A novel two-chamber setup for containment investigations with special focus on powder dustiness

Abstract

Die Bedeutung hochpotenter Wirkstoffe, die bereits in geringen Mengen pharmakologisch wirksam sind, hat in den letzten Jahren erheblich zugenommen. Daher sind eine sichere Handhabung und Verarbeitung essenziell, um das Personal, die Patienten sowie die Umwelt zu schützen. In drei Studien wurden mithilfe des neu entwickelten Zwei-Kammer-Systems Strategien zur Reduktion von Staubemissionen bei der Handhabung und Verarbeitung pharmazeutischer Pulver untersucht. Das System umfasst eine Emissions- und eine Detektionskammer, zwischen denen durch Druckdifferenzen verschiedene Strömungsbedingungen simuliert und die Partikelbewegung unter realistischen Bedingungen analysiert werden kann. In der ersten Studie diente das Zwei-Kammer-System als Konzeptnachweis zur Untersuchung der Beziehung zwischen Staubemissionen und Druckdifferenzen von 0 - 4 Pa. Hierbei wurde mikronisiertes Paracetamol als Surrogatsubstanz verwendet. Eine Erhöhung der Druckdifferenz und der daraus resultierenden Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit führte zu einer signifikanten Reduktion der Staubemissionen. Allerdings reichten 4 Pa nicht aus, um Staubemissionen vollständig zu verhindern. Die Ergebnisse bestätigen die Präzision und Reproduzierbarkeit des Systems und zeigen, dass gezielte Strömungsbedingungen die Staubexposition effektiv reduzieren können. In der zweiten Studie wurde das System für Druckdifferenzen von bis zu 12 Pa optimiert, um die Staubemissionen weiter zu reduzieren. Paracetamol wurde in sechs unterschiedlichen Partikelgrößen verwendet, um die Schwellenwerte der Druckdifferenzen zu bestimmen, bei denen Staubemissionen nicht mehr nachweisbar sind. Die Untersuchungen zeigten, dass Pulver mit groben Partikeln geringere Staubemissionen verursachten als Pulver mit feinen Partikeln. Die Luftgeschwindigkeit, die direkt aus der Druckdifferenz resultiert, korrelierte stark mit den Staubemissionen. Diese Erkenntnisse unterstreichen die Effektivität einer gezielten Drucksteuerung und etablieren das Zwei-Kammer-System als robustes Werkzeug zur Analyse von Strömungsbedingungen und Partikelverhalten. Die Ergebnisse stimmten mit etablierten Richtwerten überein und zeigten, dass gezielte Strömungsbedingungen die Staubexposition signifikant reduzieren können. Die dritte Studie untersuchte binäre Mischungen aus Paracetamol und Laktose-Monohydrat mit unterschiedlichen Partikelgrößen und Mischungsverhältnissen. Die Mischungen zeigten im Vergleich zu reinem Paracetamol deutlich reduzierte Staubemissionen, insbesondere bei der Kombination von feinem Paracetamol mit grobem Laktose-Monohydrat. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass Partikelgröße und physikalische Eigenschaften der Hilfsstoffe in Pulvermischungen wesentliche Faktoren für die Staubemissionen sind. Zusammenfassend liefern die Studien bedeutende Erkenntnisse, indem sie aufzeigen, dass durch die gezielte Steuerung von Strömungsbedingungen sowie die systematische Anpassung von Partikelgrößen und Mischungsverhältnissen Staubemissionen signifikant reduziert und der Schutz von Personal, Patienten und Produkten effektiv verbessert werden können.

The importance of highly potent active pharmaceutical ingredients (HPAPIs), which exhibit pharmacological efficacy at low concentrations, has significantly increased in recent years. Consequently, safe handling and processing are essential to protect personnel, patients, and the environment. In three studies, strategies to reduce dust emissions while handling and processing pharmaceutical powders were investigated using a newly developed two-chamber setup. The setup comprises an emission chamber and a detection chamber, between which pressure differentials simulate various flow conditions and allow particle movement to be analysed under realistic scenarios. In the first study, the two-chamber system was employed as a proof of concept to examine the relationship between dust emissions and pressure differentials (0 - 4 Pa). Micronised acetaminophen was used as a surrogate. An increase in pressure differentials and the resulting flow velocity led to a significant reduction in dust emissions. However, a pressure differential of 4 Pa was insufficient to prevent dust emissions completely. The results validate the precision and reproducibility of the system, demonstrating that controlled flow conditions may effectively reduce dust exposure. The second study optimised the setup for pressure differentials up to 12 Pa. Acetaminophen in six particle size distributions was used to determine the pressure differential thresholds at which dust emissions are no longer detectable. The investigations revealed that powders with larger particles produced lower dust emissions than those with finer particles. Air velocity, directly resulting from the pressure differential, exhibited a strong correlation with dust emission. These findings underscore the efficacy of pressure control and establish the two-chamber system as a robust tool for analysing flow conditions and particle behaviour. The results aligned with established benchmarks, confirming that controlled flow conditions can significantly reduce dust exposure. The third study explored binary blends of acetaminophen and lactose monohydrate with varying particle sizes and mixing ratios. Compared to plain acetaminophen, the blends demonstrated markedly reduced dust emissions, particularly when fine acetaminophen was combined with coarse lactose monohydrate. These findings highlight that particle sizes and the physical properties of the components are critical factors influencing dust emissions. In summary, the studies provide valuable insights, showing that control of flow conditions, along with systematic adjustments of particle sizes and mixing ratios, may significantly reduce dust emissions, thereby enhancing the protection of personnel, patients, and products.