Raw materials qualification within a workflow: FT-NIR analysis using the Antaris II Analyzer

Význam tématu

Kvalifikace surovin je kritickým prvním krokem každé úspěšné implementace Process Analytical Technology (PAT). Kontrola surovin na vstupu ovlivňuje konečnou kvalitu produktu, bezpečnost výroby i náklady spojené s reklamací nebo likvidací nevhodných materiálů. Metody, které umožňují rychlé, neinvazivní a spolehlivé rozlišení chemického složení i fyzikálních vlastností (např. velikost částic, krystalickou formu, sypnost), zejména přímo ve skladových nádobách, významně zkracují čas kontroly a snižují potřebu destruktivních testů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem případové studie bylo ukázat integraci analyzátoru Thermo Scientific Antaris II FT-NIR a softwaru RESULT do programu kvalifikace surovin tak, aby analyza zahrnovala jak chemickou identifikaci, tak i jednoduchou fyzikální charakterizaci v rámci automatizovaného workflow. Studie demonstrovala schopnost systému analyzovat materiály skrze obaly, diskriminovat mezi stovkami tříd materiálů a provádět následnou rozhodovací logiku (PASS/FAIL) s oznámením do řídicích systémů.

Použitá metodika a instrumentace

Popis hardwaru a softwaru použitých ve studii:

• Antaris II Fourier transform NIR analyzátor (Thermo Scientific) jako analytické jádro.
• SabIR vláknová sonda pro difuzní odraz umožňující odběr spektra bez vyjmutí materiálu z obalu.
• RESULT software pro řízení workflow, sběr dat a integraci s provozními systémy.
• TQ Analyst chemometrické nástroje (SIMCA, Discriminant Analysis, QC Compare, Similarity Match, Distance Match) pro kvalifikaci a klasifikaci spekter.
• Bezdrátový čtečka čárových kódů pro automatické naplnění vstupních údajů (batch, třída, výrobce).
• Integrace s DCS/SCADA/LIMS přes OPC protokol pro archivaci a notifikace.

Workflow a datová zpracování:

• Základní události workflow: Request (vstup identifikačních údajů), Measure (snímek spektra, porovnání s knihovnami), Perform If (rozhodnutí a následné akce).
• Současné porovnávání spektra proti více knihovnám („Classify Multiple“).
• Předzpracování: multiplicativní korekce rozptylových efektů (MSC), druhá derivace spektra, Norrisův vyhlazovací filtr (segment length 9, gap 3).
• Odstranění pásů pocházejících z obalového materiálu (polyethylenové rezonance v rozsahu přibližně 4200–4350 cm-1 a 5650–5800 cm-1 byly vyloučeny z analýzy).
• Metody pro analýzu velikosti částic: (a) Discriminant Analysis / SIMCA na neupravených datech (obvykle vyžaduje ≥5 standardů na třídu), (b) druhá derivace + Norris vyhlazení pro robustní rozlišení velikostních tříd.
• Testovací materiály: Pharmatose (laktóza) s mesh velikostmi 50 µ, 80 µ, 90 µ, 100 µ, 110 µ a 125 µ použité pro validaci čtení fyzikálních rozdílů.

Hlavní výsledky a diskuse

Klíčové poznatky ze studie:

• Antaris II v kombinaci s SabIR sondou a RESULT umožnil spolehlivou identifikaci surovin bez nutnosti otevření obalů, čímž zachoval vzorek pro další zpracování a eliminoval destruktivní testy.
• Současné porovnání proti více knihovnám zvyšuje flexibilitu a snižuje potřebu jediné univerzální metody pro všechny typy surovin.
• Chemometrické nástroje (SIMCA, Discriminant Analysis, QC Compare aj.) poskytly robustní klasifikaci; SIMCA vyžaduje více standardů na třídu, ale může nabídnout vynikající rozlišení pro složité skupiny.
• Spektrální offsety způsobené rozptylem a rozdílnou velikostí částic byly pozorovány jako významný zdroj variability; použití MSC, druhé derivace a Norrisova filtru umožnilo tyto efekty odstranit a zlepšit rozlišení tříd velikosti částic.
• Pro laktózu byly rozlišeny různé mesh velikosti; výsledky byly prezentovány jako score ploty a spektra v druhé derivaci, které jasně ukázaly separaci mezi třídami i před a po odstranění rozptylových offsetů.
• Workflow automatizoval rozhodovací kroky: při shodě s knihovnou se generoval PASS, data byla archivována a hlášení posláno do DCS/LIMS; při nezhodě se materiál označil jako FAIL, archivoval do separátní složky a aktivovalo se varování pro karanténu a dodavatele.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy řešení v praxi:

• Rychlá a neinvazivní identifikace surovin na vstupu s možností provést analýzu přímo v místě příjmu (loading dock), čímž se urychlí tok materiálu do výroby.
• Snížení destruktivních testů a odpadu, možnost opětovného využití analyzovaného materiálu.
• Možnost integrovaného posuzování chemické identity i vybraných fyzikálních vlastností (např. velikost částic) v rámci jednoho workflow.
• Automatizace rozhodování a přímá integrace s DCS/SCADA/LIMS zlepšují traceabilitu a podporují soulad s regulacemi.
• Redukce potřeby časově náročných referenčních metod (titrace, HPLC) pro základní identifikaci surovin.

Budoucí trendy a možnosti využití

Možnosti dalšího rozvoje a využití technologie:

• Rozšíření modelů chemometrie a využití moderních strojově-učících přístupů pro lepší kvantifikaci fyzikálních parametrů (krystalinit a polymorfie, vlhkost, porozita).
• Implementace inline/atline konfigurací pro kontinuální monitorování toku surovin při příjmu i během procesu.
• Hlubší integrace s elektronickými výrobními záznamy a digitálními dvojčaty provozu pro rychlejší rozhodování a retrospektivní analýzy.
• Standardizace knihoven a jejich sdílení napříč provozy v rámci firmy pro rychlejší zavádění nových materiálů.
• Regulatorní akceptace validovaných FT-NIR procedur pro vstupní kontrolu surovin a jejich využití jako součásti kvalifikačních protokolů.

Závěr

Studie prokázala, že kombinace Antaris II FT-NIR analyzátoru, vláknové sondy a RESULT workflow zvýší rychlost, kontrolu a spolehlivost kvalifikace surovin na vstupu do výrobních procesů. Systém nabízí robustní chemickou identifikaci, možnost hodnocení vybraných fyzikálních parametrů a hladkou integraci s provozními systémy, což podporuje efektivní a auditovatelnou kontrolu materiálů v průmyslovém provozu.

Reference

Jeffrey Hirsch, Ph.D., Thermo Fisher Scientific. Application note: Raw materials qualification within a workflow: FT-NIR analysis using the Antaris II Analyzer. AN51088_E 03/22M.