VALIDATIE VAN EEN IN-LINE RAMAN SPECTROSCOPISCHE MEETMETHODE VOOR CONTINUE GENEESMIDDEL- KWANTIFICATIE TIJDENS HOT MELT EXTRUSIE

Transcriptie

1 UNIVERSITEIT GENT FACULTEIT FARMACEUTISCHE WETENSCHAPPEN Vakgroep Farmaceutische Analyse Laboratorium voor Farmaceutische Proces Analytische Technologie Academiejaar VALIDATIE VAN EEN IN-LINE RAMAN SPECTROSCOPISCHE MEETMETHODE VOOR CONTINUE GENEESMIDDEL- KWANTIFICATIE TIJDENS HOT MELT EXTRUSIE Apr. Natasja SEGHER Master na Master Industriële Farmacie Promotor Prof. Dr. Apr. T. De Beer

2 DANKWOORD Hierbij wens ik mijn promotor, Prof. Dr. Apr. T. De Beer te bedanken voor het opvolgen en het geven van algemene leiding gedurende mijn thesis. Apr. Lien Saerens wens ik in het bijzonder te bedanken voor de hulp bij het uitvoeren van de experimenten, haar geduldige uitleg over de niet-zo-foutloze-software en ook voor de grote duwtjes in mijn rug bij de interpretatie van alle Ramanspectra en de SIMCA-bolletjes! Tenslotte wil ik mijn vriend en mijn ouders bedanken voor het geven van steun en hulp bij het schrijven van deze thesis

3 Inhoud 1. INLEIDING HOT MELT EXTRUSIE Algemeen Extruder Voordelen en nadelen Materialen gebruikt in HME Vaste oplossingen en vaste dispersies PROCES ANALYTISCHE TECHNOLOGIE Procesanalysatoren Welke in-line technieken zijn er reeds gebruikt bij extrusie? VALIDATIE Totale fout profielen RAMAN SPECTROSCOPIE Raman als procesanalysator OBJECTIEVEN MATERIALEN EN METHODEN MATERIALEN Metoprolol tartraat Eudragit RS PO Magnesiumstearaat METHODEN Extruder Bereiden van poedermengsels Differentiaal Scanning Calorimetrie (DSC) Raman spectroscopie Data analyse Multivariate analyse (MVA) Robuustheid RESULTATEN IN-LINE MPT CONCENTRATIE MONITORING Principale Component Analyse Partial least squares (PLS) analyse Karakteristieken Interacties Vaste fase monitoring: DSC VALIDATIEKARAKTERISTIEKEN UIT ICH Q Specificiteit... 37

4 Lineariteit Accuraatheid Precisie Bereik TOTALE FOUT PROFIELEN ROBUUSTHEID Design Design CONCLUSIE EN DISCUSSIE LITERATUURLIJST... 51

5 LIJST MET AFKORTINGEN ATR FT-IR CCD DSC ERSPO EVA FDA HME ICH MC MCR MgSt MPT MVA NCO NIR PAT PC PCA PLS RMSEP SEC SFSTP SNV XRPD Attenuated Total Reflectance Fourier-Transform Infra Rood Charged Coupled Detector Differentiaal Scanning Calorimetrie Eudragit RS PO Ethyleenvinylacetaat Food And Drug Administration Hot Melt Extrusie International Conference On Harmonisation Mean Centering Multivariate Curve Resolution Magnesium Stearaat Metoprolol Tartraat Multivariate Data Analyse Non Contac Optic Near Infra Red Proces Analytische Technologie Principale Component Principale Component Analyse Partial Least Squares Root Mean Square Error of Prediction Standard Error of Calibration Société Française des Sciences et Techniques Pharmaceutique Standaard Normale Variate X-Ray Powder Diffraction

6 1. INLEIDING 1.1. HOT MELT EXTRUSIE Algemeen Hot melt extrusie (HME) is wereldwijd de meest toegepaste productietechniek in zowel de plastic, voedings- als rubberindustrie. Tegenwoordig wordt meer dan de helft van alle plastic producten, zoals plastic zakjes en buizen, via dit proces vervaardigd (Kaufman et al., 1977; McGinity et al., 2007). Bij extrusie worden de grondstoffen onder gecontroleerde omstandigheden door een matrijs gestuwd, wat resulteert in een extrudaat dat homogeen is van vorm en densiteit. HME kan functioneren als een continu proces, wat resulteert in een hoge productiecapaciteit (Breitenbach, 2002). In de farmaceutische industrie neemt de interesse in doseringsvormen geproduceerd met HME steeds toe, aangezien het veel voordelen biedt tegenover de huidige, eerder traditionele productieprocessen ( ). Bij de conventionele manier van productie bestaat het gevaar erin dat de batch niet aanvaard en vervolgens vernietigd wordt, als na off-line analyses de specificaties van het eindproduct niet gehaald worden. Bij continue productie gebeurt de kwaliteitscontrole in-line, met probes die rechtstreeks in de productiestroom geïmplementeerd worden. Met andere woorden wordt real time monitoring van de kritische product- en procesparameters aangewend. Dit is essentieel om de kwaliteit van het product tijdens het productieproces te verzekeren (Bonde, 1997; Leuenberger, 2001; Vervaet & Remon, 2005). De toepasbaarheid van diverse toedieningsvormen en formuleringen geproduceerd met hot melt extrusie, zoals granules, pellets, tabletten, zetpillen, implantaten, stents, transdermale en oculaire systemen, is reeds door verschillende onderzoeksgroepen gedemonstreerd (Follonier, 1995; Aitken-Nichol et al, 1996; Repka et al, 1999; Zhang & McGinity, 1999; Young, 2002; Chokshi & Zia, 2004). Ook is het mogelijk om zowel onmiddellijke, gecontroleerde, gewijzigde, getargete en vertraagde afgifte van het geneesmiddel uit de doseringsvorm te bekomen. Repka et al. (2007) beschrijven dat HME 1

7 geschikt is voor de productie van dunne films die zowel voor geneesmiddelafgifte als in de wondzorg kunnen toegepast worden (Repka et al., 2007; Crowley et al., 2007) Extruder Een schroefextruder (Figuur 1.1.) bestaat uit ten minste volgende delen: - Een transportsysteem voor het transport en mengen van de poeders - Een matrijs voor vorming van het extrudaat Figuur 1.1.: Schematische voorstelling dubbele-schroef extruder (Miyagawa et al., 1996) a) Vultrechter, b) Schroefkamer, c) Matrijsblokje, d) Matrijs, e) Controlepaneel, f) Aandrijfeenheid, g) Schroeven Het poedermengsel wordt via de vultrechter naar de schroefkamer gevoed. In deze temperatuursgecontroleerde kamer roteren de schroeven. De schroefkamer kan ofwel één enkele schroef ofwel twee schroeven bevatten, dan spreekt men respectievelijk over een enkele-schroef extruder of een dubbele-schroef extruder. Deze laatste extrudervorm heeft het voordeel een betere mengefficiëntie en een kortere residentietijd te bezitten. Het voeden van de poedermengsels gaat beduidend vlotter en er is minder neiging tot oververhitting. Enkele- en dubbele-schroef extruders vervangen geleidelijk de batchgewijze productie, aangezien er consistente en herhaalbare continue extrusie mee bereikt wordt. Het schroefdesign van de meeste schroeven kan aangepast worden, wat een significante invloed kan hebben op zowel het product als het proces. De diameter van het extrudaat kan gewijzigd worden door een matrijs met verschillende afmetingen te gebruiken (Chokshi & Zia, 2004; Crowley et al., 2007). 2

8 De schroeven kunnen roteren in dezelfde of tegengestelde richting. Hierin kan een verdere onderverdeling gemaakt worden tussen volledig en niet in elkaar grijpende schroeven. Volledig in elkaar grijpende schroeven zorgen voor een optimaal materiaaltransport. Er wordt vooral gebruik gemaakt van co-roterende, volledig in elkaar grijpende, dubbele-schroef extruders. Deze combinatie heeft een zelfreinigend profiel, aangezien de schroeven zichzelf leegschrapen en al het materiaal van de ene naar de andere schroef getransporteerd wordt. Hierdoor zal de residentietijd van alle partikels in de schroefkamer ongeveer gelijk zijn (Crowley et al., 2007). Het extrusiekanaal wordt opgedeeld in drie zones, beginnend bij de voedingszone. Daarna volgt de transitiezone, die tussen de voedings- en de kneedzone ligt. Vanaf de eerste kneedelementen begint de kneedzone, waar het materiaal reeds denser wordt. Op het uiteinde van de schroef bevinden zich de densificatie-elementen, waardoor in combinatie met de matrijs op het einde van de schroeven de drukopbouw extra toeneemt. Het toestel laat ook de controle toe van de voedings- en schroefsnelheid, temperatuur van de schroefkamer, motorbelasting en druk ter hoogte van de matrijs. Het design van de extruder en de polymeereigenschappen hebben een grote invloed op de efficiëntie van het proces. De energie-input hangt af van het extruderdesign, dat een belangrijke invloed kan hebben op de formulering. Als de polymeren een lage smeltviscositeit en hoge thermische geleidbaarheid hebben, wordt een efficiënt smeltproces bekomen (Chokshi & Zia, 2004; Crowley et al., 2007) Voordelen en nadelen HME heeft als continue productietechniek talrijke voordelen tegenover de traditionele productie. Het is een eenvoudige, continue en efficiënte techniek waarbij een afgewerkt product binnen een kortere tijdsspanne bekomen wordt. De voordelen van continue productie zijn: gemakkelijk te automatiseren, geen opschalingsproblemen, minder productvariabiliteit, verbeterde productkwaliteit en de mogelijkheid om het product sneller op de markt te brengen. Er wordt geen gebruik gemaakt van water of solventen, waardoor er geen droogstap moet ingebouwd worden. Het drogen is een zeer tijdconsumerende stap, die nu geëlimineerd kan worden door solidificatie van het polymeer. Hierdoor wordt de 3

9 potentiële hydrolytische degradatie van het actief bestanddeel tegengegaan. Ook kan de bittere smaak van vele activa met behulp van extrusie gemaskeerd worden (McGinity et al., 2007; Crowley et al., 2007). Met de komst van high throughput screening en de groeiende specificiteit voor welomschreven receptors, vormt het verwerken van slecht wateroplosbare geneesmiddelen in een formulering vaak een uitdaging. Met HME kunnen zowel vaste oplossingen als vaste dispersies gevormd worden. Deze kunnen het dissolutieprofiel en de biologische beschikbaarheid van slecht wateroplosbare geneesmiddelen aanzienlijk verbeteren (Chokshi & Zia, 2004). Bij HME wordt een uniforme verdeling van het actief in het extrudaat bekomen door intense menging en agitatie van het poeder in de schroefkamer, wat resulteert in desaggregatie van de partikels. Een ander voordeel is dat het extrudaat in de gewenste afmetingen kan gesneden worden, waardoor slecht compacteerbare materialen toch als tabletten kunnen gecommercialiseerd worden (McGinity et al., 2007; Repka et al., 2007). De degradatie van het polymeer en/of het geneesmiddel onder invloed van warmte kan beschouwd worden als één van de belangrijkste nadelen van HME. Grondstofdegradatie heeft een significante invloed op de kwaliteit van het eindproduct. Het kan te wijten zijn aan de combinatie van zowel hoge temperaturen als de aangebrachte wrijvingskrachten. Dit impliceert dat thermische stabiliteit van alle componenten een vereiste is voor extrusie. Aangezien de residentietijd van de grondstoffen in de schroefkamer vaak beperkt blijft, geldt dit echter niet voor alle thermolabiele componenten, (Breitenbach, 2002; Crowley et al., 2007). Gedurende HME kan oxidatieve degradatie van het geneesmiddel plaatsvinden. Oxidatie is een kettingreactie veroorzaakt door vrije radicalen, die kan doorgaan in drie onderscheidbare stadia, respectievelijk initiatie, propagatie en terminatie. Er werd aangetoond dat door polymeeroxidatie peroxiden kunnen gevormd worden, die de oxidatie van de activa kunnen induceren (Crowley et al., 2007). Andere nadelen van deze productietechniek zijn te wijten aan de vereiste hoge energie-input. De hoge temperaturen, het opwarmen en afkoelen van de thermokoppels, de wrijvingskrachten en het aandrijven van de motor zijn energieverslindende processen (Saerens et al., 2011). 4

10 Materialen gebruikt in HME De eisen die gesteld worden aan polymeren gebruikt tijdens HME zijn, dat ze gemakkelijk vervormbaar zijn in de schroefkamer en zullen vervloeien of smelten tijdens het extrusieproces om erna uit te harden. Elke component moet gedurende een bepaalde tijd thermostabiel blijven. De polymeren zullen functioneren als binders en kunnen geneesmiddeldepots vormen. De geneesmiddelafgifte uit de formulering kan vertraagd worden door gebruik te maken van specifieke polymeren. Deze kunnen ook de fysische stabiliteit van geneesmiddelen in vaste dispersies ( ) bevorderen. Dit kan het gevolg zijn van een toename in glastransitietemperatuur, specifieke interacties zoals ion-dipool interacties en intermoleculaire waterstofbruggen tussen het polymeer en de functionele groepen van het geneesmiddel (Vasconcelos et al., 2007; Saerens et al., 2011) Vaste oplossingen en vaste dispersies Gedurende het HME proces, worden het geneesmiddel en het polymeer onderworpen aan verhoogde temperaturen, hoge druk en intensieve menging. Gedurende dit proces kunnen kristallijne geneesmiddelen ofwel smelten ofwel gesolubiliseerd worden in de polymeermatrix, aangezien de combinatie van deze factoren voor een sterk verhoogde oplosbaarheid van het geneesmiddel in het polymeer zorgt (Crowley et al., 2007). Een extrudaat dat uit twee bestanddelen bestaat, kan in verschillende vaste fasen voorkomen met elk hun specifieke eigenschappen, bijvoorbeeld de graad van kristalliniteit of amorficiteit, die zowel de stabiliteit als werkzaamheid kunnen beïnvloeden (Gryczke, 2009). In het extrudaat kan een vaste oplossing ontstaan, waarbij het polymeer en het geneesmiddel op moleculair niveau met elkaar gereageerd hebben. Het geneesmiddel lost volledig op in de polymeermatrix, als gevolg van een extreem grote interactie-energie tussen geneesmiddel en polymeer. Kenmerkend voor een vaste oplossing is het verkrijgen van een doorzichtig extrudaat, een hele hoge glastemperatuur en de gestegen biologische beschikbaarheid van slecht wateroplosbare geneesmiddelen (Vasconcelos et al., 2007; Crowley et al., 2007). 5

11 In het geval van een vaste dispersie, kunnen er twee types onderscheiden worden, namelijk een vaste kristallijne en een vaste amorfe dispersie. Als het kristallijn geneesmiddel verdeeld is in een amorf polymeer, dan spreekt men van een kristallijne dispersie. Dit is een thermodynamisch stabiel geheel, maar het geneesmiddel zal niet snel vrijgegeven worden uit de formulering. Bij een amorfe dispersie bevinden zowel het geneesmiddel als het polymeer zich in amorfe toestand, zonder op moleculair niveau gereageerd te hebben. Dit doet zich voor als het geneesmiddel een extreem hoog smeltpunt heeft of beperkt oplosbaar is in het polymeer. Een amorfe dispersie is het minst stabiel en zal bijgevolg snel uitkristalliseren (Gryckze, 2009) PROCES ANALYTISCHE TECHNOLOGIE De farmaceutische industrie houdt al jaren vast aan de conventionele farmaceutische productieprocessen, namelijk batchgewijze productie. Om vervolgens de kwaliteit van een batch te evalueren, worden willekeurig gecollecteerde stalen onderworpen aan tijdconsumerende off-line testen. Daarom is de Food and Drug Administration (FDA) in 2004 gestart met het initiatief proces analytische technologie (PAT). Door PAT toe te passen in productieprocessen, kan overgestapt worden van het traditionele kwaliteit door testen naar kwaliteit door design (FDA Guidance for Industry - PAT, 2004). In het PAT concept wordt een wetenschappelijk gebaseerde risicoanalyse beschreven, die bedoeld is om innovatie, efficiëntie en kwaliteitsgarantie in farmaceutische ontwikkeling en in productieprocessen te faciliteren. De primaire objectieven van PAT zijn het verkrijgen van een goed inzicht in de productieprocessen, optimalisatie van productieefficiëntie en reproduceerbaarheid van productkwaliteit. Het ultieme doel is real time release, waarbij de vrijgave van het product gebaseerd is op data die verzameld zijn gedurende de productie en niet verkregen zijn door off-line testen op het eindproduct (FDA Guidance for Industry - PAT, 2004; Müller et al., 2010a; De Beer et al., 2011). Het PAT initiatief vormt de basis van de GMP regels voor de 21 e eeuw. Het doel is om continu gecontroleerde en efficiënte processen te bedenken en te ontwikkelen, die consistent voor een bepaalde kwaliteit zorgen op het einde van het productieproces. Om de 6

12 PAT doelstellingen uit te voeren in een proces, is het essentieel om een combinatie van PAT tools te implementeren, zoals chemometrische technieken, procesanalysatoren en instrumenten voor eindpuntcontrole. Het continu verzamelen van kritische product- en procesinformatie gedurende productie, zou het onmiddellijk bijsturen van een proces mogelijk maken, zodat de eindproducten steeds voldoen aan strikte specificaties (Hinz, 2006; De Beer et al., 2009). Real time metingen van de cruciale intermediaire stappen en eindpunten gedurende het proces kunnen op volgende manier gebeuren (FDA Guidance for Industry PAT, 2004): - At-line metingen waarbij het staal geïsoleerd en geanalyseerd wordt in nabijheid van de productiestroom - On-line metingen waarbij het staal wordt omgeleid, maar terug naar de productiestroom kan teruggebracht worden - In-line metingen, zowel invasief als niet invasief, waar het staal niet wordt verwijderd uit de productiestroom Procesanalysatoren PAT is van groot belang om informatie over de kritische proces- en formulatieparameters te verzamelen gedurende productie. Tot op heden is de werking van het toestel wel bekend, maar niet de mechanismen die instaan voor de beïnvloeding van het proces. Procesanalysatoren zijn daarom de essentiële PAT hulpmiddelen om het proces real time te monitoren. Zij voorzien de data waaruit relevante proces- en productinformatie en conclusies kunnen gehaald worden. Ook bij HME is het mogelijk om in-line te monitoren, aangezien de extruders tegenwoordig zo ontwikkeld zijn dat het mogelijk is om allerhande probes te implementeren in het toestel. Een nabije infrarood (NIR) of Raman spectroscopische probe kan door middel van een glasvezelkabel rechtstreeks in de productiestroom geïmplementeerd worden (Figuur 1.2.). 7

13 Figuur 1.2.: In-line implementatie van een NIR probe in de extruder. De Raman probe kan op dezelfde wijze in de matrijs bevestigd worden (Saerens et al., 2012). NIR en Raman spectroscopie kunnen veelzijdige en multivariate informatie verstrekken, daarom is er een toenemende interesse om deze technieken als procesanalysatoren te gebruiken in de productieprocessen. Één enkel spectrum bevat zowel kwalitatieve als kwantitatieve fysische en chemische informatie, wat kan leiden tot een verbeterd procesinzicht. In-line spectroscopische opvolging kan helpen het gedrag van een product tijdens extrusie meer te begrijpen. Hiervoor zijn NIR en Raman spectroscopische technieken de analysatoren bij uitstek aangezien ze toegepast kunnen worden zonder staalvoorbereiding. Ook zorgen deze technieken voor niet-destructieve en snelle metingen (De Beer et al., 2011) Welke in-line technieken zijn er reeds gebruikt bij extrusie? Sandler et al. (2005) hebben de PAT richtlijnen toegepast bij het produceren van pellets. In het kader van dit onderzoek is de spectroscopie op de extrusiestap het meest interessant, waarbij er werd gefocust op de hydraatvorming. At-line NIR spectroscopie voorzag waardevolle real time data over het gedrag van het water in het systeem, maar was niet in staat hydraatvorming te detecteren. Raman en X-straal poederdiffractie metingen (XRPD) bevestigden wel de verwachte pseudopolymorfe veranderingen van de actieve bestanddelen. Het gebruik van complementaire analytische technieken is cruciaal wanneer signalen van activa en verschillende excipiënten elkaar overlappen. 8

14 De kwantitatieve en kwalitatieve analyse van een actief in films geproduceerd door middel van HME met Raman spectroscopie werd onderzocht door Tumuluri et al. (2008). Raman spectroscopie werd zowel off-line als on-line toegepast. De probe werd boven de geëxtrudeerde film geplaatst om de data te collecteren. Er werd vastgesteld dat Raman spectroscopie gevoelig is aan veranderingen in kristalliniteit. De techniek kan dus gebruikt worden om extra informatie over de kristallijne toestand van het actief te verstrekken. Een dubbele-schroef extruder kan tevens uitgerust worden met een in-line torsiemeter. Deze kan gebruikt worden om het proces te controleren aangezien er een lineair verband bestaat tussen de torsie en de hoeveelheid water, aanwezig bij vochtige extrusie. Er werd gekeken naar het energieverbruik, dat gemeten werd aan de hand van een torsiemeter die geplaatst wordt tussen de transmissiebox en de motor. De schroeven hebben energie nodig om te roteren, waardoor er een zekere weerstand moet overwonnen worden om de schroeven te laten draaien. Het controleren van de torsie bleek een geschikte parameter te zijn, aangezien kleine wijzigingen in snelheid van vloeistofadditie resulteerden in een gewijzigde torsie (Köster & Thommes, 2010). In 2011 werd het potentieel van Raman spectroscopie als potentiële PAT tool gedurende HME onderzocht. In-line bepaling van de concentratie van een geneesmiddel en de vaste fase karakterisatie werden geëvalueerd met Raman spectroscopie. Een off-line differentiaal scanning calorimetrie (DSC) analyse bevestigde de vaste fase toestanden en de interacties die gezien werden in de Raman spectra. De gecollecteerde Raman spectra gaven ook een indicatie van interacties die gedurende HME optraden, wat kan bijdragen tot een beter inzicht in het proces (Saerens et al., 2011). Saerens et al. (2012) hebben de toepasbaarheid van NIR spectroscopie geëvalueerd voor de in-line bepaling van de concentraties van het actief, voor de vaste fase karakterisatie van geneesmiddel en polymeer en moleculaire interacties die optreden gedurende HME. Raman spectroscopie, DSC en attenuatie van de totale reflectie Fourier Transform-infrarood spectroscopie (ATR FT-IR) werden gebruikt om de observaties bekomen met NIR spectroscopie te bevestigen. DSC en ATR FT-IR werden off-line toegepast en konden elkaar bevestigen. Het verschil in interactieniveau en hoeveelheid bij extrudaten geproduceerd bij 9

15 een verschillende temperatuur kon niet bevestigd worden, zoals in NIR spectroscopie te zien was. Enkel met in-line Raman spectroscopie was het mogelijk om de NIR observaties te bevestigen voor de geteste formuleringen. De Raman spectra vertoonden gelijkaardige piekverschuivingen en piekverbredingen, wat wijst op equivalente veranderingen in de vaste fase toestand en interacties. Als conclusie kunnen we stellen dat het mogelijk is om met NIR spectroscopie variaties in geneesmiddelconcentraties te onderscheiden. Door deze in-line techniek kunnen de veranderingen in de vaste fase toestand van de extrudaten, net zoals de hoeveelheid en de sterkte van de intermoleculaire interacties gedetecteerd worden. NIR spectroscopie werd ook als PAT tool gebruikt bij het vormen van co-kristallen met HME. Kelly et al. (2012) bouwden verder op de bevindingen van Dhumal et al. (2010). De vorming van ibuprofen en nicotinamide co-kristallen werd opgevolgd met NIR spectroscopie. Met behulp van een in-line NIR probe werden de co-kristallen geanalyseerd en vervolgens off-line vergeleken met X-straal poeder diffractie (XRPD) metingen. NIR spectroscopie bleek gevoelig aan co-kristalvorming met het optreden van nieuwe pieken en piekverschuivingen in de spectra. XRPD bevestigde de gestegen omzetting tot co-kristallen bij gestegen temperatuur van de schroefkamer en de mixintensiteit van de schroeven. Bijgevolg kan NIR spectroscopie gebruikt worden om de cokristal zuiverheid op te volgen. Almeida et al. (2012) hebben Raman en NIR spectroscopische technieken gebruikt gedurende HME om het fysicochemische gedrag van ethyleenvinylacetaat/metoprolol tartraat (EVA/MPT) mengsels te beoordelen, om meer inzicht te verkrijgen in het materiaalgedrag op moleculair niveau in functie van de procesinstellingen. In-line Raman en NIR spectroscopische monitoring van het gedrag van de grondstoffen in de schroefkamer werden gebruikt om informatie over de vaste fase toestand van MPT en over interacties tussen de grondstoffen te verkrijgen. De NIR spectrale analyses bevestigden de Raman observaties. 10

16 1.3. VALIDATIE Validatie van in-line technieken volgens de International Conference on Harmonization (ICH) Q2(R1) in de farmaceutische nijverheid is nog niet vaak beschreven in de literatuur. Bij wervelbed droogprocessen is al validatie voor NIR spectroscopie gebeurd (Peinado et al., 2011). Validatie van de Raman spectroscopische methode is reeds beschreven bij actieve omhulling (Müller et al., 2010). Validatie van in-line Raman spectroscopie bij HME is nog niet beschreven. Het ontwikkelde model wordt gevalideerd in overeenkomst met de ICH Q2 richtlijnen en volgens de strategie die geïntroduceerd werd door de Société Française des Sciences et Techniques Pharmaceutique (SFSTP) (Hubert et al., 2003). De typische validatiekenmerken worden bepaald, waarbij er rekening wordt gehouden met de overdracht naar real time monitoring. Door validatie van de analytische procedure wordt aangetoond dat ze geschikt is om te implementeren bij verder gebruik van de methode (ICH guidelines Q2 (R1), 2005). Het type analytische procedure dat hier beoogd wordt, is een kwantitatieve bepaling van het actief bestanddeel: dit is een analytische meetmethode voor de bepaling van een geneesmiddelconcentratie in het extrudaat tijdens extrusie. Bij het uitvoeren van een validatieprocedure moeten volgende punten tijdens de kwantitatieve bepaling in beschouwing genomen worden (ICH guidelines Q2 (R1), 2005): 1. Accuraatheid Het verschil tussen een waarde die wordt aanvaard als de echte waarde en de bekomen waarde, onder andere bij het vergelijken van resultaten bekomen met Raman spectroscopie met die van een gevalideerde referentiemethode zoals UV spectroscopie. Hieruit berekent men zowel de standaardfout op de kalibratie, gebruikmakend van data uit het kalibratiemodel als de standaardfout op de voorspelling, gebruikmakend van stalen die niet in de berekeningen voor de kalibratie werden opgenomen. 2. Specificiteit Het vermogen om het analyt ondubbelzinnig te bepalen in de aanwezigheid van andere componenten waarvan het verwacht wordt dat ze aanwezig zullen zijn. De ICH richtlijn eist 11

17 specificiteit in de procedures voor de kwantitatieve bepaling van het actief bestanddeel, om een exact resultaat te kunnen voorzien. Dit laat dan toe een accurate uitspraak te doen over het analyt in het staal. 3. Precisie De precisie van een analytische procedure drukt het verschil uit tussen een reeks metingen verkregen door meerdere staalnames van hetzelfde homogene staal onder vastgestelde omstandigheden. Precisie kan op drie niveaus beschouwd worden, namelijk herhaalbaarheid, intermediaire precisie en reproduceerbaarheid. De precisie van een analytische procedure wordt meestal uitgedrukt als de variantie, standaarddeviatie of coëfficiënt van variatie van een reeks metingen. - Herhaalbaarheid (intra-assay precisie) drukt de precisie uit binnen dezelfde werkomstandigheden binnen een korte tijdsspanne. Bijvoorbeeld zes keer dezelfde meting uitvoeren, zonder het staal te bewegen. - Intermediaire precisie (inter-assay precisie): drukt de variatie binnen het laboratorium uit: bijvoorbeeld op verschillende dagen, verschillende analisten, verschillende uitrusting,... - Reproduceerbaarheid: drukt de precisie tussen verschillende laboratoria uit. 4. Bereik Om een kwantitatieve methode te ontwikkelen is het noodzakelijk om het concentratiebereik van het analyt te bepalen waartussen de methode kan toegepast worden. Het bereik van een analytische procedure is het interval tussen de hoogste en de laagste concentratie waarvoor het bewezen is dat de methode qua precisie, accuraatheid en lineariteit voldoet. 5. Lineariteit De ICH guidelines stipuleren dat de lineariteit moet geëvalueerd worden over het gehele bereik van de analytische procedure, zodat de resultaten die bekomen worden rechtstreeks verband houden met de concentratie van het analyt in het staal. 12

18 6. Detectie limiet en kwantificatie limiet zijn niet vereist; maar het is in sommige gevallen nuttig om te weten in welk gebied kwantitatieve in-line monitoring mogelijk is. De robuustheid van een gevalideerde methode geeft een indicatie over de betrouwbaarheid wanneer de methode gebruikt wordt binnen het vooropgesteld bereik. Het is de maat waarin de uitkomst van de analytische procedure onveranderd blijft bij het doorvoeren van kleine maar opzettelijke variaties Totale fout profielen De huidige documenten die validatieprocedures beschrijven, focussen vooral op het basisconcept: ze definiëren de criteria voor methodevalidatie, maar zonder experimentele protocollen voor te stellen. De nieuwe validatieprocedure werd geïntroduceerd door de SFSTP commissie (Hubert et al., 2003). Hierin wordt een geharmoniseerde benadering ontwikkeld, waarin de diagnose- en beslissingscriteria worden onderscheiden. Deze beslissingscriteria zijn gebaseerd op het gebruik van totale fout profielen, die berekend worden op basis van de totale fout (bias & standaard deviatie) van de procedure. Het gebruik van totale fout profielen biedt een praktische hulp bij het nemen van beslissingen en vereenvoudigt de benadering van validatie van een analytische procedure. Deze strategie herziet de objectieven van de validatie in overeenkomst met de doelstelling van de analytische procedure: verzekeren dat de gemeten waarde (x i ) en de ongekende reële waarde (µ T ) binnen de acceptatielimieten (λ) liggen. Deze acceptatielimiet kan variëren naargelang de industriële sector. In de farmaceutische nijverheid wordt een limiet van 5% vooropgesteld. Om te garanderen dat een analytische procedure hieraan voldoet, moet de probabiliteit dat een meting buiten de acceptatielimieten valt, minder of gelijk zijn aan het maximum risico (5%). Een goede analytische procedure met een gekend risico kan voorgesteld worden door volgende vergelijking: 13

19 Waarbij β, hier 95%, het deel van metingen is dat binnen de vooraf vastgestelde acceptatielimieten λ moet vallen. Op basis van de proportie van toekomstige verwachte metingen die buiten de acceptatielimieten valt, wordt het risico van de analytische procedure geëvalueerd. Daar de klassieke bepalingen zoals juistheid, precisie, lineariteit, niet volstaan bij de beslissing of het doel van de analytische procedure gegarandeerd wordt, werd het totale fout profiel voor een analytische procedure ontwikkeld (Hubert et al., 2003; De Beer et al., 2007) RAMAN SPECTROSCOPIE Het fenomeen van niet-elastische lichtverstrooiing staat bekend als het Ramaneffect. Dit werd reeds in 1928 gedocumenteerd door Raman en Krishnan. Het is een niet-elastische verstrooiing van de elektromagnetische straling als gevolg van de energie-uitwisseling tussen de stralings- en moleculaire vibraties. Het basisprincipe van Raman spectroscopie is het bestralen van een staal met monochromatisch licht en daarna detecteren van het verstrooide licht met een andere frequentie dan de inkomende straal. Het verschil tussen de invallende en verstrooide straling resulteert in de karakteristieke Ramanshifts (Vankeirsbilck et al., 2002; Rantanen, 2007). De energie uitgestraald door dit monochromatisch licht is groter dan de energie die nodig is om de molecules naar een hoger vibrationeel niveau te brengen. Het meeste van de invallende straling wordt verstrooid op dezelfde frequentie door de molecules in het staal. Dit elastisch teruggekaatst licht wordt de Raleighstraling genoemd (De Beer et al., 2011). 14

20 Figuur 1.3.: Het Ramaneffect (Vankeirsbilck et al., 2002) Slechts 10-8 van de straling wordt niet-elastisch door de moleculen in het staal verstrooid. Dit wijst erop dat er een energie-uitwisseling tussen het inkomende licht en het staal heeft plaatsgevonden. Deze niet-elastische verstrooiing, het Ramaneffect genaamd, kan een lagere energie bezitten dan de invallende straling, dit is de Stokes straling. Heeft het echter een hogere energie dan de invallende straling, wordt er van anti-stokes straling gesproken (Figuur 1.3.). Een Raman spectrum toont het verschil in frequentie tussen de invallende straling en de verstrooide straling, uitgedrukt als golflengtes versus de intensiteit van de verstrooide straling (Figuur 1.4.) (Vankeirsbilck et al., 2002; De Beer et al., 2011). Figuur 1.4.: Voorbeeld Raman spectrum (CCl 4 ) (De Beer et al., 2011) De vereiste om Raman spectroscopie te kunnen toepassen, is dat de molecule Raman-actief is. Dit wil zeggen dat een verandering in polariseerbaarheid van de molecule 15

21 kan plaatsvinden. De polariseerbaarheid van een molecule is het gemak waarmee de elektronenwolk van een molecule kan verstoord worden, nadat deze in een elektromagnetisch veld is gebracht. Raman spectroscopie kan gebruikt worden om zowel vaste vormen, vloeibare en gasvormige stalen te analyseren (De Beer et al., 2011). Het Ramaneffect is inherent zwak, dit wil zeggen dat andere fenomenen sterk kunnen interfereren (De Beer et al., 2011): 1. Absorptie van het laserlicht waarbij het wordt omgezet tot thermische energie. Dit kan voorkomen als de golflengte van het invallende licht overeenkomt met de absorptieband in het spectrum van de molecule. Deze interferentie kan vermeden worden, door het laserlicht op een andere golflengte in te stellen. 2. Absorptie van het verstrooide licht volgens hetzelfde mechanisme als laserlichtabsorptie 3. Fluorescentie zorgt voor ernstige interferentie van het Ramansignaal. De bestraalde molecule gaat tot een geëxciteerde elektronische toestand over, die bij het terugvallen een fluorescente straling zal uitzenden. Door het hoge niveau van fluorescentie zal het Ramansignaal gemaskeerd worden. Om het fluorescentieverschijnsel te omzeilen, kan een laser gebruikt worden met een hogere golflengte, zodat er geen excitatie naar een hoger elektronisch niveau kan plaatsvinden Raman als procesanalysator In-line Raman spectroscopie werd reeds toegepast in een ruim aantal farmaceutische productieprocessen, zoals in projecten rond de mengcapaciteit van bepaalde toestellen voor het bereiken van homogeniteit van mengsels (Vergote et al., 2004). Met Raman spectroscopie werd de hydraatvorming bij zowel high shear als wervelbedgranulatie gemonitord (Wikström et al., 2005; Walker et al., 2009). De faseveranderingen van het actief en de kwantitatieve bepaling van het actief werden respectievelijk bij droogprocessen en pan omhulling gedocumenteerd (Aaltonen et al., 2007; Müller et al., 2010a). Bij vriesdrogen werden de fysische veranderingen, zoals kristallisatie en polymorfe transformaties 16

22 gedurende vriesdrogen gemonitord (Romero-Torres et al., 2007). Bij HME werd in-line het fysicochemisch gedrag van polymeer en geneesmiddel gemonitord met Raman spectroscopie (Saerens et al., 2011). Raman wordt steeds meer gewaardeerd als procesanalysator bij HME, zoals voor concentratiebepalingen, aangezien er vaak tijdrovende extracties nodig zijn om het actief te isoleren. Het risico op een onvolledige extractie is ook reëel (Tumuluri et al., 2008). NIR en Raman spectroscopie zijn complementair en ideaal voor het bestuderen van primaire en secundaire farmaceutische processen, zoals de synthese van activa, mengprocessen en granulatie. Raman spectroscopie geeft weinig tot geen achtergrondsignaal, waardoor het gemakkelijker te interpreteren is, wat een groot voordeel is als procesanalysator. Het is een robuuste techniek en geeft een mooi lineair verband tussen de concentratie en piekintensiteit. Raman spectroscopie kan ook goed in-line geïmplementeerd worden, het heeft geen staalvoorbereiding nodig, is een niet destructieve techniek en er kan gebruik gemaakt worden van glasvezelkabels (Vankeirsbilck et al., 2002). 17

23 2. OBJECTIEVEN Saerens et al. (2011) beschreven reeds dat in-line Raman spectroscopie een bruikbare PAT tool is bij farmaceutische HME. Dit werd onderzocht bij mengsels met 10%, 20%, 30% en 40% metoprolol tartraat (w/w) in Eudragit RS PO. In-line Raman spectroscopie kan gebruikt worden om de concentratie en de vaste toestand van het actief (MPT) na te gaan. Het gebruik van Raman spectroscopie laat toe om interacties te detecteren, wat bijdraagt tot een beter inzicht in het HME-proces. In het huidige onderzoeksproject wordt een kwantificatiemodel voor MPT opgesteld aan de hand van in-line metingen met Raman spectroscopie tijdens extrusie van mengsels bestaande uit 15%, 20%, 25%, 30% en 35% MPT (w/w) in Eudragit RS PO (ERSPO). Er wordt nagegaan of dit model in staat is om te differentiëren tussen de verschillende concentratieniveaus. Vaste fase karakterisatie gebeurt door middel van in-line Raman spectroscopie en wordt getoetst aan de bevindingen uit de off-line DSC analyse. Met DSC willen we nagaan of MPT amorf blijft gedurende extrusie, omdat dit een sterke invloed kan hebben op de concentratiebepaling. Een volgende stap is de validatie van het model voor in-line kwantificatie van MPT met Raman spectroscopie volgens de ICH Q2 (R1) richtlijnen. Deze richtlijnen zijn echter niet opgesteld voor validatie van in-line metingen, stellen geen experimentele aanpak voor en beperken zich tot algemene concepten (Hubert et al., 2003). Daarom wordt ook gevalideerd met behulp van de totale fout profielen, opgesteld door de SFSTP. Hiermee kan het resultaat van toekomstige metingen voorspeld worden, daar waar partial least squares (PLS) analyse enkel een indicatie geeft over het voorspellende vermogen van het model op reeds uitgevoerde metingen. Als laatste stap in deze onderzoeksthesis, wordt een robuustheiddesign opgesteld voor de gedefinieerde factorinstellingen van de HME-techniek. De invloed van kleine wijzigingen in temperatuursprofiel, de voedings- en de schroefsnelheid op het extrudaat wordt nagegaan. Er kan met behulp van dit design een onderscheid gemaakt worden tussen de factoren die strikt opgevolgd moeten worden en welke factoren ongevoelig zijn aan kleine veranderingen in de instellingen. Het doel is opstellen van acceptatielimieten, waarbinnen het systeem robuust is en er geen afwijkende resultaten gevonden mogen worden die te wijten zijn aan de factorinstellingen. 18

24 3. MATERIALEN EN METHODEN 3.1. MATERIALEN Metoprolol tartraat Metoprolol tartraat (MPT) (Esteve Quimica, Barcelona, Spanje) is een actief farmaceutisch bestanddeel met een moleculair gewicht van 684,8 g/mol. De chemische structuurformule is (C 15 H 25 NO 3 ) 2, C 4 H 6 O 6 en wordt afgebeeld in Figuur 3.1. Het is een wit kristallijn poeder dat licht- en luchtvrij bewaard moet worden bij een temperatuur van 25 C. De smelttemperatuur van MPT ligt tussen 120 en 122 C (MPT material safety data sheet, en dit komt overeen met de smelttemperatuur van de gebruikte batch, namelijk 125 C ( ). Figuur 3.1. Metoprolol tartraat (Eur. Pharm 7.6.) MPT oefent een weekmakende invloed uit op het polymeer Eudragit RS PO (ERSPO), zoals staat aangegeven in Figuur 3.2. De glastransitietemperatuur (T g ) van de gebruikte batch ERSPO bedraagt 55 C ( ). Bij toevoeging van MPT aan ERSPO zullen de kleine MPT molecules zich tussen de polymeerketens nestelen, waardoor er meer ruimte tussen de ketens ontstaat met een gedaalde T g als gevolg. Zoals in Figuur 3.2. wordt aangetoond, zal gedurende extrusie de T g (ERSPO) afnemen tot 49 C. Als het percentage MPT wordt opgedreven van 12,5 % MPT naar 35 % MPT, zorgt dit voor een extra weekmakend effect. De T g daalt respectievelijk van 48 C naar 45 C ( ). 19

25 Figuur 3.2.: DSC-thermogram van MPT, ERSPO en het 25% MPT-extrudaat Metoprololtartraat is een cardioselectieve β-blokker die op de adrenerge β1- receptoren werkt. Metoprolol inhibeert het stimulerende effect van de catecholaminen op het hart. De frequentie, het debiet en de contractiliteit van het hart, evenals van de bloeddruk worden hierdoor verlaagd. Metoprolol wordt als zoutvorm op de markt gebracht, naargelang de beoogde formulering. Voor orale en intraveneuze toediening wordt het tartraatzout gebruikt. De tabletten voor vertraagde afgifte bevatten vooral het succinaatzout. In mindere mate wordt het fumaraatzout voor deze toepassing gebruikt (Martindale, 2009). Het wordt ingezet bij onder andere de behandeling van hypertensie, angina pectoris, hartritmestoornissen en als onderhoudsbehandeling na een myocardinfarct ( 18/12/12) Eudragit RS PO Eudragit RS PO (Evonik, Darmstadt, Duitsland) is een ammonio methacrylaat copolymeer type B, bestaande uit poly(ethylacrylate-co-methylmethacrylaat-cotrimethylammonioethyl methacrylaat chloride) in een 1:2:0,1 verhouding (Figuur 3.3.). Het is een wit amorf poeder met een lichte aminegeur. De glastransitietemperatuur van de gebruikte batch bedraagt 55 C. 20

26 Eudragit RS PO is onoplosbaar in water en vertoont een zwelling die onafhankelijk van de ph doorgaat. Door het lage percentage aan kwaternaire ammoniumverbindingen is het polymeer licht permeabel voor water. Hierdoor is Eudragit RS PO aangewezen bij de formulering van vertraagde of aanhoudende afgifte van een geneesmiddel. ( sustained-release-formulations/rs-po/pages/default.aspx 16/12/12) Figuur 3.3. Eudragit RS PO ( Magnesiumstearaat Magnesiumstearaat (C 36 H 70 MgO 4, MW= 591,34 g/mol) (Fagron NV, Waregem, België) is een fijn, wit en hydrofoob poeder. De Ph. Eur. (6.7.) beschrijft dat magnesiumstearaat (MgSt) een mengsel van vaste organische zuren is, dat voornamelijk bestaat uit variërende hoeveelheden van magnesiumstearaat en magnesiumpalmitaat (C 32 H 62 MgO 4 ). Het wordt voornamelijk gebruikt als glijmiddel bij productie van tabletten en capsules. Hierbij variëren de gebruikte concentraties tussen 0,25 % en 5 % (w/w). In het huidige onderzoek wordt MgSt gebruikt om de vloei-eigenschappen van het mengsel te verbeteren zodat een constante voeding van de fysische mengsels naar de extruder mogelijk wordt. De smelttemperatuur van commerciële stalen magnesiumstearaat varieert tussen 117 C en 150 C (Handbook of Pharmaceutical Excipients, 2006). 21

27 3.2. METHODEN Extruder In deze extrusieopstelling wordt er gebruik gemaakt van een coroterende, volledig in elkaar grijpende dubbele-schroef extruder, namelijk de Prism Eurolab 16 (Thermofisher Scientific, Staffordshire, Verenigd Koninkrijk). Het poeder wordt vanuit de voedingseenheid (DD FlexWall 18 feeder, Brabender Technology, Duisburg, Duitsland), via de vultrechter naar de dubbele schroeven getransporteerd, die opgebouwd zijn volgens de standaard schroefconfiguratie. Dit houdt in dat de schroef is opgedeeld in zones bestaande uit transportelementen, afgewisseld met grote of kleine kneedzones en twee densificatieelementen op het einde van de schroef. De schroeven roteren in de schroefkamer die opgedeeld is in verschillende segmenten, waarvan de temperatuur apart ingesteld kan worden. Er wordt, beginnend bij het tweede segment, gebruik gemaakt van volgend temperatuursprofiel: 70 C- 142 C- 142 C- 142 C- 142 C, en de matrijs wordt op 120 C ingesteld. Aan het uiteinde van de schroefkamer zit de matrijs, met een diameter van 3 mm, waardoor het extrudaat wordt gestuwd. Met behulp van de drukprobe wordt de druk in de matrijs gemeten. In de matrijs kunnen ook proces analytische technieken geïmplementeerd worden, zoals een Ramanprobe (Figuur 3.4.). Figuur 3.4.: Hot melt extruder a) Voedingseenheid; b) Vultrechter; c) Schroefkamer; d) Matrijs; e) Drukprobe; f) Controlepaneel; g) Raman-probe 22

28 Bij zowel de kalibratie- als de validatie-experimenten wordt de schroefsnelheid ingesteld op 80 rpm en wordt er gevoed aan 0,3 kg/u. Aangezien het HME-proces een continue techniek is, wordt er per experiment eerst een opstartfase doorlopen. Eens het ingestelde temperatuursprofiel bereikt is, kunnen de schroeven en de voeding gestart worden. Na een stabilisatiefase van 15 minuten, waarin er minstens één residentietijd wordt doorlopen, kan gestart worden met het opnemen van de in-line spectra met behulp van de Raman spectroscoop (Figuur 3.5.). Figuur 3.5.: Continue productie (Bonde, 1997) Bereiden van poedermengsels Ontwikkelen van het kalibratiemodel voor in-line kwantificatie gebeurt door verschillende fysische mengsels met 15%, 20%, 25%, 30% en 35% (w/w) MPT als actief bestanddeel te extruderen met 0,5% MgSt en het polymeer Eudragit RS PO. Voor het ontwikkelen van het validatiemodel worden er 7 verschillende mengsels aangemaakt met 17,5%, 22,5%, 25%, 27,5% en 32,5% (w/w) MPT, 0,5% MgSt en Eudragit RS PO. Dit mengsel wordt gedurende 20 minuten met een turbulamenger (W.A. Bachshofen, Basel, Zwitserland) gemengd Differentiaal Scanning Calorimetrie (DSC) DSC wordt in deze onderzoeksthesis gebruikt om de thermische eigenschappen van de fysische mengsels, de zuivere poeders en de extrudaten te analyseren. Hiervoor wordt 23

29 gebruik gemaakt van de DSC Q-2000 (TA Instruments, België) en de thermogrammen worden geanalyseerd met TA instruments Universal Analysis A (TA Instruments, België). 1 à 5 mg staal wordt in een aluminium pannetje afgevuld en in het toestel geplaatst. De metingen worden uitgevoerd in een stikstofatmosfeer met een constante toevoer van 50 ml/min stikstof, met een opwarm/afkoel snelheid van 10 C/min. De DSC pannetjes worden van -30 C tot 140 C opgewarmd, daarna terug afgekoeld tot -30 C en in de derde cyclus worden ze opnieuw opgewarmd tot 140 C Raman spectroscopie De Raman spectra worden gecollecteerd met de Raman Rxn1 spectrometer (Kaiser Optical Systems, Ann Arbor, MI, USA), die uitgerust is met een luchtgekoelde charge coupled device (CCD) detector. Het extrusieproces wordt in-line gemonitord met behulp van een Raman Dynisco contact probe die met een glasvezelkabel aan de extruder wordt gekoppeld (Figuur 3.4.). Deze probe bevindt zich in het matrijsblokje, zodat de Ramanspectra worden opgenomen alvorens het extrudaat de extruder verlaat. De off-line metingen gebeuren met een non contact optic (NCO-) probe. Het gebruikte licht heeft een golflengte van 785 nm en wordt uitgezonden door een Invictus NIR diode laser (785 nm). Het laservermogen bedraagt 400 mw. Alle spectra worden opgenomen met een resolutie van 4 cm -1 en met een belichtingstijd die varieert in functie van het te meten staal (Tabel 3.1.). De verzameling en overdracht van de data worden geautomatiseerd door het gebruik van de HoloGRAMS TM datacollectie software. Soort staal Belichtingstijd Aantal spectra Interval In-line meting: extrudaat 3 sec 60 spectra Om de 15 sec Off-line meting: extrudaat 10 sec 5 spectra - Off-line meting: poeder 6 sec 5 spectra - Tabel 3.1.: Belichtingstijd en aantal spectra per type staal 24

30 Data analyse Multivariate analyse (MVA) Data analyse wordt uitgevoerd met SIMCA (versie , Umetrics, Umeå, Zweden). Het geanalyseerde spectrale gebied ligt tussen 0 en 1800 cm -1, aangezien uit dit gebied alle nuttige geneesmiddel- en polymeerinformatie te halen is. Mean Centering (MC), Savitzky- Golay (15) en Standaard Normale Variate (SNV) correcties worden op alle gecollecteerde spectra toegepast, alvorens Principale Component Analyse (PCA) en Partial Least Square (PLS)-analyses uit te voeren. Deze correcties zijn noodzakelijk om de ruis, basislijnvariaties en storende interferenties tot een minimum te beperken, zodat de resultaten ondubbelzinnig geïnterpreteerd kunnen worden. Met behulp van PCA wordt de systematische variatie in de datamatrix X beschreven. Het aantal variabelen wordt gereduceerd door gebruik te maken van lineaire combinaties van de originele variabelen, principale componenten genaamd (Eriksson et al., 2006). Voor het kalibratiemodel wordt er gewerkt met een X-matrix bestaande uit 6000 variabelen (K = alle datapunten tussen 0 en 1800 cm -1 ) en 300 observaties (N = 5 concentraties x 60 spectra per concentratie). De X-matrix voor de validatiedata bevat ook 6000 variabelen (K) en 900 observaties (N = 5 concentraties x 3 herhalingen x 60 spectra per concentratie), zoals staat afgebeeld in Figuur 3.6. Figuur 3.6.: Schematische weergave PCA data Partial Least Squares analyse correleert 2 datamatrices X en Y met elkaar door een lineair multivariaat model. Het maximaliseert de covariantie zodat de componenten in X en Y optimaal zullen correleren. Een PLS model wordt opgebouwd, waarbij de MPT concentraties (% w/w) (Y) tegenover de corresponderende in-line gecollecteerde Raman spectra (X) 25

31 worden uitgezet (Figuur 3.7.). De kalibratiespectra worden gebruikt als trainingset om het PLS model op te stellen, waarmee de validatiespectra (testset) worden voorspeld. Hieruit wordt dan de Root Mean Square Error of Prediction (RMSEP) berekend. Dit is een maat voor de voorspellende kracht van het model opgesteld met PLS voor de gekende waarden. Figuur 3.7.: Schematische weergave PLS data Robuustheid Het objectief van robuustheid is het ontwikkelen van een proces, waarvan de prestatie blijft voldoen, zelfs wanneer talrijke invloedrijke factoren variëren. Het doel is het minimaliseren van de gevoeligheid van het systeem op veranderingen in verschillende kritische factoren. Indien een systeem robuust is, dan kan het proces gemakkelijker onder controle gehouden worden en beter ingeschat worden. Robuustheidtesten worden gewoonlijk als laatste uitgevoerd, alvorens de implementatie van een bijna afgewerkt analytisch systeem. Bepaalde responsen kunnen ongevoelig zijn aan kleine veranderingen in hun factorsettings en kunnen robuust genoemd worden. Andere responsen zijn gevoeliger aan veranderingen in de factorniveaus en moeten bijgevolg strenger gecontroleerd worden. Deze robuustheidtest wordt uitgevoerd om een waarde aan de factorsettings te geven, waartussen de robuustheid van het systeem verzekerd kan worden. De factorniveaus bij robuustheidtesten worden ingesteld op potentiële variaties die kunnen plaatsvinden bij productie. Hierbij kunnen we in een eerste robuustheiddesign (Tabel 3.2.) stellen dat de temperatuur van de schroefkamer kan variëren tussen 145 C en 135 C. De schroefsnelheid kan variëren tussen 70 en 90 rpm. Op de voedingsnelheid is tot 50 gram/u deviatie mogelijk, waardoor de voedingssnelheid kan variëren van 0,25 tot 0,35 kg/u. In het tweede robuustheiddesign wordt de temperatuur ingesteld tussen 140 C en 26