Die laserbasierte Headspace-Analyse (HSA) ist eine etablierte Technologie, die für verschiedene Inspektionsaufgaben im Zusammenhang mit der Integritätsprüfung von Behälterverschlüssen (CCIT) sowie der Prozesskontrolle eingesetzt werden kann. HSA basiert auf Laser-Absorptionsspektroskopie und misst zerstörungsfrei Gaskonzentrationen in verschiedenen Verpackungsarten wie Vials, Ampullen, Spritzen sowie flexiblen Verpackungen, wie z. B. Infusionsbeutel und Pouches.

Gründe für die Headspace-Analyse

Der Headspace innerhalb einer sterilen Pharmaverpackung ist gemäss USP1207 ein integraler Bestandteil des Produktes und muss daher die entsprechenden qualitätsrelevanten Merkmale aufweisen. Bei sauerstoffempfindlichen Produkten ist die Restsauerstoffkonzentration eine dieser Eigenschaften, während bei gefriergetrockneten Produkten die Aufrechterhaltung des Vakuums im Behälter eine andere ist. Darüber hinaus geben Veränderungen dieser Werte im Laufe der Zeit Aufschluss darüber, welche weiteren qualitätsrelevanten Attribute wie Sterilität und Stabilität abgeleitet werden können.

Wirkprinzip der Headspace-Analyse

Die HSA basiert auf dem Prinzip der Absorptionsspektroskopie mit abstimmbaren Diodenlasern (TDLAS), die eine Infrarot-Einlinien-Absorptionsspektroskopie darstellt. Eine HSA-Anlage besteht aus einem Halbleiterlaser und einem Sensor. Ein Laserstrahl durchdringt den Headspace einer Probe, und es wird die durch die Gasmoleküle verursachte Absorption gemessen. Die Laser können auf verschiedene Wellenlängen abgestimmt werden, was die Messung verschiedener Gase, die den Laser absorbieren, ermöglicht. Die Amplitude der gemessenen Absorptionslinie ist proportional zur Konzentration im Headspace. Die Hauptanwendungen basieren auf der Konzentrationsmessung von Sauerstoff (O2), Kohlendioxid (CO2) oder dem Gesamtdruck, basierend auf der Messung von Wasserdampf (H2O).

 

Da HSA zerstörungsfrei ist, kann es sowohl für die manuelle Prüfung von Einzelproben als auch für die vollautomatische Prüfung bei laufender Produktion eingesetzt werden. WILCO hat 2003 die erste automatisierte Hochgeschwindigkeits-HSA-Anlage eingeführt und die Technologie mit dem Ziel schnellerer Messungen, höherer Empfindlichkeit, Robustheit und einer kleineren Grundfläche kontinuierlich verbessert .

 

Mit der neuesten Lasergeneration, die 2019 eingeführt wurde, wurde eine neue Empfindlichkeitsstufe erreicht. Die Standardabweichungen konnten im Vergleich zur Vorgängergeneration um 50% reduziert werden, wodurch noch mehr Anwendungen für kleine Sauerstoffmengen möglich sind.

Die O2-Headspace-Analyse

Für Sauerstoffmessungen ist der Laser auf eine Wellenlänge von 760 nm abgestimmt. Bei dieser Wellenlänge absorbieren Sauerstoffmoleküle den Laserstrahl und die Verkleinerung desselben gibt Auskunft über die O2-Konzentration bzw. den O2-Partialdruck.

Die O2-HSA-Systeme werden vorwiegend für die Integritätsprüfung von Behälterverschlüssen eingesetzt.

Sauerstoffempfindliche pharmazeutische Produkte werden in den meisten Fällen mit einer Stickstoffüberlagerung versehen. Im Falle eines Lecks steigt durch die einströmende Luft der Sauerstoffgehalt in der Probe an, der dann vom HSA-System erkannt werden kann. Selbst kleinste Lecks können bei ausreichender Wartezeit und Vorkonditionierung der Probe erkannt werden.

Eine weitere Anwendung für die Sauerstoffmessung kann die Erkennung von Änderungen der Sauerstoffkonzentration durch das Wachstum von Mikroorganismen, z. B. bei Media Fills, sein.

Ihre Vorteile

  • Es können permanente und temporäre Leckagen festgestellt werden
  • Kurze Messzeiten (weniger als 3 Sekunden)
  • Zerstörungsfreie Prüfmethode für 100-prozentige Inspektion
  • Vielseitiger Einsatz in Bezug auf Verpackungen und Produktarten und -grössen
  • Das HSA-Verfahren ist ein deterministisches CCI-Prüfverfahren gem. USP<1207>
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Die CO2-Headspace-Analyse

Für die Messung von Kohlendioxid ist der Laser auf eine Wellenlänge von ca. 2000 nm abgestimmt. Bei dieser Wellenlänge absorbieren Kohlendioxidmoleküle den Laserstrahl und die Verkleinerung desselben gibt Auskunft über die CO2-Konzentration, den CO2-Partialdruck und den Gesamtdruck.

Die Anwendungen für CO2-Messungen reichen von der zerstörungsfreien Lecksuche mit einer Vorbehandlung der Proben unter Verwendung von CO2 als Spürgas (Bombing) bis zum Nachweis von Keimwachstum, das Änderungen der CO2-Konzentration verursacht.

Ihre Vorteile

  • CO2-Messungen bieten eine höhere Empfindlichkeit als Messungen mit anderen Gasen
  • Unmittelbare Bewertung des Keimwachstums oder der Produktstabilität 
  • Zerstörungsfreie Prüfmethode für 100-prozentige Inspektion
  • Kurze Messzeiten (weniger als 3 Sekunden)
  • Vielseitiger Einsatz in Bezug auf Verpackungen und Produktarten und -grössen
  • Das HSA-Verfahren ist ein deterministisches CCI-Prüfverfahren gem. USP<1207>
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Die H2O-Headspace-Analyse

Für die Messung von Wasserdampf oder des Gesamtdrucks ist der Laserstrahl auf eine Wellenlänge von 1400 nm abgestimmt, bei der H2O-Moleküle den Laserstrahl absorbieren. Aus der gemessenen Linienbreite kann der Gesamtdruck in der Probe abgeleitet werden. 

Das H2O-HSA-System wird hauptsächlich für die Integritätsprüfung der Verschlüsse von unter Vakuum verschlossenen Behältern und die Überprüfung des Vakuums nach dem Gefriertrocknungsprozess eingesetzt.

Ihre Vorteile

  • Zerstörungsfreie Prüfmethode für 100-prozentige Inspektion
  • Vielseitiger Einsatz in Bezug auf Verpackungen und Produktarten und -grössen
  • Deterministische Prüfverfahren nach USP<1207>
  • Es können permanente und temporäre Leckagen festgestellt werden
  • Höchste Messgenauigkeit für bestmögliche Ergebnisse
  • Kombinationsmöglichkeiten mit anderen Prüftechnologien aus unserem Haus
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HSA LT - Headspace-Analyse für Anwendungen mit geringer Laserdurchlässigkeit

Immer dann, wenn die Proben keine ausreichende Durchlässigkeit für das Laserlicht bieten, ist HSA-LT eine Alternative zu konventionellen Systemen.

Es gibt Anwendungen, bei denen das Laser-Headspace-System LT für Proben mit geringer Durchlässigkeit erforderlich ist, um auch schwer zu prüfende Behälter zu untersuchen.

Zu diesen schwer zu untersuchenden Behältern gehören z. B. aus dem Kühllager entnommene Vials, an deren Oberfläche Feuchtigkeit kondensiert ist, tiefkühlgelagerte Behälter, die eine Eisschicht aufweisen oder Vials, die während des Gefriertrocknungsprozesses beschlagen sind. Auch Etiketten oder Braunglas können die Transmission des Lasers beeinträchtigen, was mit dem HSA LT-System überwunden werden kann.

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Methodenentwicklung ist der Schlüssel zum Erfolg

Die HSA selbst ist eine leistungsfähige Technologie, aber sie ist nur ein Teil der Lösung.

Eine intensive Entwicklung von Methoden ist ein entscheidender Schritt in der Implementierung für jedes Headspace-Analysesystem. Angefangen mit einer detaillierten Analysephase unterstützen wir unsere Kunden auch mit Machbarkeitsstudien, um die beste Lösung zu konzipieren. Mit mehr als 18 Jahren Erfahrung auf diesem Gebiet haben wir ein breites Spektrum an Anwendungen umgesetzt und haben zum Teil auch Patente darauf. So dauert der Gaseintritt als Indikator für nicht dichte Behälter unter atmosphärischen Bedingungen beispielsweise mehrere Tage. Deshalb hat WILCO ein Verfahren namens "Bombing" entwickelt und patentiert, mit dem dieser Prozess beschleunigt und damit die Wartezeiten verkürzt werden.

Unser Sortiment

Unser Produktsortiment reicht von HSA-Einzelplatz-Laborsystemen bis hin zu massgeschneiderten Hochgeschwindigkeits-Inline-Lösungen für die 100%-Prüfung mit Geschwindigkeiten von bis zu 600 Produkten pro Minute. Zusätzlich bieten wir Lösungen an, die HSA mit anderen Inspektionstechnologien wie der visuellen Inspektion und/oder der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) kombinieren. Neben der Verfahrensentwicklung umfasst unser Service auch die Ausarbeitung von Standards, die auf NIST-Standards (NIST=Nationales Institut für Standards und Technologie der USA) und positive Kontrollproben zurückgeführt werden können.