Das Wägen ist eine der Hauptaktivitäten eines jeden QC-Labors. In der Regel steht es am Anfang einer Tätigkeitskette in der Analytik, wenn zum Beispiel eine Probe oder ein Standard für die HPLC- oder qNMR-Analyse vorbereitet wird. Da sich Wägefehler durch die gesamte spätere Analyse ziehen und ein ungenaues Endergebnis liefern können, hat die United States Pharmacopeia (USP) strenge Anforderungen an diejenigen Waagen gestellt, die zum Wägen von Analyten für quantitative Messungen verwendet werden. Eine kürzlich veröffentlichte Aktualisierung mit Wirkung ab 1. August 2019 unterstreicht, wie wichtig Genauigkeit ist, und hebt das Konzept der Mindesteinwaage als Grundlage für genaue Wägeprozesse hervor.

Die Rolle der Pharmakopöen

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Abb.1 Gründung der United States Pharmacopeial Convention am 1. Januar 1820 in der Old Senate Chamber des US-Kapitols (11 der 16 Delegierten waren anwesend, allesamt Ärzte) [3]. Die erste USP wurde am 21. Dezember 1820 veröffentlicht. Künstler: Robert Thom. Gemälde im Auftrag der USP, 1957.

Die Pharmakopöen gehören zu den wichtigsten Dokumenten in der Pharmaindustrie. Diese Sammlungen veröffentlichter Normen beschreiben die Anforderungen für die Prüfung chemischer und biologischer Wirkstoffe und Darreichungsformen sowie Analysemethoden für Arzneimittel. Die Standards sollen sicherstellen, dass bei pharmazeutischen Produkten Identität, Gehalt, Qualität, Reinheit und Konsistenz stimmen. Zwar beschreiben die Pharmakopöen die Anforderungen für die Prüfung von Arzneimitteln und Darreichungsformen, sie gelten aber nicht für die Herstellung der jeweiligen Produkte.

Eine der ältesten und am weitesten verbreiteten Pharmakopöen ist die US-amerikanische Pharmacopoeia (USP) (Abb. 1). Die im allgemeinen Kapitel 41 [1] festgelegten Anforderungen an das Wägen und die im informativen Kapitel 1251 [2] beschriebene Prüfmittelüberwachung nach dem neuestem Stand der Technik werden häufig als De-facto-Standards angesehen, um gleichbleibend genaue Wägeergebnisse in der pharmazeutischen Qualitätskontrolle sicherzustellen.

Anwendbarkeit der USP-Wägeanforderungen

Die USP General Notices and Requirements [4] sind wichtig, um den genauen Geltungsbereich des allgemeinen Kapitels 41 zu verstehen. In Abschnitt 6.50.20 heißt es (gekürzter Text):

„Lösungen für quantitative Messungen sind mit genau abgewogenen oder genau abgemessenen Analyten herzustellen (siehe Abschnitt 8.20).“

Abschnitt 8.20 schreibt vor (gekürzter Text):

„Wenn angegeben ist, dass die Messung ‚genau abgewogen‘ sein muss, ist den Anweisungen in Kapitel 41 (Waagen) zu folgen.“

Aus diesen beiden Anforderungen ergibt sich: Muss laut Monografie eine Substanz „genau abgewogen“ werden, hat die für den Wägevorgang verwendete Waage den im allgemeinen Kapitel 41 beschriebenen Anforderungen zu entsprechen.

Das allgemeine USP-Kapitel 41 (Waagen)

Das allgemeine Kapitel 41 legt drei unterschiedliche Anforderungen für Materialien, die genau abgewogen werden müssen, fest.

„Das Wägen erfolgt mit einer Waage, die über ihren Arbeitsbereich kalibriert ist und die Anforderungen an Wiederholbarkeit und Genauigkeit erfüllt.“

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Mettler-Toledo

Abb. 2 Systematische und zufällige Fehler der Waage werden durch spezifische Tests mit einer Toleranz von 0,10 % bewertet. Die systematischen Fehler müssen mit einem Testgewicht zwischen 5 % und 100 % der maximalen Einwaage geprüft werden. Das Testgewicht für die Wiederholbarkeit beträgt normalerweise einige Prozent des maximalen Wägebereichs.

Zwei der drei oben genannten Anforderungen für Waagen sind Wiederholbarkeit und Genauigkeit. Durch die Festlegung spezifischer Akzeptanzkriterien für den Wiederholbarkeits- und Genauigkeitstest wird sichergestellt, dass sowohl zufällige als auch systematische Fehler des Instruments minimiert werden. Beide Akzeptanzkriterien werden als relative Toleranzen von 0,10 % ausgedrückt (Abb. 2). In der Praxis ist diese Anforderung recht streng: Sie stellt sicher, dass ein Wägefehler – im Vergleich zu Fehlern in den nachfolgenden, über die Monographien beschriebenen Verfahrensschritten zur Prüfung von Arzneimitteln – meist gering, wenn nicht gar vernachlässigbar ist.

Die Kalibrierung, die dritte Anforderung, ist im Internationalen Wörterbuch der Metrologie (VIM) [5] definiert. Sie legt für Waagen eine Beziehung zwischen den Massewerten von Referenzgewichten und der Anzeige der Waage fest, unter Berücksichtigung der damit verbundenen Messunsicherheiten.

Wiederholbarkeitsanforderung – Mindesteinwaage

Von besonderer praktischer Relevanz für die Leistung der Waage ist die Wiederholbarkeitsanforderung gemäß des allgemeinen USP-Kapitels 41 (gekürzter Text):

„Die Wiederholbarkeit wird bewertet, indem ein Testgewicht mindestens zehnmal gewogen wird. Die Wiederholbarkeit ist zufriedenstellend, wenn die doppelte Standardabweichung des ermittelten Wägewertes, geteilt durch die geforderte kleinste Nettoeinwaage, d.h. die kleinste Nettoeinwaage, die der Benutzer auf dieser Waage verwenden möchte, den Grenzwert von 0,10 % nicht überschreitet.“

Eine sehr wichtige Konsequenz der Wiederholbarkeitsanforderung ist das Konzept der Mindesteinwaage, das bereits seit vielen Jahren im informativen allgemeinen Kapitel 1251 beschrieben ist. Durch die am 1. August 2019 in Kraft getretene, geringfügige Überarbeitung des allgemeinen USP-Kapitels 41 wurde diese Beschreibung der Mindesteinwaage aus dem allgemeinen Kapitel 1251 in dieses verbindliche Kapitel übertragen. Während sich Wiederholbarkeitstest und Bewertung durch die Überarbeitung nicht verändert haben, hat die Mindesteinwaage für die praktische Verwendung der Waage im Alltag erhebliche Bedeutung erlangt.

Das neu überarbeitete allgemeine Kapitel 41 besagt:

„Die Wiederholbarkeitsmessung ermittelt die kleinste Nettomenge, die auf der Waage unter Einhaltung des 0,10 %-Grenzwertes abgewogen werden darf.“

Auf Basis des Akzeptanzkriteriums für die Wiederholbarkeit (2 x s) / (Kleinste Nettoeinwaage) ≤ 0,10 % erfüllen alle Massen, die größer oder gleich (2 x s) / (0,10 %) sind, diese Anforderung. Die kleinste Masse, die dieses Kriterium noch erfüllt, wird als Mindesteinwaage bezeichnet:

m_min = (2 x s) / (0,10 %) = 2.000 x s

Zu beachten ist, dass die kleinste Standardabweichung (s) zur Beurteilung der Wiederholbarkeitsanforderung von 0,10 % und der Berechnung der Mindesteinwaage 0,41 d beträgt, wobei d der kleinste digitale Anzeigeschritt (Ablesbarkeit) der Waage ist. Diese Untergrenze basiert auf dem Rundungsfehler einer Digitalanzeige.

Wie in der Wiederholbarkeitsanforderung angegeben, ist die kleinste Nettoeinwaage als die kleinste Menge definiert, die der Benutzer tagtäglich auf dem Gerät wiegen möchte. Die kleinste Nettoeinwaage ist eine Benutzeranforderung und sollte nicht mit der Mindesteinwaage verwechselt werden, die eine Eigenschaft des Instruments ist und wie oben beschrieben berechnet wird.

Mit den beiden vorstehenden Definitionen für die kleinste Nettoeinwaage und die Mindesteinwaage gilt folgende Aussage: Wenn die kleinste Nettoeinwaage (was der Benutzer wiegen möchte) größer oder gleich der aus der Wiederholbarkeit der Waage ermittelten Mindesteinwaage ist, dann gilt das Wiederholbarkeitskriterium des allgemeinen Kapitels 41 als erfüllt.

Das allgemeine USP-Kapitel 1251 (Wägen mit einer Analysenwaage)

Das allgemeine USP-Kapitel 1251 enthält detaillierte Informationen zur Qualifikation und zum Betrieb des Instruments. Obwohl das Kapitel speziell für Analysenwaagen geschrieben wurde, können die meisten der dargestellten Informationen auch auf Waagen höherer Kapazität angewendet werden, z.B. Präzisionswaagen oder Tischwaagen.

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Mettler-Toledo

Abb. 3 Veränderungen der Mindesteinwaage im Zeitverlauf aufgrund sich ändernder Umgebungsbedingungen. Um die Rückverfolgbarkeit der Wägeresultate zu gewährleisten, wird vor der Wartung bzw. Justierung des Geräts eine Eingangskalibrierung durchgeführt.

Ein wichtiger Teil dieses Kapitels ist eine detaillierte Darstellung der heute üblichen Strategien zur Routineprüfung des Instruments. Die Häufigkeit und Art der Routineprüfungen richtet sich nach dem Risiko und der erforderlichen Wägetoleranz. Tägliche Tests sind nicht vorgeschrieben – die Verwendung von Justiergewichten, die in die Waage integriert sind, ermöglicht es die Testhäufigkeit mit externen Gewichten zu reduzieren. Es ist dem Benutzer überlassen, die Prüfmittelüberwachung auf Grundlage der obigen Überlegungen festzulegen.

Eine weitere wichtige Betrachtung des Kapitels 1251 ist die Änderung der Waagengenauigkeit mit der Zeit, verursacht durch sich ändernde Umgebungsbedingungen und bedienungsbedingte Einflüsse auf die Genauigkeit des Wägens (Abb. 3). Um diese Einflüsse zu kontrollieren, wird empfohlen die kleinste Nettoeinwaage (d.h. die kleinste Menge, die der Bediener mit der Waage wiegen möchte) so zu wählen, dass sie ausreichend größer ist als die Mindesteinwaage, die durch den Wiederholbarkeitstest zu einem definierten Zeitpunkt ermittelt wurde. Mit anderen Worten wird empfohlen, einen Sicherheitsfaktor einzukalkulieren, damit die vordefinierte Wägetoleranz jederzeit eingehalten wird.

Fazit

Genaues Wägen ist entscheidend für alle qualitätsrelevanten Wägeanwendungen. Die USP hat in ihrem allgemeinen Kapitel 41 klare Anforderungen festgelegt, die sicherstellen sollen, dass eine Wägeanwendung in ihrem Geltungsbereich nicht zu einem wesentlichen Fehler des Analyseergebnisses beiträgt. Neben der Verwendung einer kalibrierten Waage gibt es Anforderungen an die Wiederholbarkeit und Genauigkeit, beurteilt anhand einer festgelegten Toleranz (0,10 %). Als wichtiges Ergebnis des Wiederholbarkeitstests wird die Mindesteinwaage errechnet. Die Mindesteinwaage beschreibt die kleinste Nettomenge, die unter Einhaltung der Toleranzanforderung gewogen werden darf.

Das allgemeine USP-Kapitel 1251 geht auf die routinemäßigen Waagentests ausführlicher ein, indem ein risikobasierter Ansatz für die Prüfmittelüberwachung angewendet wird. Darüber hinaus behandelt es die Änderung der Waagengenauigkeit mit der Zeit, was auf das Konzept des Sicherheitsfaktors hinausläuft.

Die Anforderungen des allgemeinen USP-Kapitels 41 und der Stand der Technik des allgemeinen Kapitels 1251 stellen sicher, dass sich der Benutzer zu jeder Zeit auf die Genauigkeit des Instruments verlassen kann.

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Kategorie: Pharmazeutische Qualitätskontrolle | Compliance

Literatur:
[1] USP General Chapter 41 “Balances”, United States Pharmacopeial Convention, Rockville, USA, USP42-NF37 Supplement 1, August 2019
[2] USP General Chapter 1251 “Weighing on an Analytical Balance”, United States Pharmacopeial Convention, Rockville, USA, USP42-NF37 Supplement 1, August 2019
[3] Tirumalai, G., Long, A. “United States Pharmacopeial Convention: Respecting the past, moving confidently into the future”, United States Pharmacopeial Convention, Rockville, USA, retrieved from https://www.usp.org/sites/default/files/usp/document/about/usp-history.pdf, accessed on 2019 Aug 9
[4] USP General Notices and Requirements, United States Pharmacopeial Convention, Rockville, USA, USP42-NF37 Supplement 1, August 2019
[5] JCGM 200 (VIM), “International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms”, 3rd ed., JCGM, 2010, https://www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/JCGM_200_2012.pdf, accessed on 2019 Aug 9