Sauerstoff-Absorber wie diese sind für Lebensmittel etabliert und nützen zunehmend auch bei pharmazeutischen Wirkstoffen.

Sauerstoff-Absorber wie diese sind für Lebensmittel etabliert und nützen zunehmend auch bei pharmazeutischen Wirkstoffen.

  • Sauerstoff-Absorber entfernen Restsauerstoff aus dem Kopfraum von Verpackungen und schützen so pharmazeutisch aktive Substanzen und Aromastoffe vor Oxidation.
  • Verschiedene Sauerstoff-Absorbersysteme haben unterschiedliche Absorptionskapazitäten und eignen sich jeweils für verschiedene Anwendungen. Die beschriebene Analyse hilft bei der Bewertung der Systeme.
  • Neben der Absorptionskapazität eines Sauerstoff-Absorbers ist auch dessen Reaktionsgeschwindigkeit wichtig, da die Absorption schneller verlaufen muss als die Oxidation des zu schützenden Wirkstoffs.

Als Gegenmittel sind Sauerstoff-Absorber in der Lebensmittelindustrie bereits ein etabliertes Konzept, und auch in der Pharmabranche kommen sie zunehmend zum Einsatz.

Analysieren und bewerten

Bei Sauerstoff-Absorbern für pharmazeutische und lebensmittelrelevante Anwendungen handelt es sich entweder um separate Elemente, die Packungen beigegeben werden können oder um separate Schichten von Mehrschicht-Verbunden. Separate sauerstoffabsorbierende Elemente sind Sachets, Etiketten und kleine Container. Aktive Substanzen darin sind z.B. Eisenpulver oder reaktive Polymere mit oxidierbaren Doppelbindungen.

Firmen, die erstmalig Sauerstoff-Absorber anwenden möchten, stehen vor der Frage, wie die unterschiedlichen Produkte zu analysieren und zu bewerten sind. Das Fraunhofer Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (Fraunhofer IVV) in Freising hat zu dieser Fragestellung mehrere praxisfreundliche Messmethoden entwickelt und bietet diese auch als Dienstleistung an. Damit lässt sich die Absorptions-Kapazität untersuchen und vergleichen.

Zum Vergleich untersuchten die Forscher drei verschiedene Sauerstoff-Absorber: Etikett, Container und Sachet. Bei dem Etikett handelte es sich um einen polymerbasierten Sauerstoff-Absorber, der kurz vor der Anwendung mit UV-Licht aktiviert wird. Bei dem Container und dem Sachet handelte es sich um Systeme, die im reaktiven Zustand verkauft werden und deshalb kurz nach Öffnen der Umverpackungen angewendet werden müssen.

Messzellen für verschiedene Bedingungen

Die Analyse der Sauerstoff-Absorber erfolgt in eigens entwickelten Messzellen, die mit einem beliebigen Gas beaufschlagt werden können. Damit ist es möglich, die Reaktion der Absorber bei verschiedenen Sauerstoff-Konzentrationen und in Anwesenheit weiterer Gase wie Kohlendioxid zu untersuchen. Üblich ist eine durch Spülen mit Luft erzielte Startkonzentration von 20,95 % vol. Sauerstoff. Bei einem Umgebungsdruck von 970 mbar, dem Luftdruck in Freising bei Start der beschriebenen Beispiel-Analyse, entsprechen 20,95 % vol. Sauerstoff einem Partialdruck von 203 mbar.

Messzelle zur Bestimmung der Sauerstoff-Absorption.

Messzelle zur Bestimmung der Sauerstoff-Absorption.

Die Abnahme der Sauerstoff-Konzentration bzw. des Sauerstoff-Partialdruckes lässt sich über ein optisches Messsystem verfolgen. Dieses beruht auf Lumineszenzlöschung und ist daher für non-invasive Messungen geeignet. Um den Einfluss der Temperatur zu studieren, werden die Messzellen bei verschiedenen Temperaturen gelagert. Die gemessenen Daten ermöglichen das Bestimmen der Aktivierungsenergie. Verschiedene Messzellen mit unterschiedlichem Innenvolumen gestatten es außerdem, das Kopfraum/Absorber-Verhältnis einer Packung nachzustellen. Gesättigte Salzlösungen oder Wasser dienen zum Einstellen der relativen Feuchte in den Messzellen.

Welches System für welchen Zweck?

Im Falle eines Container-Absorbers zeigen die Messungen, wie die Sauerstoff-Konzentration in der Messzelle vom Anfangswert von 20,95 % vol. innerhalb von zwei Tagen auf null abfällt. Nach zehn Tagen wurde das Messsystem erneut mit Sauerstoff beaufschlagt, und ein weiteres Mal nach 30 Tagen. Im zweiten und dritten Messintervall sank die O2-Konzentration deutlich langsamer ab als noch zu Beginn der Untersuchung. Die zum Schluss stark verlangsamte Abnahme der Rest-Sauerstoffmenge zeigt, dass der Absorber nahezu gesättigt ist.

Aus diesem Verlauf des Sauerstoff-Partialdrucks in den Messzellen mit Sauerstoff-Absorber berechneten die Forscher anhand der Gasgleichung für ideale Gase die Kapazität der Absorber. Wird die Messzelle mehrmals mit Sauerstoff beaufschlagt, werden die absorbierten Mengen Sauerstoff der einzelnen Analyse-Intervalle aufsummiert. Das Absorber-Material im Container reagierte demnach mit circa 76 mg Sauerstoff je Absorber. Bei einer Dichte von Sauerstoff bei 23 °C von 1,318 mg/cm³ und einem Luftdruck von 1013 mbar entspricht dies einer absorbierten Menge von circa 58 cm³ Sauerstoff.

Zeitlicher Verlauf der Sauerstoff-Konzentration in Messzellen mit Sauerstoff-Absorber.

Zeitlicher Verlauf der Sauerstoff-Konzentration in Messzellen mit Sauerstoff-Absorber.

Die Untersuchungen zeigten unterschiedliche Absorptions-Kapazitäten bei den verschiedenen Absorber-Typen. Das Sachet mit Eisenpulver als aktive Substanz absorbierte 390 mg Sauerstoff. Das entspricht mehr als dem fünffachen der von dem Polymer-basierten Container aufgenommenen Menge (76 mg), und fast der fünfzigfachen Kapazität des ebenfalls mit Polymeren funktionierende Etiketts (6 bis 8 mg). Eine hohe Absorptions-Kapazität ist notwendig, wenn Packungen einen großen Kopfraum aufweisen oder eine Begasung mit Inertgas nicht möglich ist. Das Etikett ist daher eher für die Anwendung bei einem kleinen Kopfraum geeignet. Auf Grund der geringen Absorptions-Kapazität ist es bei der Anwendung des Etiketts ratsam, den Kopfraum vor dem Verschließen mit Inertgas zu spülen, um den Restsauerstoff in der Packung zu reduzieren. Selbstaktivierte Systeme, in dieser Studie die Container und Sachets, müssen schnell verarbeitet werden, da sie ansonsten einen Teil ihrer Kapazität durch die Reaktion mit Umgebungssauerstoff verlieren. Es ist daher sinnvoll, vor der Anwendung von Sauerstoff-Absorbern den eigenen Bedarf sowie die Kapazitäten der Absorber zu analysieren und ein geeignetes System zu wählen.

Zeitlicher Verlauf der bestimmten Sauerstoff-Absorption eines Absorbers. (Bilder: Fraunhofer IVV)

Zeitlicher Verlauf der bestimmten Sauerstoff-Absorption eines Absorbers. (Bilder: Fraunhofer IVV)

Auch Kinetik im Blick behalten

Neben der Absorptions-Kapazität spielt auch die Reaktionskinetik eine große Rolle für die Anwendung. Besonders bei pharmazeutisch wirksamen Substanzen ist nämlich die Oxidationsgeschwindigkeit ein wichtiger Aspekt, der ebenfalls untersucht werden sollte. Denn damit die verpackten Pharmazeutika wirksam geschützt sind, müssen die Sauerstoff-Absorber schneller reagieren als die Pharmazeutika selbst. Die Reaktionskinetik ist daher unter Umständen ein wichtigeres Auswahlkriterium als die Absorptions-Kapazität. Auch für die Charakterisierung und Simulation der Reaktionskinetik haben die Wissenschaftler daher verschiedene Methoden entwickelt. Die Forschungsergebnisse des Fraunhofer IVV sind auch in die Normen DIN 6139-1 und DIN 6139-2 zur Bestimmung von Kapazität und Reaktionsgeschwindigkeit von Sauerstoff-Absorbern eingeflossen.

Fachpack 2016, Halle 9 – 309

Weitere Informationen finden Sie auf der Homepage des Fraunhofer IVV, und mehr zum Thema Sauerstoff und Oxidationsschutz können Sie hier auf unserem Portal lesen.

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