การปรับเปลี่ยนระบบฟลูอิดเบดแบบง่ายๆ จะช่วยเร่งกระบวนการเรียงเม็ดพลาสติกได้หรือไม่?

เหตุใดการวางชั้นวัสดุรองรับในปริมาณสูงจึงทำให้ระบบ Wurster เกิดความเครียด

ในกระบวนการเคลือบแบบ Wurster เม็ดพลาสติกจะหมุนเวียนผ่านคอลัมน์พ่นแนวตั้ง ซึ่งสารละลายเคลือบจะถูกพ่นทีละชั้น ด้วยการไหลของอากาศแบบฟลูอิไดซ์ อนุภาคจะเคลื่อนที่ระหว่างบริเวณพ่นและบริเวณอบแห้งโดยรอบ

ในแต่ละชั้นที่พ่นและทำให้แห้ง การระเหยของตัวทำละลายจะกลายเป็นขั้นตอนที่จำกัดอัตราการเกิดปฏิกิริยา การเพิ่มความเข้มข้นของสารเคลือบเพื่อลดปริมาณตัวทำละลายจะทำให้ความหนืดเพิ่มขึ้นและเสี่ยงต่อการอุดตันของหัวฉีด^{2, 3}ในขณะที่ความเข้มข้นที่ต่ำกว่าจะทำให้ปริมาณสารตกค้างเพิ่มขึ้นและยืดระยะเวลาในการอบแห้ง

จากการศึกษาโดยใช้ PEPT และ CFD-DEM พบว่าอนุภาคใช้เวลาประมาณ 12–29% ของเวลาทั้งหมดในท่อเวิร์สเตอร์⁴เนื่องจากส่วนที่เหลือของกระบวนการเกี่ยวข้องกับการขนส่งและการถ่ายเทความร้อน/มวลในโซนแยกต่างหาก จังหวะการพ่นแห้งจึงช้ากว่าเมื่อเทียบกับระบบโรเตอร์ 

ในการพ่นแบบสัมผัสโดยใช้ใบพัด การเปียกและการแห้งจะทับซ้อนกันมากขึ้น

หลาย ฟลูอิดเบดสมัยใหม่ที่ออกแบบมาสำหรับการเคลือบ Wurster สามารถรองรับได้เช่นกัน อุปกรณ์ยึดโรเตอร์ทำให้สามารถฉีดพ่นในแนวสัมผัสได้ ระบบแบบโรเตอร์เปลี่ยนประสบการณ์การเคลื่อนที่ของอนุภาคไปอย่างสิ้นเชิง เนื่องจากการไหลของอากาศขึ้นด้านบน แรงเหวี่ยง และแรงโน้มถ่วง อนุภาคจะเคลื่อนที่ในเส้นทางแบบเกลียวหรือคล้ายเชือกไปรอบๆ ห้อง⁵.

แรงเฉือนและการชนกันทำให้เม็ดผงผสมเข้ากันและกระจายหยดน้ำ ทำให้มีพื้นที่ผิวสัมผัสสำหรับการอบแห้งมากขึ้น และลดการสะสมของตัวทำละลายเฉพาะจุด เม็ดผงทั้งหมดเคลื่อนที่พร้อมกัน ซึ่งแตกต่างจากการสัมผัสแบบไม่ต่อเนื่องในคอลัมน์ Wurster ดังนั้นการเรียงชั้น การอบแห้ง และการผสมจึงเกิดขึ้นพร้อมกัน

ตัวแปรต่างๆ ในเตาเผาแบบฟลูอิดเบดหมุนต้องทำงานประสานกัน

อัตราการฉีดพ่น แรงดันการทำให้เป็นละออง และความเร็วรอบของใบพัด มีผลต่อการกระจายขนาดอนุภาค (PSD) และการเจริญเติบโตของอนุภาคเป็นหลัก⁵การฉีดพ่นในอัตราสูงที่ความดันการพ่นละอองต่ำจะทำให้เกิดหยดน้ำขนาดใหญ่ขึ้นและระเหยช้าลง ส่งผลให้เกิดกลุ่มหยดน้ำขนาดใหญ่ขึ้นและมีการกระจายขนาดอนุภาคที่กว้างขึ้น⁵ในทางกลับกัน หยดน้ำขนาดเล็กที่เกิดจากแรงดันสูงจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอมากขึ้น ทำให้ช่วงการกระจายขนาดอนุภาคแคบลง

ความเร็วรอบของใบพัดมีผลต่อกลไกการทำงานที่ขึ้นอยู่กับความชื้น ที่อัตราการพ่นต่ำ ความเร็วสูงจะทำให้กลุ่มอนุภาคที่แห้งและอ่อนแอแตกตัว ทำให้ขนาดอนุภาคยังคงเล็ก ในทางกลับกัน ที่อัตราการพ่นสูง ความเร็วสูงจะช่วยเพิ่มการอัดแน่นและความเสถียรของอนุภาคที่เปียกและสามารถเปลี่ยนรูปได้ ทำให้ขนาดของอนุภาคใหญ่ขึ้น⁵.

ข้อสรุปนั้นชัดเจน: ระบบโรเตอร์สามารถทนต่ออัตราการสะสมตัวที่สูงได้ แต่การปรับความเร็วของโรเตอร์หรืออัตราการฉีดพ่นเพียงอย่างเดียวอาจทำให้กระบวนการไม่เสถียรได้

การพ่นผงแห้งจะเปลี่ยนจากการพ่นตัวพาไปเป็นการพ่นกาว

แม้แต่ในการพ่นแบบสัมผัสโดยใช้โรเตอร์ การระเหยของตัวทำละลายก็ยังคงเป็นตัวกำหนดว่าอัตราการตกตะกอนสามารถเพิ่มขึ้นได้มากน้อยเพียงใด การเคลือบผงแห้งเปลี่ยนสิ่งนี้ไปโดยการกำหนดบทบาทของเฟสของเหลวใหม่ – จากตัวพาไปเป็นกาว

การพ่นสารละลายยึดเกาะพร้อมกับผง API ไปพร้อมกัน ช่วยลดปริมาณสารละลายที่พ่นลงบนอนุภาคแต่ละอนุภาค และลดเวลาในการอบแห้งต่อรอบ เมื่อเปรียบเทียบกับการพ่นสารละลายแบบสัมผัส การเคลือบด้วยผงสามารถลดการใช้ตัวทำละลาย (โดยเฉพาะตัวทำละลายที่เป็นน้ำ) ได้มากถึง 80% และลดเวลาในการผลิตได้เกือบ 50%⁶.

สิ่งนี้ช่วยให้บริษัทรับจ้างผลิตยา (CDMO) ระดับโลกแห่งหนึ่งลดเวลาในการผลิตลงได้ถึง 60%

เมื่อไม่นานมานี้ ลูกค้าของเราคนหนึ่ง (ซึ่งเป็น CDMO ที่ให้บริการในตลาดที่มีการควบคุม) กำลังพัฒนาขั้นตอนการผลิตแบบ Wurster เพื่อเตรียมเม็ดสำหรับแคปซูล Lansoprazole

เพื่อป้องกันการอุดตันของหัวฉีด ความเข้มข้นของการฉีดพ่นจึงถูกจำกัดไว้ที่ 25% อย่างไรก็ตาม ความเข้มข้นต่ำจำเป็นต้องใช้ตัวทำละลายจำนวนมากเพื่อให้ได้ปริมาณยาที่เท่ากัน ปริมาณวัสดุที่เกินมาถูกจำกัดไว้ที่ 5% เหนือความต้องการตามทฤษฎี ดังนั้น การใช้สารละลายมากขึ้นจึงเป็นไปไม่ได้

ร่วมกับวิศวกรกระบวนการผลิตที่ ห้องปฏิบัติการ ACGพวกเขาเปลี่ยนมาใช้ระบบการเคลือบผงแห้งแบบโรเตอร์ โดยติดตั้งโรเตอร์เข้ากับเครื่องจักรเดิม พร้อมกับอุปกรณ์ป้อนผง ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างชิ้นงานขนาดใหญ่ได้อย่างรวดเร็วด้วยการดัดแปลงเพียงเล็กน้อยและการลงทุนน้อยที่สุด

เมื่อร่วมมือกัน เราก็ประสบความสำเร็จดังนี้:

• 60% ลดระยะเวลาดำเนินการ (จาก 12 ชั่วโมง เหลือเกือบ 5 ชั่วโมง)
• 70% การลดการใช้ตัวทำละลาย
• 100% ลดปริมาณวัสดุที่เกินความต้องการ (จาก 5% เหลือ 0%)
• 100% ประสิทธิภาพการเคลือบเม็ด

บทสรุป

ระบบของ Wurster โดดเด่นในการสร้างฟิล์มที่มีคุณสมบัติสม่ำเสมอ แต่เมื่อเป้าหมายเปลี่ยนไปเป็นการเคลือบพื้นผิวด้วยปริมาณสูง กระบวนการจะถูกจำกัดด้วยการระเหยของตัวทำละลายและการพ่นที่ไม่ต่อเนื่อง ไม่ใช่แค่การตั้งค่าเครื่องจักรเท่านั้น

การพ่นแบบสัมผัสโดยใช้โรเตอร์จะเปลี่ยนพฤติกรรมของอนุภาค ทำให้การเปียก การผสม และการทำให้แห้งเกิดขึ้นพร้อมกัน แทนที่จะเกิดขึ้นทีละขั้นตอน การเคลือบผงแห้งนั้นก้าวไปอีกขั้นด้วยการลดบทบาทของเฟสของเหลวจากตัวพาไปเป็นกาว ซึ่งช่วยลดความต้องการตัวทำละลายและเวลาในกระบวนการลงอย่างมาก

การปรับกลไกการตกตะกอนให้เข้ากับวัตถุประสงค์ในการโหลดสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมาก บางครั้งอาจใช้เพียงการปรับเปลี่ยนอุปกรณ์เล็กน้อยเท่านั้น

อ้างอิง:

1. Suhrenbrock et al. (2012). การเรียงชั้นเม็ด: ข้อควรพิจารณาในการขยายขนาดโดยใช้อุปกรณ์แปรรูปประเภทต่างๆ การพัฒนายาและเภสัชกรรมอุตสาหกรรม เล่มที่ 38 ปี 2012 - ฉบับที่ 12. 
   https://www.tandfonline.com/doi/10.3109/03639045.2011.653815?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed
2. Alkadhem et al. (2025). วิศวกรรมตัวเร่งปฏิกิริยาในหลายระดับ: อดีต ปัจจุบัน และอนาคตของกระบวนการผลิตและการขึ้นรูปตัวเร่งปฏิกิริยา ChemCatChem 2025, 0, e01109.
   https://d-nb.info/1380103029/34
3. Mueller et al. (2023). การประเมินกระบวนการพ่นด้วยหัวฉีดสามของเหลวเพื่ออำนวยความสะดวกในการอบแห้งแบบสเปรย์ของพอลิเมอร์ที่ชอบน้ำเพื่อสร้างสารกระจายตัวของแข็งอสัณฐาน เภสัชศาสตร์ 2023, 15(11), 2542.
   https://www.mdpi.com/1999-4923/15/11/2542
4. Li, Liang. (2015). การเคลื่อนที่ของอนุภาค การเคลือบ และการอบแห้งในเตาเผาแบบฟลูอิไดซ์เบดของเวิร์สเตอร์ - การศึกษาเชิงทดลองและการสร้างแบบจำลององค์ประกอบแบบไม่ต่อเนื่อง ภาควิชาเคมีและวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีชาลเมอร์ส
   https://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/224608/224608.pdf
5. Langner et al. (2023). การวิเคราะห์ทางสถิติของกระบวนการรวมตัวของอนุภาคในเตาเผาแบบฟลูอิไดซ์หมุนด้วยการฉีดพ่นแบบสัมผัสและการวัดขนาดอนุภาคแบบอินไลน์เพื่อควบคุมกระบวนการ PAT กระบวนการ 2023, 11(4), 1066.
   https://www.mdpi.com/2227-9717/11/4/1066
6. Foppoli et al. (2020). การประเมินเทคนิคการเคลือบผงเทียบกับการเคลือบแบบพ่นในการผลิตระบบส่งยาแบบพัลส์ที่บวม/สึกกร่อนได้ Drug Dev Ind Pharm 2020 ส.ค.;46(8):1230-1237.
   https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32597251/