利用过程分析技术进行化学品开发中的实时监控和质量保证

利用过程分析技术进行化学品开发中的实时监控和质量保证

抽象的

在活性药物成分 (API) 的研发和生产中应用过程分析技术 (PAT) 具有诸多优势。在研发阶段，PAT 是深入了解工艺流程的理想工具，有助于设计稳健的工艺。在 API 商业化生产过程中，PAT 的优势体现在实时质量保证 (RTA) 方面，它能够确保产品质量的稳定性，从而无需进行离线测试，并最大限度地减少不合格批次。本文旨在阐述 PAT 如何用于提升研发阶段的工艺流程理解，以及如何将其作为生产阶段的实时质量保证工具。

介绍

自FDA发布《PAT——创新药物开发、生产和质量保证框架》指南以来，制药行业在如何充分利用过程分析技术（PAT）的优势方面取得了显著进展。许多成功的PAT应用案例已在工艺化学领域得到报道。目前，关于PAT的作用以及如何将其最佳地融入现有药物开发和生产工艺实践中仍存在诸多讨论[2]。根据其应用范围，PAT的应用可归纳为三类：实时监测（RTM）、实时质量保证（RTA）和实时放行（RTR）。RTM是指利用PAT测量来追踪属性和/或参数，从而对化学工艺的性能提供一定的置信度。RTA是指利用PAT实时确保产品关键质量属性（CQA）得到满足，这比RTM更进一步。实时质量保证则是通过监测过程反馈，基于过程特征或属性的直接测量结果，实时控制过程。为了将过程分析技术 (PAT) 应用于原料药 (API) 的快速检测 (RTM)，需要进行一定程度的方法验证，例如选择性和灵敏度。快速检测 (RTR) 是指利用 PAT 技术在无需最终产品检测的情况下，将中间体或原料药放行至下游加工环节。RTR 的潜在优势非常显著 [4]。然而，将 PAT 用于原料药或中间体的 RTR 极具挑战性。首先，要确保所有关键质量属性 (CQA) 均能实时满足，存在相当大的技术难题。例如，某些检测（如杂质谱分析）仍然具有挑战性。其次，监管机构是否会接受 RTR 来替代最终产品检测尚不确定。最后，如果产量较小，RTR 可能不具备经济效益。PAT 仪器已经从传统的单变量传感器（如温度、压力、pH 值、密度和电导率）发展到涵盖在线中红外 (MIR)、近红外 (NIR)、拉曼光谱、紫外-可见光谱、质谱和聚焦光束反射测量 (FBRM) 等先进技术。在研发领域，光谱技术能够实时监测试剂、中间体和产物的浓度以及最终产物的物理性质。过程分析技术（PAT）对于快速深入了解在极端温度和压力条件下进行的反应的潜在机理和动力学尤为重要。这种理解反过来又有助于设计和优化经济可行且安全的生产工艺。例如，可以通过原位中红外光谱监测复杂多步化学反应中不稳定的反应中间体，从而深入了解反应机理[5]。原位拉曼光谱是研究结晶过程中多晶型转变的理想工具[6]。中红外光谱，近红外光谱和紫外-可见光谱可用于测定化学反应、蒸馏和结晶过程中溶剂和溶质的浓度。FBRM 是一种强大的工具，可以测量结晶过程中颗粒的形成及其粒径[7]。在线质谱可用于实时监测干燥和真空蒸馏过程，而无需中断工艺[8]。在制造业领域，过程分析技术 (PAT) 可以通过最大限度地减少因取样和反馈控制而导致的工艺中断，从而提高效率和产品质量。

本文旨在展示过程分析技术（PAT）在原料药（API）开发中如何用于深入了解工艺过程，以及在生产阶段如何进行实时质量保证。第一个例子是利用在线紫外-可见光谱和多元数据分析生成工艺特征，以加深对化学反应过程的理解并进行实时分析（RTA）。第二个例子展示了如何应用在线质谱实时监测顶空溶剂组成，以确保在双相真空蒸馏过程中去除不需要的溶剂。

流程签名

本文中，化学反应的过程特征定义为目标条件下反应动力学的特征曲线。在本例中，我们使用在线紫外-可见分光光度计结合多元数据分析，实时生成了非均相化学反应的过程特征。该过程特征随后被用于验证反应过程对规模和设备变化的鲁棒性，并用于实时提供反应进程信息以及进行快速热分析（RTA）。

该化学反应在回流条件下进行，反应开始时以碳酸氢钠浆液为非均相混合物。反应产物达到溶解度极限后析出。向反应体系中加入碳酸氢钠以中和副产物盐酸盐，从而促进反应完全进行。反应分别在实验室规模（50 g）、中试规模（100 kg）和生产规模（120 kg）的不同反应器中进行。使用配备衰减全反射（ATR）探头和闪光灯光源的在线紫外-可见光谱分析仪，对反应混合物进行原位光谱数据采集。在实验室中，紫外-可见ATR探头直接插入反应器。在中试规模和生产规模下，探头通过循环回路系统与反应体系连接。紫外-可见光谱在186-720 nm的光谱范围内，每隔两分钟采集一次。在反应过程中采集离线 HPLC 样品，以获得反应混合物中的反应物和产物浓度，从而建立和验证基于原位紫外-可见光谱的定量校准模型。

该图左侧为图1A，右侧为图1B

图 1A 给出了两种起始原料和产物在反应溶剂——工业变性酒精 (IMS) 中的溶液紫外-可见光谱。图 1A 中的光谱已进行缩放以方便绘制。显然，三种原料均具有独特的紫外-可见光谱特征。例如，起始原料 1 (SM1) 在 300 nm 处有一个吸收峰，起始原料 2 (SM2) 在 258 nm 处有一个吸收峰，而产物的紫外-可见吸收峰位于 277 nm 和 318 nm 处。同时，这些吸收峰相互重叠。图 1B 显示了反应过程中反应混合物的原位紫外-可见光谱。原位紫外-可见光谱中 300 nm 处的吸收峰位移至 318 nm，以及 277 nm 处吸收峰强度的增加，清楚地表明了起始原料的消耗和产物的生成。由于光谱特征重叠，需要使用多元数据分析工具从紫外-可见光谱中提取化学信息。

利用离线高效液相色谱（HPLC）样品和反应混合物的相应原位紫外-可见光谱，建立了偏最小二乘（PLS）校准模型并进行了验证。校准样品的估计均方根误差（RMSEE）分别为0.0028、0.0038和0.0045 g/mL，而预测均方根误差（RMSEP）分别为0.0026、0.0032和0.0027 g/mL（对应于SM1、SM2和产物）。  

图2

图2绘制了利用原位紫外光谱计算得到的反应过程中起始原料和产物的PLS模型计算浓度随反应时间的变化曲线。图2中的实线代表计算浓度，HPLC值以符号形式叠加在同一图中。PLS计算值与离线HPLC值的高度一致性表明，该反应中各组分的浓度可以通过原位紫外光谱数据和PLS模型准确测定。

该反应的过程特征以SM1浓度随反应时间的变化来表示。 

图3

图3给出了在不同反应器温度（Tr）下进行的两个反应的过程特征叠加图。这两个反应是实验设计（DOE）研究的一部分，旨在优化反应参数。过程特征清晰地显示了Tr对反应进程的影响。在回流温度（76℃）下进行的反应比在65℃下进行的反应进行得快得多。此外，在较低的Tr下，反应并未完全进行，这表明在反应结束时反应混合物中存在大量未反应的SM1。在线紫外-可见光谱清晰地显示了实时监测反应进程的能力。 

图4

图4显示了在实验室、中试装置和生产规模下进行的化学反应的过程特征叠加图。过程特征上的尖峰是由于离线取样导致样品循环中断造成的。显然，不同规模和不同设备上的过程特征几乎完全相同。这一结果表明，在正常运行范围内，反应过程对规模和设备的变化具有较强的鲁棒性。通过与典型反应的过程特征进行比较，可以实时验证当前反应是否按预期进行，或者批次中是否存在异常情况。

图5

图 5 叠加显示了某生产活动中九个批次的工艺特征。显然，除第 4 批次外，所有批次的动力学曲线均相似。对于第 4 批次，SM1 的消耗速率远高于其他批次以及典型批次。后发现，操作人员在添加碳酸氢钠时出现错误，导致该批次的工艺特征异常。值得注意的是，对于这个异常批次，由于其为第 8 小时进行的 SM1 质量分数 (%w/w) 的离线 HPLC 分析，因此在线监测样品并未发出异常信号。离线样品中 SM1 的浓度符合规格 (< 0.2 wt%)。 该批次被隔离并干燥。后续的杂质含量测定发现，其含有高浓度的关键质量属性 (CQA) 杂质。该结果表明，仅依靠单次离线检测不足以保证产品质量。相反，该过程特征提供了关于实时反应的更广泛图景，并展示了基于起始材料消耗的过程特征进行 RTA 和干预的潜在能力。

在线质谱

在线质谱（MS）[8]是另一种已成功应用于过程监测的技术。该技术非常适合测量气相样品的组成，因此将其应用于蒸馏过程的监测非常合适。其他光谱技术也可用于蒸馏过程的监测[3, 9]，但质谱具有许多独特的优势。其中包括响应速度快、选择性和灵敏度高、能够处理各种样品压力以及可以同时监测相对较多的物质。

本文概述的工作表明，在线质谱技术可用于实时监测真空蒸馏过程中顶空溶剂的组成。该蒸馏过程为顺序间歇蒸馏，其双重目的是去除前一洗涤步骤中的残留水，并将初始溶剂叔丁基甲基醚 (TBME) 替换为 TBME 和甲基环己烷 (MCH) 的混合物。去除水（<0.1 wt%）至关重要，因为水会导致产品油状析出，并在后续结晶步骤中难以去除杂质。此外，过量的残留水还会导致结晶过程中产生过多的工艺杂质。蒸馏过程中未能去除水已被认为是之前批次失败的潜在根本原因。

在本案例中，准确测定蒸馏过程中的水含量极具挑战性。水在溶剂中的溶解度非常有限，导致形成两相混合物，使得代表性取样和准确的离线分析变得困难。此外，由于存在两相溶剂体系，无法使用中红外、近红外、紫外-可见光谱等在线光谱技术直接测量反应器或馏出液中的溶剂。因此，首选方法是测量真空蒸馏釜顶空蒸汽组成，然后通过气液平衡（VLE）曲线将其与液相溶剂组成关联起来。 虽然中红外、近红外和气相色谱等其他在线仪器也能够测量气相组成，但在线质谱仪具有灵敏度高、易于与真空蒸馏过程连接等优势，这得益于其内置的泵送系统。

图6

图 6 为蒸馏装置的示意图。质谱仪的采样点位于蒸馏釜的出口管线上，紧邻冷凝器的上游。使用切换阀可以在不干扰蒸馏过程的情况下连接或断开质谱仪。分别使用 18、73 和 84 amu 的质荷比监测水、叔丁基甲醚 (TBME) 和甲基环己烷 (MCH)。在线质谱仪的响应是离子流，单位为毫安 (mA)。气相中各组分的摩尔分数可使用以下公式计算：（公式 1）

其中，xi 为溶剂 i 在气相中的摩尔分数，RFi 为溶剂 i 在质谱仪上的响应因子，主要取决于溶剂的电离效率。水、TBME 和 MCH 的 RFi 值分别为 1.25、0.50 和 0.53。Ii 为质谱仪测得的溶剂 i 的相应质量离子流。计算得到的溶剂摩尔分数与蒸馏真空压力无关。

图7

图 7 显示了真空蒸馏过程中水、叔丁基甲醚 (TBME) 和甲基环己烷 (MCH) 的摩尔分数变化趋势。蒸馏开始时，反应釜内装有水和 TBME 的混合溶剂。随着蒸馏的进行，收集馏出液，并向反应器中加入等量的 MCH。观察到，随着 MCH 摩尔分数的增加，气相中 MCH 的摩尔分数逐渐增加，而 TBME 的摩尔分数则逐渐降低，水蒸气浓度在约 4 小时内随 MCH 的增加而增加。  大约 4 小时后，水和 TBME 的摩尔分数急剧下降至接近于零，这表明脱水过程结束。图中出现的波动（尖峰）是由于打破系统真空以加入 MCH 造成的。气相中摩尔分数的变化趋势足以监测蒸馏过程。然而，液相中每种溶剂的摩尔分数可以通过在线质谱仪测量的气相摩尔分数和气液平衡方程 [8] 计算得出。

显然，在线质谱仪能够为双相体系的蒸馏脱水过程提供快速热力学分析（RTM）。通过气相质谱分析，我们克服了离线取样测试和在线振动光谱技术中常见的样品不均匀性问题。利用在线质谱仪进行RTM，确保蒸馏过程中水分的去除，后续的结晶步骤不仅可以减少水引入的工艺杂质，还能有效去除所有杂质。

结论

PAT 的应用显著提升了开发阶段的工艺理解，并可作为生产过程中实时保障的工具。工艺特征表明反应过程对规模和设备变化具有鲁棒性。它能够识别异常批次，并可用于实时干预快速反应分析 (RTA)。在线质谱仪成功监测了双相真空蒸馏过程，确保实时去除水分，从而保证最终产品质量。PAT 能够在化学开发阶段和生产阶段进行实时监测 (RTM) 和实时反应分析 (RTA)。