Micronization of Pharmaceuticals and Food Ingredients using Supercritical Fluid Techniques

Micronization techniques based on supercritical fluids (SCFs) are promising for the production of particles with controlled size and distribution. The interest of the pharmaceutical field in the development of SCF techniques is increasing due to the need for clean processes, reduced consumption of energy, and to their several possible applications. The food field is still far from the application of SCF micronization techniques, but there is increasing interest mainly for the processing of products with high added value. The aim of this study is to use SCF micronization techniques for the production of particles of pharmaceuticals and food ingredients with controlled particle size and morphology, and to look at their production on semi-industrial scale. The results obtained are also used to understand the processes from the perspective of broader application within the pharmaceutical and food industries. Certain pharmaceuticals, a biopolymer and a food ingredient have been tested using supercritical antisolvent micronization (SAS) or supercritical assisted atomization (SAA) techniques. The reproducibility of the SAS technique has been studied using physically different apparatuses and on both laboratory and semi-industrial scale. Moreover, a comparison between semi-continuous and batch mode has been performed. The behaviour of the system during the SAS process has been observed using a windowed precipitation vessel. The micronized powders have been characterized by particle size and distribution, morphology and crystallinity. Several analyses have been performed to verify if the SCF process modified the structure of the compound or caused degradation or contamination of the product. The different powder morphologies obtained have been linked to the position of the process operating point with respect to the vapour-liquid equilibrium (VLE) of the systems studied, that is, mainly to the position of the mixture critical point (MCP) of the mixture. Spherical micro, submicro- and nanoparticles, expanded microparticles (balloons) and crystals were obtained by SAS. The obtained particles were amorphous or with different degrees of crystallinity and, in some cases, had different pseudo-polymorphic or polymorphic forms. A compound that could not be processed using SAS was micronized by SAA, and amorphous particles were obtained, stable in vials at room temperature. The SCF micronization techniques studied proved to be effective and versatile for the production of particles for several uses. Furthermore, the findings of this study and the acquired knowledge of the proposed processes can allow a more conscious application of SCF techniques to obtain products with the desired characteristics and enable the use of their principles for broader applications.

Identification and application of bile metabolites to assess the exposure of fish to pharmaceuticals in the environment

Thousands of tons of pharmaceuticals are consumed yearly worldwide. Due to the continuous and increasing consumption and their incomplete elimination in wastewater treatment plants (WWTP), pharmaceuticals and their metabolites can be detected in receiving waters, although at low concentrations (ng to low μg/L). As bioactive molecules the presence of pharmaceuticals in the aquatic environment must be considered potentially hazardous for the aquatic organisms. In this thesis, the biotransformation and excretion of pharmaceuticals in fish was studied. The main biotransformation pathways of three anti‐inflammatory drugs, diclofenac, naproxen and ibuprofen, in rainbow trout were glucuronidation and taurine conjugation of the parent compounds and their phase I metabolites. The same metabolites were present in fish bile in aquatic exposures as in fish dosed with intraperitoneal injection. Higher bioconcentration factor in bile (BCFbile) was found for ibuprofen when compared to diclofenac and naproxen. Laboratory exposure studies were followed by a study of uptake of pharmaceuticals in a wild fish population living in lake contaminated with WWTP effluents. Of the analyzed 17 pharmaceuticals and six phase I metabolites, only diclofenac, naproxen and ibuprofen was present in bream and roach bile. It was shown, that diclofenac, naproxen and ibuprofen excreted by the liver can be found in rainbow trout and in two native fish species living in the receiving waters. In the bream and roach bile, the concentrations of diclofenac, naproxen and ibuprofen were roughly 1000 times higher than those found in the lake water, while in the laboratory exposures, the bioconcentration of the compounds and their metabolites in rainbow trout bile were at the same level as in wild fish or an order of magnitude higher. Thus, the parent compounds and their metabolites in fish bile can be used as a reliable biomarker to monitor the exposure of fish to environmental pharmaceuticals present in water receiving discharges from WWTPs.

Reseptilääkkeiden lanseerausprosessi. Case: Ormox & Origlucon

Lääketeollisuuden tuotelanseerausten riskit ovat huomattavan suuria. Lääkkeiden tuotekehitysprojektien pitkä kesto ja valtaisat kustannukset ajavat yrityksen vaikeaan tilanteeseen. Lääkkeiden markkinoille tuonnin eli lanseerauksen on onnistuttava, jotta tuotekehityksen kustannukset voidaan kattaa. Tämän takia lääkkeiden lanseerauksen kehittäminen on yrityksille erittäin tärkeää. Lanseerauksen kehittäminen on samalla tutkimuksen pääongelma. Tutkielma keskittyy erityisesti suomalaisten reseptilääkkeiden lanseerausprosessin läpikäymiseen. Tutkielma jakautuu kahteen osaan: ensimmäinen osa käsittelee lanseerausta käsitteenä, lääkemarkkinoinnin erityispiirteitä sekä lanseerausprosessin teoriaa lääkeyhtiöiden näkökulmasta. Tutkielman toinen eli empiirinen osio, käsittelee Orion Pharman läpikäymää Ormox & Origlucon lanseerausta ja sen toteutusta. Erityisesti pyrittiin tunnistamaan, mitkä olivat keskeisimmät menestystekijät kyseisessä lanseerauksessa ja kuinka sitä voitaisiin kehittää. Ensimmäisenä menestystekijänä kyseisessä tutkimuksessa voidaan pitää hyvää markkinatuntemusta, jonka organisaatio oli koonnut toimiessaan aiempien lääkkeiden parissa. Toinen merkittävä menestystekijä on voimakas panostus, aina johdon tasolta asti, kyseiseen projektiin. Kolmantena tärkeänä menestystekijänä voidaan pitää tarvelähtöisyyttä, jonka avulla voitiin muotoilla asiakkaiden hyväksymä ja ymmärtämä markkinointiviesti. Keskeisimmiksi kehittämisen kohteiksi osoittautuivat sisäinen markkinointi, myyntitoiminnan organisointi sekä työn suunnittelun jatkuvuus.

Kansallisten immateriaalioikeuksien vaikutus lääkekeksintöihin Suomessa ja Ruotsissa 1980-90-luvulla

Pro gradu- tutkielman tarkoituksena oli tutkia lääkkeiden immateriaalioikeudellisia suojamuotoja Suomen ja Ruotsin osalta. Tutkimuksessa pyrittiin selvittämään lääkkeiden kansallisen patenttisuojan, lisäsuojatodistuksen ja dokumentaatiosuojan vaikutusta lääkekeksintöihin 1980–90-luvun Suomessa ja Ruotsissa. Lääkkeiden lisäsuojatodistuksella tarkoitetaan ainoastaan lääkeaineille tarkoitettua erillistä immateriaalioikeudellista lisäsuojamuotoa, joka pidentää suoja-aikaa enimmillään viidellä vuodella. Dokumentaatiosuojalla tarkoitetaan suojamuotoa, joka suojaa lääkkeiden kehittämisessä aikaan saatuja tutkimus- ja turvallisuustuloksia rinnakkaisvalmistajilta tietyn määritellyn ajan. Suomen ja Ruotsin kansallisessa lainsäädännössä oli tarkasteluajanjaksolla olennaisia eroja. Rinnakkaisongelmana tutkittiin innovaatio- ja patenttipolitiikan merkitystä lääkekeksintöjen määrään ja laatuun. Tutkimuskysymyksiä lähestyttiin virallislähteiden ja kirjallisuuden lisäksi myös teemahaastatteluin. Haastateltavat olivat alan asiantuntijoita. Tutkimus oli haasteellinen. Oli palkitsevaa saada asiaa koskeva ”hiljainen tieto” kansiin. Suomen ja Ruotsin poliittinen ja lainsäädännöllinen ilmapiiri poikkesivat toisistaan. Suomessa vallitsi protektionistinen ilmapiiri ja se näkyi politiikassa ja vaikutti lainsäädäntöön. Menetelmäpatentista ei haluttu luopua. Menetelmäpatentti on patentti, joka käsittää ainoastaan lääkeaineen valmistusmenetelmän, eikä lopputuotetta. Suomessa sallittiin lääkeaineiden tuotepatentti vasta 1995. Toisin oli Ruotsissa; siellä poliittinen ilmapiiri ja valtion sekä lääketeollisuuden näkemykset johtivat kehitystä niin, että tuotepatenttikielto poistettiin huomattavasti aiemmin kuin Suomessa. Ruotsi oli kaukonäköisempi myös muiden suojamuotojen kohdalla. Lopputuloksena tästä seurasi se, että Ruotsin lääketeollisuus on menestynyt huomattavasti paremmin kuin Suomen. Lääkekeksintöjä tehtiin enemmän. Ruotsin lääkekeksinnöistä suuri osa oli uusia molekyylejä; Suomen vastaava osuus oli selvästi pienempi. Myös Ruotsin lääkevienti oli ja on huomattavasti suurempaa kuin Suomen.

Lääkeaineiden poisto yhdyskuntajätevesistä katalyyttisillä membraaneilla

Lääkeaineiden poistaminen jätevedestä on tärkeää lääkeainejäämien ympäristöön pääsyn ehkäisemiseksi. Tämän työn tavoitteena on selvittää, soveltuvatko katalyyttiset membraanit lääkeaineiden poistoon jätevedestä ja saadaanko membraanisuodatusta tehostettua katalyyttisellä prosessilla. Työ käsittelee katalyyttisistä prosesseista fotokatalyysiä, joka perustuu valoa absorboivan katalyytin käyttöön. Kirjallisuustyössä tarkastellaan kahden erilaisen fotokatalyyttisen prosessin toimivuutta membraanisuodatuksen kanssa lääkeaineiden poistossa jätevedestä. Lisäksi tutkitaan fotokatalyysissä käytettävän katalyytin ja ultraviolettisäteilyn vaikutusta membraaniin. Tutkimukset ovat osoittaneet, että katalyyttisillä membraaneilla voidaan poistaa lääkeaineita jätevedestä tehokkaasti. Parhaan lääkeaineiden poistotehokkuuden saamiseksi katalyytin määrä on optimoitava hajotusprosessin kannalta. Myös katalyytin sijainti membraanissa vaikuttaa tehokkuuteen. Katalyytti voi sijaita membraanista myös erillään. Tällöin saadaan käsiteltyä myös jatkuvatoimisessa membraanisuodatuksessa syntyvä lääkeaineita sisältävä konsentraattivirta. Kun katalyyttisellä membraanilla hajotetaan lääkeaineita, täytyy prosessin turvallisuuden kannalta olla hyvin selvillä mahdollisista syntyvistä myrkyllisistä välituotteista. Tutkimuksissa on myös todettu, että katalyyttisen membraanin käyttö vähentää membraanin likaantumista.

Characterization of board impurities with a Raman device

Erilaisia epäpuhtauksia kulkeutuu paperinvalmistusprosessiin ja monenlaisia saostumia muodostuu paperinvalmistuksen prosesseissa. Epäpuhtaudet voivat aiheuttaa prosessiongelmia sekä alentaa tuotteen laatua. Epäpuhtauksien alkuperän ja koostumuksen selvittäminen edellyttää usein erilaisten analyysimenetelmien käyttöä. Epäpuhtauksien luokittelu on useasti välttämätöntä ennen tarkempaa kemiallista analyysia. Paperinvalmistuksen epäpuhtauksien kvalitatiiviseen luokitteluun on yleisimmin käytetty mikroskopian, IR-spektroskopian ja analyyttisen pyrolyysin menetelmiä. Raman spektroskopia on harvinaisempi menetelmä paperiteollisuuden tutkimuksessa. Raman instrumenttien kehittyminen on ollut voimakasta viimeisen vuosikymmenen aikana. Raman spektroskopia onkin osoittanut mandollisuutensa polymeerien, lääketeollisuuden ja polttoaineteollisuuden tutkimuksissa. Tässä työssä tutkittiin erään elintarvikepakkauskartongin epäpuhtauksia Raman spektroskoopilla. Työn tavoitteena oli selvittää Raman analyysin käyttökelpoisuutta kartongin epäpuhtauksien online-luokittelussa. Tutkimukset suoritettiin Spectracoden RP-1 Raman instrumentilla. Tutkimukset osoittivat, että näytteen fluoresenssi ja näytteen hajoaminen asettavat rajoituksia epäpuhtauksien Raman analyysille. Epäpuhtauksien online-tunnistaminen toimii käytettäessä suuria lasertehoja ja säteilytysaikoja. Näytteiden laserherkkyys ja fluoresenssi rajoittavat kuitenkin suurien laiteparametrien käyttöä. Laiteparametrien pienentäminen johti mittauksien signaali-kohina suhteen alenemiseen, mikä puolestaan aiheutti online-tunnistuksen toimimattomuuden.

Fractionation of Hen Egg and Oat Lipids with supercritical Fluids Chemical and functional Properties of Fractions

Hen eggs and oats (Avena Sativa) are important materials for the food industry. Today, instead of merely satisfying the feeling of hunger, consumers are asking for healthier, biologically active and environmentally friendly products. The growing awareness of consumers’ increasing demands presents a great challenge to the food industry to develop more sustainable products and utilise modern and effective techniques. The modification of yolk fatty acid composition by means of feed supplements is well understood. Egg yolk phospholipids are polar lipids and are used in several applications including food, cosmetics, pharmaceuticals, and special nutrients. Egg yolk phospholipids are excellent emulsifiers, typically sold as mixtures of phospholipids, triacylglycerols, and cholesterol. However, highly purified and characterised phospholipids are needed in several sophisticated applications. Industrial fractionation of phospholipids is usually based on organic solvents. With these fractionation techniques, some harmful residues of organic solvents may cause problems in further processing. The objective of the present study was to investigate the methods to improve the functional properties of eggs, to develop techniques to isolate the fractions responsible for the specific functional properties of egg yolk lipids, and to apply the developed techniques to plant-based materials, too. Fractionation techniques based on supercritical fluids were utilised for the separation of the lipid fractions of eggs and oats. The chemical and functional characterisation of the fractions were performed, and the produced oat polar lipid fractions were tested as protective barrier in encapsulation processes. Modifying the fatty acid compositions of egg yolks with different types of oil supplements in feed had no affect on their functional or sensory properties. Based on the results of functional and sensory analysis, it is evident that eggs with modified fatty acid compositions are usable in several industrial applications. These applications include liquid egg yolk products used in mayonnaise and salad dressings. Egg yolk powders were utilised in different kinds of fractionation processes. The precipitation method developed in this study resembles the supercritical anti-solvent method, which is typically used in the pharmaceutical industry. With pilot scale supercritical fluid processes, non-polar lipids and polar lipids were successfully separated from commercially produced egg yolk powder and oat flakes. The egg and oat-based polar lipid fractions showed high purities, and the corresponding delipidated fractions produced using supercritical techniques offer interesting starting materials for the further production of bioactive compounds. The oat polar lipid fraction contained especially digalactosyadiacylglycerol, which was shown to have valuable functional properties in the encapsulation of probiotics.

Novel technology for preparation of optically active chemicals

Asymmetric synthesis using modified heterogeneous catalysts has gained lots of interest in the production of optically pure chemicals, such as pharmaceuticals, nutraceuticals, fragrances and agrochemicals. Heterogeneous modified catalysts capable of inducing high enantioselectivities are preferred in industrial scale due to their superior separation and handling properties. The topic has been intensively investigated both in industry and academia. The enantioselective hydrogenation of ethyl benzoylformate (EBF) to (R)-ethyl mandelate over (-)-cinchonidine (CD)-modified Pt/Al2O3 catalyst in a laboratory-scale semi-batch reactor was studied as a function of modifier concentration, reaction temperature, stirring rate and catalyst particle size. The main product was always (R)-ethyl mandelate while small amounts of (S)-ethyl mandelate were obtained as by product. The kinetic results showed higher enantioselectivity and lower initial rates approaching asymptotically to a constant value as the amount of modifier was increased. Additionally, catalyst deactivation due to presence of impurities in the feed was prominent in some cases; therefore activated carbon was used as a cleaning agent of the raw material to remove impurities prior to catalyst addition. Detailed characterizations methods (SEM, EDX, TPR, BET, chemisorption, particle size distribution) of the catalysts were carried out. Solvent effects were also studied in the semi-batch reactor. Solvents with dielectric constant (e) between 2 and 25 were applied. The enantiomeric excess (ee) increased with an increase of the dielectric coefficient up to a maximum followed by a nonlinear decrease. A kinetic model was proposed for the enantioselectivity dependence on the dielectric constant based on the Kirkwood treatment. The non-linear dependence of ee on (e) successfully described the variation of ee in different solvents. Systematic kinetic experiments were carried out in the semi-batch reactor. Toluene was used as a solvent. Based on these results, a kinetic model based on the assumption of different number of sites was developed. Density functional theory calculations were applied to study the energetics of the EBF adsorption on pure Pt(1 1 1). The hydrogenation rate constants were determined along with the adsorption parameters by non-linear regression analysis. A comparison between the model and the experimental data revealed a very good correspondence. Transient experiments in a fixed-bed reactor were also carried out in this work. The results demonstrated that continuous enantioselective hydrogenation of EBF in hexane/2-propanol 90/10 (v/v) is possible and that continuous feeding of (-)-cinchonidine is needed to maintain a high steady-state enantioselectivity. The catalyst showed a good stability and high enantioselectivity was achieved in the fixed-bed reactor. Chromatographic separation of (R)- and (S)-ethyl mandelate originating from the continuous reactor was investigated. A commercial column filled with a chiral resin was chosen as a perspective preparative-scale adsorbent. Since the adsorption equilibrium isotherms were linear within the entire investigated range of concentrations, they were determined by pulse experiments for the isomers present in a post-reaction mixture. Breakthrough curves were measured and described successfully by the dispersive plug flow model with a linear driving force approximation. The focus of this research project was the development of a new integrated production concept of optically active chemicals by combining heterogeneous catalysis and chromatographic separation technology. The proposed work is fundamental research in advanced process technology aiming to improve efficiency and enable clean and environmentally benign production of enantiomeric pure chemicals.

Globalization of pharmaceutical R&D. Pharmaceutical R&D governance forms in People's Republic of China

Yrityksen selviytyminen ja menestyminen ovat riippuvaisia sen kyvystä innovoida, luoda tietoa ja hyödyntää tietämystä ja keksintöjä (Dunk ja Kilgore 2001). Yrityksen menestyminen erityisesti korkean teknologian alalla on siten suoraan riippuvainen sen T&T:stä, johon tehdyt investoinnit tuovat merkittäviä taloudellisia etuja yritykselle uusien tuotteiden, palveluiden ja prosessien muodossa (McEvily ja Chakravarthy 1999). Teknologinen etumatka ja sen tuotteistaminen innovatiivisiksi tarjoamiksi mahdollistaa monopolististen etujen saavuttamisen yrityksen kansainvälisessä kilpailussa (Lall 1977). Tämä kaltainen kilpailuetu voidaan saavuttaa yrityksen kyvyllä yhdistää maantieteellisesti hajautettu T&T:nsä tehokkaaksi verkostoksi (Porter 1986). Boehen (2008) mukaan T&T:n globalisoitumista voidaan johtaa eri hallintömuodoilla: T&T:n kansainvälistymisellä, T&T:n ulkomaille sijoittamisella ja T&T ulkomaille ulkoistamisella. T&T:n globalisoituminen on osa 2000-luvun taloudellista muutosta, ja sille on esitetty useita vaikuttavia tekijöitä, kuten kustannuserot, työvoimaresurssit, erityisosaamiskeskukset, paikallinen teknologia osaaminen ja kohdemarkkinoiden potentiaali (bardhan 2006; Norwood, ym. 2006; von Zedtwitz ja Gassmann 2002). Tutkimuksen on osoitettu eroavan tuotekehityksestä ja eri tekijöiden on osoitettu vaikuttavan niihin (von Zedtwitz ja Gassmann 2002; Leifer ja Triscari 1987). Samoin T&T on osoitettu olevan jatkumo perustavanlaatuisesta soveltavaan ja lääkekehityksen muodostavan vastaavan T&T jatkumon (Lall 1980; Iansiti 1993), jonka yksittäiset osat vaikuttavat sen hallintomuotoon. Tutkimus esittää eri tekijöitä voivan hyödyntää hallintomuodosta riippuen. Tätä tutkimusta varten tutkija haastatteli lääketeollisuuden johtajia Kiinassa vahvistaakseen tai hylätäkseen eri tekijöitä ja niiden suhdetta lääketeollisen T&T:n hallintomuotoihin. Markkinoiden todettiin olevan ensisijainen tekijä mutta myös kustannuserojen, insentiivien, työvoimaresurssien ja erityisosaamiskeskusten merkitys T&T:n globalisoitumiseen vaikuttavina tekijöinä vahvistettiin yhdessä perusvaatimusten ja riskitekijöiden kanssa. Tutkimuksessa vahvistetaan myös lääketeollisen T&T-jatkumon vaikutus ja esitetään viitekehys hallintomuodoille.

Globalization of pharmaceutical R&D Pharmaceutical R&D governance forms in People's Republic of China

Firm's survival and success, which are dependent on its ability to innovate, to create knowledge and to capitalize on inventions and know-how, is in essence directly linked to its R&D process (Dunk and Kilgore 2001). Especially in technology driven industries, such as the pharmaceuticals, there are significant positive returns to R&D investments through introduction of new or improved products and services (McEvily and Chakravarthy 1999). Technological lead and its transformation to innovative products as fruits of corporate R&D can be seen as monopolistic advantage that helps enterprises to compete in today’s market (Lall 1977). This competitive advantage can be derived from corporation's ability to integrate its activities across geographic locations (Porter 1986). According to Boehe (2008) globalization of R&D can executed with different governance forms: R&D internationalization, R&D offshoring or R&D offshore outsourcing. Globalization of R&D is intervened with the changes in global economy of the 21st century. Some studies argue for its influencing factors to be access to vast skilled labor pools and centers of excellence (Bardhan 2006). Other studies indicate the R&D cost differentials between countries to be the major expected benefit (Norwood et al. 2006). Von Zedtwitz and Gassmann (2002) presented benefits as divided to accessing markets and customers or to accessing local science and technology. This study proposes that based on governance form distinct factor derived benefits can be capitalized. To corroborate or refute factors and their relations on R&D globalization governance forms, an empirical study based on expert interviews of pharmaceutical directors was conducted in the People's Republic of China. The market was found to be the major influencing factor. Local requirements and adaptation were corroborated as factors connected with markets. Furthermore, influencing factors, such as labour, centers of excellence, cost, financial incentives were corroborated together with conditional and risk factors. Furthermore this research argues that the globalization of pharmaceutical R&D is dependent on the financial, scientific and operational requirements of the drug discovery stage. And thus establishes the influence of drug discovery's stages continuum on pharmaceutical R&D globalization. Finally, a R&D globalization governance form decision framework is proposed based on the frameworks presented in literature and author's corroborated empirical findings.