Granulationssysteme:Kollision&Wachstum von feuchten Partikel

Die Entwicklung neuer Medikamente ist ein Hauptfaktor zur Verbesserung der Gesundheit von Patienten. Die Tablette ist eines der beliebtesten Medikamente, die verwendet werden. Tabletten bestehen aus komprimiertem Granulat, das kleine Pulver enthält. Um solche Partikel leicht behandeln zu können, werden sie in einem Prozess, der Granulation genannt wird, zu großen Agglomeraten (als Partikelansammlungen) umgewandelt. Bei diesem Prozess werden einige Schritte unternommen: i) klebrige Lösungen (als Bindemittel) werden über die Partikel gesprüht, um sie feucht zu machen; ii) die feuchten Pulver werden durch den Luftstrom oder mechanische Agitation in Kontakt gebracht; iii) die Kollision mit benachbarten Partikeln führt dazu, dass die feuchten Partikel durch die Flüssigkeitsbrücken binäre Granulat bilden; iv) bei der Kollision mit anderen Granulate/Partikeln wachsen diese Granulat in die Größe. Diese Kollisionen können jedoch zum Bruch der Brücke und damit des Granulat führen. In diesem Schritt ist das Granulat bereit für die Weiterverarbeitung zur Tablettenproduktion. Das Design und die Optimierung des Granulationsprozesses stellen eine große Herausforderung dar, was die Durchführung grundlegende Untersuchungen erfordert, um den Mechanismus der Granulation zu verstehen. Daher konzentrieren wir uns in diesem Projekt auf die Kollision von feuchten Partikeln, als das grundlegendste Phänomen im Granulationsprozess. Unser Hauptziel ist zu verstehen, welche Parameter die Festigkeit des Granulates gegen Bruch beeinflussen. Dies kann durch die Auswertung der Kräfte geschehen, die auf die primären Partikel durch die Flüssigkeitbrücken wirken. Unter Anwendung numerischer Ansätze diskretisieren wir unsere Partikel und die Flüssigkeitbrücken (bekannt als Berechnungsdomäne) zu sehr kleinen Zellen mit einheitlichen Eigenschaften in Bezug auf Geschwindigkeit, Druck, Flüssigkeitsanteil usw. Dann lösen wir die Gleichungen, die das Kräftegleichgewicht für alle Zellen im Berechnungsgebiet beschreiben. Diese Berechnung kann uns helfen zu verstehen, wie sich die Flüssigkeit über die Partikel verteilt, wenn sie kollidieren, aneinanderhaften und zurückprallen. Darüber hinaus können wir durch diesen Ansatz einen tiefen Einblick erhalten, wie die Flüssigkeit umverteilt wird, wenn ein anderer Partikel mit diesem binären System kollidiert, um größere Granulate zu bilden. Im Anschluss darauf werden wir den Beitrag der Kräfte an der Granulatstärke bewerten. Wir werden diese Analyse für eine sehr kleine bis sehr große Menge an Flüssigkeit durchführen, die die Partikel überbrückt. In dieser Studie werden wir in der Lage sein, die Bedingungen zu quantifizieren, unter denen eine Agglomeration oder ein Bruch der Partikel auftreten kann. Diese Studie kann uns helfen, die Rate der Partikelagglomeration zu quantifizieren. Dies kann eine Grundlage sein, um das Design und die Optimierung von Granulationsprozessen in der pharmazeutischen Industrie, zu verbessern.

Ziel dieses Projekts war es, eine praktische Regimekarte zu entwickeln, die auf detaillierten Computersimulationen basiert und zeigt, unter welchen Bedingungen feuchte Partikel während der Granulation zusammenhaften, voneinander abprallen oder zerbrechen. Granulate sind kleine Partikelverbände, die in vielen Produkten verwendet werden, darunter Arzneimittel, pulverförmige Lebensmittel, Düngemittel, Waschmittel und chemische Materialien. Obwohl Granulation in der Industrie weit verbreitet ist, bleibt die Vorhersage der endgültigen Granulatgröße, -festigkeit und -qualität schwierig. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Kollision feuchter Partikel auf kleiner Skala noch nicht ausreichend verstanden ist. Wenn Partikel kollidieren, kann eine kleine Flüssigkeitsmenge zwischen ihnen wie ein Bindemittel wirken. Abhängig von der Kollisionsgeschwindigkeit, der Flüssigkeitsmenge und den Flüssigkeitseigenschaften können die Partikel ein stabiles Granulat bilden, sich wieder voneinander lösen oder den Bruch eines bestehenden Granulats verursachen. Heute beruhen viele industrielle Granulationsprozesse noch immer stark auf Versuch und Irrtum. In diesem Projekt wurden fortgeschrittene Simulationen eingesetzt, um diese Kollisionen im Detail zu untersuchen. Sie zeigten, wie sich das flüssige Bindemittel während des Aufpralls bewegte, verformte und Kräfte zwischen den Partikeln erzeugte. Außerdem entwickelten wir eine Regimekarte für die Fluidisierung, um zu untersuchen, unter welchen Bedingungen Partikelagglomeration auftreten kann. Die simulationsbasierte Regimekarte war das zentrale Ergebnis des Projekts. Sie lieferte Forschenden und Ingenieurinnen und Ingenieuren eine klarere Orientierung für die Auslegung und Optimierung von Granulationsprozessen. Anstatt sich hauptsächlich auf kostspielige Experimente zu stützen, könnte die Industrie dieses Wissen nutzen, um die Produktqualität besser zu kontrollieren, Materialabfälle zu reduzieren und die Prozesseffizienz zu verbessern. Langfristig kann das Projekt eine zuverlässigere und effizientere Produktion in der pharmazeutischen, chemischen, Lebensmittel- und Agrarindustrie unterstützen, in denen die Verarbeitung von Pulvern von zentraler Bedeutung ist.