Handheld FTIR -based assessment of pharmaceutical surface cleanliness
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
92
Series
Abstract
Pharmaceutical production requires a validated cleaning process and cleaning verification to minimize the risk for cross-contamination of drug products. Conventional methods, such as high performance liquid chromatography, provide accurate results but are time-consuming and expensive. Therefore, rapid and more cost-effective methods are required. A handheld Fourier-transform infrared spectrometer (FTIR) could provide on-site measurements and real-time quantitative analysis of residues in the production facility. This thesis aimed to assess the feasibility of the handheld FTIR in pharmaceutical cleaning verification by developing quantitative calibration models. The key concepts in the literature review of this thesis were pharmaceutical cleaning verification, active pharmaceutical ingredients (APIs) and their chemical printing, FTIR spectroscopy, and multivariate calibration modelling of spectral data. The experimental work focused on five APIs: ibuprofen, naproxen, entacapone, carbamazepine, and spironolactone. The chemical printing of the APIs was optimized on stainless steel coupons which demonstrated the manufacturing equipment surfaces. A chemical printer was suitable for printing APIs with different properties, and the choice of API, solvent, and printing parameters affected the deposition. The coupons were visually inspected and used for FTIR measurements. Qualitative analyses of the spectra were performed to successfully identify the characteristic peaks of each API. Quantitative partial least squares calibration models were developed for three APIs. They were assessed with error metrics RMSEP, RMSECV, and R2. The R2 of the ibuprofen model was 0.92, and for the entacapone model it was 0.94. The R2 of both naproxen models was 0.97. With independent samples, the highest prediction errors for the ibuprofen and entacapone models were -5.5% and 6.0%. At 0.39 μg/cm2, the two naproxen models had prediction errors of 13.4% and 20.7%, due to the lower concentration range of the models. Additionally, two modelling softwares were compared with the same data set, and no significant difference was observed with one or several spectral regions. This thesis demonstrated that a handheld FTIR can be used for different APIs to quantify residues on stainless steel surfaces. Measurements in the production facility would provide valuable information about the technology in practice.Lääketuotanto vaatii validoidun tuotantolaitteiden puhdistusprosessin ja puhtauden varmentamisen, jotta ristikontaminaation riski on todistetusti hallinnassa. Perinteiset menetelmät, kuten korkean erotuskyvyn nestekromatografia, antavat tarkkoja tuloksia, mutta ovat aikaavieviä ja kalliita menetelmiä. Tässä työssä arvioitiin käsikäyttöisen Fourier-muunnosta hyödyntävän infrapunaspektrometrin (FTIR) käyttöä puhtauden varmentamisessa, koska sillä voitaisiin suorittaa suoraan tuotantotiloissa tehtäviä mittauksia ja reaaliaikaisia kvantitatiivisia määrityksiä ei-toivotuista jäämistä. Kirjallisuustutkimus käsitteli lääketuotannon puhtauden varmentamista, lääkeaineita ja niiden kemiallista tulostusta, FTIR-spektroskopiaa sekä spektridatan kalibraatiomallinnusta. Työ keskittyi viiteen lääkeaineeseen: ibuprofeeni, naprokseeni, entakaponi, karbamatsepiini ja spironolaktoni. Näille optimoitiin tasainen tulostus ruostumattomalle teräslevylle, joka jäljitteli tuotantolaitteiden pintoja. Tulostusjälkeen vaikuttivat lääkeaineen, liuottimen ja tulostusasetusten valinta. Levyt analysoitiin visuaalisesti ja mitattiin FTIR:llä. Spektrien perusteella aineista tunnistettiin kunkin tunnusomaiset piikit, joita pystyttiin hyödyntämään kalibraatiomallien teossa. Kvantitatiiviset PLS-kalibraatiomallit (partial least squares) kehitettiin kolmelle lääkeaineelle. Malleja arvioitiin eri parametreilla, kuten RMSEP, RMSECV ja R2, sekä mallien ennustettavuutta testattiin niistä riippumattomilla näytteillä. Ibuprofeenin mallin R2-arvo oli 0,92 ja entakaponin mallin oli 0,94. Malleista riippumattomilla näytteillä testattaessa ibuprofeenin ja entakaponin mallien suurimmat virheet olivat -5,5% ja 6,0%. Kahden naprokseenin mallin R2-arvot olivat 0,97. Näiden naprokseenimallien ennustusvirheet konsentraatiolle 0,39 μg/cm2 olivat 13,4% ja 20,7%, joiden suuruudet johtuivat naprokseenimallien matalammasta konsentraatiotasosta. Lisäksi kahta mallinnusohjelmistoa verrattiin keskenään hyödyntäen samaa naprokseenin aineistoa, eikä merkittävää eroa malleissa havaittu käytettäessä yhtä tai useampaa spektrialuetta. Tulokset vahvistavat, että käsikäyttöinen FTIR soveltuu eri lääkeaineiden pitoisuusmääritykseen ruostumattomalla teräspinnalla. Tulevaisuudessa testimittaukset tuotantotiloissa antaisivat tärkeää lisätietoa teknologian toimivuudesta käytännössä.Description
Supervisor
Aranko, SesiljaThesis advisor
Heikkinen, SusannaKiljunen, Eero