DE10140594A1

DE10140594A1 - Preparation of polymers of hydrolytically standardized molecular weight using dialysis filtration membranes

Info

Publication number: DE10140594A1
Application number: DE10140594A
Authority: DE
Inventors: Klaus Sommermeyer
Original assignee: Supramol Parenteral Colloids GmbH
Current assignee: Supramol Parenteral Colloids GmbH
Priority date: 2001-08-18
Filing date: 2001-08-18
Publication date: 2003-03-06

Abstract

Preparation of polymers of hydrolytically standardized molecular weight comprises a first step during which a polymer fraction below the required mol. wt. using a membrane and a second step involving using a membrane with a lower cut-off than in the first step.

Description

Bei den derzeit im Handel befindlichen, künstlichen, kolloidalen Plasmaexpandern dominiert in zunehmendem Maß die Hydroxyethylstärke (HES) aufgrund ihrer inzwischen optimierten Pharmakokinetik sowie ihrer minimalen Interferenzen mit Blutgerinnung und ihrer geringen, immunologischen Nebenwirkung. In the currently available, artificial, colloidal plasma expanders dominate in increasingly increasing the hydroxyethyl starch (HES) due to its meanwhile optimized Pharmacokinetics and their minimal interference with blood clotting and their low, immunological side effect.

Die Wirkung aller kolloidalen Plasmaexpander beruht auf ihrem kolloidosmotischen Effekt, den diese Moleküle nur dann aufrechterhalten können in der Zirkulation, wenn sie in ihren molekuaren Dimensionen (hydrodynamischem Volumen) größer als die sogenannte Nierenschwelle sind. Diese liegt für Hydroxyethylstärke etwa bei einem Molekulargewicht von 70.000 Dalton. Moleküle, die unterhalb dieser Schwelle liegen, werden über die Niere ausgeschieden und sind somit nicht mehr wirksam. The effect of all colloidal plasma expanders is based on their colloid osmotic effect, which these molecules can only maintain in circulation if they are in their molecular dimensions (hydrodynamic volume) larger than the so-called Are kidney threshold. For hydroxyethyl starch this is about a molecular weight of 70,000 daltons. Molecules that are below this threshold are over the kidney eliminated and are therefore no longer effective.

Andererseits ist es aber auch nicht wünschenswert, Moleküle mit einem zu hohen Molekulargewicht zu infundieren, da die Inzidenz von immunologischen Nebenwirkungen mit der Größe des Molekulargewichts steigt und zusätzlich auch die Viskosität solcher Fraktionen zu hoch ist und dadurch auch die Blutviskosität negativ beeinflußt würde. Weiterhin steigt auch die Wechselwirkungs-Wahrscheinlichkeit mit Blutproteinen an mit steigendem Molekulargewicht. On the other hand, it is also undesirable to use molecules that are too high Molecular weight infuse because of the incidence of immunological side effects with the The size of the molecular weight increases and also the viscosity of such fractions is too high and would also have a negative impact on blood viscosity. Still increasing also the interaction probability with blood proteins increases with increasing Molecular weight.

Bei Hydroxyethylstärke ist es weiterhin besonders erwünscht, die Pharmakokinetik möglichst keinen chargenbedingten Schwankungen zu unterwerfen für eine bestimmte Hydroxyethylstärke-Type. Hierzu ist es erforderlich, von Rohstoffcharge zu Rohstoffcharge möglichst enge, gleichbleibende Molekulargewichtsverteilungen um einen eng spezifizierten Mittelwert zu produzieren. In the case of hydroxyethyl starch, it is also particularly desirable to use pharmacokinetics as far as possible not subject to batch-related fluctuations for a particular Hydroxyethyl-Type. To do this, it is necessary to move from one batch of raw material to the next narrow, constant molecular weight distributions around a narrowly specified mean to produce.

Während es inzwischen technologisch möglich ist, innerhalb sehr enger Grenzen den Substitutionsgrad mit Hydroxyethylgruppen und das Muster der Hydroxyethylierung (Substitutionsort an den monomeren Anhydroglucosen in den Positionen C2, C6 und C3) einzustellen im großtechnischen Betrieb durch kontinuierliche Herstellverfahren mittels Hydroxyethylierung im Durchfluß betriebener Rohrreaktoren, ist es bislang noch nicht befriedigend gelöst, im großtechnischen Maßstab konstant enge Molekulargewichtsverteilungen von Hydroxyethylstärke in hohen Ausbeuten herzustellen. Bei den bislang bekannten Verfahren erfolgt nach der Hydroxyethylierung ein kontrollierter, hydrolytischer Abbau und danach eine Fraktionierung und Reinigung entweder über Diafiltration oder über Fällung bzw. Lösungsmittel, wie Aceton oder Isopropanol. While it is now technologically possible, within very narrow limits Degree of substitution with hydroxyethyl groups and the pattern of hydroxyethylation (Substitution site on the monomeric anhydroglucoses in positions C2, C6 and C3) to be set in large-scale operation by means of continuous manufacturing processes Hydroxyethylation in the flow of tube reactors operated so far is not yet solved satisfactorily, constantly tight on an industrial scale To produce molecular weight distributions of hydroxyethyl starch in high yields. With the so far In known processes, a controlled, hydrolytic takes place after the hydroxyethylation Degradation and then fractionation and purification either via diafiltration or via Precipitation or solvent, such as acetone or isopropanol.

Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Hydroxyethylstärke zu finden, welches Endprodukte liefert mit besonders enger Molekulargewichtsverteilung bei gleichzeitiger Erhöhung der Ausbeute. The object was therefore to provide a process for the preparation of hydroxyethyl starch find which end product delivers with a particularly narrow molecular weight distribution simultaneous increase in yield.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Hydrolyse und Fraktionierung über Ultra- bzw. Diafiltration zumindest teilweise über einen Schritt durchgeführt werden; vorzugsweise erfolgt dies in Abwandlung von EP 98946.298.1 kontinuierlich in einem Hydrolyserohr, dessen Wand ganz oder teilweise durch entsprechend ausgelegte Membranen gebildet ist. Dabei wird der Größenausschluß (cut off) dieser Membranen passend zum gewünschten Molekulargewicht der Hydroxyethylstärke festgelegt. This object is achieved in that hydrolysis and fractionation via ultra or Diafiltration can be carried out at least partially over one step; preferably done this in a modification of EP 98946.298.1 continuously in a hydrolysis tube, the Wall is wholly or partly formed by appropriately designed membranes. there the size exclusion (cut off) of these membranes matches the desired The molecular weight of the hydroxyethyl starch is determined.

Länge, Querschnitt und gegebenenfalls Bündelung von parallelen Rohren müssen entsprechend den gewünschten Spezifikationen der Hydroxyethylstärke ebenfalls angepaßt werden. Length, cross-section and, if necessary, bundling of parallel tubes also adapted according to the desired specifications of the hydroxyethyl starch become.

Alternativ ist es möglich, in einem Batch-Reaktor die Hydrolyse durchzuführen, wobei der Ansatz kontinuierlich über ein Ultrafiltrationsmodul außerhalb des Reaktors umgepumpt und diafiltriert wird. In diesem Fall wird jedoch nicht eine so hohe Effizienz erreicht, wie bei einem kontinuierlichen Verfahren. Alternatively, it is possible to carry out the hydrolysis in a batch reactor, the Approach pumped continuously via an ultrafiltration module outside the reactor and is diafiltered. In this case, however, the efficiency is not as high as in a continuous process.

Durch die in-situ-Entfernung aller Moleküle unterhalb des gewünschten cut offs der Membran aus dem Reaktionssatz bzw. Hydrolyserohr wird deren weiterer (unerwünschter) Abbau vermieden. Nur noch solche Moleküle verbleiben im Hydrolyseansatz, deren Molekulargewicht größer ist als der gewünschte cut off und die demzufolge auch wünschenswerterweise weiter abgebaut werden müssen. Through the in-situ removal of all molecules below the desired cut off of the membrane the reaction set or hydrolysis tube becomes their further (undesirable) degradation avoided. Only those molecules remain in the hydrolysis batch whose Molecular weight is greater than the desired cut off and consequently also desirably need to be further mined.

Da es auf der Hand liegt, daß bei einem streng kontinuierlichen Verfahren im Fließsystem dieses Ziel besser erreicht wird, als in einem umgepumpten Batch-Reaktor, ist ersteres Verfahren ganz besonders bevorzugt. Im Falle der kontinuierlichen Verfahrensweise im Rohrreaktor muß letzterer so ausgelegt werden, daß der pH-Wert und die HES-Konzentration durch Säure- bzw. Wasserzudosierung in definierter Weise über die Reaktionslänge entweder kontrolliert wird in einer vordefinierten Weise, so daß pH-Wert und HES- Konzentration am Ende der Hydrolysestrecke auf einen Wert eingestellt sind, bei dem praktisch keine Hydrolyse mehr stattfindet. Die Zudosierung von Salzsäure bzw. Wasser über die gesamte Reaktionsstrecke kann aber auch so durchgeführt werden, daß pH-Wert und HES-Konzentration konstant bleiben und erst am Ende der Hydrolyse eine Neutralisation in einem Schritt erfolgt. Since it is obvious that with a strictly continuous process in the flow system this goal is better achieved than in a pumped batch reactor, the former The method is particularly preferred. In the case of the continuous procedure in The tubular reactor of the latter must be designed so that the pH and the HES concentration by acid or water metering in a defined manner over the reaction length is either controlled in a predefined manner so that pH and HES Concentration at the end of the hydrolysis section are set to a value at which practically no more hydrolysis takes place. The addition of hydrochloric acid or water However, it can also be carried out over the entire reaction route in such a way that the pH value and HES concentration remain constant and only at the end of hydrolysis Neutralization takes place in one step.

Beim Batch-Verfahren kann der pH-Wert und die HES-Konzentration im Batch-Reaktor durch entsprechende Zudosierung von Salzsäure und Wasser in gleicher Weise verändert werden, wie oben beschrieben. In the batch process, the pH value and the HES concentration can be determined in the batch reactor the corresponding addition of hydrochloric acid and water can be changed in the same way, as described above.

Die Hydrolyse wird in beiden Fällen so lange durchgeführt, bis der Abbau und die gleichzeitige Fraktionierung zu einem durch Versuche optimierten Reaktionsumsatz geführt hat. Der Rest des Hydrolyseansatzes kann dann gegebenenfalls verworfen oder in dem nachstehend beschriebenen, zweiten Diafiltrations-Reinigungsverfahren mit aufgearbeitet werden. In both cases, the hydrolysis is carried out until the breakdown and the simultaneous fractionation led to a reaction conversion optimized by experiments Has. The rest of the hydrolysis batch can then optionally be discarded or in the The second diafiltration cleaning process described below was also worked up become.

Aufgrund der unvermeidbar ins Dialysat übertretenden Moleküle, die unterhalb eines gewünschten Molekulargewichts liegen, müssen diese deshalb in einem zweiten Diafiltrationsverfahren mit einer Membran, die ein cut off hat, die erheblich unterhalb der oben genannten liegt, entfernt werden. Dabei werden gleichzeitig Kochsalz sowie niedermolekulare Seitenprodukte als Nebenprodukte aus der Reaktion mit entfernt. Due to the inevitably passing molecules into the dialysate, which are below a desired molecular weight, they must therefore be in a second Diafiltration with a membrane that has a cut off that is significantly below that above mentioned is removed. At the same time, table salt as well low molecular weight side products removed as by-products from the reaction.

example 1

Kontinuierliche Herstellung von Hydroxyethylstärke mit einem mittleren Molekulargewicht von 130.000 Dalton, einem Substitutionsgrad MS von 0,4 und einem Substitutionsverhältnis an den Anhydroglucose-Einheiten der Position C2 und C6 von > 8. Continuous production of hydroxyethyl starch with an average molecular weight of 130,000 daltons, a degree of substitution MS of 0.4 and a substitution ratio the anhydroglucose units of positions C2 and C6 of> 8.

agglutination

Dünnkochende Wachsmaisstärke mit einem Gehalt an Amylopektin von > 95% wird in bekannter Weise in 1-molare Natronlauge über eine Stärkedosierapparatur in einem Mischsystem kontinuierlich bei ca. 70°C verkleistert. Thin-boiled waxy maize starch with an amylopectin content of> 95% is used in known manner in 1 molar sodium hydroxide solution via a starch metering apparatus in one Mixing system continuously pasted at approx. 70 ° C.

Nach dem Verkleisterungsschritt wird die Mischung durch eine rohrförmige Reaktionsstrecke gefördert, wobei die Mischung entgast wird zur Entfernung von gelöstem Sauerstoff und danach gegebenenfalls durch Hochdruckhomogenisation teilabgebaut wird, wobei das Molekulargewicht teilreduziert wird. After the gelatinization step, the mixture is passed through a tubular reaction section promoted, the mixture being degassed to remove dissolved oxygen and then partially degraded by high pressure homogenization, where appropriate, the Molecular weight is partially reduced.

hydroxyethylation

In den konstanten Fluß der alkalischen Stärkelösung, der mittels einer exakt arbeitenden Leitpumpe erreicht wird, wird in an sich bekannter Weise flüssiges Ethylenoxid kontinuierlich über ein Dosiersystem zugegeben und über ein danach geschaltetes Mischsystem homogenisiert. Im weiteren Fluß erfolgt nach Aufheizen der Reaktionsmischung über einen Wärmeaustauscher auf ca. 80°C in dem Reaktionsrohr die Hydroxyethylierung. Dabei wird durch die Fließgeschwindigkeit im Rohrsystem die Verweilzeit (Reaktionszeit) bestimmt. In the constant flow of the alkaline starch solution, by means of a precisely working Guide pump is reached, liquid ethylene oxide is continuously known in a conventional manner added via a dosing system and via a mixing system connected afterwards homogenized. After the reaction mixture has been heated up, the further flow takes place via a Heat exchanger to about 80 ° C in the reaction tube the hydroxyethylation. Doing so the residence time (reaction time) is determined by the flow rate in the pipe system.

hydrolysis

Nach Zudosieren einer entsprechenden Menge an Salzsäure zur Erreichung eines pH's von ca. 2 erfolgt in einem speziellen Hydrolyserohr die Hydrolyse. Wie beim Hydroxyethylierungsschritt wird die Reaktionszeit durch die Fließgeschwindigkeit in diesem Rohrabschnitt vorgegeben. Konstruktiv ist das Hydrolyserohr so ausgelegt, daß über die gesamte Länge kontinuierlich über eine Membran des cut offs von 120.000 Dalton alle säurehydrolytisch erzeugten HES-Moleküle, die kleiner als dieses vorgewählte Molekulargewicht sind, dem Hydrolyseansatz entzogen. Diese Teilmengen werden gesammelt und unmittelbar danach neutralisiert. Über die gesamte Länge des Rohrreaktors wird durch Zudosieren von HCl und Wasser die durch die Diafiltration entstandenen Verluste an Salzsäure und Wasser ausgeglichen. Am Ende des Hydrolysereaktors erfolgt die Zudosierung von Natronlauge zur Neutralisation des Restansatzes auf ca. pH 5. After metering in an appropriate amount of hydrochloric acid to achieve a pH of Approx. 2 is hydrolysed in a special hydrolysis tube. As with Hydroxyethylation step becomes the reaction time by the flow rate in this pipe section specified. The hydrolysis tube is designed so that the entire length continuously across a membrane of cut off of 120,000 daltons all acid hydrolytically generated HES molecules that are smaller than this preselected molecular weight, the Hydrolysis approach withdrawn. These subsets are collected and immediately afterwards neutralized. Over the entire length of the tube reactor is added by adding HCl and Water is the loss of hydrochloric acid and water caused by diafiltration balanced. At the end of the hydrolysis reactor, sodium hydroxide solution is added Neutralization of the remaining batch to approx. PH 5.

cleaning

Die während der Hydrolyse gesammelten Fraktionen sowie die Restfraktion aus dem Hydrolyserohr-Durchlauf werden vereinigt und der auf pH 5 eingestellte Ansatz in an sich bekannter Weise durch Tiefenfiltration und ein zweites Ultrafiltrationssystem diafiltriert, wobei dieses ein cut off von ca. 3.000 Dalton aufweist. Der Ansatz wird so von niedermolekularen Verunreinigungen, wie Kochsalz, Ethylenglykol und Hydroxyethylstärke-Fraktionen, gereinigt. Nach Isolation durch Sprühtrocknung resultiert eine Hydroxyethylstärke mit folgenden molekularen Kenndaten:

Mw: 131.000 Dalton
MS: 0,41
Uneinheitlichkeit Mw/Mn: 1,8
The fractions collected during the hydrolysis and the residual fraction from the hydrolysis tube run are combined and the batch adjusted to pH 5 is diafiltered in a manner known per se by deep filtration and a second ultrafiltration system, this having a cut off of approximately 3,000 daltons. The batch is thus cleaned of low molecular weight impurities such as table salt, ethylene glycol and hydroxyethyl starch fractions. After isolation by spray drying, a hydroxyethyl starch with the following molecular characteristics results:

Mw: 131,000 daltons
MS: 0.41
Inconsistency Mw / Mn: 1.8

Die Ausbeute beträgt 75%, bezogen auf die eingesetzte Wachsmaisstärke. The yield is 75%, based on the waxy maize starch used.

Claims

1. A process for the preparation of polymers having a hydrolytically adjusted molecular weight, characterized in that
in a first step, during the hydrolysis, polymer fractions below a desired molecular weight are continuously withdrawn from the batch via a separation membrane with a corresponding cut off and
in a second step the further adjustment of the molecular weight takes place by diafiltration with a membrane with a cut off, which is considerably lower than the cut off of the membrane in step 1.

2. The method according to claim 1, characterized in that the method by Acid hydrolysis and the first step continuously within a reactor tube or parallel reactor tubes is carried out.

3. The method according to claim 1, characterized in that the hydrolysis by acid in a batch reactor and the first diafiltration step by continuous Pumping over a diafiltration system.