Povećanje Wurster premaza: očuvanje ravnoteže među ključnim procesnim parametrima

Mehanika prskanja 

Nepravilno podešavanje parametara prskanja može uzrokovati greške na različite načine.

• Prekomjerno vlaženje posljedica je velikih kapljica; često zbog visoke viskoznosti, visokog udjela krutih tvari ili niskog tlaka atomizacije. Visoka brzina prskanja može dodatno preopteretiti sustav nadmašivanjem kapaciteta sušenja.

• Sušenje raspršivanjem događa se kada kapljice isparavaju u zraku - često zbog finih kapljica uzrokovanih visokim tlakom atomizacije, niskom viskoznošću ili niskom visinom mlaznice koja povećava put kapljica. Ovi uvjeti stvaraju kapljice s većom površinom po jedinici volumena i duljim zadržavanjem u vrućim zonama.

• Ujednačenost premaza ovisi o geometriji konusa. Uski kut prskanja poboljšava prodiranje u stupac, ali može uzrokovati lokalizirano prekomjerno izlaganje. Širi kut poboljšava distribuciju, ali mora biti usklađen s pravom visinom mlaznice kako bi se izbjegao gubitak premaza ili nedovoljno vlaženje.

Zajedno, ovi parametri određuju ne samo koliko je dobro premaz nanesen, već i ima li uopće šanse za formiranje. Raspršivanje postavlja potencijal, ali samo po sebi malo znači osim ako nije sinkronizirano sa sušenjem i cirkulacijom.

Kapacitet sušenja 

Sušenje je ono što učvršćuje premaz na mjestu, pretvarajući izloženost tekućini u stabilan film. Ali ako je sušenje presporo, preagresivno ili nepravilno tempirano, to pokreće tri glavna načina kvara.

• Prekomjerno vlaženje: niska temperatura ulaznog zraka usporava isparavanje, ostavljajući kapljice ljepljivima i sklonima stvaranju mostova. Visoka točka rosišta smanjuje brzinu sušenja, a nizak volumen zraka (ili brzina) može uzrokovati nedovoljno sušenje otapala.

• Prerano sušenje: kada se kapljice osuše na zraku ili prije koalescencije, gube prianjanje i integritet filma. To se događa kada su temperature ulaznog zraka i proizvoda previsoke, volumen zraka prekomjeran ili je točka rosišta preniska (što stvara previše suh zrak).

• Nekonzistentni premaz: visoka temperatura proizvoda može ometati koalescenciju filma premaza i time učiniti premaze krhkim. Kod vodenih polimera ovaj rizik naglo raste ako temperatura padne ispod minimalne temperature stvaranja filma (MFT) polimera. Niska točka rosišta ulaznog zraka može uzrokovati nakupljanje statičkog naboja i aglomeraciju s nepolarnim organskim premazima, jer nema dovoljno vlage za raspršivanje statičkog naboja.

Ukratko: sušenje nije samo uklanjanje otapala. Radi se o tome da se to učini na pravom mjestu, u pravo vrijeme.

Fluidizacija i cirkulacija 

Fluidizacija i cirkulacija doslovno održavaju proces u pokretu. Omogućuju česticama da se dosljedno raspršuju i suše. Ali ako se protok zraka, razina napunjenosti ili dinamika čestica poremete, petlja se prekida.

• Do aglomeracije može doći zbog visoke razine napunjenosti koja povećava gustoću sloja, što dovodi do mokrih sudara i stvaranja mostova. Pojačava je niska brzina ulaznog zraka uzrokovana uskim prstenastim razmakom koji slabi fluidizaciju.

• Prijevremeno sušenje ovdje je manje tipično, ali se može dogoditi ako je protok zraka prejak. Preveliki volumen ili brzina ulaznog zraka mogu prebrzo ili čak u zraku osušiti kapljice premaza.

• Nedosljedan premaz najčešći je kvar uzrokovan neusklađenošću. Široka raspodjela veličine čestica ili gustoće dovodi do nepravilnog vremena cirkulacije. Nedovoljno ispunjeni slojevi mogu omogućiti prekomjernu turbulenciju. Veća visina pregrade omogućuje prekomjerni protok zraka prema gore u područje donjeg sloja, čime se smanjuje razlika tlaka preko pregrade i slabi uvlačenje čestica u zonu prskanja. Kraća pregrada poboljšava čvrstoću uvlačenja, ali može skratiti izlaganje.

Pad tlaka na razdjelnoj ploči služi kao ključni dijagnostički signal: nagli padovi mogu ukazivati ​​na urušavanje sloja, dok postupni padovi često ukazuju na uvlačenje. Stabilna cirkulacija oslanja se na pažljivo skalirani protok zraka, uski PSD i konzistentnu snagu uvlačenja.

Nakon što se razumiju ove dinamičke sile, sljedeći korak je znati koje parametre treba fiksirati, a koje skalirati.

Parametri koje treba ispraviti tijekom razvoja procesa 

Prije početka skaliranja, neki ključni parametri mogu se zaključati uz minimalne potrebne revizije. Nakon što su postavljeni, fokus se može preusmjeriti na varijable na koje je skaliranje zapravo osjetljivo.

1. Ploče za distribuciju zraka

Otvorne ploče odabiru se na temelju veličine kolone i raspona veličine čestica¹:

2. Tlak zraka za atomizaciju

Iako se brzina prskanja i promjer mlaznice razlikuju ovisno o mjerilu, veličinu kapljica i tlak zraka za raspršivanje treba optimizirati do kraja razvojnih ispitivanja.

3. Točka rosišta, temperatura ulaznog zraka i temperatura proizvoda

Ove vrijednosti su obično fiksne za sve serije kako bi se očuvalo oslobađanje lijeka, integritet premaza i koalescencija filma. Iako se manje prilagodbe mogu dogoditi u velikim količinama zbog učinaka mase, značajne promjene trebale bi se vršiti samo uz validirano opravdanje.

Ukratko: ovo nisu poluge za skaliranje – to su skele. Učinite ih kako treba rano i ostalo postaje upravljivo.

Skaliranje

Odabrana oprema mora biti geometrijski slična u svim mjerilima, kako bi se linearnost varijabli mogla utvrditi tijekom povećanja skale.

Matematički odnosi³:

• Za održavanje linearne brzine zraka:
  V = L × A
  V1 / A1 = V2 / A2
  (V = volumen ulaznog zraka; L = linearna brzina zraka; A = površina poprečnog presjeka stupca)

• Za očuvanje brzine prskanja u odnosu na kapacitet sušenja:
  S1 / S2 = A1 / A2
  (S = brzina prskanja; A = površina poprečnog presjeka kolone)

Preporučena visina pregrade je 15-25 mm za stupove od 6″, 40-50 mm za stupove od 18″¹Tijekom premazivanja, može postupno rasti kako raste promjer čestica.

Čak i uz matematički ispravno skaliranje, povećana masa serije može promijeniti dinamiku topline i vlage. Očekujte male iterativne prilagodbe, posebno u ranim pilotnim serijama.

Iskustvo s česticama: uvidi iz istraživanja

Iako se tlak atomizacije često povećava s brzinom prskanja kako bi se održala veličina kapljica, ovo podešavanje nosi rizike. Veći moment kapljica povećava vjerojatnost trošenja jezgre i stvaranja finih čestica.¹, posebno u blizini mlaznice – gdje se opaža da se veće čestice dulje zadržavaju⁴.

Istraživanja temeljena na simulacijama pokazuju da su vrijeme zadržavanja i raspodjela vremena ciklusa primarni odrednici ujednačenosti premaza. Veće čestice pokazuju dulje vrijeme zadržavanja i ciklusa u zoni prskanja od malih čestica - što znači da primaju više premaza po prolazu, ali rjeđe prolaze kroz zonu prskanja.⁶Ove velike čestice približavaju se mlaznici, narušavajući ujednačenost taloženja kapljica i štiteći manje čestice od izloženosti.⁷Ovu nedosljednost pogoršava recirkulacija, gdje čestice ponovno ulaze u zonu premazivanja protiv struje zraka, što uvodi veliku varijabilnost u vremenu zadržavanja⁵.

Simulacija potvrđena PEPT podacima pokazala je da brzina protoka zraka na ulazu i visina Wursterove kolone određuju varijaciju u putanjama čestica i vremenu provedenom u zoni prskanja.⁸Dakle, ova dva parametra su najutjecajnije poluge za kontrolu takve varijabilnosti među skalama. Nepravilno skaliranje bilo kojeg od njih može povećati razlike u premazu.

Pokazalo se da je brzina isparavanja otapala najosjetljivija na temperaturu ulaznog zraka, dok brzina protoka zraka pretežno utječe na prinos premaza.⁹CFD-DEM studija pokazuje da optimizacija ovih parametara, zajedno s brzinom prskanja, značajno smanjuje gubitke sušenja raspršivanjem i skraćuje vrijeme procesa.

Zaključak

Wursterov premaz je skalabilan – ali samo kada se iskustvo čestica očuva kroz serije. Usredotočite se na očuvanje dinamike procesa, a ne samo na vrijednosti. Ako su prskanje, sušenje i cirkulacija sinkronizirani, vaš će se proces skalirati s pouzdanjem.

Reference:

1. Sonar, Girish. (2015). Wursterova tehnologija: Uključene procesne varijable i Scale up science. Inovacije u farmaciji i farmaceutskoj tehnologiji.

https://www.researchgate.net/publication/316734542_Wurster_technology_Process_variables_involved_and_Scale_up_science

2. ACG. (2023). Wursterov proces skaliranja - od A do Ž. YouTube.
https://www.youtube.com/watch?v=SyP5TC-LXWc

3. Kalra A., Pathak C. i Hollis C. (2018). Tehnička bilješka o povećanju opsega Wursterovog procesa u Catalentu u Winchesteru. Catalent. 

https://www.catalent.com/expert-content/oral-technologies/scale-up-of-wurster-process-at-catalent-winchester/

4. Song, Y., Zhou, T., Bai, R., Zhang, M. i Yang, H. (2023). Pregled CFD-DEM modeliranja procesa granulacije i premazivanja u mokrom fluidiziranom sloju. Processes, 11(2), 382.
https://www.mdpi.com/2227-9717/11/2/382

5. Jiang, Zhaochen i Bück, Andreas i Tsotsas, Evangelos. (2017). CFD-DEM studija vremena zadržavanja, taloženja kapljica i brzine sudara za binarnu smjesu čestica u Wursterovom uređaju za nanošenje premaza s fluidiziranim slojem. Tehnologija sušenja. https://www.researchgate.net/publication/314749924_CFD-DEM_study_of_residence_time_droplet_deposition_and_collision_velocity_for_a_binary_particle_mixture_in_a_Wurster_fluidized_bed_coater

6. Li, L., Rasmuson, A., Ingram, A., Johansson, M., Remmelgas, J., von Corswant, C. i Folestad, S. (2015.), PEPT studija ciklusa čestica i distribucije vremena zadržavanja u Wurster fluidnom sloju. AIChE J., 61: 756-768.
https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aic.14692

7. Li, Liang i Remmelgas, Johan i Wachem, Berend i Corswant, Christian i Johansson, Mats i Folestad, Staffan i Rasmuson, Anders. (2015). Raspodjela vremena zadržavanja čestica različitih veličina u zoni prskanja Wursterovog fluidiziranog sloja proučavana korištenjem DEM-CFD. Tehnologija praha. 280. https://www.researchgate.net/publication/276165022_Residence_time_distributions_of_different_size_particles_in_the_spray_zone_of_a_Wurster_fluid_bed_studied_using_DEM-CFD

8. Böhling, Peter i dr. (2019). Računalno modeliranje dinamike fluida - metoda diskretnih elemenata za Wursterov oblagač industrijske veličine. Journal of Pharmaceutical Sciences, svezak 108, broj 1, 538 – 550.

https://jpharmsci.org/article/S0022-3549(18)30616-6/fulltext

9. S. Madlmeir, T. Forgber, M. Trogrlić, D. Jajčević, A. Kape, L. Contreras, A. Carmody, P. Liu, C. Davies, A. Sarkar, JG Khinast. (2022). Kvantificiranje prinosa premaza modeliranjem prijenosa topline i mase u Wursterovom uređaju za premazivanje s fluidiziranim slojem. Chemical Engineering Science, svezak 252, 117505.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250922000896