NIR-Kamerasystem zur Qualitätssicherung in der Pharmaindustrie
| von Birgit Pittermann, Leiterin R+D, Zeta Biopharma
  • Die Nahinfrarot-Spektroskopie ermöglicht die berührungs- und zerstörungsfreie Oberflächenanalyse pharmazeutischer Produkte.
  • Das schnelle Verfahren ohne aufwendige Probenvorbereitung lässt sich automatisieren und einfach in Fertigungsprozesse integrieren.
  • Algorithmen zur Bild- und Farbgebung können die Messwerte übersichtlich darstellen und automatisch auf eingehaltene Prozessparameter überprüfen.

Aus einem Werkstück eine Probe herauszuschneiden, kommt nicht in Frage, und brächte außerdem lediglich Informationen über dieses Stück, nicht für die ganze Fläche. Daher erfordert die Kontrolle hier zerstörungsfreie Messmethoden, welche die gesamte Oberfläche erfassen.

Lösungsweg NIR-Spektroskopie
Bei solchen Aufgaben leistet die Spektroskopie im nahen Infrarotbereich (NIR) gute Dienste. Vor allem in Branchen wie Chemie und Bergbauindustrie war die Technik bisher verbreitet. Mit dem Kamerasystem NIR Scan öffnet der Hersteller Zeta Biopharma das Verfahren auch für die vielschichtigen Qualitätsüberprüfungen in Lebensmittelindustrie und Pharmaproduktion, beispielsweise die Verteilung eines Wirkstoffes auf einem Trägermaterial.
Der Spektralbereich der NIR-Spektroskopie ist im Wellenlängen-Intervall von 760 bis 2.500 nm. Dieser Bereich der elektromagnetischen Strahlung regt Molekülschwingungen an. Anhand der Absorption und Reflexion unterschiedlicher Wellenlängen lassen sich so spezifische Spektren aufzeichnen. Damit lassen sich einzelne Stoffe qualitativ nachweisen. Auch quantitative Bestimmungen wie Konzentration und pH-Wert sind möglich. Streueffekte an der Oberfläche zeigen Materialeigenschaften wie Rauigkeit oder Korngröße. Die von Grenzflächen erzeugten Interferenzmuster in den Spektren geben unter anderem Aufschluss über die Schichtdicke. Die geringen Absorptionskoeffizienten von organischen Molekülen führen zu einer verhältnismäßig großen Eindringtiefe in die Probe.

Da sich diese Effekte zum Teil überlagern, sind zum Auswerten der Spektren statistische Verfahren zur Datenanalyse notwendig. Referenzmessungen mit bekannten Konzentrationen dienen der Kalibrierung und bilden die Grundlage für die Entwicklung von Messmethoden. Es entsteht ein chemometrisches Modell zur Dateninterpretation. Analysen mittels NIR-Kamerasystem erfordern keine weitere Probenvorbereitung. Daher, und aufgrund der variablen Probenpräsentation, eignet sich die Technik in vielen Gebieten der Prozessüberwachung und -steuerung. Sie lässt sich auch in automatisierte Fertigungsprozesse einfach integrieren.

In Laboranalysen ist die NIR-Spektroskopie ein allgemein gebräuchliches Werkzeug. Ihre Anwendung im Rahmen von automatisierten hyperspektralen Bildgebungsverfahren (hyperspectral imaging – HSI) für die Qualitätsüberwachung von Produkten ist jedoch noch nicht weit verbreitet. Im Vergleich zu Einkanal-Spektro-skopie-Systemen ermöglicht HSI die gleichzeitige Messung von mehreren hundert Spektren. Das Verfahren eignet sich deshalb zur schnellen gleichzeitigen Aufnahme von spektralen und räumlichen Informationen.

25 Mio. Datenpunkte pro Sekunde
Zwei Anwendungsbeispiele verdeutlichen dies: Ein mit pharmazeutischem Polymerwirkstoff beladener Kollagenschwamm sowie ein mit Wirkstoffpulver beschichtetes pharmazeutisches Vlies ließen sich mit der Zeta HSI Inline Kamera vermessen. Die Anlage besteht aus einer NIR-Zeilenkamera, wie sie auch in der Industrie zum Einsatz kommt, sowie einem NIR-Strahler und einem darunterliegenden linear angetriebenen Schlitten. Für die Messung ist eine präzise definierte und gleichbleibende Geschwindigkeit des Schlittens notwendig, da die Kamera das A4-formatige Produkt in einem Durchlauf vermisst. Die Prozessanlage ist pharma- und reinraumtauglich konzipiert.

Das vollautomatische NIR-Streulichtsystem erstellt mit einer Abtastrate von 330 Hz ein räumlich aufgelöstes NIR-Spektrum der untersuchten Oberflächen im Wellenlängenbereich von 1.050 bis 1.660 nm. Das System nimmt dabei Bilder durch eine Objektivlinse auf und projiziert sie auf einen Indiumgalliumarsenid-Sensor. So zeichnet die Kamera einen Datenwürfel mit 256 räumlichen Punkten und 316 Wellenlängen für jeden Raumpunkt auf. Da jeder Punkt der Messung eine Spektralinformation enthält, fällt eine entsprechend große Datenmenge an: Bei einer Abtastrate von 330 Hz entstehen in jeder Sekunde 2,5 x 107 Datenpunkte. Aus diesem Grund lassen sich Scanrate und Auflösung bei der Qualitätsprüfung nach Bedarf einstellen.

Anhand der festen Positionierung im Schlitten der Anlage teilt das System die Oberfläche der untersuchten Polymermatte in Felder ein. Diese Quadrate entsprechen der Größe des auszustanzenden Produkts. Die gemessenen Daten geben an, ob der Mittelwert der Wirkstoffkonzentration innerhalb vorgegebener Parameter liegt und damit die Qualitätsanforderungen erfüllt. Die Anlage dient so der Inprozesskontrolle einer produktbeladenen Oberfläche und der Konzentrationen von aktiven Wirkstoffen.

Qualitätskontrolle mit chemischer Farbgebung
Das Bildgebungsverfahren „Chemical Colour Camera System“ von EVK diente bei der Online-Analyse der wirkstoffbeschichteten Platten zur Datenverarbeitung. Dieses System reduziert die Datenmenge des HSI, indem es die Signalinformation der NIR-Messung in eine Farbinformation umsetzt: Mithilfe eines bildverarbeitenden Algorithmus stellt diese „chemische Farbgebung“ die chemischen und physikalischen Eigenschaften über den gemessenen Wellenlängen-Bereich für jeden Raumpunkt in einem standardisierten Farbraum wie RGB dar. Die Auswertealgorithmen und die zugehörige Software entsprechen den Kriterien der GAMP 5.

Ein separater Algorithmus bewertet, ob das jeweilige Produktquadrat den Qualitätsanforderungen an minimale und maximale Konzentration genügt. Er berücksichtigt statistische Parameter wie Standardabweichung und Konzentrationsgradienten innerhalb eines vordefinierten Produktblattes. Auch eine homogen verteilte Konzentration ist ein definiertes und bewertetes Qualitätskriterium.

Tests mit dem Prototypen haben gezeigt, dass Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Lichtverhältnisse im Reinraum die Messung beeinflussen. Anschließend implementierte validierte Algorithmen korrigieren den Einfluss dieser Umweltfaktoren, so dass innerhalb des Funktionsbereiches dieser Einflüsse Messungen mit der Anlage möglich sind. Zahlreiche Feldexperimente haben die Stabilität des Systems im Pharmaumfeld gezeigt. Die pharmataugliche Inline-HSI-Detektionseinheit hat das Potenzial, repräsentative Laborüberprüfungen durch eine Inline-Kontrolle zu ersetzen und eine verwurfsfreie und vollständige Qualitätsüberprüfung zu ermöglichen.

Hier finden sie mehr zum Thema Inline-Messtechnik. Über diesen Link gelangen sie zum Hersteller.

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