Monitoring a single-pot granulator using near-infrared spectroscopy

Význam tématu

Moderní farmaceutické a chemické procesy vyžadují rychlou a spolehlivou kontrolu zbytkových rozpouštědel a vlhkosti v reálném čase. Využití NIR spektroskopie přispívá ke zkrácení doby analýzy, vyšší kvalitě produktu a lepšímu řízení výrobního procesu, což odpovídá požadavkům iniciativy PAT (Process Analytical Technology).

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo otestovat novou konstrukci NIR sondy s nakloněným čelem integrovanou do jednotankového vysokorychlostního granulátoru Bohle VMA 70. Studie sleduje možnost predikce obsahu zbytkového methanolu během sušení granulátu, aniž by byly nutné off-line metody jako plynová chromatografie.

Použitá metodika a instrumentace

Analytická technika:

• NIR spektroskopie v reflektančním režimu, rozsah 800–2100 nm s krokem 0,5 nm
• 32 kumulovaných skenů za spektrum, cca dvě kompletní spektra za minutu
• Metoda druhé derivace spektra a chemometrie PLS (partial least squares)

Zařízení a proces:

• Metrohm NIRS XDS Process Analyzer se speciální vláknovou sondou s nakloněným čelem
• Granulátor Bohle VMA 70 single-pot, směs 91 % laktózy anhydrátní a 9 % škrobu
• Fáze: suché míchání, přidání vody, methanolu a barviva, granulace (6 min), sušení při vakuu ~200 mbar, 200 RPM, N2 purge 1 Nm3/h po 43 min
• Sběr dat v reálném čase pomocí Vision® software

Hlavní výsledky a diskuse

Použití nakloněné sondy značně snížilo náhodné fluktuace hustoty prášku před okénkem, čímž se umožnilo robustní modelování. PLS model vytvořený z druhých derivací ve spektrálním úseku 1800–2100 nm dosáhl hodnoty R2 = 0,9823 a standardní chyba kalibrace SEC = 0,4427 % MeOH. Křížová validace vykázala SECV = 0,6224. Trendové diagramy ukázaly plynulý pokles methanolu až k minimální hodnotě a mírné zvýšení v závěrečné fázi sušení způsobené tzv. case hardening, kdy vnitřní methanol vychází z granulátu při nadměrném vysušení.

Přínosy a praktické využití metody

Implementace NIR metody s novou sondou nabízí:

• Bezodkladné monitorování zbytkových rozpouštědel a vlhkosti přímo v procesu
• Eliminaci časově náročného odběru vzorků a GC analýzy
• Vylepšené řízení end-pointu sušení a granulace
• Podporu PAT a rychlejší uvolnění produktu

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje:

• Další optimalizace tvaru a materiálu sond pro různé reaktory
• Integrace pokročilých strojových učicích algoritmů pro predikci více komponent
• Miniaturizace spektrometrů pro širší nasazení v terénních podmínkách
• Propojení s digitálními platformami Industry 4.0 pro plně autonomní řízení procesů

Závěr

Studie potvrdila, že sondy s nakloněným měřicím okénkem v kombinaci s NIR spektroskopií umožňují přesnou in-situ analýzu zbytkového methanolu a vlhkosti v turbulentním prostředí vysokorychlostního granulátoru. Metoda slibuje náhradu off-line technik a významně zefektivňuje řízení výroby.

Reference

• R. A. Mattes, R. Schroeder, V. Dhopeshwarkar, R. Kowal, W. Randolph, Monitoring a Granulation Drying Process Using Near-Infrared Spectroscopy for In Situ Analysis Of Residual Moisture and Methanol, Pharm. Tech., Sept. 2004.