In-Line NIRS-Based Powder Homogeneity Monitoring in a Plug Flow Pneumatic Blender

Abstract

Die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) ist ein zerstörungsfreies Analyseverfahren, mit dem sich die chemische Zusammensetzung von Materialien ohne Probenvorbereitung schnell bestimmen lässt. In der pharmazeutischen Produktion ist die Homogenität von Pulvern ein entscheidendes Qualitätsmerkmal, das die Dosiergenauigkeit bei der Tablettenherstellung bestimmt. Angesichts des branchenweiten Trends hin zur Prozessanalytischen Technologie (PAT) sind Inline-Sensoren zur Echtzeitüberwachung unerlässlich, um eine gleichbleibende Produktqualität in modernen Produktionsumgebungen zu gewährleisten. In dieser Arbeit wird die Integration einer NIRS-basierten Homogenitätsüberwachung in einen bestehenden pneumatischen Pfropfenstrom-Pulvermischer untersucht, wobei Maisstärke als Trägerstoff und Ascorbinsäure sowie Salicylsäure in geringer Dosierung (bis zu 10 % w/w) als spektroskopische Marker verwendet wurden. Die Spektren wurden anhand von drei sich ergänzenden Ansätzen ausgewertet: Hauptkomponentenanalyse (principal component analysis, PCA), Regression der partiellen kleinsten Quadrate (partial least squares regression, PLSR) und rollierende Standardabweichung (moving block standard deviation, MBSD). Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Inline-Einsatz von NIRS im bestehenden Mischersystem grundsätzlich geeignet ist, zeigen jedoch auch einige technische Herausforderungen auf. Zuverlässige Nachweisgrenzen wurden bei 10 % für Ascorbinsäure und 5 % für Salicylsäure ermittelt, während bei niedrigeren Konzentrationen die Zuverlässigkeit durch Messrauschen nachlässt. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse werden mehrere Empfehlungen zur Verbesserung der Nachweisgenauigkeit in zukünftigen Versuchsaufbauten vorgeschlagen. Insgesamt bestätigt diese Arbeit die allgemeine Machbarkeit der Implementierung einer NIRS-basierten Überwachung in der bestehenden Mischanlage, wobei jedoch anerkannt wird, dass noch ungelöste technische Herausforderungen bestehen und weitere Experimente erforderlich sind, bevor das System in einem PAT-Kontext eingesetzt werden kann.

Near-infrared spectroscopy (NIRS) is a non-destructive analytical technique capable of rapidly assessing the chemical composition of materials without sample preparation. In pharmaceutical manufacturing, powder homogeneity is a critical quality attribute governing dosing accuracy in tablet production. Driven by the industry's shift toward Process Analytical Technology (PAT), in-line real-time monitoring solutions are essential for ensuring consistent product quality in modern manufacturing environments. This thesis investigates the integration of NIRS-based homogeneity monitoring into an existing pneumatic plug-flow powder blender, using corn starch as the excipient matrix and low dosage (up to 10% w/w) ascorbic acid and salicylic acid as spectroscopic marker compounds. Spectra were evaluated using three complementary approaches - Principal Component Analysis (PCA), Partial Least Squares Regression (PLSR), and Moving Block Standard Deviation (MBSD). The results suggest that in-line NIRS deployment on the existing blender system is generally viable, while also exposing several engineering challenges. Reliable detection limits were established at 10% for ascorbic acid and 5% for salicylic acid, whereas at lower concentrations reliability was hindered by noise. Based on these findings, several recommendations are proposed to improve detection accuracy in future experimental setups. Overall, this work supports the general feasibility of implementing NIRS-based monitoring within the existing blender, while acknowledging that unresolved technical issues remain and further experiments are required before the system can be fully deployed in a PAT-context.