Verfahrenstechnik der Gefriertrocknung und Bedeutung des Glaszustands als Stabilisierungsmechanismus bei Mikroorganismen
Final Report Abstract
Bei der Trocknung und anschließenden Lagerung von Mikroorganismen kommt es zu einem Vitalitätsverlust der Kulturen. Um den destabilisierenden Einflüssen entgegen zu wirken, werden Schutzstoffe wie z.B. Disaccharide zugegeben. Ein möglicher Schutzeffekt ist die trocknungsinduzierte Bildung einer Glasmatrix, in welcher schädigende Reaktionen aufgrund der erhöhten Viskosität verlangsamt ablaufen. Dieser Effekt wurde für Mikroorganismen jedoch bisher noch nicht nachgewiesen. Im Rahmen dieses Projekts sollte die Bedeutung des Glaszustandes als Stabilisierungsmechanismus während der Lyophilisation und Lagerung erforscht werden. Zur Ermittlung seiner Bedeutung für die Trocknung wurden Zustandsdiagramme für mehrere Zell-Zucker-Mischungen mit unterschiedlichen Glasbildungseigenschaften entwickelt. Auf Basis dieser Diagramme und mit Hilfe eines Mikrowägesystems konnte der Glasübergang während der Gefriertrocknung in-situ ermittelt werden. Durch entsprechende Wahl der Trocknungsparameter wurde das Zeitfenster zum Eintritt in den Glaszustand gezielt variiert. Die anschließende Ermittlung der Restaktivität zeigte, dass der Glaszustand im Rahmen der Trocknung keinen relevanten Schutzeffekt ausübt. Jedoch konnte für Proben mit spätem Eintritt in den Glaszustand eine erhöhte Lagerstabilität nachgewiesen werden. Die entwickelte Messtechnik kann als Grundlage für eine Prozessoptimierung des Gefriertrocknungsprozesses; z.B. bei der Kollapstrocknung, dienen. Im Fall der Lagerstabilität erwies sich der Glaszustand als überaus bedeutsam. Dabei wurden Zell-Zuckerpräparate bei diversen Temperaturen und aw-Werten gelagert. Alle Proben im Glaszustand zeigten eine deutlich erhöhte Lagerstabilität. Die Inaktivierungsraten oberhalb des Glaszustandes konnten mit Hilfe des WLF-Modells besser als mit der Arrhenius- Kinetik beschrieben werden und zeigten somit eine sehr starke Temperaturabhängigkeit im Rubberzustand, was bei der Wahl von geeigneten Lagerbedingungen berücksichtigt werden muss. Dennoch stellt die Glasübergangstemperatur keinen absoluten Grenzwert dar, da auch bereits im Glaszustand Inaktivierung auftritt. Gleichzeitig konnte das Verhalten der molekularen Mobilität (transversale Relaxationszeit T2) der Zuckermatrix im Bereich des Glasübergangs für alle Lagerbedingungen nahezu perfekt mit einem WLF-Modell (Masterkurve für alle Lagerbedingungen) beschrieben werden, Es zeigt sich aber auch hier ein Anstieg der Mobilität bereits unterhalb der Glasübergangstemperatur. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass es sich bei der Inaktivierungsreaktion um komplexe, zusammengesetzte Einzelreaktionen, mit unterschiedlichen Abhängigkeiten von der Mobilität am Glasübergang handelt. Für die praktische Anwendung zeigen die Ergebnisse, dass im Fall einer Lagerung oberhalb des Glaszustandes bereits geringe Temperaturanstiege einen überproportionalen Rückgang der Lagerstabilität verursachen. In diesen Fällen ist eine gekühlte Lagerung absolut notwendig. Eine Lagerung im Glaszustand garantiert bei hohen Temperaturen keine absolute Stabilität, reduziert die Inaktivierung aber auf ein Minimum.
Publications
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Non-destructive in-situ observation of glass transition during freeze-drying by means of a microbalance. Proceedings of the 17th International Drying Symposium (IDS 2010) Magdeburg, Germany, 3-6 October 2010, Docupoint GmbH Barleben-Magdeburg, 2194-2201
Aschenbrenner, M.; Kulozik, U.; Foerst, P.
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In-situ determination of the physical state of biological samples during freeze-drying. Drying Technology, 2010
Aschenbrenner, M.; Kulozik, U.; Foerst, P.
