Vigilancia y detección de la cristalización de subproductos

La supervisión in situ de la composición de la fase sólida durante la cristalización se realiza a menudo mediante espectroscopia raman, pero no todos los compuestos de un sistema de interés son fuertemente activos por Raman. Investigadores del Georgia Tech desarrollaron un análisis basado en imágenes para detectar una segunda fase sólida no deseada con EasyViewer, antes de que otras herramientas PAT detecten la aparición del sólido. Matthew McDonald describe el sistema, que consiste en la cristalización reactiva de antibióticos betalactámicos, en la que un subproducto de la reacción catalizada por enzimas puede cristalizar dentro de la pasta de antibiótico.

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El objetivo actual de la investigación es la cefalexina, un antibiótico crítico, con un subproducto de fenilglicina; sin embargo, varios otros antibióticos betalactámicos presentan el mismo comportamiento, entre ellos la ampicilina, el cefaclor y la cefazolina. El subproducto fenilglicina está presente en solución a concentraciones del orden de decenas de milimoles por litro con una sobresaturación inferior a 1,5; la detección de una disminución de la concentración de unos 10 milimoles (que indica el inicio de la cristalización de la fenilglicina) dentro de una mezcla de varios componentes a una concentración >100 milimolar resultó difícil con herramientas de fase líquida in situ como ATR-FTIR. La fenilglicina comparte muchos grupos funcionales con el producto deseado y los reactantes, lo que hace que su huella espectroscópica sea similar a la del producto y los reactantes.

Con la espectroscopia raman in situ, no pudimos detectar cargas bajas de fenilglicina sólida en una suspensión de cefalexina, ya fuera por la baja actividad Raman en comparación con la cefalexina o por el solapamiento con la solución compleja de grupos funcionales similares. Los cambios en los recuentos de FBRM y en las distribuciones de longitud de cuerda no aparecieron con cargas bajas de sólidos de fenilglicina, como tampoco lo hicieron los cambios en la turbidez. El pH de la solución mostró el cambio más fuerte tras la formación de sólidos de fenilglicina, pero el pH no es una medida robusta de la aparición de fenilglicina, ya que muchas perturbaciones del sistema (a menudo benignas) dan respuestas de pH similares. Como los cristales de los antibióticos betalactámicos tienen (predominantemente) forma de aguja y los cristales de fenilglicina tienen forma de placa o columna, la diferencia de forma, así como la intensidad de la retrodispersión, pueden utilizarse para diferenciar las dos clases de partículas. Además, se sabe que los cristales de fenilglicina se separan en las interfaces aire-agua, un hecho que puede aprovecharse, ya que los cristales tienden a agruparse en las superficies de las burbujas, lo que facilita su identificación en las imágenes (Hoeben et al. 2009).

El análisis de imágenes permite extraer y registrar en tiempo real las características y estadísticas de las imágenes in situ, y la investigación demostró que la fenilglicina puede detectarse a partir de imágenes in situ. En primer lugar, los objetos de la imagen se identifican mediante la detección de bordes. A continuación, se utilizan las propiedades de los objetos, como el tamaño, la relación de aspecto, la intensidad de los píxeles, etc., así como las distribuciones de estas propiedades para cada objeto de cada imagen, para detectar la fenilglicina. Mediante el seguimiento de estas características y estadísticas, se puede construir un clasificador para identificar la fenilglicina a partir de los datos de la imagen y se puede implementar en tiempo real para su seguimiento y detección. Las estadísticas también pueden registrarse como un histórico, lo que resulta más factible que almacenar el experimento como imágenes completas.

Hoeben, M. A., et al. (2009). "Design of a Counter-Current Interfacial Partitioning Process for the Separation of Ampicillin and Phenylglycine" (Diseño de un proceso de separación interfacial en contracorriente para la separación de ampicilina y fenilglicina) Industrial & Engineering Chemistry Research 48(16): 7753-7766..