Wilgotność jako parametr procesu i jakości

Kontrolę wilgotności prowadzi się podczas odbioru surowców, opracowywania formulacji, kontroli międzyoperacyjnej i zwalniania gotowych partii. Korzystają z niej laboratoria przemysłu farmaceutycznego, kosmetycznego, spożywczego, chemicznego i biotechnologicznego. W zależności od produktu znaczenie ma jego stabilność, zachowanie podczas kolejnych etapów procesu albo zgodność ze specyfikacją. 

Wilgotność spoza zakresu właściwego dla produktu potrafi zmienić sypkość proszku, sprzyjać zbrylaniu oraz utrudniać mieszanie lub dozowanie. W kontroli jakości liczy się więc nie tylko pojedynczy wynik, lecz także jego powtarzalność i możliwość odtworzenia warunków oznaczenia.

Co naprawdę mierzy wagosuszarka?

Wagosuszarka łączy układ ważący z modułem grzewczym. Najpierw rejestruje masę początkową próbki, następnie ogrzewa ją według ustawionego programu i na bieżąco mierzy ubytek masy. Pomiar kończy się po osiągnięciu określonego kryterium, np. po upływie zadanego czasu albo wtedy, gdy zmiana masy w ustalonym przedziale staje się odpowiednio mała. Wynik obliczany jest na podstawie różnicy między masą początkową a masą po suszeniu. 

Pomiar wagosuszarkowy ma charakter termograwimetryczny – wynik wyznacza się z ubytku masy podczas ogrzewania. Zależnie od ustawień urządzenie przedstawia go jako zawartość wilgoci albo suchej masy. Ubytek masy po suszeniu określa się po angielsku jako loss on drying (LOD). W badaniach prowadzonych według normy lub farmakopei termin ten trzeba odnosić do wskazanej w niej procedury. Urządzenie rejestruje wszystkie składniki opuszczające próbkę podczas ogrzewania, nie tylko wodę. Jeżeli materiał zawiera inne substancje lotne albo ulega rozkładowi termicznemu, ubytek masy może zawyżać wynik interpretowany jako wilgotność. Metodę opracowuje się więc dla konkretnego rodzaju próbki i celu analizy zamiast przenosić ją bez sprawdzenia z innego produktu.

Powtarzalny wynik zaczyna się przed uruchomieniem pomiaru

Powtarzalność zależy w dużej mierze od postępowania z materiałem. Próbka oddaje wilgoć do otoczenia albo ją pochłania już podczas pobierania, transportu i rozdrabniania. Im bardziej higroskopijny lub lotny jest materiał, tym większe znaczenie ma ograniczenie czasu między otwarciem opakowania a rozpoczęciem oznaczenia.

1. Pobierz próbkę reprezentatywną dla całej partii. Jednorodny fragment z powierzchni opakowania nie zawsze odzwierciedla materiał znajdujący się głębiej.

2. Jeżeli procedura tego wymaga, ujednorodnij materiał. Duże cząstki, grudki lub nierówna struktura utrudniają równomierne ogrzewanie.

3. Odmierzaj porównywalną masę próbki. Zmiana masy wpływa na grubość warstwy, czas suszenia oraz czułość wyniku na niewielkie ubytki.

4. Rozłóż próbkę cienką i możliwie równą warstwą. Miejscowe nagromadzenie materiału może prowadzić do niedosuszenia wnętrza próbki.

5. Ogranicz wpływ przeciągów, drgań i gwałtownych zmian temperatury. Wagosuszarka jest jednocześnie urządzeniem grzewczym i precyzyjnym układem ważącym.

6. Stosuj te same zasady obsługi dla wszystkich oznaczeń danej metody – typ szalki, sposób nakładania próbki, moment rozpoczęcia pomiaru i kryterium zakończenia powinny być opisane w procedurze.

Jak opracować metodę suszenia?

Metoda powinna zapewniać wystarczające wysuszenie próbki bez jej przypalania, utleniania lub rozkładu. Zbyt niska temperatura wydłuża analizę, a przy czasowym zakończeniu pomiaru grozi niepełnym wysuszeniem. Zbyt wysoka prowadzi niekiedy do utraty innych składników lotnych albo rozkładu próbki. Ustawienia trzeba dobrać tak, aby pogodzić czas oznaczenia, selektywność i powtarzalność.

Temperatura i profil grzania

Materiały stabilne termicznie często można badać z użyciem profilu standardowego. Dla próbek wrażliwych na temperaturę wybiera się łagodniejsze narastanie mocy. Jeżeli powierzchnia próbki szybko zasycha i utrudnia odparowanie z głębszych warstw, trzeba ponownie ocenić jej masę, sposób rozłożenia, temperaturę oraz profil grzania. Sam program etapowy nie jest rozwiązaniem uniwersalnym. W przypadku cieczy i past pomocny bywa filtr z włókna szklanego, o ile dopuszcza go procedura. Ocenę ustawień ułatwiają również oględziny próbki po analizie. Przypalenie, spienienie lub wyraźna zmiana barwy wskazują, że parametry wymagają korekty.

Masa próbki

Nie istnieje jedna prawidłowa masa dla wszystkich produktów. Mniejsza próbka zwykle nagrzewa się szybciej, lecz wynik staje się bardziej podatny na niejednorodność materiału i niewielkie różnice ważenia. Większa próbka z reguły lepiej reprezentuje materiał, ale wydłuża suszenie i zwiększa ryzyko powstania zbyt grubej warstwy. Masę należy ustalić doświadczalnie, a następnie utrzymywać w określonym przedziale.

Kryterium zakończenia

Automatyczne zakończenie pomiaru opiera się najczęściej na ocenie zmiany masy w czasie. Kryterium zbyt łagodne grozi przerwaniem analizy przed pełnym wysuszeniem. Zbyt rygorystyczne niepotrzebnie wydłuża pracę i zwiększa wpływ powolnych procesów ubocznych. W analizach rutynowych najlepiej korzystać z jednego zapisanego programu zamiast każdorazowo dobierać parametry przez operatora.

Porównanie z metodą odniesienia

Jeżeli wynik służy do oceny zgodności produktu, metodę wagosuszarkową trzeba sprawdzić względem metody wskazanej w normie, specyfikacji, farmakopei albo zwalidowanej procedurze wewnętrznej. Częstym punktem odniesienia jest metoda suszarkowa, ale właściwy wybór zależy od rodzaju materiału i celu oznaczenia. Porównanie powinno obejmować zgodność wyników oraz powtarzalność w zakresie typowych próbek. Gdy materiał zawiera inne substancje lotne, a celem jest oznaczenie wyłącznie wody, właściwsza bywa metoda selektywna, np. miareczkowanie Karla Fischera.

Najczęstsze źródła błędów

Przyczyny rozbieżnych wyników zwykle można przypisać do kilku powtarzających się sytuacji:

* próbka zbyt długo pozostaje w otwartym naczyniu przed analizą;

* materiał nie został ujednorodniony albo próbki pochodzą z różnych miejsc opakowania;

* na szalce znajduje się nierówna lub zbyt gruba warstwa;

* operatorzy stosują różne masy próbek i różny sposób ich rozprowadzania;

* temperatura jest zbyt wysoka i powoduje rozkład albo ulatnianie składników innych niż woda;

* kryterium zakończenia jest niedopasowane do dynamiki suszenia;

* urządzenie nie jest czyszczone i kontrolowane zgodnie z procedurą.

Dobór wagosuszarki do konkretnego zastosowania

Parametry katalogowe powinny być oceniane w kontekście rzeczywistego procesu. Dostępne wagosuszarki laboratoryjne różnią się m.in. rozdzielczością układu wagowego, sposobem grzania, zakresem temperatury, dostępnymi profilami suszenia, kryteriami zakończenia oraz możliwościami zapisu i eksportu danych. Najwyższa rozdzielczość nie zawsze będzie najważniejszym kryterium. W rutynowej kontroli produkcji równie istotne bywają: odporność urządzenia, łatwe czyszczenie, prostota obsługi oraz możliwość zablokowania zatwierdzonej metody przed przypadkową zmianą.

W laboratoriach pracujących w systemach jakości warto zwrócić uwagę na: identyfikację operatora i próbki, historię wyników, format raportów oraz możliwość przenoszenia danych bez ręcznego przepisywania. Ogranicza to ryzyko pomyłek i ułatwia odtworzenie przebiegu oznaczenia. Urządzenie powinno również umożliwiać kontrolę układu ważącego i grzewczego zgodnie z instrukcją producenta oraz wewnętrznym harmonogramem.

Kontrola urządzenia to tylko część nadzoru nad metodą

Wagosuszarka ma dwa kluczowe układy – ważący i grzewczy. Błąd każdego z nich przekłada się na wynik. Rutynowy nadzór obejmuje więc sprawdzanie wskazań masy oraz kontrolę części grzewczej zgodnie z instrukcją konkretnego modelu. Jeżeli przewiduje to procedura producenta lub laboratorium, działanie całego urządzenia można dodatkowo oceniać z użyciem odpowiedniego materiału kontrolnego. Zakres i częstotliwość takich sprawdzeń ustala się z uwzględnieniem intensywności użytkowania, ryzyka oraz znaczenia wyniku dla procesu.

Gdy dwa oznaczenia tej samej partii dają różne wyniki, nie należy od razu zmieniać temperatury suszenia. Najpierw trzeba porównać masę próbki, grubość warstwy, czas od pobrania do rozpoczęcia analizy oraz zastosowane kryterium zakończenia. Dopiero po wykluczeniu tych różnic należy sprawdzić układ ważący i grzewczy. Taka kolejność ułatwia znalezienie rzeczywistej przyczyny problemu zamiast korygowania parametrów metodą prób i błędów.

Co zapisać w procedurze?

Wagosuszarka pozwala zwykle skrócić czas oczekiwania na wynik w porównaniu z klasyczną metodą suszarkową. Żeby taki wynik miał wartość w kontroli jakości, sposób oznaczenia musi być jednoznacznie opisany. Procedura dla danego materiału powinna określać: sposób pobierania, transportu, przechowywania i ujednorodniania próbki, dopuszczalny zakres jej masy i sposób rozłożenia na szalce, rodzaj szalki lub filtra, temperaturę, profil grzania oraz kryterium zakończenia. Powinna też wskazywać: metodę odniesienia, wymagania dotyczące powtarzalności, zasady kontroli urządzenia i sposób postępowania z wynikiem odbiegającym od oczekiwań.

Tak opisana procedura ułatwia zachowanie porównywalnych warunków przez różnych przeszkolonych operatorów. To właśnie powtarzalność, zgodność z metodą odniesienia i przydatność wyniku dla procesu decydują o jakości metody, a nie najwyższa temperatura lub najkrótszy czas analizy.

O autorze materiału 

Wagi Wielkopolska prowadzą sklep Moga.pl i wspierają laboratoria, zakłady produkcyjne oraz działy kontroli jakości w doborze i utrzymaniu aparatury pomiarowej. Zakres działalności obejmuje m.in. wagi laboratoryjne i przemysłowe, wagosuszarki, wzorce masy, siłomierze, aparaturę analityczną oraz usługi serwisowe i wzorcowanie.