Study of a scale-down systems for modeling freeze-thaw of biopharmaceutical molecules

Catarina Sofia Rodrigues Correia

Key information

Authors:

Catarina Sofia Rodrigues Correia (Catarina Sofia Rodrigues Correia)

Supervisors:

Miguel Ângelo Joaquim Rodrigues (Miguel Ângelo Joaquim Rodrigues); Mostafa Nakach

Published in

October 27, 2023

Abstract

O foco desta tese é validar dispositivos de redução de escala (SDDs) desenvolvidos pela SmartFreez para garrafas de 2L e 5L, com ênfase na sua aplicabilidade aos processos de congelamento e descongelamento de substâncias bioterapêuticas. Esses processos desempenham um papel crítico na produção e distribuição de produtos bioterapêuticos, mas frequentemente desafiam a estabilidade de macromoléculas, afetando a eficiência da fabricação. Para atingir esse objetivo, realizamos um estudo abrangente, investigando quatro variáveis críticas: posicionamento do freezer, presença de carga térmica quente e fria e volume de fluido térmico de mudança de fase. Utilizou-se uma solução de sucrose a 4,5% (w/v) como meio de teste, em SDDs de 2L e 5L. Além da avaliação de soluções de produtos reais, explorou-se o uso de uma solução modelo com propriedades semelhantes ao produto em estudo. Os resultados confirmam a confiabilidade dos SDDs na análise do processo de congelamento, com a solução modelo destacando-se como alternativa confiável para replicar o comportamento do produto. Investigou-se também os processos de descongelamento e analisou-se o conceito de 'freezing stress time', que corresponde à duração em que uma solução permanece abaixo da temperatura de congelamento e acima da temperatura de transição vítrea. Esse parâmetro fornece insights valiosos para avaliar a estabilidade de formulações bioterapêuticas. Os resultados têm implicações significativas para a indústria bio farmacêutica, oferecendo um quadro abrangente para otimizar os processos de congelamento e descongelamento. O objetivo é melhorar a estabilidade e qualidade de produtos bioterapêuticos, reduzindo custos de produção. Este estudo contribui para o avanço de metodologias eficientes no setor de bio processamento, fundamental para a entrega segura de agentes bioterapêuticos aos pacientes. The focus of this thesis is to validate scale-down devices (SDDs) developed by SmartFreez for 2L and 5L bottles, with a specific emphasis on their applicability to freezing and thawing processes in the context of biotherapeutic substances. These processes play a critical role in the production and distribution of biotherapeutic products, but they often challenge the stability of macromolecules, affecting manufacturing efficiency. To achieve this objective, it was conducted a comprehensive study, investigating four critical variables: freezer positioning, the presence of hot and cold thermal loads, and the volume of phase change thermal fluid. It was used a 4.5% (w/v) sucrose solution as the test medium in 2L and 5L SDDs. In addition to evaluating real product solutions, it was explored the use of surrogate solutions with properties like the product under investigation. The results confirm the reliability of SDDs in analyzing the freezing process, with the surrogate solution emerging as a reliable alternative for replicating product behavior. We also investigated thawing processes and the concept of 'freezing stress time' was analyzed, which captures the duration during which a solution remains below the freezing temperature and above the glass transition temperature. This parameter provides valuable insights for assessing the stability of biotherapeutic formulations. The results have significant implications for the biopharmaceutical industry, offering a comprehensive framework for optimizing freezing and thawing processes. The goal is to enhance the stability and quality of biotherapeutic products while reducing production costs.