Rapid in-process moisture determination on a fluid bed dryer

Význam tématu

Rychlé a spolehlivé stanovení zbytkové vlhkosti v průběhu procesu sušení je v produkci tablet a granulátů klíčové pro zajištění kvality, snížení energetických nákladů a minimalizaci ztrát šarží. Fluidní sušení je v farmaceutické výrobě hojně využívané pro svou efektivní výměnu tepla a homogenní sušení částic; zároveň však vyžaduje přesné řízení koncového bodu sušení, aby se předešlo pod- nebo přesušení a souvisejícím problémům (stabilita, slepování, nepřesnosti obsahu účinné látky).

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo demonstrovat, že inline FT‑NIR analýza (Thermo Scientific Antaris MX) s vláknovou bezkontaktní sondou (purgeable tip nebo retractable probe) umožňuje rychlé, nerekativní a přesné měření vlhkosti v reálném čase přímo v fluidním lůžkovém sušiče. Studie porovnává výsledky s referenčními metodami (Karl Fischer) a ukazuje možnosti nasazení pro kontrolu koncového bodu sušení a zavedení řízení procesu (PAT).

Použitá metodika a instrumentace

• Analyzátor: Thermo Scientific Antaris MX FT‑NIR.
• Sondy: difuzně‑reflektanční vláknová sonda s purgeable tip (vhodná pro produkty <15 % vody) a retractable probe s interní čistící komorou (vhodná pro vyšší vlhkosti a lepkavé vzorky).
• Referenční metoda: Karl Fischer titrace (analýzy v duplikátu, ~10 min na vzorek).
• Nastavení FT‑NIR: spektroskopická oblast 4800–10000 cm−1, rozlišení 8 cm−1, 12 naskenování na vzorek. Záznam spekter během cyklu sušiče (cyklus: 120 s purge drying + 10 s filter shaking) – nový datový bod každé ~2 minuty.
• Kalibrační a chemometrické zpracování: Partial Least Squares (PLS) s 5 latentními faktory; předzpracování spekter: 1. derivace, Multiplicative Scatter Correction (MSC) a Savitzky‑Golay filtr (7 datových bodů, polynom. řád 3) pro vyhlazení a odstranění baseline efektů způsobených změnou efektivní dráhy a rozptylu světla.
• Vzorkovací sada: rozsah vlhkosti 1–23 % (mnoho šarží, opakované měření pro robustnost modelu).

Hlavní výsledky a diskuse

• Spektrální informace: klíčové absorpční oblasti zahrnovaly kombinované pásmo vody kolem 5150 cm−1 a 1. přesmyk (~7000 cm−1). Region 4850–9980 cm−1 byl použit pro modelování; největší variabilita byla pozorována kolem 7000 cm−1 v důsledku širokého rozsahu vlhkostí.
• Výkonnost kalibrace: RMSEC = 0,56 %; korelační koeficient Rcal = 0,995. RMSECV = 1,05 %; Rcv = 0,981. Tyto hodnoty ukazují dobrou přesnost, linearitu a robustnost PLS‑modelu v rozsahu 1–23 % vlhkosti.
• Sondy a vzorkování: purgeable tip je vhodný pro rychlé, netečné nasazení u produktů s nižší vlhkostí, zatímco retractable probe s interním čistícím zásobníkem je preferován pro lepkavé nebo vysoce vlhké materiály; automatické čistění (purging, solvent rinse) minimalizovalo problém s nasedáním materiálu na kontakt sondy. Sběr dat během krátkého filtračního „shaking“ cyklu zlepšil reprodukovatelnost signálu versus kontinuální snímání na nestabilní ploše.
• Praktické zjištění: FT‑NIR inline měření poskytuje datový bod každé ~2 minuty, oproti 10 minutám a laboratorní práci pro Karl Fischer. To dovoluje definovat a sledovat koncový bod sušení v reálném čase a zavést řízení procesu na bázi signálu vlhkosti.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlost a neinvazivnost: okamžitě dostupné výsledky s vysokou citlivostí na vodu, bez potřeby vzorkování do laboratoře, rozpouštědel nebo chemikálií.
• Úspora nákladů a energie: přesné určení koncového bodu snižuje riziko přesušení, ztráty produktu a nadměrné spotřeby energie.
• Zvýšení produktivity: možnost online/inline monitoringu umožňuje vyšší průtoky a uzavřenou smyčku řízení sušení (closed‑loop), což zvyšuje efektivitu linky a reprodukovatelnost šarží.
• Flexibilita: stejná FT‑NIR platforma může sloužit R&D i výrobě (metody přenositelné), navíc podporuje jiné analýzy (ID surovin, uniformita směsí, kvantifikace API).

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace FT‑NIR s procesními řídicími systémy pro automatické nastavení parametrů sušení v reálném čase (PLCs / DCS implementace a uzavřená smyčka řízení).
• Zlepšení robustnosti modelů prostřednictvím strojového učení a adaptivních kalibrací, které dokážou kompenzovat změny složení materiálu, velikosti částic nebo teplotních podmínek.
• Rozšířené nasazení senzoriky a vícesondového měření pro lokalizovanou kontrolu homogennosti sušení v dlouhých kontinuálních průchodech.
• Vývoj sond a čištění pro extrémní provozní podmínky (vyšší lepkavost, abrazivita), včetně automatizovaných samočistících či hermetických sond pro sterilní/aseptické provozy.

Závěr

Studie ukazuje, že Antaris MX FT‑NIR s vhodnou vláknovou sondou dokáže přesně a rychle měřit zbytkovou vlhkost přímo v fluidním lůžkovém sušiče. Modely PLS založené na spektrálním zpracování (1. derivace, MSC, Savitzky‑Golay) dosahují vysoké korelace s referenční Karl‑Fischer analýzou v rozsahu 1–23 % vlhkosti. Inline FT‑NIR umožňuje jednoznačné určení koncového bodu sušení, šetří čas, materiál a energii a je praktickým nástrojem pro zavádění PAT ve farmaceutické výrobě.

Reference

1. European Pharmacopoeia, relevantní kapitoly o NIR a sušení (např. kapitola 2.2.40 a/nebo <1119> podle vydání uvedeného v textu).
2. ASTM E1944 – Standard Practice for Near Infrared Multivariate Instrument Standardization.
3. United States Pharmacopeia (USP) kapitoly vztahující se k spektroskopii NIR a procesu sušení.
4. Thermo Fisher Scientific, Application Note: inline moisture determination in a fluid bed dryer using Antaris MX FT‑NIR (AN51543).