De richtlijn die de ‘Food and Drug Administration’ (FDA) opstelde over Proces Analytische Technologie (PAT-richtlijn) is er op gericht om traditionele kwaliteitsevaluaties via tijdrovende off-line laboratoriumtesten op willekeurig geselecteerde stalen te vervangen door in-proces kwaliteitsmetingen. Doel is om de ontwikkeling, productie en kwaliteitscontrole van farmaceutische producten te verbeteren. De in-proces kwaliteitscontrole kan drie vormen aannemen:
- At-line metingen: staal wordt weggenomen uit het proces en in de nabijheid ervan geanalyseerd
- On-line metingen: staal wordt uit het proces geleid, geanalyseerd en eventueel terug naar het proces geleid
- In-line metingen: staal wordt tijdens proces zelf geanalyseerd
Ook in de voedingsproductie staat kwaliteitszorg centraal. Net als de farmaceutische industrie, dient de voedingsindustrie aan strikte regelgevingen en eisen op het vlak van kwaliteit, veiligheid en traceability te beantwoorden. Momenteel worden voedingsproductieprocessen rechtstreeks opgevolgd door afgeleide monitoring (bv. temperatuur, pH, druk, stromingskarakteristieken) en meestal niet via de kern kwaliteitsparameters van het product zelf. Het kunnen afleveren van producten op basis van real-time continue product-gebaseerde procesmonitoring, zonder dat post-proces testen vereist zijn, zou volgende voordelen bieden:
- Constante in-spec productkwaliteit door actieve procescontrole (kwaliteitsgarantie)
- Optimalisering grondstoffenverbruik (proces afstemming grondstofkwaliteit)
- Procesoptimalisering (kost effectieve productie)
- Minder productuitval tijdens processing (snelle detectie van fouten)
- Verhoogde productiviteit (automatiseringsmogelijkheden)
- Beter begrip van het proces (continu leren)
- Mogelijkheid tot real-time vrijgave
Er zijn echter enkele specifieke uitdagingen om PAT te implementeren in de voedingsindustrie: de grondstoffen tonen grote (biologische) variaties, de (tussen)producten hebben een complexe samenstelling en matrix en de productie ervan wordt multifactorieel beïnvloed. Maar indien PAT implementeerbaar is dan kunnen net die grote variaties gecompenseerd worden door continue (actieve) proces aanpassingen.
Figuur 1: Theoretische voorstelling van het doel van PAT: controle zo dicht mogelijk laten aansluiten op het proces. In het ideale geval vallen beiden samen. Oranje: effectief, dynamisch procesverloop, bruin: gereconstrueerd procesverloop op basis van meetresultaten, blauwe pijlen: ‘dode tijd’ tussen staalname en –analyse. [Bron: van den Berg et al., 2013]
PAT implementeren: welke technologie
Spectroscopische monitoring is een typisch voorbeeld van een ‘proces analyser’ waarmee real-time informatie over een proces kan worden bekomen. De spectra die daarbij worden opgemeten vertegenwoordigen een grote hoeveelheid data waaruit de belangrijkste onderliggende informatie kan geëxtraheerd worden via multivariate data analyse. Spectroscopie kan dus niet los gezien worden van chemometrie (bv. Principal Component Analysis, Partial Least Square Regression) om informatie om te zetten in operationele kennis. Het beheer van de procesdataflows van alle PAT-instrumenten (bv. in MatLab) en hun integratie in andere beheerssystemen voor bedrijfsvoering en productie, zoals MES of ERP, vraagt specifieke software.
De keuze en implementatie van een geschikt PAT-meetsysteem vraagt:
- Goede kennis van de kritische productkwaliteit parameters en de beïnvloeding ervan door proces factoren (bepaalt wat men wil meten, de kritische controleparameter)
- Goed begrip van het procesverloop, proces dynamica (bepaalt meetfrequentie en -duur)
- Inzicht in de gewenste meetgevoeligheid
- Afstemming op de omgeving waarin gemeten moet worden (bepaalt robuustheid)
- Bepaling van een aanvaardbare kwaliteitsvariatierange
- In rekening brengen van economische en organisatorische aspecten
Enkele voorbeeldcases
In een overzichtsartikel illustreerde van den Berg et al. (2013) de voordelen die de voedingsindustrie met PAT kan doen aan de hand van enkele cases: kwaliteitsbepaling van alginaat bij extractieproces uit bruinwieren, monitoring van oliekwaliteit in bakproces (over verschillende weken), controle van ammonia toevoeging bij productie van geamideerde pectine, feed forward karkaskwalificatie, real-time predictieve controle van melk coagulatie bij kaasbereiding. In de cases werd voornamelijk NIR spectroscopie aangewend, wat leidde tot volgende voordelen:
- Geen staalvoorbereiding nodig
- Sneller en meer kunnen meten
- Gemakkelijk kunnen meten (gebruiksgemak)
- Weinig onderhoud vereist
- Meerdere productparameters in één meting kunnen meten
- Niet-destructieve meting
- Contactloos (meting niet gebiased door staalname, hygiënisch)
- Kosteneffectiever kunnen meten (besparen op klassieke, vaak chemische bepalingen)
- Procesoptimalisatie (kostenbesparend, duurzamere processing)
- Nieuwe/extra informatie wordt aangeleverd
- Beter kunnen definiëren, vaststellen en voorspellen van de verschillende procesfasen
Figuur 2: Voorbeeldtoepassing van PAT: optimalisatie van ammonia dosering bij productie van geamideerde pectine: via NIR spectroscopie werd door het sneller en veelvuldiger kunnen meten, vastgesteld dat ammonia concentratie erg fluctueerde. Aangepaste, automatische dosering met real-time controle (rond dag 10) zorgde voor aanzienlijk minder variatie. Op dag 12 werd het productierecept geoptimaliseerd. [Bron: van den Berg et al., 2013]
Nieuwe mogelijkheden valideren in Flanders’ FOOD project
Passend in de PAT filosofie wil Flanders’ FOOD analyse- en screeningsystemen verkennen voor:
- Samenstellingsbepaling
- Structuur & structuuropbouw
- Smaak & aroma
Dit wordt uitgewerkt in een bij het IWT in te dienen VIS-trajectvoorstel dat zich richt op systemen die voedingsbedrijven zelf, binnen hun bedrijf kunnen toepassen:
- Om productkwaliteit te bepalen en te garanderen
- Voor Procesbewaking & -efficiëntieverhoging
- Om productontwikkeling te assisteren
Binnen het VIS-trajectvoorstel i-FAST (in-factory Food Analytical Systems and Technologies) worden ondermeer zes innovatieve technologieën gevalideerd die totaal nieuwe mogelijkheden bieden.
- Validatietraject FYSTEM: Niet-invasieve fysische structuurbepaling van voedingsemulsies via lage - resolutie NMR - Nieuw: toepasbaar op onverdunde stalen
- Validatietraject IQUIHL: In-lijn kwaliteitsopvolging van verhitte vloeibare voedingsproducten - Nieuw: contactloos directe kwaliteit opvolgen van thermisch behandelde melk en fruitsap stromen, contactloos screenen aanladingen, contactloos opvolgen reinigingsstappen
- Validatietraject MOBI-SPEC: draagbare spectrale analyse voor de werkvloer - van puntspectroscopie tot spectrale camera's - Nieuw: Multispectrale beeldanalyses aan recordsnelheden met een unieke snap shot camera
- Validatietraject TASTE FAST: Evaluatie van hogedoorvoer meetmethoden voor smaak- en aroma-analyse in de voedingsindustrie - Nieuw: aroma analyse voor procescontrole
- Validatietraject ULTRAFAT: Structuur- en structuuropbouw tijdens kristallisatie van vetrijke producten opvolgen met behulp van ultrasone sensoren - Nieuw: niet-destructief opvolgen van kristallisatie statisch en dynamisch
- Validatietraject X-FAST: Interne kwaliteit van poreuze levensmiddelen: X-stralen tomografie toegepast op product en proces - Nieuw: contactloos 3D beeldscanning van de structuur van voedingsproducten, opsporen van interne defecten of vreemde voorwerpen
Deze innovatieve technologieën worden toegelicht op i-FAST meets industry op 2 oktober in Lummen: inschrijving
Voor meer info, contacteer: steven.vancampenhout@flandersfood.com of veerle.degraef@flandersfood.com.
Bronnen
- Van den Berg F., Lyndgaard C.B., Sørensen K.M., Engelsen S.B. (2013). Process Analytical Technology in the food industry, Trends in Food Science & Technology, 31, 27-35. http://qbd.dk/wp-content/uploads/2012/06/scientific-pub-Frans-2012-PAT-in-the-food-industry.pdf
- Master thesis Industriële Farmacie UGent Academiejaar 2010-2011: In-line monitoring van een continu granulatieproces, Apr. Delphine Geldemyn http://lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/790/050/RUG01-001790050_2012_0001_AC.pdf
Meer Info
- Links naar artikels over spectroscopie
- FDA Guidance for Industry September 2004: PAT - A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance http://www.fda.gov/downloads/Drugs/Guidances/ucm070305.pdf
- PAT software: SIMATIC SIPAT http://www.industry.siemens.com/verticals/global/en/pharma-industries/products-and-services/industrial-software/Pages/simatic-sipat.aspx
- i-FAST meets industry 2 oktober, Lummen
