O leite é o maior segmento no mercado de alimentos e a bebida láctea ainda é o produto lácteo mais consumido no mundo, seguido por manteiga e queijo. Os produtos lácteos são considerados parte da dieta saudável e diferentes países têm recomendações para a ingestão diária de leite ou derivados. Assim, o consumo de produtos lácteos está aumentando globalmente. 

O consumo crescente exerce pressão no setor para a criação de processos aprimorados. Os processadores de produtos lácteos se concentram na qualidade, na conformidade com os padrões do produto e na higiene do processo. O uso eficiente de matéria-prima com o sistema adequado de gerenciamento de desperdício garante eficiência em termos de custo e recursos. A sustentabilidade é uma área de enfoque cada vez mais importante e, com monitores de processo, otimização e ferramentas de medição adequados, os fabricantes podem atingir suas metas de sustentabilidade com mais facilidade, usar materiais com eficiência e reduzir o desperdício. As medições de processo precisas podem aumentar a rentabilidade e o rendimento do processamento de produtos lácteos. 

Vários procedimentos de processamento de produtos lácteos.

O leite é composto principalmente por água, gordura, proteínas, lactose (açúcar do leite) e minerais (sais). Quando a água e o gás são removidos, o resíduo é chamado de matéria seca (DM) ou teor de sólidos totais (TS) do leite. As indústrias estão usando vários procedimentos de processamento para produtos lácteos, como:

Evaporação e secagem

A evaporação do leite para um teor de sólidos mais alto e a secagem para obtenção de pó deixam o produto mais leve, mais fácil e mais barato para transportar, pois uma quantidade maior do produto cabe em um espaço menor. A vida útil do pó também é maior, e o produto é mais fácil de manusear e transportar, pois os patógenos geralmente precisam de condições úmidas para se desenvolver. Assim, os pós de leite são os bens agrícolas mais comercializados no mundo todo.

O leite também é evaporado até certo ponto quando é processado para se transformar em leite condensado ou leite condensado adoçado. Todas essas operações precisam de um rígido controle de evaporação, e uma escala de medição comum é a Brix ou medição de sólidos totais (TS).

Sólidos totais e identificação do produto

O leite fresco, geralmente colocado em embalagens de papelão, tem várias opções de produto, desde leite desnatado até leite integral. Devido à vida útil curta, esse produto costuma ser um bem local. Na fabricação, toda a gordura é removida primeiro do leite cru e, então, adicionada novamente de acordo com a receita e o padrão legal. Essa etapa de processamento é chamada de padronização, e é uma etapa fundamental porque cada país tem diferentes normas sobre a composição do leite.

A homogeneização é um etapa comum depois da padronização, que reduz as moléculas de gordura em um tamanho bem pequeno que não pode aumentar e cria uma camada cremosa em cima do leite. Durante a produção de leite fresco, os produtores querem medir o teor de sólidos totais (TS) com precisão e de acordo com os padrões legais, além de criar produtos com o mínimo de desperdício. A rápida identificação do produto do leite melhora o rendimento, levando a uma economia para os produtores com a minimização do desperdício do produto e a proibição de misturas e caras retiradas do produto.

Fórmula para bebês

O leite para bebês é uma versão sintética do leite materno desenvolvida para ser usada como um alimento complementar ou um substituto para satisfazer as necessidades nutricionais do bebê. Os produtores querem garantir com certeza absoluta as condições de higiene e a segurança do produto, além de proteger o valor nutricional do produto. No processo de fabricação, a medição de sólidos totais (TS) é muito importante para qualquer fabricante da fórmula para bebês.

Mistura e saborização do produto

Leite, produtos lácteos, iogurte, sorvete e produtos alternativos do leite podem ser misturados com geleia, sabores e xaropes para criar artigos deliciosos. A mistura correta e precisa é essencial nesse processo.

Medição do processo com o refratômetro da Vaisala

Além do rígido controle do processo e das condições de higiene, medições precisas e confiáveis do processo são necessárias para melhorar a rentabilidade e garantir alimentos limpos, seguros e com um sabor familiar, feitos exatamente de acordo com a receita.

A solução da Vaisala para a otimização do processo de fabricação de produtos lácteos é o sistema Refratômetro de processo sanitário PR-43 , que consiste em um refratômetro compacto ou de sonda e uma interface do usuário que garante a facilidade de uso. O  refratômetro  também pode ser usado como um dispositivo autônomo. As diferentes opções da interface do usuário variam de uma versão resistente a uma versão leve e compacta e uma versão da Web. Elas permitem que o usuário escolha a melhor maneira de acessar e usar os dados de medição e diagnóstico do refratômetro.

A medição do refratômetro não é afetada por bolhas, partículas ou vibração. O design higiênico tem o certificado 3-A e o produto pode executar operações de limpeza local (CIP) e esterilização local (SIP). O refratômetro abrange toda a faixa de Brix de 0 a 100%.

Saiba mais sobre os diferentes processos e como um refratômetro pode ajudar a controlar, otimizar e economizar matéria-prima e energia em nosso ebook Otimização do processamento de produtos lácteos.

No final de 2018, a Vaisala adquiriu o grupo finlandês K-Patents, pioneiro em medição de líquidos em linha para aplicações industriais. A aquisição permite à Vaisala expandir sua experiência tecnológica e portfólio de produtos de gás para medição de líquidos. A nova área de produtos, Medição de Líquidos, traz a renomada tecnologia de índice de refração (IR) e produtos de refratômetro de processo em linha disponíveis para diversos tipos de aplicações de controle de processos industriais.

Noções básicas de refratometria

Os cientistas consideram a medição do índice de refração (IR) a maneira ideal de medir concentrações de líquido.
O procedimento é relativamente simples e baseado na refração da luz. Um exemplo simples dessa propriedade da luz se dá ao colocar um lápis em um copo de solução. O lápis parece se curvar quando, na verdade, a luz se curva.

Muitos percebem esse fenômeno em primeira mão, por exemplo, com o canudo de um refrigerante ou suco, ou com os remos de um barco a remo.

Um ponto importante do princípio de medição é entender que, mesmo que haja partículas ou bolhas de gás na solução, o ângulo de curvatura é o mesmo que em soluções claras. As partículas ou bolhas não influenciam o ângulo de curvatura, portanto, a única coisa que influencia o ângulo de curvatura é a alteração na concentração da solução.
 

O ângulo crítico

O estudo das propriedades da luz culminou no desenvolvimento da ciência da refratometria.

A luz viaja em velocidades diferentes em meios diferentes. Quanto mais denso o meio, mais lenta a velocidade da luz. Quando a luz passa de um meio para outro em um ângulo diferente de 90°, ela muda não apenas a velocidade, mas também a direção no limite entre os dois meios. Quando um feixe de luz entra no líquido, ele é parcialmente refratado para o líquido e parcialmente refletido. O ponto onde a reflexão total tem início é chamado de ângulo crítico.

Na maioria das soluções, a concentração de soluto em um solvente pode ser determinada ao medir o IR. A relação entre o índice de refração e a concentração depende do solvente e do soluto, da temperatura e do comprimento de onda.

Na prática, a dependência do comprimento de onda (dispersão) é evitada pelo uso de luz monocromática. A dependência da temperatura é compensada matematicamente pelo uso de uma fórmula de compensação.

A combinação do refratômetro de processo verdadeiramente digital com o design robusto

O IR foi primeiramente desenvolvido como técnica de laboratório que, posteriormente, fez uma transição para o processo de medição, já que os refratômetros se desenvolveram e ficaram muito mais resistentes. A criação do refratômetro em linha no processo deve suportar condições severas e exigentes que podem incluir elementos cáusticos, vibração, poeira, calor, pressão ou uma combinação de todos esses fatores.

A K-PATENTS® desenvolveu refratômetros digitais de processo para determinar o IR da solução do processo medindo o ângulo crítico de refração. O ângulo crítico é medido por uma câmera CCD digital. O refratômetro de processo fornece uma saída CC de 4 a 20 mA ou sinal Ethernet proporcional à concentração da solução do processo compensado pela temperatura.

O refratômetro avança o módulo óptico CORE (Compact Optical Rigid Element, Elemento rígido óptico compacto) patenteado pela K-PATENTS®, que incorpora todos os componentes ópticos LED (Diodo emissor de luz), lentes, prisma e câmera CCD, bem como o elemento de temperatura pT-1000, em um módulo rígido. O módulo óptico CORE é isolado do corpo do refratômetro e, portanto, forças externas, como pressão, fluxo e mudanças de temperatura, não influenciam a medição. Não há necessidade de manutenção regular devido à construção sem partes móveis, sem potenciômetros de ajuste e com o módulo óptico CORE de estado sólido.

O mesmo princípio se aplica a diversos designs de modelos de refratômetros que são fáceis de instalar em tubos, tanques e reatores pequenos ou grandes. As aplicações variam de substâncias perigosas potencialmente explosivas a líquidos quimicamente agressivos que exigem ligas especiais ou peças não metálicas, como produtos químicos do fabricante usados no processamento de pastilhas semicondutoras.

Os refratômetros de processo Vaisala K-PATENTS® são fechados, operam continuamente, fazendo interface com outros elementos de um sistema de controle de processo, além disso, são mais caros do que, por exemplo, instrumentos portáteis, devido à sua robustez e complexidade, elementos necessários para executar um monitoramento confiável em processo.

Com a tecnologia exclusiva e patenteada de índice de refração, a medição de temperatura e o princípio de medição digital embutidos, não há derivação de medição, o que torna os refratômetros inovadores K-PATENTS® exclusivos e uma solução de medição vantajosa para todos os líquidos.

Neste blog, responderemos às perguntas recebidas durante o webinar recente sobre os benefícios do índice de refração (RI) no desenvolvimento e na produção de ingredientes farmacêuticos ativos (APIs). 

A gravação do webinar está disponível aqui.

Você mencionou a Classe USP VI. Também é importante indicar a temperatura em que isso é válido, por exemplo, 121 °C.

O PTFE modificado usado como material da junta do prisma foi testado de acordo com o protocolo da Classe USP para plásticos a 70 °C. Caso uma temperatura mais alta seja necessária, especifique isso no início do projeto quando o produto adequado para a aplicação é selecionado.

Existe algum slide que mostre o nível de sensibilidade do índice de refração à temperatura (dados de laboratório)?

Normalmente, um grau centígrado em Celsius corresponde a ± 0,1% em concentração, mas é bom não esquecer que isso depende do produto químico ou da substância medida. Cada valor de índice de refração será calibrado para corresponder à curva química da medição e da aplicação específicas.

O refratômetro é certificado para uso em áreas perigosas?

Também fornecemos refratômetros de processo intrinsecamente seguros que podem ser usados em locais perigosos na Zona 0, na Zona 1 e na Zona 2. O refratômetro está disponível com as certificações ATEX e IECEx. 

No exemplo de lavagem do bloco, a imagem incluía um tipo de sonda usado em um aparelho de tubo muito pequeno. Isso foi feito porque o usuário final queria expandir o refratômetro da sonda para uma eventual escala de produção?

Temos um modelo de produto farmacêutico compacto e escalável, que foi apresentado. No entanto, nesse caso específico, o cliente optou por usar um refratômetro de sonda já no laboratório, que tem o mesmo modelo usado em diferentes pontos das fábricas piloto e de escala máxima dele.

Você pode comentar sobre a precisão das medições de RI? Que dizer sobre o recurso de precisão do instrumento?

Em termos de índice de refração nD, a precisão é ± 0,0002.

Realizamos uma etapa de cristalização por resfriamento durante a fabricação de API. Quero saber como detectar quando os cristais começam a se formar. É possível ver os cristais com as medições de índice de refração?

A medição de índice de refração não é influenciada pelos cristais em suspensão e, portanto, não é possível "ver" os cristais. No entanto, você provavelmente quer saber em que ponto os cristais começam a se formar, e é possível determinar isso com medições de índice de refração. Se você monitorar a concentração da solução principal com um refratômetro, conseguirá saber como a concentração aumenta durante o resfriamento até um ponto de saturação ou supersaturação, depois do qual a concentração começa a diminuir. A concentração começa a diminuir porque o composto do líquido ou solvente começa a cristalizar e a transferência de massa do líquido para o sólido provoca a formação do cristal. Esse é o ponto que você quer determinar e monitorar.

O índice de refração pode detectar turvação?

Não, pois a turvação é causada por sólidos suspensos e o índice de refração é influenciado somente pelo material dissolvido da solução.

Como posso recalibrar o refratômetro?

O refratômetro K-Patents não tem nenhum desvio de medição. Isso significa que o refratômetro é entregue na sua fábrica calibrado para índice de refração e não precisará ser recalibrado. No entanto, de acordo com as diretrizes de GMP, é necessário realizar uma verificação em um período definido pela prática da sua empresa. A K-Patents calibra cada refratômetro usando líquidos com índice de refração padrão da Cargille na faixa total. Portanto, a calibração do refratômetro K‑Patents pode ser verificada com facilidade no local usando os líquidos com índice de refração rastreáveis do N.I.S.T. As instruções para as etapas de verificação aparecem no visor do refratômetro. Um relatório dos resultados de verificação pode ser impresso e assinado.

Tenho um processo de destilação para uma mistura de clorofórmio e acetato de etila. Posso monitorar em tempo real a concentração do clorofórmio? Precisamos disso para interromper a operação.

O ponto de fervura do clorofórmio parece ser menor (61 °C) do que o do acetato de etila (77 °C), de modo que o clorofórmio deve ser seu produto principal. É possível medir a concentração em tempo real com um refratômetro, mas, nesse caso, deve ser depois do condensador. Precisaríamos verificar a faixa do índice de refração, a temperatura e outros detalhes do processo, mas isso não seria um problema. Parece ser uma boa aplicação para o refratômetro e uma boa oportunidade para otimizar seu processo. Você pode entrar em contato, e nós enviaremos um formulário a ser preenchido com os detalhes necessários para avaliação da sua aplicação.

Você tem alguma experiência de uso do RI em sistemas de alta pressão? Em caso afirmativo, quais são as maiores tolerâncias de pressão que as sondas podem suportar?

Com base em nossa especificação técnica, podemos fornecer o instrumento para suportar pressões de processo de até 40 bar.

Juntando forças: Vaisala e K-Patents

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A saúde é um ativo social e econômico de essencial importância, e o desenvolvimento de medicamentos efetivos anda de mãos dadas com o desenvolvimento da sociedade. Podemos curar, prevenir e tratar mais doenças do que nunca. Entretanto, com doenças e condições médicas surgindo, os pesquisadores farmacêuticos estão constantemente tentando desenvolver novos medicamentos.

Os medicamentos consistem em duas partes: os ingredientes farmacêuticos ativos (API), que são os componentes de cura da doença e os excipientes quimicamente inativos apropriados, que compõem o veículo que administra o medicamento no corpo humano ou animal. Um foco importante na pesquisa e no desenvolvimento farmacêuticos e na engenharia de produtos está explorando novos componentes de API para desenvolver medicamentos inovadores e, talvez no futuro, personalizados.

A complexidade da fabricação farmacêutica

O desenvolvimento de novos medicamentos é um processo de alto risco, caro e longo. Só para que se tenha uma ideia, o Tufts Center for the Study of Drug Development estimou que disponibilizar um medicamento no mercado custa mais de US$ 2 bilhões e, de acordo com o Pharmaceutical Journal, apenas 1 em cada 10 medicamentos que iniciam a fase clínica chega ao mercado. Além disso, leva cerca de 10 a 15 anos para desenvolver um medicamento e, quando estiver disponível para venda, 10 anos para recuperar o alto custo do investimento. Para equilibrar os riscos envolvidos na fabricação de novos medicamentos, muitas empresas farmacêuticas fabricam genéricos, concentrando-se em produtos de patentes expiradas ou modificando ligeiramente uma patente.

Outros desafios para as empresas farmacêuticas são as rígidas regulamentações relacionadas à fabricação de medicamentos e aos elevados custos operacionais que se seguem. A fabricação de medicamentos requer um sistema que garanta que o produto final atenda às especificações predeterminadas. A abordagem convencional tem consistido em produzir medicamentos em processos em lote com etapas separadas, incluindo longos períodos de armazenamento e verificação de qualidade offline após cada estágio. A produção em lote pode até exigir que o produto intermediário seja transferido de uma instalação para outra para etapas de produção adicionais. Essa abordagem permite conformidade e produtos de alta qualidade, mas também cria grandes gargalos e ineficiências no processo, estendendo o tempo total de processamento e aumentando consideravelmente os custos de produção.

Isso tudo afeta o desempenho financeiro das empresas farmacêuticas e, por conseguinte, os custos dos produtos para os pacientes e a sociedade. Ao mesmo tempo, existe uma pressão crescente para reduzir os preços dos medicamentos e, como solução, as empresas farmacêuticas estão buscando novas formas de trabalhar. Muitos dos líderes do setor estão investindo pesadamente em pesquisa e desenvolvimento na exploração de soluções técnicas que possam acelerar o tempo de desenvolvimento de medicamentos e tornar o processo economicamente viável.   

Implementação de fabricação contínua (CM)

A Food and Drug Administration (FDA) tem a missão de apoiar a inovação e a modernização farmacêutica como parte de seu compromisso de proteger e promover a saúde pública. Com isso em vista, a FDA lançou a iniciativa Process Analytical Technology (PAT) e publicou uma diretriz que permite o uso de medições oportunas e ferramentas analíticas que fornecem meios para a aquisição de informações suficientes para a compreensão do processo. A estratégia PAT também fornece a base certa para migrar dos processos em lote para a fabricação contínua (CM) na produção farmacêutica e biofarmacêutica.

Para implementar a CM, é necessário um entendimento completo do processo para criar uma estratégia de controle que minimize a variação do material recebido. Os atributos críticos de qualidade do medicamento devem ser identificados, bem como as variáveis de produção que têm efeito sobre eles, para estabelecer tolerâncias de desvio aceitáveis e definir as ferramentas PAT corretas para monitoramento e controle. As medições em tempo real nos estágios iniciais da descoberta do medicamentos ajudam a reunir uma grande quantidade de dados para obter conhecimento científico de modo a mitigar os riscos associados ao desenvolvimento de novos medicamentos e a criar processos robustos e capazes de fornecer produtos de alta qualidade de forma consistente.

Índice de refração como ferramenta de PAT

A PAT envolve não apenas o uso de sensores de processo convencionais, como pressão, temperatura e pH, mas também novas tecnologias de análise em linha. Entre as tecnologias recentes está o índice de refração (IR), uma medida direta da concentração de líquidos com base na refração da luz. Medições de IR são adotadas por outras indústrias há décadas - por exemplo, em celulose e papel para medição do teor de sólidos de licor negro e na indústria de açúcar para o grau Brix em fabricação de açúcar   - mas, quando a iniciativa PAT teve início, ainda era pouco explorada no setor farmacêutico.

Uma grande vantagem do IR é que ele pode ser medido em linha por um refratômetro de processo, o que reforça a tendência atual na indústria farmacêutica de adotar o processamento contínuo. Os refratômetros de processo são usados principalmente para medir, monitorar e controlar as concentrações de líquidos. Essas medições também são importantes no processamento farmacêutico, já que muitas etapas de processamento são realizadas em meio líquido. Mas é nas aplicações menos convencionais que o princípio por trás da medição, índice de refração, oferece muitas outras oportunidades para o desenvolvimento e processamento de medicamentos.

As medições do índice de refração provaram ser precisas na identificação do produto, ainda mais que as medidas de densidade e condutividade, já que cada produto químico possui um valor distinto de índice de refração. Essa característica exclusiva revela o potencial do índice de refração como uma ferramenta analítica PAT em outras aplicações, como detecção de interface entre diferentes solventes, ou entre solvente e produto, e monitoramento de reação em que o valor de IR da mistura muda à medida que os reagentes se tornam produtos. As medições de índice de refração em linha fornecem uma janela para o processo e as informações que não puderam ser obtidas pelos testes offline de laboratório tradicionais.

O índice de refração oferece um enorme potencial para a compreensão do processo fundamental

Um estudo realizado por uma grande empresa farmacêutica na Europa, alguns anos atrás, identificou 11 possíveis aplicações para o índice de refração apenas na fabricação de API. Os cientistas concluíram que, ao medir o IR em tempo real, é obtido um perfil de processo específico para o processo, que pode ser usado como referência para o desenvolvimento e expansão de LEAN e, por fim, para reduzir consideravelmente o trabalho e o tempo de desenvolvimento de medicamentos.

Os benefícios das medições do índice de refração não se limitam à fabricação da API. As medições de IR já são amplamente aplicadas no processamento de biofarma e os refratômetros são usados atualmente para monitorar aplicações como fermentação, cultura de células, vacinas, proteínas, plasma sanguíneo e produção de enzimas.

O índice de refração está se tornando um método revolucionário para criar um entendimento fundamental do processo. Além disso, é útil investigar várias dinâmicas de processos e interações químicas necessárias para a criação de processos robustos e economicamente viáveis e estratégias de controle que reduzam a variabilidade do produto. Os exemplos apresentados acima são apenas alguns, mas não há dúvida de que haverá mais oportunidades à medida que as empresas farmacêuticas começarem a pensar no futuro e as medições do índice de refração forem usadas com o máximo potencial no processamento farmacêutico.

Saiba mais no Webinar

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