การขยายขนาดการเคลือบแบบ Wurster: การรักษาสมดุลของพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญ

กลไกการพ่นสี 

การปรับพารามิเตอร์การพ่นที่ไม่ถูกต้องอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดได้หลายวิธี

• การทำให้เปียกมากเกินไปเป็นผลมาจากหยดของเหลวขนาดใหญ่ ซึ่งมักเกิดจากความหนืดสูง ปริมาณของแข็งสูง หรือความดันละอองต่ำ อัตราการพ่นที่สูงอาจทำให้ระบบทำงานหนักเกินขีดจำกัดโดยเกินความสามารถในการทำให้แห้ง

• การทำให้แห้งแบบพ่นฝอยเกิดขึ้นเมื่อละอองระเหยกลางอากาศ ซึ่งมักเกิดจากละอองขนาดเล็กที่เกิดจากแรงดันละอองที่สูง ความหนืดต่ำ หรือความสูงของหัวฉีดที่ต่ำ ทำให้ระยะห่างระหว่างละอองเพิ่มขึ้น สภาวะเหล่านี้ทำให้ละอองมีพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรมากขึ้น และคงอยู่ในบริเวณที่มีอากาศร้อนได้นานขึ้น

• ความสม่ำเสมอของการเคลือบขึ้นอยู่กับรูปทรงกรวย มุมสเปรย์ที่แคบช่วยให้การพ่นผ่านคอลัมน์ดีขึ้น แต่อาจทำให้เกิดการได้รับแสงมากเกินไปเฉพาะจุด มุมที่กว้างขึ้นช่วยให้การกระจายตัวดีขึ้น แต่ต้องปรับให้เข้ากับความสูงของหัวฉีดที่เหมาะสม เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียการเคลือบหรือการเปียกที่ไม่เพียงพอ

พารามิเตอร์เหล่านี้ไม่เพียงแต่กำหนดว่าการเคลือบจะมีประสิทธิภาพเพียงใด แต่ยังกำหนดด้วยว่าการเคลือบจะมีโอกาสเกิดขึ้นหรือไม่ การพ่นเป็นตัวกำหนดศักยภาพ แต่นั่นเพียงอย่างเดียวก็แทบไม่มีความหมายเลย เว้นแต่ว่ามันจะสอดคล้องกับการอบแห้งและการหมุนเวียน

ความสามารถในการทำให้แห้ง 

การอบแห้งคือสิ่งที่ช่วยยึดสารเคลือบให้อยู่กับที่ ทำให้ของเหลวที่สัมผัสกับพื้นผิวกลายเป็นฟิล์มที่เสถียร แต่หากการอบแห้งช้าเกินไป รุนแรงเกินไป หรือล่าช้าเกินไป จะทำให้เกิดความล้มเหลวหลัก 3 ประการ

• การทำให้เปียกมากเกินไป: อุณหภูมิอากาศขาเข้าที่ต่ำทำให้การระเหยช้าลง ทำให้หยดของเหลวเหนียวและมีแนวโน้มที่จะเกาะตัวกัน จุดน้ำค้างที่สูงจะทำให้อัตราการแห้งตัวลดลง และปริมาณอากาศ (หรือความเร็วลม) ที่ต่ำอาจทำให้ตัวทำละลายแห้งไม่เพียงพอ

• การแห้งก่อนกำหนด: เมื่อหยดของเหลวแห้งในอากาศหรือก่อนการรวมตัว หยดของเหลวจะสูญเสียการยึดเกาะและความสมบูรณ์ของฟิล์ม สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิของอากาศขาเข้าและผลิตภัณฑ์สูงเกินไป ปริมาณอากาศมากเกินไป หรือจุดน้ำค้างต่ำเกินไป (ทำให้อากาศแห้งเกินไป)

• การเคลือบที่ไม่สม่ำเสมอ: อุณหภูมิผลิตภัณฑ์ที่สูงอาจรบกวนการรวมตัวของฟิล์มเคลือบ และทำให้เคลือบเปราะ สำหรับพอลิเมอร์ที่เป็นน้ำ ความเสี่ยงนี้จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วหากอุณหภูมิลดลงต่ำกว่าอุณหภูมิขั้นต่ำในการสร้างฟิล์ม (MFT) ของพอลิเมอร์ จุดน้ำค้างที่ต่ำของอากาศเข้าอาจทำให้เกิดการสะสมของประจุไฟฟ้าสถิตและการเกาะกลุ่มกับสารเคลือบอินทรีย์ที่ไม่มีขั้ว เนื่องจากความชื้นไม่เพียงพอต่อการระบายประจุไฟฟ้าสถิต

สรุปสั้นๆ ก็คือ การทำให้แห้งไม่ใช่แค่การกำจัดตัวทำละลายเท่านั้น แต่มันคือการทำให้แห้งในสถานที่และเวลาที่เหมาะสม

การทำให้เป็นของเหลวและการไหลเวียน 

การทำให้เป็นของเหลวและการหมุนเวียนช่วยให้กระบวนการยังคงดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง ซึ่งช่วยให้อนุภาคสามารถพ่นและแห้งได้อย่างสม่ำเสมอ แต่หากการไหลเวียนของอากาศ ระดับการเติม หรือพลวัตของอนุภาคไม่สมดุล วงจรก็จะขาด

• การเกาะกลุ่มกันอาจเกิดขึ้นได้เนื่องจากระดับการเติมที่สูง ซึ่งเพิ่มความหนาแน่นของชั้นวัสดุ นำไปสู่การชนกันในสภาพเปียกและการเกิดสะพาน ปัญหานี้รุนแรงขึ้นเนื่องจากความเร็วลมขาเข้าต่ำ ซึ่งเกิดจากช่องว่างวงแหวนแคบๆ ที่ทำให้การฟลูอิไดเซชันอ่อนลง

• การแห้งก่อนเวลาอันควรนั้นพบได้น้อยกว่าในที่นี้ แต่อาจเกิดขึ้นได้หากลมไหลเข้าแรงเกินไป ปริมาณหรือความเร็วลมเข้าที่มากเกินไปอาจทำให้หยดสารเคลือบแห้งเร็วเกินไปหรือแม้กระทั่งแห้งกลางอากาศ

• การเคลือบที่ไม่สม่ำเสมอเป็นความล้มเหลวที่พบบ่อยที่สุดซึ่งเกิดจากการวางแนวที่ไม่ถูกต้อง การกระจายตัวของขนาดอนุภาคหรือความหนาแน่นที่กว้างทำให้เวลาหมุนเวียนไม่สม่ำเสมอ ชั้นที่เติมวัสดุไม่เต็มอาจทำให้เกิดการปั่นป่วนมากเกินไป ความสูงของผนังกั้นที่มากขึ้นทำให้อากาศไหลขึ้นมากเกินไปในบริเวณชั้นที่ลดลง ซึ่งจะช่วยลดความแตกต่างของความดันระหว่างผนังกั้นและลดแรงดึงของอนุภาคเข้าสู่บริเวณพ่น ผนังกั้นที่สั้นลงจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการดึง แต่สามารถลดการสัมผัสได้

แรงดันตกคร่อมแผ่นจ่ายเป็นสัญญาณสำคัญในการวินิจฉัย แรงดันตกคร่อมที่ฉับพลันอาจบ่งชี้ถึงการยุบตัวของฐานรอง ในขณะที่แรงดันตกคร่อมที่ค่อยเป็นค่อยไปมักบ่งชี้ถึงการดึงเข้า การไหลเวียนที่เสถียรต้องอาศัยการไหลของอากาศที่ปรับขนาดอย่างระมัดระวัง ความดันอากาศที่แคบ และความแข็งแรงในการดึงเข้าที่สม่ำเสมอ

เมื่อเข้าใจแรงพลวัตเหล่านี้แล้ว ขั้นตอนถัดไปคือการทราบว่าจะต้องแก้ไขพารามิเตอร์ใด และจะปรับขนาดใด

พารามิเตอร์ที่ต้องแก้ไขระหว่างการพัฒนากระบวนการ 

ก่อนเริ่มการขยายขนาด พารามิเตอร์สำคัญบางตัวสามารถล็อกได้ โดยไม่จำเป็นต้องแก้ไขเพิ่มเติมมากนัก เมื่อตั้งค่าแล้ว โฟกัสจะเปลี่ยนไปยังตัวแปรที่การขยายขนาดสามารถรับรู้ได้จริง

1. แผ่นกระจายลม

เลือกแผ่นรูพรุนตามขนาดคอลัมน์และช่วงขนาดอนุภาค¹:

2. ความดันอากาศแบบละออง

แม้ว่าอัตราการพ่นและเส้นผ่านศูนย์กลางหัวฉีดจะแตกต่างกันไปตามขนาด แต่ควรปรับขนาดของหยดและแรงดันอากาศที่ทำให้เป็นละอองให้เหมาะสมเมื่อสิ้นสุดการทดลองพัฒนา

3. จุดน้ำค้าง อุณหภูมิอากาศเข้า และอุณหภูมิผลิตภัณฑ์

โดยทั่วไปค่าเหล่านี้จะคงที่ในแต่ละชุดการผลิตเพื่อรักษาการปลดปล่อยยา ความสมบูรณ์ของสารเคลือบ และการรวมตัวของฟิล์ม แม้ว่าอาจมีการปรับเปลี่ยนเล็กน้อยในระดับขนาดใหญ่เนื่องจากผลกระทบจากมวล แต่การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญควรทำโดยมีเหตุผลประกอบที่ได้รับการยืนยันแล้วเท่านั้น

สรุปสั้นๆ ก็คือ สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่คันโยกสำหรับการขยายขนาด แต่มันคือนั่งร้าน จัดการให้ถูกต้องตั้งแต่เนิ่นๆ แล้วส่วนที่เหลือก็จะจัดการได้เอง

ไต่ขึ้น

อุปกรณ์ที่เลือกจะต้องมีรูปทรงเรขาคณิตที่คล้ายกันในทุกมาตราส่วน เพื่อให้สามารถกำหนดความเป็นเส้นตรงของตัวแปรได้ในระหว่างการขยายขนาด

ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์³:

• เพื่อรักษาความเร็วลมเชิงเส้น:
  วี = ล × เอ
  V1 / A1 = V2 / A2
  (V = ปริมาตรอากาศเข้า; L = ความเร็วลมเชิงเส้น; A = พื้นที่หน้าตัดเสา)

• เพื่อรักษาอัตราการพ่นให้สัมพันธ์กับความสามารถในการทำให้แห้ง:
  S1 / S2 = A1 / A2
  (S = อัตราการพ่น; A = พื้นที่หน้าตัดเสา)

ความสูงของพาร์ติชั่นที่แนะนำคือ 15-25 มม. สำหรับเสา 6 นิ้ว และ 40-50 มม. สำหรับเสา 18 นิ้ว¹ในระหว่างการเคลือบ อาจค่อยๆ เพิ่มขึ้นเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคเพิ่มขึ้น

แม้จะมีการปรับมาตราส่วนทางคณิตศาสตร์ที่ถูกต้อง แต่มวลชุดที่เพิ่มขึ้นก็อาจเปลี่ยนแปลงพลวัตของความร้อนและความชื้นได้ คาดว่าจะมีการปรับเปลี่ยนแบบวนซ้ำเล็กน้อย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในชุดนำร่องช่วงแรกๆ

ประสบการณ์อนุภาค: ข้อมูลเชิงลึกจากการวิจัย

แม้ว่าความดันของละอองมักจะเพิ่มขึ้นตามอัตราการพ่นเพื่อรักษาขนาดของหยด แต่การปรับนี้ก็มีความเสี่ยง โมเมนตัมของหยดที่สูงขึ้นจะเพิ่มโอกาสในการสึกกร่อนของแกนกลางและการเกิดเม็ดละเอียด¹โดยเฉพาะบริเวณใกล้หัวฉีด ซึ่งอนุภาคขนาดใหญ่จะคงอยู่ได้นานขึ้น⁴.

การตรวจสอบโดยใช้แบบจำลองแสดงให้เห็นว่าการกระจายตัวของเวลาคงตัวและเวลารอบเป็นปัจจัยหลักที่กำหนดความสม่ำเสมอของการเคลือบ อนุภาคขนาดใหญ่จะมีเวลาคงตัวและรอบในบริเวณที่พ่นนานกว่าอนุภาคขนาดเล็ก ซึ่งหมายความว่าอนุภาคเหล่านี้ได้รับการเคลือบมากกว่าต่อรอบ แต่เคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่พ่นน้อยกว่า⁶อนุภาคขนาดใหญ่เหล่านี้เคลื่อนตัวเข้ามาใกล้หัวฉีดมากขึ้น ทำให้เกิดการรบกวนความสม่ำเสมอของการสะสมตัวของละออง และป้องกันอนุภาคขนาดเล็กจากการสัมผัส⁷ความไม่สม่ำเสมอนี้จะยิ่งรุนแรงขึ้นเนื่องจากการหมุนเวียน ซึ่งอนุภาคจะกลับเข้าไปในโซนเคลือบอีกครั้งทวนกระแสลม ส่งผลให้ระยะเวลาที่สารคงอยู่มีการเปลี่ยนแปลงสูง⁵

การจำลองที่ได้รับการตรวจสอบโดยข้อมูล PEPT แสดงให้เห็นว่าอัตราการไหลของอากาศเข้าและความสูงของคอลัมน์ Wurster ควบคุมความแปรปรวนในวิถีของอนุภาคและเวลาที่ใช้ในโซนการพ่น⁸ดังนั้น พารามิเตอร์ทั้งสองนี้จึงเป็นตัวกระตุ้นที่มีอิทธิพลมากที่สุดในการควบคุมความแปรปรวนดังกล่าวในแต่ละสเกล การกำหนดสเกลที่ไม่เหมาะสมของทั้งสองแบบอาจทำให้ความเหลื่อมล้ำของการเคลือบกว้างขึ้น

อัตราการระเหยของตัวทำละลายได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีความอ่อนไหวต่ออุณหภูมิอากาศที่เข้ามามากที่สุด ในขณะที่อัตราการไหลของอากาศมีอิทธิพลเป็นหลักต่อผลผลิตของการเคลือบ⁹การปรับให้เหมาะสมเหล่านี้ควบคู่ไปกับอัตราการพ่นแสดงให้เห็นโดยการศึกษา CFD-DEM ว่าสามารถลดการสูญเสียจากการพ่นแห้งและลดเวลาของกระบวนการได้อย่างมีนัยสำคัญ

สรุป

การเคลือบ Wurster สามารถปรับขนาดได้ – แต่ต้องรักษาประสบการณ์ของอนุภาคไว้ได้ในทุกชุด มุ่งเน้นที่การรักษาพลวัตของกระบวนการ ไม่ใช่แค่คุณค่า หากการพ่น การทำให้แห้ง และการหมุนเวียนสอดคล้องกัน กระบวนการของคุณก็จะปรับขนาดได้อย่างมั่นใจ

อ้างอิง:

1. Sonar, Girish. (2015). เทคโนโลยี Wurster: ตัวแปรกระบวนการที่เกี่ยวข้องและการขยายขนาดวิทยาศาสตร์ นวัตกรรมทางเภสัชกรรมและเทคโนโลยีเภสัชกรรม

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

2. ACG. (2023). การขยายขนาดกระบวนการ Wurster - จาก A ถึง Z. YouTube.
https://www.youtube.com/watch?v=SyP5TC-LXWc

3. Kalra A., Pathak C. และ Hollis C. (2018). บันทึกทางเทคนิค การขยายขนาดของกระบวนการ Wurster ที่ Catalent Winchester. 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., และ Yang, H. (2023). บทวิจารณ์แบบจำลอง CFD-DEM ของกระบวนการทำแกรนูลแบบฟลูอิไดซ์เบดแบบเปียกและกระบวนการเคลือบ Processes, 11(2), 382
https://www.mdpi.com/2227-9717/11/2/382

5. Jiang, Zhaochen & Bück, Andreas & Tsotsas, Evangelos. (2017). การศึกษา CFD-DEM เกี่ยวกับระยะเวลาการคงอยู่ การสะสมตัวของหยด และความเร็วการชนสำหรับส่วนผสมของอนุภาคคู่ในเครื่องเคลือบแบบฟลูอิไดซ์เบด Wurster. เทคโนโลยีการอบแห้ง 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. และ Folestad, S. (2015), การศึกษา PEPT เกี่ยวกับวัฏจักรของอนุภาคและการกระจายเวลาที่อยู่อาศัยในเตียงของเหลวของ Wurster ไอเช เจ., 61: 756-768.
https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aic.14692

7. Li, Liang & Remmelgas, Johan & Wachem, Berend & Corswant, Christian & Johansson, Mats & Folestad, Staffan & Rasmuson, Anders. (2015). การกระจายตัวของอนุภาคขนาดต่างๆ ในช่วงเวลาพักตัวในโซนสเปรย์ของฟลูอิดเบด Wurster ที่ศึกษาโดยใช้ DEM-CFD. เทคโนโลยีผง. 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 และคณะ (2019). การจำลองวิธีองค์ประกอบแบบไม่ต่อเนื่องด้วยพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณของเครื่องเคลือบ Wurster ระดับอุตสาหกรรม วารสารวิทยาศาสตร์เภสัชกรรม เล่มที่ 108, ฉบับที่ 1, หน้า 538-550

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

9. S. Madlmeir, T. Forgber, M. Trogrlic, D. Jajcevic, A. Kape, L. Contreras, A. Carmody, P. Liu, C. Davies, A. Sarkar, JG Khinast. (2022). การหาปริมาณผลผลิตของสารเคลือบโดยการสร้างแบบจำลองการถ่ายเทความร้อนและมวลในเครื่องเคลือบแบบฟลูอิไดซ์เบด Wurster. วารสารวิศวกรรมเคมี, เล่มที่ 252, หน้า 117505
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250922000896