Publication:
Calibration model development for the process analytical technology analysis of pharmaceutical powder mixtures using near infrared spectroscopy in a variety of sampling interfaces

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Authors
Martínez Cartagena, Pedro A.
Embargoed Until
Advisor
Romañach, Rodolfo J.
College
College of Arts and Sciences - Sciences
Department
Department of Chemistry
Degree Level
Ph.D.
Publisher
Date
2023-10-12
Abstract
This dissertation describes the development of calibration models based on near-infrared (NIR) spectroscopy using a variety of sampling interfaces to monitor the concentration of active pharmaceutical ingredients. The main difference between these interfaces is how the sample is presented to the NIR instrument. The presentation of the sample considerably influences the results obtained from calibration models in terms of errors of prediction and sampling errors. The first chapter of this dissertation provides a description of all the necessary information to execute the work behind all the presented studies. The second chapter presents the challenges of combining different sampling interfaces in calibration model development to monitor surrogate materials using NIR spectroscopy. This study demonstrated that an NIR calibration model was successfully developed using a combination of data of two different interfaces. The selected calibration model showed relatively low errors of prediction and bias considering how the sample was presented to the instrument and it proved to be robust against instrument noise changes. The study behind this chapter was possible due to the collaboration between a pharmaceutical company and the academy. The third chapter presents the experiments that were done using an innovative interface based on the theory of sampling. In this study the theory of sampling was implemented in the design of a chute to find out whether it is possible to achieve a fit-for-purpose representativity for the intended sampling-and-analysis system. The presented innovative sampling interface was further challenged by being subjected to the evaluation of low API concentrations, making a powder fowling assessment and by estimating the sampling errors. The fourth chapter presents the work done in two different peer-reviewed published research papers. These other studies contain another interface optimized by the knowledge of the theory of sampling as well as a combination of two interfaces in a sampling system that was used to monitor active pharmaceutical ingredients in flowing powders. Finally, the fifth chapter presents how the work done in this dissertation contributed to the realms of theory of sampling, process analytical technology and NIR calibration model development and possible future work.

Esta disertación describe el desarrollo de modelos de calibración basados en espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR) usando una variedad de interfaces de muestreo para monitorear la concentración de ingredientes farmacéuticos activos. La diferencia principal entre estas interfaces es como la muestra es presentada al instrumento de NIR. La presentación de la muestra al instrumento influencia considerablemente los resultados obtenidos por los modelos de calibración en términos de errores de predicción y errores de muestreo. El primer capítulo de esta disertación provee una descripción de todo el conocimiento necesario para ejecutar el trabajo de todos los estudios presentados. El segundo capítulo presenta los retos de combinar diferentes interfaces de muestreo en el desarrollo de modelos de calibración para monitorear materiales sustitutos usando espectroscopía de NIR. Este estudio demostró que un modelo de calibración basado en NIR fue exitosamente desarrollado usando una combinación de la data de dos interfaces diferentes. El modelo de calibración seleccionado mostró errores de predicción y bias relativamente bajos considerando el cómo la muestra fue presentada al instrumento y demostró ser robusto a cambios en el ruido del instrumento. El estudio detrás de este trabajo fue posible debido a la colaboración entre una compañía farmacéutica y la academia. El tercer capítulo presenta los experimentos que fueron hechos usando una interfaz innovadora basada en la teoría de muestreo. En este estudio, la teoría de muestreo fue implementada en el diseño de un conducto para averiguar si era posible alcanzar una representatividad adaptada al propósito que se tenía para el sistema de análisis y muestreo. La interfaz innovadora de muestreo presentada fue retada aún más al ser sujeta a la evaluación de bajas concentraciones de ingrediente activo, haciendo una evaluación del posible material atascado en el conducto y al estimar los errores de muestreo. El cuarto capítulo presenta el trabajo hecho en dos diferentes artículos de investigación revisados y publicados. Estos otros estudios contienen otra interfaz que también fue optimizada con el conocimiento de la teoría de muestreo y también incluye el uso de dos interfaces combinadas en un sistema de muestreo que fue usado para monitorear ingrediente activo en polvos fluyendo. Finalmente, el quinto capítulo presenta como el trabajo detrás de esta disertación contribuyó a los campos de la teoría de muestreo, tecnología de procesos analíticos y desarrollo de modelos de calibración basados en espectroscopía NIR y posibles trabajos futuros.
Keywords
Process Analytical Technology,
Near Infrared Spectroscopy,
Chemometrics,
Multivariate Analysis,
Continuous Manufacturing
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Cite
Martínez Cartagena, P. A. (2023). Calibration model development for the process analytical technology analysis of pharmaceutical powder mixtures using near infrared spectroscopy in a variety of sampling interfaces [Dissertation]. Retrieved from https://hdl.handle.net/20.500.11801/3580