化学プロセスの晶析工程

化学プロセスの晶析工程 PAT装置の簡便な利用法 著者：Des O'Grady PhD （メトラー・トレド社） 晶析は有機合成プロセスで共通して行われる一工程であり、化合物の単離・精製を 目的としています。近年、以下のような要因により、製薬業界や高付加価値化学業 界における晶析の重要性が増してきました1。 1.不純物を検出不可のレベルへと減らす必要性 2.次の理由から、結晶の物性を厳密に制御したいという要望 a. 成形性の改良、および再現性とバイオアベイラビリティの改善 b. 後工程（ろ過、・乾燥・粉砕）の改善 3.化合物の分子量が大きくなり、より複雑な分子を結晶化する必要性 4.法規制に対応するため、開発から製造に至る全スケールで結晶の特性を共通化 すべき要件の増加 そしてこのような要求に対応するため、化学工学の研究員が晶析工程の開発に割く 時間が増大しているのです。ここで言う晶析工程は、(a) 不純物除去と効率的な後 工程処理が重要な合成プロセスの「中間工程」と、(b)厳密な規制ガイドラインに 沿いかつ、所望のバイオアベイラビリティを有した活性成分を生成しなければなら ない「最終工程」としての晶析工程の２つに分類できます。 ここ数年、プロセス分析技術（PAT）の枠組み2として、インラインまたはアットラ インで医薬品製造工程の開発・分析・制御を行う新しい測定技術に関する利用指針 が提供されてきました。晶析工程における重要なプロセスパラメータ（Critical process parameters :CCPs）と重要な品質項目（critical quality attributes :CQAs）、例えば過飽和度や、結晶粒度分布・不純物量などを、医薬活性 成分の開発・製造現場において、インラインまたはアットラインで測定する技術で す。 もくじ 1 結晶の大きさ・形状・構造の重要性 2 結晶の大きさ・形状・構造に影響する要因 3 リアルタイム顕微鏡とRBI（相対的後方散乱指数） 4 結晶の大きさと形状への冷却速度の影響 5 晶析開発中の多形確認 6 オイルアウト（相分離）の確認と対策 7 まとめ White Paper

残された課題は、PAT技術の有効な導入には専門家グループを要する程の専門知識が求められるた め、限られた重要なプロジェクトにしか寄与できないことです。 一方、晶析に対しては、より簡便な技術によって、特別なPATの専門知識がない研究者でも利用 できる方法が存在します。そのような技術の例がリアルタイム顕微鏡であり3、刻々と変化する工 程内の結晶および結晶構造の精密な画像と動画を、インラインで撮影します。 １　結晶の大きさ・形状・構造の重要性 結晶の大きさ・形状・構造は、スケールアップや製造時に制御しなければならない重要な品質項目 です。合成プロセスの中間工程では、結晶の大きさ・形状・構造がプロセス開発上に果たす役割が 一見明確ではなく、それは結晶が次の反応ステップを始める前に溶かされてしまうものだからで す。 しかし中間工程の一部として晶析された結晶は分離しなければならず、その分離性には結晶 の大きさ・形状・構造がダイレクトに影響します。図1にそれぞれ異なる結晶のリアルタイム顕微 鏡画像を４枚示しました。ろ過工程においてどの結晶のろ過性が良いかは想像に難くありません。 a. b. 150 µm 150 µm c. d. 150 µm 150 µm 図１　大きさ・形状・構造の異なる結晶製品のリアルタイム顕微鏡画像 図1（a）の結晶は迅速かつ一定速でろ過できるでしょう。大きな「塊状結晶」は、結晶と結晶の間 に隙間がたくさんあるため、ろ液が抜けやすいからです。 （b）のような板状結晶は、最もろ過の難しい部類に入ります。板状結晶は積み重なって結晶の層を 作り、ろ液の通過を妨げます。ろ過が長時間に及び、また晶析槽からどのように排出されたかによ り、ろ過時間にばらつきが出ます。 2 White Paper METTLER TOLEDO White Paper

（c）のような微小結晶は、大きな結晶間の隙間を埋め、ろ液の通過を妨げます。微小結晶が多すぎ ると、ろ過時間は非常に長くなってしまうため、分離して次の工程に送ることが極めて難しくなり ます。 （d）のような樹枝状結晶は、晶析の開始を種晶に依存する有機化合物の製造において頻繁に現れま す。種晶の表面が荒れていると、その部分から結晶が成長し、種晶を核とした長い樹枝状に成長する のです。このような結晶のろ過性は予想し難いものの、結晶が壊れてろ過時間がばらつきやすいこと が挙げられます。 ２　結晶の大きさ・形状・構造に影響する要因 図２に所望の結晶を作り、望ましい 仕込み条件 プロセスパラメータ プロセス性能を発揮する晶析工程を 開発するために選択できる項目を、 • 濃度 • 撹拌 フロー図として示しました。核発 • 溶媒 • 冷却速度 • 種晶添加・種晶なし • ホールド時間 生・成長・凝集などの晶析メカニズ • 晶析槽のサイズ • 種晶添加方法 ムを確実に進行させるためには、プ • 温度 • 非溶媒添加 ロセスパラメータを的確に設計・制 • 不純物濃度 • 温度サイクル法 御しなければなりません。それがで きて初めて結晶粒度分布や不純物量 のような結晶品質がきちんと最適化 工程による変化 できるのです。 • 核化（一次／二次） • 成長 • 相分離 • 多形転移／晶癖シフト このような開発を効果的に行うに • 摩耗 は、その晶析プロセスをよく理解す • 凝集 る必要があります。前述のとおり、 そのようなプロセスの情報はPAT技 術で得られるものの、その多くがう 製品の性能 プロセス性能 まく使いこなすための試行錯誤と専 • 粒度 • ろ過性 門知識を必要とします。 • 純度 • 乾燥 • 収率 • 成形性 • 溶解速度 • スケーラビリティ • 流動性 • 堅牢性 • 再現性 図2：仕込み条件とプロセスパラメータが、いかに晶析メカニズムに影 響し、プロセスと製品の性能に効果を与えるかを示すフロー図 White Paper 3 METTLER TOLEDO

3　リアルタイム顕微鏡とRBI（相対的後方散乱指数） リアルタイム顕微鏡を用いると、晶析工程において主にどの晶析メカニズムが進行しているのか、ま た重要なプロセスパラメータが、どのようにそれらメカニズムに影響するのかが、専門家以外にも理 解できるようになります。変化している結晶の動画と画像をインラインで直接見ることによって、 データ解析や複雑な解釈を経ずに、プロセスを直観的に理解することができます。 この手法を用いて晶析工程の解析と最適化、特に冷却速度の最適化4・結晶多形制御5・オイルアウト や相分離の対策6を行った多くの例が最近の文献に発表されています。また画像と動画からのプロセ スの理解と開発を自動化し強化するために、相対的後方散乱指数 (RBI: Relative Backscatter Index)3 など の画像解析法が開発されています。RBIは工程内にある結晶の一時点での反射率の合計値であり、濁 度測定と同様、横軸が時間のトレンドグラフによって晶析の進行を追跡します。 リアルタイム顕微鏡画像とRBI、そして晶析条件の記録データを統合することによって、晶析工程が誰 にでも理解できるようになる強力なPATツールとなります。図３に有機化合物の溶解および核発生温 度の特定にRBIを使用した簡単な例を示しました。このデータから、晶析の溶解度曲線が容易に得ら れ、プロセスの再現性と純度に直接関わる核発生温度を最適化することができます7。 2.5 溶解温度＝55℃ 60 核発生温度＝48℃ 2.0 40 1.5 1.0 20 0.5 温度 RBI 0.0 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (hr) 溶解 核化 図3：リアルタイム顕微鏡とRBIと温度の統合による有機化合物の溶解および核発生温度の 測定 4 White Paper METTLER TOLEDO White Paper Relative Backscatter Index (-) Temperature (°C)

４　結晶の大きさと形状への冷却速度の影響 過飽和度は晶析工程におけるドライビング フォースであり、結晶の核発生速度と成長速度 過飽和度 に直接影響します（図４）。この関係について の詳細はNʼyvltらの文献8をご参照いただきたい のですが、このホワイトペーパーにおいても、 核発生速度 結晶成長速度 晶析工程での冷却速度の選び方が、晶析を左右 する過飽和度の高さと、最終的な結晶の粒度分 布に劇的な影響を及ぼすことだけは明確にしな 結晶粒度分布（CSD） ければなりません。 図4：過飽和度は結晶の核発生速度と成長速度に 影響し、最終的に結晶粒度分布を決める 図５に冷却速度の異なる２つの晶析結果の比較を示しました。各晶析のRBIの時間変化曲線から、 成長速度・終点・バッチ時間に違いがあることがわかります。 晶析A 晶析B 2.5 晶析A 60 温度 RBI 2.0 晶析B 温度 RBI 40 1.5 1.0 20 0.5 0.0 0 0 4 8 21 61 Time (hr) 図5：冷却速度が高速（A）と低速（B）で異なる晶析の結果、結晶の大きさと形状の違いが観測された White Paper 5 METTLER TOLEDO Relative Backscatter Index (-) Temperature (°C)

リアルタイム顕微鏡画像からわかるように、冷却速度が遅い晶析Aは顕著に大きな結晶となり、冷却 速度が速い晶析Bは、より薄く小さな結晶となっています。この例は、効果的な晶析工程の設計には 犠牲がつきものであることを示しています。つまり、製造時間を短くできる速い晶析速度と、ろ過 と乾燥において問題となる可能性がある小さくて細い結晶の間でバランスをとる必要があるという ことです。リアルタイム顕微鏡とRBIの時間変化曲線によって得られたこのような情報から、研究者 はデータに基づいた意思決定を行うためのプロセスに関する知見を構築できます。 ５　晶析開発中の多形確認 医薬活性成分の多形の挙動を厳密に理解し制御することは、すべての開発段階で欠かせません。合成 プロセスの中間工程においては、結晶の分離性が多形に大きく依存しますので、望ましい多形が再現 性良く製造されていることは、プロセスがきちんと理解され制御されていることの証となります。 新しい多形が開発中に発見されることも多く、多形の迅速な確認が重要となります。あるいは複数の 多形の存在がわかっている上で、工程中に転移させて所望の結晶を製造することもあり、その場合 PAT手法を適用し安定性の低い多形から安定な多形への転移が、どのスケール及び操作条件において も常に起きることを確認することが、極めて有用となります。 図６は多形転移の実験例です。RBIとリアルタイム顕微鏡画像によって転移の様子がはっきりかつ詳 細に見て取れます。開始剤添加後すみやかに核発生し、RBI値は結晶の形成にともなって急速に上昇 しています。温度を５０℃で保持し、RBIは定常状態となりますが、すぐにまた急速に上昇し、これ は二次核発生が起きていることを示しています。リアルタイム顕微鏡画像を確認すると、別のモル フォロジーを持つ結晶の核発生であることがわかり、オフラインのXRD分析で異なる多形であること が確認されました。時間とともに安定性の低い結晶からより安定的な結晶へと転移し、RBI曲線は再 び定常状態となり、リアルタイム顕微鏡画像を見ると、針状結晶のみが残存していることがわかりま す。 こちらの例によって、設置が簡単でデータ解析に専門性を要しないPAT技術によって、研究者は極め て有用なプロセス情報が容易に得られることを実証しました。 6 White Paper METTLER TOLEDO White Paper

1.6 50 1.4 1.2 多形転移完了 40 1.0 0.8 開始剤添加 0.6 一次核発生 30 （準安定形） 0.4 二次核発生（安定形） 0.2 温度 RBI 20 0 00:00:00 00:20:00 00:40:00 01:00:00 01:20:00 00:40:00 02:00:00 Time (hh:mm:ss) 図６　2回の核発生と安定形への転移のモニタリング ６　オイルアウト（相分離）の確認と対策 オイルアウトは不純物濃度が高い時や、過飽和度を生成する速度が非常に速い時（典型的には非溶媒 晶析や酸塩基反応による塩析を用いた晶析）において、晶析工程中に発生する可能性があります。オ イルアウトはその晶析が相図の液相 - 液相分離が可能となる点で行われた時に発生し、目的化合物 の濃度が高い油相が、溶媒を連続相として形成されます。その後晶析は進行しますが、結晶中に不純 物が残存しやすくなり、結晶粒度分布もばらつきやすくなります。オイルアウトした後に晶析が進行 した工程は、分離が非常に難しく、晶析槽に残留物が付着しやすく、スケールが大きくなるほど特に 洗浄が困難となります。 オイルアウトの発生時点を確認し、プロセス開発の初期に変更を加えることが重要であり、スケール アップ後に製造効率が悪くなる可能性を最小限に抑えます。晶析槽のルッキンググラスを通してオイ ルアウトを目視で確認するという試みは、液がただ濁っており晶析が普通に進行しているようにしか 見えないため、不可能なことがほとんどです。 White Paper 7 METTLER TOLEDO Relative Backscatter Index (-) Temperature (°C)

図７に冷却速度の速い晶析でオイルアウト現象が発生した例を示します。RBI値は最初の「核発生」と 思われる現象を検出しました―しかしリアルタイム顕微鏡画像はそれが結晶ではなく油滴の生成であ ることを明らかにしたのです(a)。時間とともに油相は消滅し、結晶が生成し成長するのですが、その 時リアルタイム顕微鏡画像から、実は結晶が油滴の中で成長していることがわかりました(b)。その 後、油相は完全に消滅し、結晶だけが残り工程の終点まで成長し続けます(c)。この現象は文献化され ており、初期の濃度の調整に始まり9、種晶の粒度と量の調整を経て10、オイルアウトする領域を避け る方法が示されています。 結晶 油相 晶析開始 温度 RBI Time a. b. c. 図7：リアルタイム顕微鏡画像とRBIによる相分離（オイルアウト）を経た晶析工程の観察 ７　まとめ 晶析はたった一段階の操作で化合物を分離・精製することができる特異な単位操作です。望ましい特 性を有した最適な結晶を作らねばならないという圧力の高まりにつれ、最適化作業を裏付けるため の、より良いプロセス情報が必要とされています。晶析工程開発の支援に適した多くのPAT装置は非 常に価値がありますが、時に複雑すぎて専門家グループ以外には使いこなせないことがあります。リ アルタイム顕微鏡と簡易的画像解析（ここではRBI）の組み合わせならば、すべての研究者がPATの枠 組みの中で、晶析工程の設計・解析・制御のためにPAT技術を利用できます。 このホワイトペーパーでは、事例をプロセス最適化に絞り、特別な専門知識を要しないPAT技術で、 必要なデータを取得し解析できる簡便な方法をご紹介しました。これにより要求される重大な品質 を有した結晶を、どのスケールにおいても再現性良く生成できるようになります。 8 White Paper METTLER TOLEDO White Paper Relative Backscatter Index (-) Temperature (°C)

資料：PVM法のParticleView PVM®技術によるParticleView® V19は、粒子とそれに関わるメカニズ ムをリアルタイムに可視化するプローブ型装置です。サンプリング やオフラインでのマニュアル分析を経ずに、高解像度な画像を連続 撮影できます。また粒度と濃度の変化を感度良くとらえる数値化ト レンドを算出し、各時点の代表的な画像を自動的に組み合わせるこ とで、プロセスを総合的に理解できます。 www.mt.com/ParticleView 光源 カメラ PVM光学系 プロセス内の粒子 サファイアウィンドウ ParticleViewの原理 ParticleViewは高解像度のカメラと 内蔵光源で、暗い高濃度スラリー やエマルション中でも高品質の画 像を採取します。キャリブレー ションは不要なので、データ解析 が容易であり、結晶・粒子・液滴 1.5 60 の挙動に関する重要な知見を即座 に得ることができます。 50 RBIとは 1.0 40 ParticleView V19とiC PVMTMソフト ウェアは一枚一枚の採取画像を解 30 析し、革新的なプロセス分析トレ 0.5 20 ンドRBI（Relative Backscatter Index: 相対的後方散乱指数）を算出しま 温度 10 す。RBIは粒子全体からの反射率 RBI の合計値であり、粒度・粒子形 0 0 状・濃度の時間変化を知ることが 0 4 8 12 16Time (hr) できます。 RBIによって製造条件のプロセス性能に及ぼす影響がわかるとともに、高解像度な 画像と組み合わせ、プロセスに関する広範な知識を得ることができます。 White Paper 9 METTLER TOLEDO Relative Backscatter Index (-) 種晶添加 晶析 終点 Temperature (°C)

参考文献 1. Powder Technology, 150, pp 133 ‒ 143 2. Guidance for Industry PAT ‒ A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance ‒ www.fda.gov/downloads/Drugs/Guidances/ucm070305.pdf 3. www.mt.com/ParticleView 4. Chem. Eng. Res. Des., 2010, 88 (8), pp 1108 ‒ 1119 5. Organic Process Research & Development, 2015, 19 (12), pp 1820 ‒ 1825 6. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2016, 55 (44), pp 11631 ‒ 11637 7. Organic Process Research & Development, 12 (2), pp 243 ‒ 248. 8. Journal of Crystal Growth, 1968, Volumes 3 ‒ 4, pp 377 ‒ 383 9. Crystal Growth & Design 4(6), 2004, pp 1175 ‒ 1180 10. Organic Process Research & Development, 2005, 9 (6), pp 943 ‒ 950 www.mt.com/ParticleView メトラー・トレド株式会社　オートケム事業部 For more information 〒110-0008 東京都台東区池之端2-9-7 池之端日殖ビル6F TEL: 03-5815-5515　 FAX: 03-5815-5525 ●製品の仕様・価格は予告なく変更することがありますので、あらかじめご了承ください © 06/2017 Mettler-Toledo K.K. White Paper