Understanding solid-state transformations during dehydration: new insights using vibrational spectroscopy and multivariate modelling

Many active pharmaceutical ingredients (APIs) have both anhydrate and hydrate forms. Due to the different physicochemical properties of solid forms, the changes in solid-state may result in therapeutic, pharmaceutical, legal and commercial problems. In order to obtain good solid dosage form quality and performance, there is a constant need to understand and control these phase transitions during manufacturing and storage. Thus it is important to detect and also quantify the possible transitions between the different forms. In recent years, vibrational spectroscopy has become an increasingly popular tool to characterise the solid-state forms and their phase transitions. It offers several advantages over other characterisation techniques including an ability to obtain molecular level information, minimal sample preparation, and the possibility of monitoring changes non-destructively in-line. Dehydration is the phase transition of hydrates which is frequently encountered during the dosage form production and storage. The aim of the present thesis was to investigate the dehydration behaviour of diverse pharmaceutical hydrates by near infrared (NIR), Raman and terahertz pulsed spectroscopic (TPS) monitoring together with multivariate data analysis. The goal was to reveal new perspectives for investigation of the dehydration at the molecular level. Solid-state transformations were monitored during dehydration of diverse hydrates on hot-stage. The results obtained from qualitative experiments were used to develop a method and perform the quantification of the solid-state forms during process induced dehydration in a fluidised bed dryer. Both in situ and in-line process monitoring and quantification was performed. This thesis demonstrated the utility of vibrational spectroscopy techniques and multivariate modelling to monitor and investigate dehydration behaviour in situ and during fluidised bed drying. All three spectroscopic methods proved complementary in the study of dehydration. NIR spectroscopy models could quantify the solid-state forms in the binary system, but were unable to quantify all the forms in the quaternary system. Raman spectroscopy models on the other hand could quantify all four solid-state forms that appeared upon isothermal dehydration. The speed of spectroscopic methods makes them applicable for monitoring dehydration and the quantification of multiple forms was performed during phase transition. Thus the solid-state structure information at the molecular level was directly obtained. TPS detected the intermolecular phonon modes and Raman spectroscopy detected mostly the changes in intramolecular vibrations. Both techniques revealed information about the crystal structure changes. NIR spectroscopy, on the other hand was more sensitive to water content and hydrogen bonding environment of water molecules. This study provides a basis for real time process monitoring using vibrational spectroscopy during pharmaceutical manufacturing.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.