Prüfung von Rohstoffen: Ein umfassender Leitfaden für Qualitätskontrollmethoden 2024

Der vollständige Leitfaden für die Prüfung von Rohstoffen: Die wichtigsten Methoden verstehen

Warum die Prüfung von Rohstoffen wichtig ist

Rohstoffe sind die grundlegenden Bestandteile, die die Qualität, die Sicherheit und die Funktionsfähigkeit eines jeden Produkts ausmachen. Wenn es Probleme mit diesen Ausgangsstoffen gibt - wie Qualitätsunterschiede, unerwünschte Stoffe oder Materialien, die nicht den Normen entsprechen -, ziehen sich diese Probleme durch den gesamten Herstellungsprozess. Dies führt zu schlechten Endprodukten, zu Problemen mit Vorschriften und zu großen finanziellen Verlusten. Rohmaterial Bei der Prüfung handelt es sich um eine wissenschaftliche Untersuchung, bei der die Identität, die Reinheit, die Zusammensetzung und wichtige Eigenschaften dieser Materialien anhand einer festgelegten Liste von Anforderungen überprüft werden. Dabei handelt es sich nicht um eine einfache Prüfung, ob sie bestanden oder nicht bestanden wurde - es ist ein detaillierter wissenschaftlicher Prozess, der die Grundlage der modernen Qualitätskontrolle.

Diese Leitfaden gibt Ihnen eine vollständige technische Analyse der wichtigsten Grundsätze und Methoden, die ein wirksames Programm zur Prüfung von Rohstoffen unterstützen. Unser Ziel ist es, über eine grundlegende Liste von Tests hinauszugehen und die Wissenschaft zu erforschen, warum und wie diese Methoden funktionieren. In diesem detaillierten Blick werden wir behandeln:

• Grundlegende Prinzipien der Materialanalyse
• Detaillierte Aufschlüsselung der spektroskopischen und chromatographischen Techniken
• Die die Wissenschaft dahinter Prüfung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften
• Praktische Überlegungen für die Erstellung einer soliden Teststrategie

Grundprinzipien der Analyse

Bevor wir uns mit spezifischen Instrumenten und Techniken befassen, müssen wir zunächst die Grundprinzipien die alle Materialanalysen steuern. Diese Konzepte bilden den Rahmen für die Auswahl des richtigen Tests, die Festlegung geeigneter Grenzwerte und das richtige Verständnis der Ergebnisse. Jeder analytische Chemiker und jeder Leiter der Qualitätskontrolle muss über ein solides Verständnis dieser ersten Grundsätze verfügen, um Probleme zu lösen und die Materialintegrität zu gewährleisten.

Qualitative vs. Quantitative Analyse

Im Kern beantwortet jeder analytische Test eine von zwei grundlegenden Fragen. Die qualitative Analyse konzentriert sich auf die Identität und beantwortet die Frage: "Was ist das?" Ihr Hauptzweck bei der Prüfung von Rohstoffen besteht darin, zu bestätigen, dass das erhaltene Material genau das ist, was es zu sein vorgibt. Ein qualitativer Test prüft zum Beispiel, ob ein Fass mit der Aufschrift "Ascorbinsäure" tatsächlich Ascorbinsäure enthält und nicht eine andere, optisch ähnliche Verbindung wie Zitronensäure. Dies ist der erste und wichtigste Schritt im Prüfprozess.

Die quantitative Analyse hingegen konzentriert sich auf die Menge und beantwortet die Frage: "Wie viel ist vorhanden?" Dies wird verwendet, um die Reinheit einer Substanz, die Konzentration ihres Wirkstoffs oder den Gehalt an bestimmten Verunreinigungen zu bestimmen. Mit einem quantitativen Test kann beispielsweise festgestellt werden, dass eine Charge eines aktiven pharmazeutischen Wirkstoffs (API) 99,8% rein ist und nicht mehr als 0,05% einer bestimmten verwandten Substanz enthält.

Der Begriff der Spezifikation

Ein Material wird nicht isoliert getestet, sondern anhand einer Spezifikation beurteilt. Eine Spezifikation ist das endgültige technische Dokument, in dem die erforderlichen Tests, die einzuhaltenden Analyseverfahren und die Akzeptanzkriterien aufgeführt sind, die das Rohmaterial erfüllen muss, um für die Verwendung zugelassen zu werden. Dieses Dokument dient als Vertrag zwischen dem Materiallieferanten und dem Anwender. Spezifikationen sind nicht willkürlich, sondern werden sorgfältig auf der Grundlage des Verwendungszwecks eines Materials, seiner Auswirkungen auf das Endprodukt und etablierter Industriestandards entwickelt. Diese basieren häufig auf offiziellen Pharmakopöen wie der United States Pharmacopeia (USP) oder der European Pharmacopoeia (EP) für pharmazeutische Materialien oder auf Normen von Organisationen wie ASTM International oder der International Organization for Standardization (ISO) für industrielle Chemikalien und Materialien.

Probenahme und Probenvorbereitung

Das fortschrittlichste Analysegerät der Welt liefert ein bedeutungsloses Ergebnis, wenn die analysierte Probe nicht für die gesamte Charge repräsentativ ist. Die ordnungsgemäße Probenahme ist ein entscheidender Schritt, der oft übersehen wird. Eine Probe muss nach einem validierten Verfahren entnommen werden, das sicherstellt, dass sie die potenzielle Variabilität innerhalb der gesamten Materialcharge, die aus Dutzenden von Fässern oder Säcken bestehen kann, genau widerspiegelt. Schlechte Probenahmetechniken können selbst die präzisesten analytischen Tests völlig zunichte machen. Nach der Probenahme muss die Probenvorbereitung - z. B. das Auflösen, Extrahieren oder Verdünnen des Materials - präzise durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die endgültige Messung genau und reproduzierbar ist.

Ein vergleichender Überblick über die Techniken

Der Bereich der analytischen Chemie bietet ein großes Arsenal an Techniken für die Rohstoffprüfung. Um sich in dieser Landschaft zurechtzufinden, können wir diese Methoden auf der Grundlage der ihnen zugrunde liegenden wissenschaftlichen Prinzipien in drei Hauptkategorien einteilen. Das Verständnis dieser Kategorien hilft bei der Entwicklung einer logischen Prüfstrategie, bei der verschiedene Techniken eingesetzt werden, um ergänzende Informationen zu liefern. Die Hauptkategorien, die wir untersuchen werden, sind spektroskopische, chromatographische und physikalische/mechanische Methoden. Jede von ihnen bietet einen einzigartigen Einblick in die Eigenschaften des Materials.

Spektroskopische Analyse tiefgreifend

Bei der Spektroskopie handelt es sich um eine Klasse von Techniken zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie. Wenn Energie auf eine Probe einwirkt, können ihre Atome und Moleküle diese Energie bei bestimmten, diskreten Wellenlängen absorbieren oder emittieren. Dieses Absorptions- oder Emissionsmuster ist einzigartig für die chemische Struktur der Substanz und erzeugt einen "Fingerabdruck", der zur Identifizierung und Quantifizierung verwendet werden kann. Spektroskopische Methoden werden häufig wegen ihrer Schnelligkeit, Spezifität und in vielen Fällen auch wegen ihrer zerstörungsfreien Natur bevorzugt, was sie zu leistungsfähigen Instrumenten für die schnelle Überprüfung von Rohstoffen macht.

Fourier-Transform-Infrarot (FTIR)

Das Prinzip der FTIR-Spektroskopie besteht darin, dass eine Probe mit Infrarotstrahlung bestrahlt wird. Moleküle sind nicht statisch; ihre chemischen Bindungen schwingen, dehnen und biegen sich ständig. Diese Schwingungen treten bei bestimmten Frequenzen auf, die der Energie des Infrarotlichts entsprechen. Wenn die Frequenz der IR-Strahlung mit der Schwingungsfrequenz einer bestimmten Bindung übereinstimmt (z. B. eine C=O-Carbonyl-Streckung oder eine O-H-Hydroxyl-Streckung), absorbiert das Molekül die Strahlung. Ein FTIR-Spektrometer misst diese Absorption über einen Bereich von Wellenlängen und erzeugt ein Spektrum, das als eindeutiger chemischer Fingerabdruck des Moleküls dient. Die häufigste Anwendung bei der Prüfung von Rohstoffen ist die schnelle Identitätsbestätigung. Durch den Vergleich des FTIR-Spektrums eines eingehenden Materials mit dem eines bekannten Referenzstandards können wir dessen Identität innerhalb von Minuten überprüfen.

Ultraviolett-sichtbar (UV-Vis)

Die UV-Vis-Spektroskopie funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip, verwendet aber einen energiereicheren Teil des elektromagnetischen Spektrums: ultraviolettes und sichtbares Licht. Diese Energie reicht aus, um Elektronen innerhalb eines Moleküls anzuregen und sie von einem energieärmeren Grundzustand in ein energiereiches Orbital zu bringen. Dieser Prozess ist am effektivsten bei Molekülen, die Chromophore enthalten - Strukturmerkmale mit pi-Bindungen oder nicht bindenden Elektronen, wie aromatische Ringe oder Doppelbindungen. Die Menge des bei einer bestimmten Wellenlänge absorbierten Lichts ist direkt proportional zur Konzentration des Analyten in der Lösung, eine Beziehung, die durch das Beer-Lambert-Gesetz beschrieben wird. Dies macht UV-Vis zu einem ausgezeichneten quantitativen Werkzeug. Es wird in erster Linie für Assays verwendet, um die Konzentration eines Wirkstoffs oder einer bekannten, UV-absorbierenden Verunreinigung genau zu messen.

Atomabsorption (AAS)

Während FTIR und UV-Vis Informationen über die Molekularstruktur liefern, dient die Atomabsorptionsspektroskopie zur Messung der Konzentration einzelner Elemente, insbesondere von Metallen. Bei der AAS wird eine flüssige Probe zerstäubt, d. h. in eine Wolke freier Atome im Grundzustand umgewandelt - in der Regel mithilfe einer Flamme oder eines Graphitofens. Eine Lampe, die das gewünschte Element enthält, sendet Licht mit einer für dieses Element spezifischen Wellenlänge aus. Dieses Licht wird durch die atomisierte Probe geleitet. Die freien Atome in der Probe absorbieren das Licht, und die Menge der Absorption ist direkt proportional zur Konzentration des Elements. Diese Technik ist außerordentlich empfindlich und spezifisch. Ihre entscheidende Anwendung in Rohstofftests für Schwermetalle im Spurenbereich Analyse, um sicherzustellen, dass die Materialien die strengen Grenzwerte für toxische Elemente wie Blei (Pb), Arsen (As), Cadmium (Cd) und Quecksilber (Hg) einhalten.

Chromatografische Trennung - ein tiefer Einblick

Die Chromatographie ist keine eigenständige Messtechnik, sondern eine leistungsstarke Familie von Trenntechniken. Sie ist der Eckpfeiler der Reinheitsanalyse für komplexe Gemische. Das Grundprinzip besteht in einem "Wettlauf", bei dem die Bestandteile eines Gemischs aufgrund ihrer unterschiedlichen Verteilung zwischen einer stationären Phase (einem Feststoff oder einer auf einem Feststoff beschichteten Flüssigkeit) und einer mobilen Phase (einer Flüssigkeit oder einem Gas, das durch das System fließt) getrennt werden. Komponenten, die eine stärkere Affinität für die stationäre Phase haben, bewegen sich langsamer, während Komponenten mit einer stärkeren Affinität für die mobile Phase sich schneller bewegen. Dieser Geschwindigkeitsunterschied führt zur Auftrennung des Gemischs in seine einzelnen Bestandteile, die dann beim Verlassen des Systems nachgewiesen und quantifiziert werden.

Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC)

Die HPLC ist wohl die vielseitigste und am häufigsten verwendete Analysetechnik in der pharmazeutischen und chemischen Industrie. Sie ist für die Trennung von nicht flüchtigen und thermisch instabilen Verbindungen - die große Mehrheit der Wirkstoffe, Hilfsstoffe und organischen Moleküle - konzipiert. Bei der HPLC wird eine flüssige mobile Phase unter hohem Druck durch eine Säule gepumpt, die mit sehr feinen Feststoffpartikeln gefüllt ist (die stationäre Phase). Die Wahl der stationären und der mobilen Phase bestimmt den Trennungsmechanismus, wobei die Umkehrphasen-HPLC (eine unpolare stationäre Phase und eine polare mobile Phase) die häufigste ist. Während die Probe die Säule durchläuft, trennen sich ihre Bestandteile aufgrund ihrer relativen Polarität. Die HPLC ist der Goldstandard für die Reinheitsprüfung und ermöglicht die präzise Trennung und Quantifizierung einer Hauptkomponente von ihren strukturell ähnlichen Verunreinigungen und Abbauprodukten.

Gaschromatographie (GC)

Die Gaschromatographie beruht auf demselben Grundprinzip wie die HPLC, ist aber speziell für flüchtige oder ohne Zersetzung flüchtig zu machende Verbindungen konzipiert. Bei der GC ist die mobile Phase ein inertes Gas (z. B. Helium oder Stickstoff), und die stationäre Phase ist eine Flüssigkeit mit hohem Siedepunkt, die die Innenwände einer langen, dünnen Kapillarsäule beschichtet. Die Probe wird in eine beheizte Öffnung eingespritzt, wo sie verdampft und durch das Trägergas auf die Säule geschwemmt wird. Die Trennung erfolgt in erster Linie auf der Grundlage der Siedepunkte der Verbindungen und ihrer Wechselwirkungen mit der stationären Phase. Verbindungen mit einem niedrigeren Siedepunkt durchlaufen die Säule schneller als solche mit einem höheren Siedepunkt. Die Hauptanwendung der GC in der Rohstoffprüfung ist die Restlösungsmittelanalyse, bei der geringe Mengen an organischen Lösungsmitteln (z. B. Ethanol, Aceton, Hexan), die bei der Synthese oder Reinigung zurückbleiben, nachgewiesen und quantifiziert werden.

Physikalische und mechanische Analyse

Die chemische Identität und Reinheit eines Rohstoffs sind nur ein Teil der Geschichte. Seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften sind ebenso entscheidend, denn sie bestimmen, wie sich das Material in seiner Endanwendung handhaben, verarbeiten und verhalten wird. Ein Material, das chemisch 100% rein ist, kann immer noch völlig versagen, wenn seine physikalische Form nicht stimmt. Diese Tests schließen die Lücke zwischen chemischer Zusammensetzung und realer Funktionalität und stellen sicher, dass ein Material nicht nur das ist, was es sein soll, sondern sich auch so verhält, wie es sein soll.

• Analyse der Partikelgröße: Die Größe und Verteilung der Partikel eines Materials haben einen tiefgreifenden Einfluss auf sein Verhalten. Bei pharmazeutischen Pulvern bestimmt die Partikelgröße die Auflösungsrate (und damit die Bioverfügbarkeit), die Fließfähigkeit (entscheidend für die Herstellung von Tabletten und Kapseln) und die Gleichmäßigkeit des Inhalts. Bei Pigmenten und Füllstoffen beeinflusst sie Textur und Aussehen. Mit modernen Verfahren wie der Laserbeugung lässt sich die Partikelgrößenverteilung im Submikron- bis Millimeterbereich schnell und genau messen.
• Schmelzpunkt: Dies ist ein klassischer, aber aussagekräftiger Test für die Reinheit eines kristallinen Feststoffs. Eine reine Verbindung hat einen scharfen, gut definierten Schmelzpunkt. Das Vorhandensein von Verunreinigungen stört das Kristallgitter, wodurch der Schmelzpunkt in der Regel gesenkt und der Schmelzbereich erweitert wird. In einer Spezifikation wird oft ein enger Akzeptanzbereich für den Schmelzpunkt als Indikator für hohe Reinheit angegeben.
• Feuchtigkeitsgehalt: Der Wassergehalt eines Rohmaterials kann ein kritisches Qualitätsmerkmal sein. Überschüssige Feuchtigkeit kann mikrobielles Wachstum fördern, chemischen Abbau durch Hydrolyse verursachen oder einfach die effektive Konzentration des Wirkstoffs durch Gewichtszunahme verändern. Die Karl-Fischer-Titration ist die Referenzmethode für die genaue Bestimmung des Wassergehalts, mit der der Feuchtigkeitsgehalt von Teilen pro Million bis zu 100% gemessen werden kann.
• Viskosität: Bei flüssigen Rohstoffen wie Ölen, Sirupen oder Polymerlösungen ist die Viskosität ein wichtiger Parameter. Sie bestimmt, wie die Flüssigkeit fließt, wie leicht sie gepumpt und gemischt werden kann und wie sie zur Textur und Stabilität einer endgültigen Formulierung beiträgt. Rotationsviskosimeter werden in der Regel zur Messung dieser Eigenschaft unter kontrollierten Scherbedingungen eingesetzt.
• Zugfestigkeit/Härte: Für feste Materialien wie Kunststoffe, Polymere oder Metalle, die in strukturellen Anwendungen eingesetzt werden, sind die mechanischen Eigenschaften von größter Bedeutung. Die Zugfestigkeit misst den Widerstand eines Materials gegen das Auseinanderziehen, während die Härte den Widerstand gegen Eindrücken der Oberfläche misst. Diese Prüfungen sind unerlässlich, um sicherzustellen, dass ein Rohmaterial den mechanischen Belastungen standhält, denen es während der Verarbeitung und in seiner endgültigen Form ausgesetzt ist.

Implementierung eines soliden Programms

Die Umsetzung von technischem Wissen in ein praktisches, konformes und effizientes Testprogramm erfordert einen strategischen Rahmen. Bei einem soliden Programm geht es nicht nur um die Durchführung von Tests, sondern auch um Risikomanagement, die Validierung von Methoden und die Nutzung von Daten zur Gewährleistung einer gleichbleibenden Qualität. Wenn wir einen neuen Rohstoff erhalten, insbesondere von einem neuen Lieferanten, befolgen wir einen strengen Qualifizierungsprozess, der diese technischen Grundsätze integriert.

1. Risikobewertung und Spezifikationsentwicklung: Der Prozess beginnt mit einer Risikobewertung. Wir bewerten die Funktion des Materials und seine möglichen Auswirkungen auf die Sicherheit und Wirksamkeit des Endprodukts. Für einen kritischen Wirkstoff gilt ein viel strengerer Prüfplan als für einen inerten Verarbeitungshilfsstoff. Auf der Grundlage dieser Risikobewertung entwickeln wir eine umfassende Spezifikation, in der wir die Tests, Methoden und Akzeptanzkriterien festlegen, die sicherstellen, dass das Material für den vorgesehenen Zweck geeignet ist.
2. Methodenauswahl und Validierung: Wenn die Spezifikation vorliegt, wählen wir die geeigneten Analysemethoden aus, wobei wir uns auf die zuvor besprochenen Techniken beziehen. Für einen Identitätstest könnte FTIR verwendet werden, für einen Assay HPLC, und für Verunreinigungstests könnten GC für Lösungsmittelrückstände und AAS für Schwermetalle erforderlich sein. Entscheidend ist, dass diese Methoden validiert werden müssen. Bei der Methodenvalidierung handelt es sich um den dokumentierten Prozess, der nachweist, dass ein Analyseverfahren für die vorgesehene Verwendung geeignet ist und dass es genau, präzise, wiederholbar und robust ist.
3. Routineprüfungen vs. vollständige Qualifizierung: Wir unterscheiden zwischen den ersten, umfassenden Tests, die für ein neues Material oder einen neuen Lieferanten erforderlich sind, und den strafferen Tests für Routinelieferungen. Bei einer vollständigen Qualifizierung werden alle Tests gemäß der Spezifikation für mehrere erste Chargen durchgeführt, um eine Grundlage für Qualität und Konsistenz zu schaffen. Sobald ein Lieferant qualifiziert ist, können die Routineprüfungen für nachfolgende Chargen auf eine kritische Teilmenge von Tests reduziert werden, wie z. B. die Identitätsprüfung (z. B. FTIR) und eine Überprüfung des Analysezertifikats (CoA), basierend auf einem risikobasierten Ansatz und der Leistungsgeschichte des Lieferanten.

Ein zukunftsorientiertes Programm umfasst auch die moderne Datenanalyse. Das Konzept der Chemometrie beinhaltet die Verwendung multivariater statistischer Modelle, um mehr Informationen aus komplexen chemischen Daten zu gewinnen. So kann beispielsweise ein einzelnes FTIR-Spektrum nicht nur zur Identitätsbestimmung verwendet werden, sondern mit einem geeigneten Modell auch zur gleichzeitigen Vorhersage von Eigenschaften wie Feuchtigkeitsgehalt oder Partikelgröße, was schnellere Freigabeentscheidungen ermöglicht. Darüber hinaus werden zunehmend Algorithmen des maschinellen Lernens (ML) für die erweiterte Trendanalyse eingesetzt. Diese Systeme können Daten von Charge zu Charge aus Verfahren wie der HPLC überwachen und automatisch subtile Abweichungen oder Anomalien außerhalb des Trends erkennen, die auf ein sich entwickelndes Problem im Herstellungsprozess des Lieferanten hinweisen könnten, was ein proaktives Qualitätsmanagement anstelle einer reaktiven Fehleruntersuchung ermöglicht.

Die Zukunft der Materialanalyse

Die strenge Prüfung von Rohstoffen ist eine dynamische, vielschichtige Disziplin, die an der Schnittstelle zwischen Chemie, Physik und Datenwissenschaft angesiedelt ist. Sie ist die erste Verteidigungslinie zur Gewährleistung der Produktqualität und -sicherheit. Wie wir herausgefunden haben, ist ein erfolgreiches Programm auf ein tiefes technisches Verständnis der analytischen Kernprinzipien angewiesen, von den molekularen Fingerabdrücken, die durch spektroskopische Methoden aufgedeckt werden, bis hin zu den leistungsstarken Trennfähigkeiten der Chromatographie und den funktionellen Erkenntnissen, die durch die Analyse physikalischer Eigenschaften gewonnen werden.

Die Zukunft in diesem Bereich wird von zunehmender Präzision und Intelligenz geprägt sein. Da die Herstellungsprozesse immer ausgefeilter und die globalen Lieferketten immer komplexer werden, werden die Anforderungen an die analytische Wissenschaft weiter steigen. Der Trend geht weg von der einfachen Prüfung auf Einhaltung der Vorschriften und hin zu einem stärker prädiktiven, datengesteuerten Modell der Qualitätssicherung. Die Integration von fortschrittlicher Datenanalytik, Chemometrie und maschinellem Lernen wird uns nicht nur in die Lage versetzen, die Qualität der Materialien, die wir erhalten, zu überprüfen, sondern auch Qualitätsprobleme zu erkennen und zu vermeiden, bevor sie entstehen, und so die Integrität unserer Produkte vom ersten Schritt an sicherzustellen.

• Galvanotechnik - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Electroplating
• Eloxieren - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Anodizing
• ScienceDirect Topics - Elektrochemische Oberflächenbehandlung https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/electrochemical-surface-treatment
• ASTM International - Normen zur Oberflächenbehandlung https://www.astm.org/
• Vereinigung für Materialschutz und Performance (AMPP) https://ampp.org/
• ASM International - Oberflächentechnik https://www.asminternational.org/
• NIST - Wissenschaft der Materialmessung https://www.nist.gov/mml
• SpringerLink - Oberflächen- und Beschichtungstechnologie https://link.springer.com/journal/11998
• Materialien heute - Oberflächentechnik https://www.materialstoday.com/
• SAE International - Normen zur Oberflächenbehandlung https://www.sae.org/