Публикации
Численное моделирование процессов формования таблеток и нанесения покрытия (оболочки)
Часто процессу изготовления твёрдых дозированных таблеток не достаёт надёжности и точности вследствие производственных ошибок и недостаточного контроля за технологическим процессом. Столкнувшись с беспрецедентным экономическим давлением, фармацевтические компании-производители постоянно вынуждены искать способы повысить качество своей продукции и эффективность производственных процессов. Новая технология численного моделирования сложных физических процессов помогает повысить эффективность, качество и сократить время внедрения продукта на рынок за счёт создания виртуального прототипа и оптимизации.
СЛОЖНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ТВЁРДЫХ ДОЗИРОВАННЫХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ФОРМ
Таблетирование (сжатие порошкообразного материала в твёрдую дозированную таблетку) и покрытие таблеток оболочкой – это два важнейших этапа процесса изготовления таблеток, которые, в конечном счете, определяют вес, толщину, плотность, твёрдость и оболочку конечной твёрдой дозированной формы. Изменение любой из этих характеристик не только отрицательно влияет на полученную форму и терапевтическую эффективность лекарственных препаратов, но и изменяет свойства распада и растворения таблеток, что может стать причиной брака таблеток и вызвать их разламывание/измельчение во время упаковывания и транспортировки.
Доктор Меш, наш скромный эксперт в сложном мире вычислений, представляет нам новые возможности и креативные методы...
Сегодня с повышением требований к эффективному использованию топлива и контролю выбросов выхлопных газов растёт спрос на турбокомпрессоры...
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Численные гидродинамическое моделирование (Computational Fluid Dynamics (CFD)) сложной физики позволяет рассчитать поведение потоков жидкости, газа или частиц, включая процессы тепло- и массопереноса. Существенным преимуществом использования численного моделирования является то, что оно позволяет проводить валидацию конструкции или процесса до выполнения физических испытаний. Например, при разработке новой формы таблетки или материала оболочки требуется провести большое количество дорогостоящих и отнимающих много времени испытаний, чтобы избежать неожиданных результатов, выявить параметры непредсказуемых процессов и решить другие масштабные проблемы. Изучение всех этих факторов с помощью численного моделирования позволяет значительно сократить время, материальные и другие затраты на разработку. Кроме того, инструменты визуализации предоставляют наиболее полную картину о происходящем, которая не всегда доступна при физических испытаниях. В результате, появляется не только чёткое понимание процессов изнутри, но и открывается путь инновациям.
STAR-CCM+ ПРЕДОСТАВЛЯЕТ РЕШЕНИЕ
Технология автоматизированного построения многогранных сеток и множество различных физических моделей делают STAR-CCM+ наиболее полным междисциплинарным инструментом инженерного моделирования для решения широкого круга задач в фармацевтической промышленности. Одной из наиболее подходящих возможностей STAR-CCM+ для расчёта процесса изготовления таблеток является модель дискретных элементов (Discrete Element Modeling – DEM), полностью связанная с числовым расчётом потока в одной программной среде.
В процессе таблетирования и покрытия оболочкой задействовано большое количество дискретных частиц, которые взаимодействуют друг с другом и с окружающей их жидкостной средой. DEM точно отслеживает такое взаимодействие и моделирует контактные силы и перенос энергии вследствие столкновений и теплообмена между частицами и жидкостной средой. Метод DEM позволяет рассчитать плотные потоки с более чем 1 млн. частиц за разумный период времени, что делает его практичным способом для анализа реальных процессов изготовления таблеток, например, наполнения, сжатия/прессования и сушка.
На рисунке 1 показаны результаты расчёта предварительной прессовки в таблеточном прессе, выполненные в STAR-CCM+ с целью определить и исключить возможные ошибки, например, отслоение верхнего слоя таблетки из-за попадания воздуха и перемещения мелких частиц во время прессования. Метод DEM позволяет отследить взаимодействие частиц друг с другом и пресс-формой по мере их переупорядочивания и перемещения в пустое пространство во время предварительной прессовки. Моделирование предоставляет детальную картину о равномерности распределения гранул и помогает определить оптимальную силу предварительного сжатия и время пребывания частиц в прессе, необходимое для фиксирования мелких частиц на месте до начала прессования. Это значительно уменьшает риск появления распространённых браков таблеток в процессе их производства.
РИСУНОК 1. Расчёт STAR-CCM+ с использованием метода DEM. На рисунке показан лекарственный порошок, уложенный и сжатый в таблеточном прессе. Изменение цвета отражает неравномерность распределения гранул
Метод DEM с моделированием взаимодействия частиц с жидкостной средой предоставляет реалистичное решение для оценки равномерности толщины плёночного покрытия, критического параметра для качества таблетки. На рисунке 2 показан расчёт STAR-CCM+ процесса нанесения покрытия (формирования оболочки) таблетки в кипящем (псевдоожиженном) слое, где метод DEM определяет случайное движение частиц, т.к. их траектория меняется во время нанесения слоёв покрытия. В процессе моделирования отслеживаются такие параметры, как скорость частиц, время нахождения частиц и толщина покрытия. Они могут быть заданы в виде целевых функций в Optimate, модуле STAR-CCM+, обеспечивающем рациональное исследование, для определения важных факторов для конструкции оборудования (например, расположение сопла) и оптимальных условий для эксплуатации оборудования.
РИСУНОК 2. Моделирование нанесения покрытия в псевдосжижженном слое с использованием STAR-CCM+
Лагранжева модель STAR-CCM+ имеет новую возможность пассивных скаляров (Lagrangian passive scalar capability), позволяющую контролировать толщину покрытия и другие характеристики таблеток. На рисунке 3 показан расчёт случая с попаданием более 70000 таблеток в аппарат нанесения покрытия. Цель такого исследования - улучшить равномерность покрытия между частицами путём определения оптимальных настроек распылительного оборудования в тумблере. Задаются два пассивных Лагранжевых скаляра, представляющих толщину покрытия. Один с исходным объёмом при одно-конусном распылителе и другой с конечным объёмом при дву-конусном распылителе и с эффективной областью распыления, идентичной одной из первого пассивного скаляра. Данный подход позволил сравнить равномерность покрытия между частицами для двух различных зон распыления. Результат показал, что конфигурация с двумя распылителями обеспечивает более равномерное распределение покрытия.
РИСУНОК 3. Расчёт STAR-CCM+ позволяет сравнить толщину покрытия при одном и двух распылителях в тумблере
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На современном конкурентном рынке производство твёрдых дозированных таблеток должно опираться на качество и эффективность технологических процессов. Гидродинамический CFD-расчёт физики позволяет достичь этих показателей экономически-эффективным способом за счёт быстрого создания прототипа и оптимизации. Сложные потоки, участвующие в процессах таблетирования и покрытия оболочкой, могут быть с лёгкостью рассчитаны с помощью высококлассных физических моделей STAR-CCM+, в том числе мощного метода DEM и новой возможности пассивных скаляров. Пользователи из фармацевтической области могут воспользоваться всеми преимуществами этих современнейших технологий, открывающих путь инновационным способам повышения качества, сокращения затрат и времени выхода продукта на рынок.
Журнал: Dynamics, № 36 март 2014, стр. 41- 43
Авторы статьи: Sabine Goodwin,Olen Baran & Kristian Debus, компания CD-adapco.
Используя новейшие технологические процессы изготовления, включая непрерывный процесс обработки, а также стремясь внедрить качество и эффективность в процесс производства, производители твёрдых дозированных таблеток имеют перед собой сложную задачу, т.к. им необходимо точно определить ключевые факторы и требования для надёжных повторяемых процессов, в результате которых создаются высококачественные продукты.
