liefert quantitative, schnelle Ergebnisse mit einer niedrigen Nachweisgrenze. Für die Reinigungsvalidierung kann entweder eine indirekte Probenahme mit der letzten Spülung (Final Rinse) oder eine direkte Oberflächenbeprobung mit Tupfern (Swab-Test) verwendet werden.

Welche Oxidationstechnik ist geeignet?

In der pharmazeutischen Industrie haben sich zwei unterschiedliche TOC-Analysemethoden als Best Practice für die Bewertung organischer Verunreinigungen in Final Rinse-Proben oder rückgelöst von den Swabs etabliert. Beide Oxidationsverfahren zur TOC-Bestimmung in Flüssig-Proben sind in den Normen beschrieben. Einschlägige Richtlinien in den meisten Ländern beziehen sich üblicherweise darauf. Dies sind:

  • die katalytische Hochtemperaturverbrennung und
  • die nasschemische UV/Persulfat-Oxidation.

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

Die Acuray-Serie für die TOC-Analyse
Die Acuray-Serie für die TOC-Analyse
(Bild: Elementar)

Hochtemperatur-Verbrennung

Der große Vorteil der Hochtemperatur-Verbrennungsmethode (umgesetzt im Gerät „vario TOC cube“) gegenüber der UV/Persulfat-Methode (umgesetzt im Gerät „acquray“) ist ihr höheres Oxidationspotenzial. Somit können auch sehr stabile organische Verbindungen gecrackt werden, und sie ist damit auch für den Swab-Test einsetzbar. Daraus folgt ein breiter Einsatzbereich sowohl für Reinstwasser, aber auch für Feststoffe.

Nasschemisches Oxidationsverfahren

Die Kombination eines nasschemischen Oxidationsverfahrens mit hochenergetischer UV-Strahlung in Elementars Acquray 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 oxidieren. Um den Blindwert gering zu halten, kann bei Konzentrationen weniger als zwei Parts per Million auch auf Persulfat verzichtet und ein reiner UV-Aufschluss durchgeführt werden. Dieses CO2 lässt sich dann mit einem NDIR-Detektor nachweisen.

Generell verfügt das Gerät über vordefinierte Methoden, einfache, intuitive Kalibrierverfahren und automatische Warnmeldungen, wenn eine Wartung erforderlich ist. Letztere gestaltet sich durch die werkzeugfreie Wartung als sehr effizient. Das Gerät steht schnell wieder zum Einsatz bereit. Damit ist die Acquray-Serie die ideale Lösung für Routinelabore, die Geräte mit hoher Laboreffizienz und minimalen Ausfallzeiten bei geringen Investitionskosten benötigen.

Der große Vorteil der UV/Persulfat-Methode ist, dass hohe Injektionsvolumina analysiert werden können (mit dem Acquray sind dies bis zu 40 Milliliter im Vergleich zu zwei Millliter mit dem Vario TOC Cube). Dadurch kann im Vergleich zur Hochtemperaturverbrennungsmethode eine niedrigere Nachweisgrenze (LOD) erreicht werden. Auch weist diese Methode eine bessere Reproduzierbarkeit und Stabilität insbesondere im unteren Messbereich auf.

Module für nicht wasserlösliche Proben

Das modulare Konzept des Acquray erlaubt sowohl die Analyse über den Final Rinse als auch den Einsatz von Swab-Tests sowohl für wasserlösliche organische Verbindungen als auch für nicht oder kaum wasserlösliche Verbindungen wie Ciprofloxacin oder Atropin über das Feststoffmodul.

Bei der Final Rinse-Analyse wird die letzte Spülflüssigkeit beprobt und mit dem Flüssig-TOC-Modul analysiert, wenn Wasser als Lösemittel verwendet wurde.

Im Rahmen des Swab-Tests können auch Kohlenstoffkonzentrationen auf Tupfern aus Glas- oder Quarzwolle, die bei 400 °C getempert wurden, direkt mit dem Feststoff-Modul sehr genau analysiert werden. Bei einer Einwaage von beispielsweise 0,36 Milligramm Cyprofloxacin (entsprechend 220 Mikrogramm Kohlenstoff) ergibt sich etwa ein gut detektierbarer Peak, der deutlich von der Basislinie getrennt ist, da die Nachweisgrenze bei zwei Mikrogramm Kohlenstoff liegt (siehe Abbildung 1).

Obwohl der UV/Persulfat-Aufschluss im Vergleich zur Hochtemperaturverbrennung nicht ganz so 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 vor allem bei komplexeren organischen Verbindungen einen bedeutenden Marktanteil in der pharmazeutischen Industrie.

Wer prüft die Analysatoren?

Nach der Europäischen Pharmakopöe (EP 2.2.44) und der US Pharmakopöe (USP 643) muss 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 Milligramm pro Liter Konzentration vorbereitet und vermessen. Das Verhältnis der beiden muss zwischen 0,85 und 1,15 liegen, um die Anforderungen an Reinstwasser (gemäß USP) oder Wasser für den pharmazeutischen Gebrauch im Allgemeinen (gemäß EP) zu erfüllen. Gleichzeitig muss der untere Messbereich (z. B. ein LOD kleiner als 50 ppb) eingehalten werden.

Für einen solchen Test wurde im Acquray ein Injektionsvolumen von sieben Milliliter im TC-Modus definiert. Um die Eignung des Vario TOC Cube zu testen, wurde der NPOC-Modus (nicht flüchtiger organischer Kohlenstoff) mit einem Injektionsvolumen von einem Milliliter verwendet. Die Verbrennungstemperatur betrug 850 °C, und es wurde ein Platinkatalysator mit einem niedrigen Blindwert verwendet. Das Ergebnis: beide Geräte erfüllen den System-Eignungstest mit großer Reproduzierbarkeit. Die Auswertung des Systemeignungstests wird automatisch über die Software beider Analysatoren durchgeführt.

Abbildung 1: Deutlich von der Basislinie getrennter Peak für 200 µg Kohlenstoff (Quelle: Eigene Datenerhebungen mit TOC Gerätesoftware)
Abbildung 1: Deutlich von der Basislinie getrennter Peak für 200 µg Kohlenstoff (Quelle: Eigene Datenerhebungen mit TOC Gerätesoftware)
(Bild: Elementar)

Diese Tests bestätigen die Eignung beider Analysatoren für Labore in der pharmazeutischen Industrie. Beide Geräte bestimmen zuverlässig die TOC-Konzentration im unteren ppb-Messbereich in allen Wässern, die in der Produktion verwendet werden. Selbstverständlich lassen sich alle Messwerte in gängige LIMS-Systeme integrieren. Elementar bietet darüber hinaus verschiedene Gerätequalifizierungen an, von der Installationsqualifizierung (IQ), über die Betriebsqualifizierung (OQ) bis zur Leistungsqualifizierung (PQ) sowie der Requalifizierung (RQ). 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: man sollte immer im Hinterkopf behalten, dass es sich um einen Summenparameter handelt, der nicht nur den Blick auf die Probe wirft. Daher sollte sichergestellt werden, dass der gemessene Kohlenstoff wirklich von der beprobten Oberfläche stammt. ●

* * Der Autor ist Produktmanager bei Elementar Analysensysteme GmbH. Kontakt: info@elementar.com

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