Jakie metody badawcze są zalecane do walidacji jakości mieszania w kontroli jakości?
Wiarygodna walidacja jakości mieszania zawsze łączy trzy elementy: reprezentatywne i udokumentowane pobieranie próbek, odpowiednią dla produktu analitykę ilościową oraz ocenę statystyczną. Centralnym wskaźnikiem jest zwykle współczynnik zmienności, CoV, lub względne odchylenie standardowe, RSD. Uzupełniająco sensowne są metody takie jak analityka znacznikowa, HPLC, GC, ICP-OES, NIR, Raman, analiza obrazu, analiza wielkości cząstek lub pomiary reologiczne – w zależności od produktu, składnika krytycznego i rodzaju procesu.
Pobieranie próbek jako podstawa
Nawet najlepsza analitycznie metoda nie może dostarczyć wiarygodnego wyniku, jeśli pobieranie próbek nie jest reprezentatywne. Dla mieszalników okresowych próbki powinny być zatem pobierane z różnych obszarów przestrzennych oraz dodatkowo na przestrzeni całego przebiegu wyładunku. Krytycznymi obszarami są na przykład strefy przyścienne i denne, centrum komory mieszania, strefa wylotu oraz przy określonych formach konstrukcyjnych możliwe naroża lub strefy o słabym przepływie. W mieszalnikach ciągłych próbki są pobierane w sposób rozłożony w czasie na przestrzeni wystarczająco długiego okresu produkcji, aby uwidocznić wahania dozowania i czasu przebywania.
Za praktyczną wartość minimalną uznaje się często dziesięć pojedynczych próbek na wsad lub punkt pomiarowy. W zastosowaniach regulowanych lub szczególnie krytycznych może być wymagana znacznie większa liczba próbek. FDA zaleca dla oceny mieszania warstwowe pobieranie próbek z różnych pozycji mieszalnika i oczekuje, że wszystkie powtórzenia zostaną ocenione, aby zarówno różnice między pozycjami, jak i rozrzut w obrębie jednej pozycji mogły być ocenione statystycznie. Dla mieszalników konwekcyjnych w zaleceniach farmaceutycznych omawia się do 20 rozłożonych przestrzennie punktów pobierania, ponieważ szczególnie naroża i obszar wyładunku muszą być uwzględnione.
Ilość próbki i przyrząd do pobierania muszą być dopasowane do wielkości cząstek, stężenia składnika krytycznego oraz późniejszej jednostki dozowania lub opakowania. Zbyt mała próbka może wytworzyć wysoki rozrzut losowy z powodu zbyt małej liczby zawartych cząstek. Zbyt duża próbka może natomiast maskować lokalne różnice stężenia. Również samo pobieranie próbek może rozdzielić mieszaninę; sonda, prędkość pobierania, pojemnik na próbkę, transport i przygotowanie muszą być zatem kwalifikowane. Wariancja metody powinna być ustalana oddzielnie od rzeczywistej wariancji procesu.
Ocena statystyczna
Najczęściej stosowanym wskaźnikiem jest CoV lub RSD:
CoV=RSD=sxˉ×100%
Gdzie s oznacza odchylenie standardowe zmierzonych stężeń, a x̄ ich wartość średnią. Niska wartość wskazuje na mały względny rozrzut badanego składnika docelowego. W wielu technicznych zastosowaniach mieszania wartości poniżej około 5 procent służą jako wskazówka bardzo dobrej jednorodności, podczas gdy wartości do około 10 procent mogą być często jeszcze akceptowalne. Dla mieszanek spożywczych i paszowych pracuje się często z dziesięcioma próbkami i CoV poniżej 10 procent dla odpowiedniego znacznika. Wartości te nie są jednak uniwersalnym wymogiem: przy witaminach, alergenach, wysoko skoncentrowanych substancjach czynnych, barwnikach lub innych krytycznych mikroskładnikach mogą być wymagane surowsze, specyficzne dla produktu kryteria.
Obok CoV powinny być uwzględniane zgodność wartości średniej z wartością zadaną, wartości pojedyncze, minimum i maksimum, rozstęp, przedziały ufności oraz rozkład przestrzenny i czasowy. Niski CoV może wystąpić na przykład mimo systematycznego niedodozowania, gdy wszystkie próbki są wprawdzie równomierne, ale zbyt nisko stężone. Podobnie pojedyncze krytyczne wartości odstające mogą być zamaskowane przez dobrą wartość ogólną. Wskaźniki mieszania, takie jak indeks Lacey'a, mogą teoretycznie opisywać stan mieszania między rozdzielonym stanem wyjściowym a mieszaniną losową, ale w przemysłowej kontroli jakości są zwykle uzupełnieniem, a nie zamiennikiem specyficznych dla produktu specyfikacji i oceny CoV.
Metody analityczne
Metody znacznikowe są dla wielu mieszanin stałych dobrym punktem wyjścia. Stosuje się przy tym analitycznie dobrze wykrywalny składnik znacznikowy, na przykład sól lub chlorek, składnik mineralny, barwnik, cząstki magnetyczne lub inny zgodny z recepturą tracer. Stężenie jest następnie oznaczane w poszczególnych próbkach. Znacznik musi możliwie dobrze reprezentować zachowanie mieszania najbardziej krytycznego składnika. Gruboziarnisty, dobrze płynący znacznik solny jest na przykład tylko ograniczenie odpowiedni, gdy krytycznym rzeczywistym składnikiem jest drobny, kohezyjny proszek.
Do bezpośredniego oznaczania składników docelowych nadają się metody chemiczno-analityczne. HPLC lub GC są stosowane, gdy organiczne substancje czynne, aromatyczne lub dodatki muszą być oznaczane selektywnie i ilościowo. ICP-OES, ICP-MS lub AAS są odpowiednie dla pierwiastków i dodatków mineralnych. Miareczkowanie może być stosowane przy składnikach reaktywnych lub jonowych. Dla wilgotności powszechnie stosuje się miareczkowanie Karla Fischera, oznaczanie wilgotności metodą halogenową lub grawimetryczne metody suszenia. Metody te są zwykle wysoce selektywne i precyzyjne, jednak często wykonywane off-line i stawiają wysokie wymagania wobec pobierania próbek, przygotowania próbek i organizacji laboratorium.
Spektroskopia NIR jest dla wielu proszków, granulatów, mieszanin wilgotnych i past odpowiednią metodą szybkiego monitorowania at-line, on-line lub in-line. Przy odpowiedniej kalibracji może rejestrować stężenia krytycznych składników, wilgotność oraz przebieg czasowy homogenizacji. NIR uchodzi za skuteczne narzędzie do oceny jednorodności mieszania w czasie rzeczywistym i może rozpoznawać także niejednorodne wsady. Spektroskopia Ramana jest również odpowiednia, gdy składniki posiadają wystarczające sygnatury Ramana. Obie metody wymagają modelu chemometrycznego zwalidowanego względem analityki referencyjnej, na przykład opartego na regresji cząstkowych najmniejszych kwadratów lub analizie głównych składowych. Nadają się szczególnie do ustalania punktu końcowego mieszania i wykrywania odchyleń wsadów, ale nie zastępują bez dalszych działań kwalifikowanego pobierania próbek referencyjnych.
Metody analizy obrazu nadają się do mieszanin ze składnikami odróżnialnymi optycznie. Systemy kamer mogą rejestrować rozkład barw, widoczne aglomeraty, liczbę cząstek, pokrycie powierzchni lub rozwarstwienie. Są pomocne przy mieszankach przyprawowych, płatkach zbożowych, granulatach, proszkach z barwnikami oraz pastach i powłokach. Ich wartość informacyjna ogranicza się do widocznej powierzchni lub zdefiniowanej optycznej strefy pomiarowej; dla pełnej oceny objętościowej pobieranie próbek i analiza obrazu muszą być odpowiednio zaplanowane.
Analizy wielkości cząstek metodą przesiewania, dyfrakcji laserowej lub dynamicznej analizy obrazu są szczególnie ważne, gdy podejrzewane jest rozdzielanie się według wielkości, kształtu lub udziału łamanych cząstek. Nie pokazują one bezpośrednio jednorodności chemicznej, ale mogą wykazać, czy struktura cząstek zmieniła się podczas mieszania lub czy różne frakcje pojawiają się w wyładunku w różnym czasie. W układach ciekłych, pastowatych i wielofazowych analizę stężenia uzupełniają pomiary lepkości, granicy płynięcia, przewodności, gęstości, mętności lub pH. Są użyteczne jako pośrednie wskaźniki jednorodności, ale same w sobie niekoniecznie dowodzą rozkładu określonego składnika krytycznego.
Strategia walidacji
Solidna walidacja zaczyna się od badania kinetyki mieszania. Bada się przy tym tę samą recepturę przy kilku czasach mieszania, na przykład po krótkim, średnim i długim czasie mieszania. Dla każdego czasu pobierane są rozłożone przestrzennie i czasowo próbki, analizowane i oceniane statystycznie. Na tej podstawie można ustalić, kiedy po raz pierwszy osiągana jest docelowa jednorodność oraz czy przy dłuższym mieszaniu następuje rozdzielanie się mieszaniny, uszkodzenie cząstek lub niepożądane nagrzewanie. Wynikiem powinno być okno procesowe, a nie tylko pojedyncza wartość zadana dla czasu mieszania.
W następnym kroku sprawdzana jest odporność wobec realistycznych wahań: wielkości wsadu, stopnia napełnienia, partii surowca, wilgotności, rozkładu wielkości cząstek, kolejności dozowania, prędkości obrotowej, dodawania cieczy i warunków wyładunku. Podejście oparte na planowaniu eksperymentu (Design of Experiments) może pomóc zidentyfikować krytyczne parametry procesowe i ich wzajemne oddziaływania. Szczególnie ważne jest sprawdzenie wyładunku. Mieszanina może być jednorodna w mieszalniku, ale ponownie rozdzielić się podczas opróżniania, na odcinkach spadku, w systemach transportowych lub w opakowaniach. Dlatego powinny być badane co najmniej próbki z początku, środka i końca wyładunku.
Sprawdzanie, monitorowanie i dokumentowanie jakości mieszania
Mieszalniki amixon® uchodzą, dzięki licznym udokumentowanym testom jakości mieszania z bardzo dobrymi wynikami, za zasadniczo zwalidowane pod względem wydajności mieszania. Sprawdzone zasady mieszania, w szczególności trójwymiarowe wymuszone przemieszczanie SinConvex®, są zaprojektowane tak, aby wytwarzać technicznie idealną mieszaninę losową. Dla wielu standardowych zadań można zatem zrezygnować z obszernych prób wstępnych dotyczących zasadniczej mieszalności. Dodatkowe próby mieszania są mimo to sensowne i w określonych przypadkach wymagane: na przykład przy nowych lub szczególnie krytycznych recepturach, przy bardzo niskich udziałach dozowania, przy dużych różnicach wielkości cząstek lub gęstości nasypowej, przy kohezyjnych lub wrażliwych na wilgoć proszkach oraz wtedy, gdy minimalny możliwy czas mieszania ma zostać ustalony z wysoką pewnością. Celem nie jest ponowne udowodnienie zasadniczej zdolności aparatu do mieszania, lecz ustalenie najkrótszego, solidnego okna procesowego dla konkretnej receptury.
Wiarygodna ocena jakości mieszania zaczyna się od reprezentatywnego pobierania próbek. Wskaźniki takie jak współczynnik zmienności, CoV, i względne odchylenie standardowe, RSD, są miarodajne tylko wtedy, gdy próbki odzwierciedlają cały wsad. CoV i RSD są obliczane identycznie: CoV=RSD=(s/xˉ)×100%, gdzie s to odchylenie standardowe, a xˉ wartość średnia zmierzonego składnika docelowego. Niskie wartości wskazują na mały rozrzut, a tym samym na równomierne rozłożenie badanego składnika. Dopuszczalne wartości są definiowane specyficznie dla produktu. Jako orientację techniczną wartości CoV lub RSD do około 5 procent oznaczają często bardzo dobrą jednorodność; wartości do około 10 procent mogą w wielu zastosowaniach być jeszcze akceptowalne. Decydujące pozostają jednak receptura, metoda analityczna, udział dozowania, liczba cząstek na próbkę oraz odnośna specyfikacja jakościowa lub klienta.
W centrum prób amixon® plan pobierania próbek jest opracowywany wspólnie z użytkownikiem. Pobieranie próbek odbywa się w sposób warstwowy, a więc z różnych pozycji w komorze mieszania oraz na przestrzeni czasowego przebiegu wyładunku. To właśnie wyładunek jest decydujący: mieszanina może być jednorodna w mieszalniku i następnie ponownie się rozdzielić na odcinkach spadku, w przewodach transportowych, wskutek wibracji lub podczas napełniania. Dlatego próbki powinny być badane nie tylko w mieszalniku, lecz również na początku, w środku i na końcu wyładunku. Typowo stosuje się co najmniej dziesięć pojedynczych próbek na wsad lub punkt pomiarowy. Dla zastosowań złożonych lub regulowanych może być wymagana większa liczba próbek. Warstwowe pobieranie próbek z kilku obszarów i faz procesu jest uznaną zasadą badania jednorodności.
W mieszalnikach okresowych elementy wylotowe o niskiej liczbie stref martwych oraz dobra dostępność dzięki dużym drzwiom inspekcyjnym CleverCut® wspierają pobieranie w ustalonych miejscach i momentach. Obok przestrzennego rozkładu próbek muszą być wzajemnie dopasowane ilość próbki, przyrząd do pobierania, wielkość cząstek, udział dozowania i analityka. Zbyt mała próbka może wytworzyć wysoki rozrzut losowy; zbyt duża próbka może maskować lokalne niejednorodności. Również wariancja pobierania próbek i analityki laboratoryjnej musi być oceniana oddzielnie od rzeczywistej wariancji procesu, aby niepewność analityczna nie została błędnie zinterpretowana jako błąd mieszania.
Na początku długich tras procesowych szczególnie pomocny może być silosowy mieszalnik amixon® Gyraton® GM. Duże wsady są wcześnie i w sposób powtarzalny homogenizowane, zanim przejdą kolejne etapy transportu, magazynowania, dozowania, kondycjonowania lub napełniania. Tworzy to zdefiniowaną, stabilną podstawę wyjściową dla kolejnych procesów. W rezultacie nakład na towarzyszące analizy pojedyncze i stałe dokładne dostrajanie w dalszym łańcuchu procesowym może się istotnie zmniejszyć, ponieważ wahania nie muszą być rozpoznawane i kompensowane dopiero na późniejszych etapach produkcji. Gyraton® GM nadaje się dla dużych wsadów o wielkości około 10 do 100 m³ i może pracować przy niskim obciążeniu mechanicznym. Rzeczywista przydatność, czas mieszania i jednorodność są ustalane w próbie dla produktu, wielkości wsadu i dalszej trasy procesowej.
Wybór analityki zależy od najbardziej krytycznego składnika receptury. Metody znacznikowe są dla wielu mieszanin proszkowych pragmatycznym rozwiązaniem. Jako znaczniki mogą służyć na przykład sól, składnik mineralny, barwnik lub inny selektywnie wykrywalny, zgodny z recepturą składnik. Dla organicznych substancji czynnych, aromatycznych lub dodatków mogą być stosowane HPLC lub GC. ICP-OES, ICP-MS lub AAS nadają się do składników mineralnych i metalicznych. Rozkłady wilgotności można oceniać, w zależności od zastosowania, miareczkowaniem Karla Fischera, oznaczaniem wilgotności metodą halogenową lub grawimetrycznymi metodami suszenia. Przy mieszaninach odróżnialnych optycznie analiza obrazu może dostarczyć dodatkowych informacji o obrazie barwnym, rozwarstwieniu, rozkładzie cząstek lub aglomeratach.
Do bezpośredniego monitorowania procesu mogą być stosowane spektroskopia NIR lub Ramana. NIR nadaje się do wielu proszków, granulatów, mieszanin wilgotnych i past, jeśli krytyczne składniki lub wilgoć są wykrywalne spektralnie. Raman może być korzystny, gdy poszczególne składniki posiadają charakterystyczne sygnały Ramana. Obie metody mogą śledzić postęp mieszania w czasie rzeczywistym i pomagać w rozpoznaniu punktu końcowego mieszania. Warunkiem jest model chemometryczny skalibrowany i zwalidowany względem reprezentatywnej analityki referencyjnej. NIR jest stosowany jako skuteczna metoda oceny jednorodności mieszania w czasie rzeczywistym.
Dla prowadzenia procesu szczególnie ważne jest dotrzymywanie zwalidowanych parametrów. Czas mieszania, prędkość obrotowa lub prędkość obwodowa, stopień napełnienia, kolejność surowców, ilości dozowania, czasy dozowania, dodawanie cieczy oraz w razie potrzeby profile temperatury są zapisywane w sterowniku PLC. Najskuteczniejszym bieżącym monitorowaniem jednokrotnie ustalonej receptury jest kontrola tych krytycznych parametrów procesowych. Odchylenia od czasu zadanego, prędkości zadanej lub innych wartości granicznych mogą być natychmiast rozpoznawane, sygnalizowane alarmem i dokumentowane. Monitorowanie przez sterownik PLC nie zastępuje jednak dowodu analitycznego przy nowych, zmienionych lub szczególnie krytycznych recepturach.
Programy mieszania mogą być zintegrowane z systemem ERP lub Manufacturing Execution System użytkownika. Dzięki rejestracji kodami kreskowymi lub RFID recepturę, partię surowca, tożsamość kontenera, parametry mieszania, interwencje operatora, status czyszczenia i zwolnienie wsadu można powiązać w sposób możliwy do prześledzenia. Wspiera to identyfikowalność, zarządzanie odchyleniami i walidację. W projektach zorientowanych na GMP amixon® może wspierać DQ, IQ i OQ; dokumentacja i automatyzacja mogą być projektowo dostosowane do EU-GMP i FDA 21 CFR Part 11.
Sygnały ostrzegawcze muszą być zawsze badane. Należą do nich wahające się wyniki analiz, zauważalne różnice między próbkami z wyładunku, widoczne rozdzielanie się mieszaniny, nierównomierna wilgotność, odchylenia wsadów, nieoczekiwane wartości momentu obrotowego lub poboru mocy, zmieniona gęstość nasypowa lub niestabilności w dalszych procesach dozowania i napełniania. Przyczynami mogą być nieodpowiedni czas mieszania, wahające się surowce, błąd dozowania, rozdzielanie się mieszaniny po mieszalniku, niewłaściwy stopień napełnienia lub niereprezentatywne pobieranie próbek. Próby z oryginalnym produktem pomagają celowo rozróżnić te przyczyny i dostosować okno procesowe.
Łagodna dla produktu konstrukcja mieszalników amixon® wspiera powtarzalność. Prędkość obwodowa narzędzia jest, w zależności od typu konstrukcji i zadania mieszania, regulowana w zakresie od około 0,8 do 3,5 m/s. Wymuszone przemieszczanie SinConvex® prowadzi produkt w obszarze brzegowym ku górze, a w centrum w dół, prowadzony grawitacyjnie. Działanie mieszające jest zatem wytwarzane przez kontrolowaną cyrkulację, a nie przez wyraźne strefy rzutu, uderzenia czy zgniatania. Dzięki temu wrażliwe cząstki, powłoki i aglomeraty mogą być zachowane przy ograniczonym wprowadzaniu ciepła. Jeśli wymagana jest celowa deaglomeracja, rotory tnące mogą być dołączane lokalnie i tylko podczas ustalonej fazy procesu.
Bezszczelinowo spawane i szlifowane komory mieszania, mieszadła łożyskowane wyłącznie od góry bez dolnego przepustu wału w obszarze produktu, duże drzwi inspekcyjne CleverCut® z uszczelnieniami OmgaSeal®, armatury wylotowe o niskiej liczbie stref martwych oraz zintegrowane lance myjące wspierają czyszczenie, dostępność i zmianę produktu. Dzięki temu czyszczenie na sucho i na mokro może być zaprojektowane i zwalidowane specyficznie dla produktu. W zależności od projektu możliwe jest wykonanie zgodne z EHEDG oraz z uwzględnieniem wytycznych higienicznych FDA i norm 3-A Sanitary Standards.