Rapid in-process moisture determination on a fluid bed dryer

Význam tématu

Sušení v fluidních vrstvách je klíčový technologický krok ve výrobě tablet a granulátů, které představují většinu perorálních léčiv. Rychlé a spolehlivé stanovení zbytkové vlhkosti on‑line umožňuje optimalizovat okamžik ukončení sušení, šetří energii, zabraňuje přesušení nebo nedosušení produktu a minimalizuje riziko zahození celé dávky. Implementace FT‑NIR do procesu přináší možnosti kontinuální kontroly (PAT) a zvyšuje účinnost provozu sušáren.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo ověřit možnost přesného měření vlhkosti přímo v atmosféře fluidního sušiče pomocí FT‑NIR přístroje Thermo Scientific Antaris MX vybaveného vláknovou reflektanční sondou s vyfukovatelným (purgeable) hrotem. Studie porovnávala on‑line spektrální metodu s referenčním chemickým stanovením (Karl Fischer) napříč širokým rozsahem vlhkosti (přibližně 1–23 %), definovat kalibraci (PLS) a demonstrovat provozní výhody včetně frekvence měření a řešení problémů s kontaminací sondy.

Použitá metodika a instrumentace

Popis experimentu a zpracování dat:

• Instrumentace: Thermo Scientific Antaris MX FT‑NIR analyzer; difuzně reflektanční vláknová sonda s purgeable‑tip a volitelně retractable probe s interní čistící komorou; Thermo Scientific RESULT software pro řízení sběru dat a integraci s procesním řízením; referenční metoda: Karl Fischer titrace (Loss on Drying jako komparátor).
• Sběr dat: spektra získána v oblasti přibližně 4850–9980 cm‑1 (v textu se uvádí i 4800–10000 cm‑1), rozlišení 8 cm‑1, 12 skenů na měření; provozní cyklus sušiče: ~120 s purge drying + 10 s filter shaking (nový datový bod každé cca 2 minuty).
• Předzpracování spekter: 1. derivace, Multiplicative Scatter Correction (MSC) pro korekci efektivní optické dráhy a rozptylu, Savitzky–Golay vyhlazení (okno 7 bodů, polynom. řád 3).
• Kalibrace: Partial Least Squares (PLS) s 5 latentními faktory; kalibrační data z rozsahu vlhkosti 1–23 %; referenční hodnoty z Karl‑Fischer titrace (vzorky v duplikátu).

Hlavní výsledky a diskuse

Výsledky kalibrace a validace:

• RMSEC = 0,56 % (root mean square error of calibration), korelační koeficient R ≈ 0,995.
• RMSECV = 1,05 % (cross‑validation), korelační koeficient R ≈ 0,981.

Diskuse:

• Spektrální oblast zahrnovala charakteristické vodíkové absorpční pásy – kombinované pásmo vody kolem ~5150 cm‑1 a 1.hořtový pás ~7000 cm‑1; právě oblast okolo 7000 cm‑1 vykazovala významné změny při rozdílné vlhkosti vzorků.
• Použití MSC a 1. derivace zlepšilo opakovatelnost a odstranění bazálních artefaktů způsobených variabilní vzdáleností částic od sondy a rozptylem světla.
• Purgeable‑tip sonda je vhodná především pro produkty s nižší vlhkostí (< ~15 %), kde lze usazeniny ofoukat dusíkem; pro vyšší vlhkosti je výhodný retractable probe s automatickým čisticím cyklem v uzavřené komoře.
• On‑line FT‑NIR poskytuje datové body v reálném čase (pravidelně každé ~2 minuty), což výrazně zkracuje dobu rozhodování o ukončení sušení v porovnání s časově náročnou laboratorní Karl‑Fischer analýzou.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlé a neinvazivní stanovení vlhkosti přímo v sušicím procesu umožňuje přesné dosažení cílové vlhkosti bez přesušení nebo nedosušení.
• Eliminace potřeby častého odběru vzorků do laboratoře, snižování spotřeby chemikálií a práce operátorů.
• Umožnění zavedení uzavřené smyčky řízení procesu (closed‑loop control) pro automatické ukončení sušení či úpravu parametrů na základě on‑line dat.
• Minimalizace ekonomických ztrát plynoucích z vyřazení dávky z důvodu nesprávného sušení a úspora energie díky přesnému ukončení cyklu.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Širší integrace FT‑NIR do platforem PAT včetně automatického řízení sušicích režimů a přediktivního modelování.
• Zavádění pokročilých chemometrických postupů (transfer kalibrací mezi zařízením, adaptivní modely, strojové učení) pro snazší přenositelnost metod mezi R&D a výrobou.
• Vývoj robustnějších sond a čisticích mechanismů pro náročné materiály s vysokým obsahem vlhkosti nebo lepivostí.
• Regulační akceptace on‑line metod a standardizace postupů pro validaci FT‑NIR modelů v GMP prostředí.
• Možnost rozšíření analýzy na vícekomponentní sledování (API, uniformita směsi, obsah rozpouštědel) v jednom procesu.

Závěr

Antaris MX FT‑NIR vybavený purgeable či retractable vláknovou sondou dokáže spolehlivě měřit vlhkost v prostředí fluidního sušiče v reálném čase s vysokou přesností a dobrou robustností kalibrace (RMSEC 0,56 %; RMSECV 1,05 %; R ≈ 0,995/0,981). Metoda snižuje závislost na laboratorních mokrých chemických testech, umožňuje energeticky úsporné a efektivní řízení procesu a je vhodná pro implementaci do PAT strategií ve farmaceutické výrobě. Volba typu sondy (purgeable vs. retractable) závisí na druhu produktu a očekávaném zatížení vlhkostí či adhezí materiálu.

Reference

• Heil C. Rapid in‑process moisture determination on a fluid bed dryer. Thermo Fisher Scientific, Application Note AN51543. 2007 (rev. 2022).