凍結乾燥のコラプス温度 測定と半打栓・残留水分管理

工程を回すうえで、実務者が向き合う勘どころは大きく二つ。一つは「どこまで温度を上げてよいか」という上限の話です。上げすぎればケーキが崩れ（コラプス）、見た目も再溶解性も損なわれる。この上限を決めるのが、崩壊温度（Tc）やガラス転移温度これを下回ると分子運動が止まり氷の再結晶が進みにくくなる温度。凍結保管温度の目安。（Tg′）の測定です。

もう一つは「乾き具合をどう仕上げ、どう封じるか」という出口の話です。凍結乾燥機の中では、まず栓を半分だけ挿した半打栓の状態で乾かし、最後に棚を下げて密栓します。仕上がりの良し悪しは最終的に残留水分として表れ、カールフィッシャーカールフィッシャー試薬と水の反応を利用して、試料に含まれる微量の水分量を精密に測定する装置です。詳しく →（KF）や近赤外（NIR近赤外や赤外の光の吸収から成分濃度や水分を測る手法です。プロセス中の状態をリアルタイムに監視し、品質の作り込みに使います。詳しく →）で確かめる。本稿は、この二つの実務を順に整理します。

なぜ崩壊温度・Tg′を測るのか

凍結乾燥製剤から水分を抜いて乾燥させ、長期安定性を高めた剤形。使用時に溶かして戻す。のサイクルは、一次乾燥での製品温度（Tp）をどこまで上げられるかで所要時間が大きく変わります。製品温度が高いほど氷の昇華は速く進む。しかし上げすぎると、乾き始めた層の骨格が保てず崩れます。この崩れの境目こそが崩壊温度（Tc）です。

崩壊温度は、凍結濃縮水が純粋な氷になる際に溶質が未凍結の液相へ押し出され、タンパク質や塩が局所的に濃くなる現象。された非晶質結晶格子を持たないエネルギーの高い状態で、溶けやすいが結晶に戻りやすい。相の分子運動が急に活発になる温度と結びついています。関連する指標がガラス転移温度（Tg′）で、凍結濃縮相がガラス状から流動しやすい状態へ移る温度を指します。文献では、崩壊温度は対応するTg′より数℃（おおむね1〜3℃程度）高く観測されることが多いと報告されており、その差は組成に依存します。どちらも、一次乾燥で守るべき製品温度の上限を決める根拠になります。

一方、マンニトール結晶性が高く、凍結乾燥品の増量剤としてケーキ形状や再溶解性の確保に使われる糖アルコール。のように結晶化する賦形剤有効成分以外の添加剤。鉱物由来のものは元素不純物の由来として注目される。を含む系では、崩壊よりも共晶溶融の温度が上限側で効いてきます。マンニトール水系の共晶温度は文献でおおむね−1〜−2℃付近と報告されており、非晶質系の崩壊温度より高い温度で乾かせる余地があります。結晶性の骨格は崩れにくく上限温度を高く取れるため、サイクルを短縮しやすい。

崩壊温度・Tg′・共晶温度は、いずれも一次乾燥の製品温度上限を決めるための測定値 です。

崩壊温度・Tg′の測り方：FDMとmDSC

上限温度を知る手段は、大きく二つに分かれます。

• 凍結乾燥顕微鏡（FDM）：ごく少量の製剤製剤。原薬を処方・充填して、最終的な投与形態に仕上げた製品。を顕微鏡下で凍らせ、減圧しながら乾燥のようすを直接観察します。乾燥前線で骨格が崩れ始める温度を、崩壊温度として読み取ります。実際の凍結乾燥をミニチュアで再現する発想です。
• 示差走査熱量測定温度を上げながら分子がほどける際の熱の出入りを測り、融解温度（Tm）を求める手法。（DSC試料を加熱しながら熱の出入り（DSC）や重量の変化（TGA）を測り、融点・結晶性・水分や分解の挙動を調べる装置です。詳しく →・変調DSC）：凍結した試料の熱の出入りを測り、熱容量が変わる温度からTg′を求めます。変調DSC（mDSC）は温度変調を重ねることで、微弱な転移をベースラインから切り分けやすくします。

FDMは崩壊という現象そのものを目で捉えるのに向き、DSC／mDSCは熱的な転移を定量的に押さえるのに向きます。両者は同じ量を測っているわけではなく、崩壊温度はTg′より高めに出るのが通例です。実務では両方を突き合わせて上限の見当をつけ、安全側にマージンを取ってサイクルを設計します。

崩壊温度は製剤組成に依存します。糖・アミノ酸・緩衝剤・賦形剤の選び方で上限が動くため、上限を上げたい場面では製剤設計の段階から組成を作り込むことになります。測定は組成が固まってから、という一方通行ではなく、組成と測定を行き来させる進め方が現実的です。

半打栓での一次乾燥・二次乾燥

上限が決まったら、実際の乾燥に移ります。凍結乾燥機試料を凍らせてから減圧し、氷を昇華させて水分を除く乾燥装置です。熱に弱い医薬品を安定な状態で保存できます。詳しく →の中では、栓を最後まで挿さず途中まで挿した「半打栓」の状態でバイアルを並べます。栓の脇に隙間を残すことで、昇華・脱着した水蒸気がバイアルの外へ抜けられるようにするためです。

• 一次乾燥（昇華）：減圧下で棚温度を上げ、氷を昇華させて除きます。ここで守るのが、先に測った製品温度の上限です。製品温度は棚温度とチャンバー内の真空度で決まるため、この二つを操作して上限を超えないように制御します。
• 二次乾燥（脱着）：昇華で除ききれない、より強く結びついた水（結合水）を除く段階です。減圧を保ったまま棚温度を一次乾燥より高く取り、脱着で水を追い出します。ここで残留水分凍結乾燥した注射剤などが適切な状態かを確かめる試験で、残った水分量や、使う前に溶かし直したときの溶けやすさ（再溶解性）などを調べます。詳しく →の水準が決まります。

一次乾燥は工程時間の大半を占めることが多く、製品温度の上限に余裕がないほど慎重に、時間をかけて進めることになります。上限を高く取れる結晶性の系ほど、一次乾燥を速く回せる余地が生まれます。

半打栓は、一次・二次乾燥で水蒸気の逃げ道を確保するための状態 です。

密栓と残留水分の管理

二次乾燥を終えたら、チャンバー内を清浄な窒素などで所定の圧力に戻し、棚を上から下げてバイアルの栓を最後まで押し込みます。これが密栓です。半打栓で開けておいた隙間をこの段階で閉じることで、外気の湿分から中身を守り、無菌性を保ったまま封じます。窒素などで置換してから密栓すれば、ヘッドスペースの酸素を抑えられ、酸化に弱い成分の保護にもつながります。

仕上がりの乾き具合は、最終的に残留水分として品質に効いてきます。水分が多すぎれば加水分解や凝集を招きやすく、逆に乾かしすぎもタンパク質には不利に働くことがある。製剤ごとに適した水準を狙うことになります。残留水分の測り方には、主に次の二つがあります。

KFは化学滴定で総水分を求める方法で、凍結乾燥品のように水分が少ない試料では電量法（クーロメトリー）が使われることが多いです。水の定量はUSP米国で医薬品・原料・試験法の公式基準を定める公定書で、製薬用水に関する規格も収載されている。の水分測定の章（<921>）に方法が規定されています。NIRはバイアルの底から光を当てて非破壊で測る方法で、KFと同等の精度で残留水分を評価できるとする報告があり、全数検査や工程内モニタリングと相性がよいのが利点です。破壊試験のKFで基準を確かめつつ、NIRで数を見る、といった使い分けが取られます。

ここまでの上限測定・半打栓乾燥・密栓・残留水分は、それぞれ独立した作業ではなく、一本の凍結乾燥サイクルとして噛み合って動きます。どこか一つの条件を動かせば、他の段階に波及する。だからこそ、上限を測る段階から出口の水分まで見通して設計することが、崩れのない再現性の高い工程につながります。

まとめ

凍結乾燥の実務は、入口の「温度上限をどう測るか」と、出口の「どう乾かして封じ、水分をどう確かめるか」の二つに集約できます。崩壊温度・Tg′・共晶温度をFDMやmDSCで押さえて一次乾燥の上限を決め、半打栓で水蒸気を逃がしながら一次・二次乾燥を進め、密栓で封じたうえでKF・NIRによって残留水分を管理します。組成を作り込む段から出口の水分まで、一つのサイクルとして見通すことが、崩れのない再現性の高い凍結乾燥につながります。

参考文献

• USP <921>, Water Determination
• USP <922>, Water Activity
• Ph.Eur., European Pharmacopoeia（欧州薬局方）
• ICH Q8医薬品開発とQbDの考え方を示すICHガイドライン。重要品質特性（CQA）を定義している。(R2), Pharmaceutical Development
• FDA, Lyophilization of Parenteral (7/93)
• EMA, Quality guidelines（医薬品品質ガイドライン）