Karl-Fischer-Methode vs. Wasseraktivität Arzneimitteln

Water has long been recognized as important in determining product safety and stability. Karl Fischer titration is a widely used analytical method for quantifying water content in a variety of pharmaceutical products. Simply knowing the total amount of water by Karl Fischer may not be the most effective method for understanding the effects of water on safety and stability. Water activity (aw) is an alternative water measurement that provides essential information about the energy or availability of water in a product. Numerous scientific investigations demonstrate that water activity is a better predictor of product safety and stability than total amount of water. Water activity has been used in the food industry for decades as an effective tool, and with the publication of USP Method <1112>, it is now considered a viable option in the pharmaceutical industry as well.

Nicht jedes Wasser ist gleich

Wasser in einem System kann grundsätzlich in drei Formen vorliegen: als „freies“ Wasser, als absorbiertes Wasser und als „gebundenes“ oder monoschichtiges Wasser. „Freies“ Wasser hat dieselbe Energie und dieselben Eigenschaften wie reines Wasser. Absorbiertes Wasser ist weniger fest gebunden, weist jedoch ebenfalls eine geringere Energie und andere Eigenschaften als reines Wasser auf. „Gebundenes“ Wasser weist aufgrund der direkten physikalischen Bindung des Wassers an die Matrix durch Wasserstoff- oder Ionenbindungen eine geringere Energie auf. In der Realität wechseln Wassermoleküle leicht zwischen den einzelnen Formen hin und her, und es ist unmöglich, die Wassermenge in einer bestimmten Form zu quantifizieren. Vielmehr wird der Gesamtenergiezustand des Wassers durch die relativen Beiträge jeder dieser Wasserschichten bestimmt. Eine Verringerung der Energie des Wassers (d. h. Wasseraktivität geringere Wasseraktivität) führt dazu, dass weniger Wasser zur Beeinflussung biologischer und chemischer Reaktionen zur Verfügung steht. Die Feuchtigkeitsanalyse liefert die Gesamtwassermenge, unterscheidet jedoch nicht zwischen den verschiedenen Wasserarten.

Karl-Fischer-Titrationen eignen sich zur Quantifizierung selbst von fest „gebundenem“ Wasser und gelten oft als bessere Methode zur Feuchtigkeitsanalyse als Trocknungsverlustmethode. Tatsächlich wird dieses zusätzliche Wasser, das mittels Karl-Fischer-Methode gemessen wird, häufig als „gebundenes“ Wasser bezeichnet. Obwohl eine Karl-Fischer-Analyse eine umfassendere Bestimmung des Gesamtwassergehalts ermöglicht, liefert sie dennoch nur die Wassermenge und nicht den Energiezustand des Wassers. Wasseraktivität die Energie oder „Verfügbarkeit“ von Wasser. Sie hängt nicht von der Wassermenge ab, sondern von den relativen Anteilen der einzelnen Wasserarten. Folglich Wasseraktivität bessere Korrelationen zu biologischen und chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten als die Karl-Fischer-Analyse.

Was ist Wasseraktivität?

Wasseraktivität den thermodynamischen Energiezustand des Wassers in einem System. Auch wenn dies wissenschaftlich nicht korrekt ist, kann es hilfreich sein, sich Wasseraktivität die Menge an „verfügbarem“ Wasser in einem System vorzustellen. Sie wird nicht dadurch bestimmt, wie viel Wasser in einem Produkt vorhanden ist, sondern ist ein Maß dafür, inwieweit das Wasser im Produkt reinem Wasser ähnelt und sich wie dieses verhält. Wasseraktivität reichen von 0 (knochentrocken) bis 1,0 (reines Wasser). Mit Wasseraktivität verliert das Wasser in einem Produkt an Energie und steht als Lösungsmittel für Mikrobielles Wachstum, chemische Reaktivität oder Feuchtemigration weniger „zur Verfügung“. Beispielsweise verfügt Wasser in einem Produkt mit einer Wasseraktivität 0,80 über genügend Energie, um Schimmelwachstum zu begünstigen, während das Wasser in einem Produkt mit einer Wasseraktivität 0,60 das Wachstum von Mikroorganismen nicht unterstützen kann. Mit Wasseraktivität wird Wasser zudem mobiler, was sowohl die molekulare Mobilität als auch die Reaktionsgeschwindigkeiten chemischer und enzymatischer Prozesse beeinflusst.

Wissenschaftlich gesehen Wasseraktivität definiert als der Dampfdruck Wasser (p) über einer Probe geteilt durch den Dampfdruck reinem Wasser (po) bei einer bestimmten Temperatur. Durch die Messung dieses Dampfdruck zum Dampfdruck reinem Wasser bei derselben Temperatur lässt sich die Energie des Wassers in der Probe bestimmen. Dies ist naheliegend, da Wasser, das chemisch oder physikalisch an eine Probe gebunden ist, eine geringere Energie aufweist und nicht ohne Weiteres in die Dampfphase übergeht, wodurch der Dampfdruck der Probe sinkt.

Warum sollte man Wasseraktivität messen?

Wasseraktivität der beste Indikator für Mikrobielles Wachstum. Ein Produkt kann zwar einen relativ hohen Feuchtigkeitsanteil aufweisen, doch wenn das Wasser chemisch an Feuchthaltemittel oder gelöste Stoffe wie Salze, Zucker oder Polyole „gebunden“ ist, steht es für Mikrobielles Wachstum biologisch nicht zur Verfügung. Das Wasseraktivität dient Mikrobiologen und Lebensmitteltechnologen seit Jahrzehnten und ist das am häufigsten verwendete Kriterium für Lebensmittelsicherheit und -qualität. Jeder Mikroorganismus hat eine Wasseraktivität derer er nicht wachsen kann. Es besteht kein direkter Zusammenhang zwischen Feuchtigkeitsgehalt und Mikrobielles Wachstum.

Zudem besteht ein enger Zusammenhang zwischen Wasseraktivität der physikalischen Stabilität von Produkten. Unterschiede in Wasseraktivität zwischen den Komponenten oder zwischen einer Komponente und der Umgebungsfeuchte sind eine treibende Kraft für Feuchtemigration. Die Kenntnis darüber, ob Wasser von einer bestimmten Komponente aufgenommen oder an diese abgegeben wird, ist unerlässlich, um eine Zersetzung zu verhindern, insbesondere wenn eine der Substanzen feuchtigkeitsempfindlich ist. Wenn beispielsweise gleiche Mengen von Komponente 1 mit 2 % Feuchtigkeit und Komponente 2 mit 10 % Feuchtigkeit miteinander vermischt werden sollen, findet dann ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen den Komponenten statt? Der endgültige Feuchtigkeitsgehalt des gemischten Materials würde 6 % betragen, aber hat ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen Komponente 1 und 2 stattgefunden? Die Antwort hängt von den Wasseraktivitäten der beiden Komponenten ab. Sind die Wasseraktivitäten der beiden Komponenten gleich, findet kein Feuchtigkeitsaustausch statt.

Ebenso sind zwei Inhaltsstoffe mit gleichem Feuchtigkeitsgehalt möglicherweise nicht miteinander verträglich, wenn sie gemischt werden. Werden zwei Materialien mit unterschiedlicher Wasseraktivität, aber gleichem Wassergehalt gemischt, verteilt sich das Wasser zwischen den Materialien, bis ein Gleichgewicht Wasseraktivität erreicht Wasseraktivität . Um bei einem Mehrkomponentenprodukt Feuchtemigration zu verhindern, sollte daher die Wasseraktivität beiden Komponenten aufeinander abgestimmt werden. Weist eine Komponente eine höhere Wasseraktivität auf Wasseraktivität die andere, wandert Wasser von Wasseraktivität höheren Wasseraktivität niedrigeren Wasseraktivität. Diese Migration könnte zu unerwünschten Veränderungen der Qualität beider Komponenten führen. Daher Wasseraktivität nützliche Informationen für Rezeptur , die Herstellungsbedingungen und die Verpackungsanforderungen.

Ersetzung von Karl-Fischer durch Wasseraktivität

Die Karl-Fischer-Analyse kann unter kontrollierten Bedingungen zuverlässige Ergebnisse liefern, unterliegt jedoch zahlreichen Schwankungsquellen. Zudem kommen dabei einige weniger wünschenswerte Chemikalien zum Einsatz, und die ordnungsgemäße Durchführung erfordert eine entsprechende Schulung. Folglich gibt es mehrere Gründe, nach einer praktikablen Alternative zu suchen. Wasseraktivität die Karl-Fischer-Analyse ersetzen – nicht, weil sie dieselben Informationen liefert, sondern weil sie nützlichere Informationen liefert. Die Ergebnisse einer Wasseraktivität entsprechen zwar nicht dem Feuchtigkeitsgehalt nach Karl Fischer, weisen jedoch einen besseren Zusammenhang mit der mikrobiologischen Sicherheit, der chemischen Stabilität und den physikalischen Eigenschaften auf. Dies gilt insbesondere für Produkte, bei denen bereits geringe, schwer messbare Veränderungen des Feuchtigkeitsgehalts zu erheblichen Stabilitätsveränderungen führen können.

In welchem Wasseraktivität stehen Karl-Fischer-Titel und Wasseraktivität ?

Es besteht ein Zusammenhang zwischen dem Karl-Fischer-Wassergehalt und Wasseraktivität, der jedoch komplex ist und sich für jedes Produkt individuell darstellt. Ein Anstieg der Wasseraktivität in der Regel mit einem Anstieg des Wassergehalts einher, der jedoch nicht linear verläuft. Dieser Zusammenhang zwischen Wasseraktivität Feuchtigkeitsgehalt bei einer bestimmten Temperatur wird als Feuchtigkeitssorptionsisotherme bezeichnet. Bei den meisten Produkten ist die Isotherme sigmoidförmig, während Materialien, die große Mengen an kristallinen Molekülen enthalten, eine Isothermenkurve vom J-Typ aufweisen. Zur Charakterisierung der Isothermenbeziehung eines Produkts werden viele verschiedene Gleichungen herangezogen. Für kleine Wasseraktivität lässt sich die Isothermenbeziehung durch lineare Regression beschreiben, doch funktioniert dies selten für den gesamten Wasseraktivität . Zur Charakterisierung der Isotherme über den gesamten Wasseraktivität werden komplexere Gleichungen verwendet. Die gängigsten Gleichungen sind die Guggenheim-Anderson-de-Boer-Gleichung (GAB) und die Brunauer-Emmett-Teller-Gleichung (BET). Ähnlich wie bei der linearen Regression werden diese Gleichungen angepasst, um Koeffizienten zu ermitteln, die die Isothermenbeziehung am besten erklären. Zur Bestimmung dieser Koeffizienten werden Datenanalyseprogramme verwendet; diese können dann genutzt werden, um den Feuchtigkeitsgehalt bei jedem beliebigen Wasseraktivitätswert vorherzusagen oder umgekehrt.

Eine vollständige Feuchtigkeitsanalyse mit einem einzigen Gerät

Zwar Wasseraktivität eine brauchbare Alternative zum Karl-Fischer-Feuchtigkeitsgehalt bei der Bestimmung der Produktsicherheit und -qualität Wasseraktivität , doch kann es zur Bestimmung der Reinheit weiterhin erforderlich sein, den Feuchtigkeitsgehalt zu kennen. Wasseraktivität könnte den Karl-Fischer-Wert für diesen Zweck Wasseraktivität ersetzen, da es möglich ist, den Feuchtigkeitsgehalt anhand Wasseraktivität Feuchtigkeitssorptionsisotherme zu bestimmen. Dies würde es einem Wasseraktivität ermöglichen, den Karl-Fischer-Wert zu ersetzen, indem Wasseraktivität sowohl den Feuchtigkeitsgehalt als auch Wasseraktivität .