Partikkelikokojakauman ennustaminen ja häiriötilanteiden ennakointi leijupetirakeistusprosessin aikana

Väitös farmasian teknologian alalta

Väittelijä FM Sami Poutiainen

Väitösaika ja -paikka: 15.6.2013 klo 12.00, Itä-Suomen yliopisto, Kuopion kampus, Mediteknian auditorio

Filosofian maisteri Sami Poutiainen tutki väitöskirjassaan akustiseen emissioon perustuvan mittausjärjestelmän kehittämistä lääketeollisuudessa käytetyn leijupetirakeistusprosessin seurantaa varten. Tekniikka soveltui hyvin partikkelikokojakauman ennustamiseen ja häiriöiden ennakointiin.

Leijupetirakeistus on usein kiinteiden lääkevalmisteiden tuotannossa tabletointia edeltävä vaihe, jossa jauhemaisen lähtöaineen partikkelikokoa kasvatetaan valuvuuden ja puristusominaisuuksien parantamiseksi. Rakeistusprosessin hallinta on kuitenkin vaikeaa lähtöaine- ja prosessiparametrien yhteisvaikutusten vuoksi, joten lopputuotteen laatu saattaa vaihdella. Laadun varmistaminen lopputuotteesta on työlästä, ja saattaa kestää useita kuukausia ennen kuin lääkevalmiste on todettu asiakkaalle turvalliseksi ja se voidaan vapauttaa myyntiin. Mittausteknologioiden hyödyntäminen prosessinaikaisessa laaduntarkkailussa tekee mahdolliseksi tuotteen laadun ja turvallisuuden varmistamisen perinteistä laboratorioanalyysiä tehokkaammin.

Optiikkaan perustuvat mittausteknologiat eivät yleensä sovellu leijupetirakeistuksen laaduntarkkailuun. Optisten antureiden mittapäät peittyvät nopeasti ohuella staattisella jauhekerroksella eikä mittaustulos ole välttämättä luotettava. Sitä vastoin akustiseen emissioon (AE) perustuvan mittausjärjestelmän ei tarvitse olla kosketuksissa materiaalin kanssa. Prosessin aiheuttamat ultraäänen taajuusalueen signaalit voidaan kerätä sopivan anturin avulla esimerkiksi leijupedin ulkoseinästä. Leijupetirakeistuksessa AE-signaalit muodostuvat partikkeleiden törmäyksistä laitteiston seinämiin. Signaalin intensiteettiin vaikuttaa muun muassa partikkelin koko, kosteuspitoisuus, huokoisuus ja elastisuus, mutta myös leijutus- ja sumutusilmavirtojen aiheuttama turbulenssi. Menetelmän herkkyyden vuoksi signaalien analysointi on haastavaa ja tilastollisten monimuuttujamenetelmien hyödyntäminen on usein välttämätöntä.

Tutkimuksessa tarkasteltiin AE-tekniikan soveltamista leijupetirakeistuksen kahden tärkeimmän laatuparametrin, partikkelikokojakauman ja kosteuspitoisuuden, prosessinaikaiseen mittaamiseen. Latenttien muuttujien projisointiregression avulla pyrittiin AE-signaaleista rakentamaan laatuparametrien muutoksia ennustava malli. Leijupetirakeistuksen todettiin etenevän kolmen välivaiheen kautta. Eri välivaiheissa rakeiden kasvua ohjasivat erilaiset mekanismit. Myös rakeiden fysikaalisissa ominaisuuksissa, kuten huokoisuudessa, puristuskestävyydessä ja lääkeaineen jakautumisessa, havaittiin merkittäviä eroja välivaiheiden kesken. Lohkomalla AE-mittausdata ja rakentamalla malli kullekin prosessin välivaiheelle erikseen partikkelikokojakauma kyettiin ennustamaan tarkasti ja täsmällisesti. Tekniikkaa voitiin hyödyntää myös häiriötilojen ennakoimisessa. Prosessin siirtyminen kontrollialueen ulkopuolelle kyettiin havaitsemaan mallien avulla myös tilanteissa, joissa perinteiset seurantamenetelmät pettivät.

FM Sami Poutiaisen farmasian teknologian alaan kuuluva väitöskirja From Sensors to Reasons: Fluidized Bed Spray Granulation Process Monitoring by Acoustic Emission (Leijupetimärkärakeistuksen prosessinaikainen mittaus akustisen emission avulla) tarkastetaan Terveystieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä on professori Jouko Yliruusi Helsingin yliopistosta ja kustoksena professori Jarkko Ketolainen Itä-Suomen yliopistosta.

© Itä-Suomen yliopisto Palaute