Virtualization and real-time analysis of pharmaceutical and food products by near infrared spectroscopy

Abstract

La realización de la fábrica inteligente ha sido investigada en esta Tesis. La fábrica inteligente es una tendencia de desarrollo en la era de la información. Los seres humanos pueden recibir mucha ayuda de las herramientas inteligentes que permiten realizar los trabajos de un modo de alta calidad. Las industrias con elevada carga en tecnología, como las farmacéuticas y las industrias alimentarias modernas, son pioneras en el uso de los conceptos de fábrica inteligente. Hoy en día, la calidad del producto es un factor clave que determina la cuota de mercado. Con el fin de asegurar una alta calidad tanto en el proceso como en el producto final, varias instituciones han publicado algunas pautas. La Calidad por Diseño (QbD) y la Tecnología Analítica de Procesos (PAT) fueron dos pautas utilizadas en esta tesis para los métodos farmacéuticos. La espectroscopía de infrarrojo cercano (NIRS) puede virtualizar la información física y química del producto de proceso en tiempo real. Por lo tanto, se tomó como la herramienta inteligente para realizar estos conceptos en la industria farmacéutica y estudiar la mejora de la calidad de los alimentos. Se utilizó un espectrofotómetro portátil MicroNIR para determinar atributos críticos de calidad en diferentes etapas del proceso farmacéutico para la fabricación de formulaciones sólidas. Se calcularon y validaron modelos cuantitativos de regresión por mínimos cuadrados parciales. El MicroNIR tiene un tamaño miniaturizado, bajo consumo de energía y un sistema óptico resistente. Por lo tanto, ha demostrado una buena robustez en el proceso de operación. El diseño del experimento ha ofrecido una forma sencilla de calcular los modelos sin un método de referencia complejo. Los buenos resultados de validación revelan que el MicroNIR es una excelente herramienta PAT en la industria farmacéutica. El MicroNIR también se adoptó para calcular y validar una biblioteca espectral para identificar 223 formulaciones farmacéuticas. Las validaciones internas y externas han demostrado que todas las formulaciones pueden identificarse de forma única. Este método simple y no destructivo ha ofrecido al cliente una herramienta sencilla para calificar el producto farmacéutico en las tiendas minoristas. Además, se utilizó un espectrofotómetro NIR de sobremesa para analizar diversos parámetros químicos y sensoriales del tomate. El análisis se realizó en modo de tiempo real sin pretratamiento de muestras. Los modelos cuantitativos fueron calculados por PLS. La capacidad predictiva fue buena y se demostró que NIRS es un método robusto, preciso y seguro para mejorar la calidad del producto de tomate.

The realization of the smart factory has been investigated in this Thesis. The smart factory is a trend of development in the information age. Human beings could receive a lot of assistance from the smart tools which make works be done in a high quality way. Technology-intensive industries, such as pharmaceutical and modern food industries, are pioneers who have the advantages to enjoy the smart factory. Nowadays, the product quality is a key factor that determines the market share. In order to assure a high quality both in the process and final product, several institutions have published some guidelines. Quality by Design (QbD) and Process analytical technology (PAT) were two guidelines used in this thesis for the pharmaceutical methods. Near infrared spectroscopy (NIRS) could virtualize the physical and chemical information of the process product in real time. Therefore, it was taken as the smart tool to realize these concepts in the pharmaceutical industry and study about the food quality improvement. A portable MicroNIR spectrometer was used to determine critical quality attributes in different stages of the pharmaceutical process for the manufacturing of solid formulations. Quantitative partial least-squares regression models were calculated and validated. The MicroNIR has a miniaturized size, low energy consumption and rugged optical system. So it has shown a good robustness in the operation process. The experiment design has offered a simple way to calculate the models without a complex reference method. The good results of validation reveal that the MicroNIR is an excellent PAT tool in the pharmaceutical industry. The MicroNIR was also adopted to calculate and validate a spectral library to identify 223 pharmaceutical formulations. The internal and external validations have shown that all the formulations can be uniquely identified. This simple and nondestructive method has offered the customer a simple tool to qualify the pharmaceutical product in the retail stores. Besides, the benchtop NIR spectrometer was also adopted to analyze several chemical and sensory parameters of tomato. The analysis was operated in real time mode without any sample pretreatment. The quantitative models were calculated by PLS. The predictive ability was good and it was demonstrated that NIRS is a robust, accurate and safe method to improve the quality of tomato product. Based on the discussion above, this Thesis has studied the application of NIRS as a tool to virtualize and real time analyze pharmaceutical and food industries. All these studies have indicated that the NIRS is a suitable technology for the realization of the smart factory.