گرانولاتور میکسر برشی بالا چگونه کار می کند و چه چیزی آن را بسیار موثر می کند؟

گرانولاتور میکسر برشی بالا چیست؟

A گرانولاتور میکسر برشی بالا (HSMG) یک دستگاه فرآوری دارویی و صنعتی است که مخلوط پودر خشک و دانه بندی مرطوب را در یک ظرف محصور ترکیب می کند. از یک پروانه با سرعت بالا که در انتهای یک کاسه می چرخد، همراه با یک تیغه خردکن کناری استفاده می کند تا به طور همزمان پودرها را مخلوط کند، مایع بایندر را توزیع کند و ذرات ریز را در دانه های متراکم و یکنواخت جمع کند. کل فرآیند - از اختلاط خشک تا تشکیل گرانول - در یک واحد حاوی بدون انتقال محصول بین قطعات جداگانه تجهیزات انجام می شود.

گرانول‌کننده‌های میکسر با برش بالا، فناوری گرانولاسیون غالب در تولید قرص‌های دارویی هستند، زیرا گرانول‌هایی که تولید می‌کنند متراکم، جریان آزاد و قابل تراکم هستند - خواصی که برای وزن و سختی قرص‌ها حیاتی هستند. از همین فناوری در تولید مواد شوینده، کود، سرامیک و محصولات غذایی نیز استفاده می شود. درک نحوه کار این دستگاه مستلزم بررسی اجزای مکانیکی آن، فیزیک تشکیل گرانول، و توالی مراحل فرآیندی است که پودر شل را به دانه های نهایی تبدیل می کند.

اجزای کلیدی و عملکرد آنها

هر گرانول کننده مخلوط کن با برش بالا دارای یک مجموعه مشترک از اجزای هسته است و هر یک نقش خاصی در مکانیسم دانه بندی ایفا می کند. تعامل بین این اجزا همان چیزی است که عملکرد دستگاه و توانایی آن در تولید گرانول هایی با ویژگی های کنترل شده را مشخص می کند.

• کاسه (کشتی): ظرف فولادی ضد زنگ که جرم پودر را نگه می دارد. هندسه کاسه - از جمله قطر، عمق و انحنای دیواره آن - به طور مستقیم بر الگوهای گردش پودر و راندمان اختلاط تأثیر می گذارد. کاسه ها معمولاً نیمکره یا استوانه ای با پایه بشقاب هستند.
• پروانه اصلی: یک ابزار دوار چند تیغه ای که در پایین کاسه نصب شده و توسط یک موتور با گشتاور بالا هدایت می شود. پروانه عمل اختلاط اولیه را با بلند کردن و چرخاندن توده پودر در یک الگوی جریان حلقوی (دونات شکل) ایجاد می کند. معمولاً در سرعت هایی از 100 تا 500 دور در دقیقه کار می کند، اگرچه سرعت های دقیق بسته به اندازه دستگاه و کاربرد متفاوت است.
• خردکن (تیغه دانه بندی): یک تیغه کوچک و پرسرعت که بر روی دیواره جانبی کاسه نصب شده و عمود بر پروانه اصلی قرار دارد. این دستگاه با سرعت 1000 تا 3000 دور در دقیقه می چرخد ​​و وظیفه تجزیه توده های بزرگ و کنترل توزیع اندازه گرانول را بر عهده دارد. بدون خردکن، توده مرطوب به توده های بزرگ و کنترل نشده تبدیل می شود.
• پورت افزودن بایندر: یک نازل اسپری یا پورت افزودن مایع که از طریق آن مایع دانه بندی (محلول بایندر) به بستر پودر وارد می شود. نرخ افزودن مایع کنترل شده برای جلوگیری از خیس شدن بیش از حد ضروری است.
• موتورهای محرک: موتورهای جداگانه پروانه و خردکن را به طور مستقل کنترل می کنند و به مهندسان فرآیند اجازه می دهد تا هر متغیر سرعت را در مراحل مختلف چرخه دانه بندی تنظیم کنند.
• پورت تخلیه: دریچه ای در پایه یا کنار کاسه که برای تخلیه گرانول های تمام شده به خشک کن پایین دست - معمولاً خشک کن بستر سیال - پس از اتمام دانه بندی باز می شود.

اصل کار گام به گام

اصل کار یک گرانولاتور مخلوط کن با برش بالا در چندین مرحله فرآیند متمایز آشکار می شود. هر مرحله بر اساس مرحله قبلی است و انتقال بین مراحل باید به دقت کنترل شود تا دانه هایی با چگالی، اندازه و تخلخل هدف تولید شود.

مرحله اول: اختلاط خشک

فرآیند با مخلوط کردن خشک آغاز می شود. تمام اجزای پودر - ماده دارویی فعال (API)، پرکننده‌هایی مانند لاکتوز یا سلولز میکروکریستالی، و مواد کمکی داخل دانه‌ای - در کاسه قرار می‌گیرند. سپس پروانه اصلی با سرعت متوسط، معمولا بین 150 تا 300 دور در دقیقه فعال می شود. تیغه های پروانه چرخان از بستر پودر عبور می کنند و مواد را از پایه کاسه بلند می کنند و در یک گردش حلقوی پیوسته به سمت بالا و خارج می ریزند. این الگوی گردش تضمین می کند که تمام اجزای پودر قبل از وارد شدن هر مایع به طور همگن توزیع می شوند. اختلاط خشک معمولاً 2 تا 5 دقیقه بسته به اندازه دسته و تعداد اجزای مخلوط شده انجام می شود.

در طول این مرحله، خردکن ممکن است به طور متناوب فعال شود تا هرگونه آگلومره پودر فشرده یا توده های مواد منسجم را بشکند. هدف در پایان اختلاط خشک، توده پودری یکنواخت و کاملاً مخلوط شده بدون تفکیک قابل مشاهده بین اجزای با چگالی یا اندازه ذرات مختلف است.

مرحله دوم: افزودن بایندر و جرم گیری مرطوب

هنگامی که مخلوط خشک کامل شد، مایع بایندر به بستر پودر در گردش اضافه می شود. چسب های رایج شامل محلول های آبی پلی وینیل پیرولیدون (PVP)، هیدروکسی پروپیل متیل سلولز (HPMC) یا ژلاتین است. مایع معمولاً از طریق یک نازل به داخل اسپری می شود تا آن را تا حد امکان به ریز در سطح پودر توزیع کند، اگرچه افزودن جاذبه نیز برای فرمولاسیون های کمتر حساس استفاده می شود. هنگامی که مایع با پودر تماس می گیرد، ذرات منفرد را خیس می کند و شروع به تشکیل پل های مایع بین ذرات مجاور می کند.

پروانه اصلی به گردش توده مرطوب به شدت ادامه می دهد. انرژی مکانیکی ورودی از پروانه پودر مرطوب فزاینده را خمیر و فشرده می کند و باعث توزیع مایع در سراسر جرم می شود. با افزایش محتوای مایع، پل های مایع ذره به ذره بیشتری تشکیل می شود و جرم شروع به تبدیل از یک پودر شل به یک ماده دانه ای مرطوب منسجم می کند. به این مرحله، توده مرطوب می گویند و ماده در این نقطه اغلب به عنوان جرم مرطوب یا دانه های سبز نامیده می شود. خردکن به طور همزمان کار می کند تا از تثبیت جرم به توده های طناب مانند بزرگ جلوگیری کند.

مرحله سوم: رشد گرانول و کنترل اندازه

رشد گرانول در یک گرانولاتور مخلوط کن با برش بالا از یک توالی مکانیزم ثابت پیروی می کند. در ابتدا، هسته‌زایی زمانی رخ می‌دهد که ذرات خیس شده با هم برخورد کرده و به یکدیگر می‌چسبند و هسته‌های کوچکی را تشکیل می‌دهند. سپس این هسته‌ها با دو مکانیسم اصلی رشد می‌کنند: ادغام، که در آن دو گرانول در صورت برخورد با یکدیگر ادغام می‌شوند، اگر سطوح آنها به اندازه کافی مرطوب و قابل تغییر شکل باشد. و لایه بندی، که در آن ذرات ریز به سطح گرانول های موجود می چسبند.

تعادل بین ادغام و لایه بندی توزیع اندازه دانه نهایی را تعیین می کند. نیروهای برشی زیاد تولید شده توسط پروانه، انرژی جنبشی را برای برخورد فراهم می کند، در حالی که خردکن به طور مداوم توده های بزرگ را به قطعات کوچکتر می شکند. این تعادل پویا بین رشد و شکست همان چیزی است که به گرانول‌کننده‌های برشی بالا توانایی تولید گرانول‌هایی در محدوده اندازه‌ای محدود و کنترل‌شده را می‌دهد – معمولاً بین ۲۰۰ تا ۸۰۰ میکرومتر برای کاربردهای دارویی.

مهندسان فرآیند مرحله توده مرطوب را با ردیابی جریان موتور پروانه (امپراژ)، که با متراکم شدن و مقاوم تر شدن جرم مرطوب افزایش می یابد، نظارت می کنند. نقطه اوج آمپراژ - اغلب نقطه پایان نامیده می شود - نشان می دهد که رشد گرانول کامل شده است و جرم مرطوب به رطوبت و چگالی مطلوب برای خشک شدن رسیده است.

مرحله چهارم: ترخیص

پس از رسیدن به نقطه پایان دانه بندی، پروانه و خردکن متوقف شده و دریچه تخلیه در پایه کاسه باز می شود. گرانول های مرطوب با نیروی گرانش - یا به کمک تیغه خراش دهنده - به یک ظرف گیرنده یا مستقیماً به خشک کن بستر مایع متصل می شوند. مرحله تخلیه باید به سرعت تکمیل شود تا از محکم شدن بستر گرانول مرطوب و سخت شدن آن جلوگیری شود. در خطوط تولید کاملاً یکپارچه، گرانولاتور میکسر برش بالا مستقیماً بالای کاسه خشک کن بستر سیال نصب می شود تا تخلیه بدون درز و محصور باشد و از کیفیت محصول و ایمنی اپراتور محافظت می کند.

پارامترهای فرآیند حیاتی که بر کیفیت گرانول تأثیر می گذارد

کیفیت گرانول های تولید شده توسط گرانولاتور میکسر برشی بالا با ترکیبی از متغیرهای فرمولاسیون و پارامترهای فرآیند تعیین می شود. با تغییر هر یک از این متغیرها، تعادل بین رشد و شکستگی گرانول تغییر می‌کند و در نتیجه گرانول‌هایی بسیار ریز، خیلی درشت، خیلی سخت یا بیش از حد متخلخل هستند. جدول زیر مهمترین پارامترهای فرآیند و اثرات آنها بر خواص گرانول را خلاصه می کند.

مزایای دانه بندی برشی بالا نسبت به سایر روش ها

دانه‌بندی‌های میکسر برشی بالا ترکیبی قانع‌کننده از راندمان فرآیند و مزایای کیفیت محصول را در مقایسه با فناوری‌های دانه‌بندی جایگزین مانند دانه‌بندی بستر سیال، دانه‌بندی اکستروژن دو پیچ، یا دانه‌بندی میکسر سیاره‌ای کم برش ارائه می‌دهند.

• زمان پردازش کوتاه: یک چرخه کامل دانه بندی برشی بالا - اختلاط خشک، افزودن بایندر و جرم گیری مرطوب - معمولاً بین 10 تا 30 دقیقه طول می کشد، در مقایسه با 45 تا 90 دقیقه برای دسته های دانه بندی بستر سیال معادل.
• گرانول های متراکم و قابل تراکم: انرژی مکانیکی بالای ورودی نسبت به دانه بندی بستر سیال گرانول هایی با چگالی ظاهری بالاتر و تراکم پذیری بهتر تولید می کند که یک مزیت قابل توجه برای تولید قرص فشرده سازی مستقیم است.
• چسب کمتر مورد نیاز: از آنجایی که نیروهای برشی بالا بایندر را بسیار کارآمد در سراسر جرم پودر توزیع می کند، برای دستیابی به استحکام گرانول یکسان به مایع بایندر کل کمتری نیاز است.
• پردازش شامل: طراحی کاسه محصور از اپراتورها در برابر قرار گرفتن در معرض گرد و غبار محافظت می کند و از آلودگی محصول جلوگیری می کند، که به ویژه در هنگام کار با API های قوی مهم است.
• مقیاس پذیری: فرآیند به طور قابل پیش بینی از کاسه های در مقیاس آزمایشگاهی (1-10 لیتر) تا تجهیزات در مقیاس کامل تولید (300-1200 لیتر) مقیاس می شود، زمانی که پارامترهای افزایش مقیاس مناسب - مانند سرعت نوک به جای RPM - به عنوان متغیر ثابت استفاده می شود.

تشخیص نقطه پایانی: دانستن اینکه چه زمانی دانه بندی کامل شده است

یکی از چالش برانگیزترین جنبه های فنی دانه بندی برش بالا، تعیین دقیق زمان رسیدن به نقطه پایان دانه بندی است. در پردازش کم، ذرات ریز زیادی باقی می‌ماند که در طول فشرده‌سازی قرص جدا می‌شوند. پردازش بیش از حد باعث تولید گرانول هایی می شود که بسیار متراکم، خیلی سخت و تراکم ناپذیر هستند - و در نتیجه قرص هایی با سختی یا عملکرد انحلال ناکافی ایجاد می شود. چندین روش در عمل برای تشخیص نقطه پایان دانه بندی در زمان واقعی استفاده می شود.

مصرف برق موتور پروانه (مانیتورینگ آمپراژ) پرکاربردترین روش است. همانطور که جرم مرطوب در حین دانه بندی تثبیت می شود، مقاومت فزاینده ای در برابر پروانه ایجاد می کند و باعث می شود موتور جریان بیشتری بکشد. پروفیل آمپر در طول زمان از منحنی مشخصه ای پیروی می کند که در فاز توده ای مرطوب بالا می رود و در زمانی که رشد گرانول کامل می شود در یک فلات کاهش می یابد. مهندسان فرآیند، مقدار آمپر هدف را با خواص فیزیکی گرانول در طول توسعه مرتبط می‌کنند و سپس از آن مقدار به عنوان ماشه نقطه پایانی خودکار در طول تولید معمول استفاده می‌کنند.

ابزارهای پیشرفته‌تر فناوری تحلیل فرآیند (PAT) به طور فزاینده‌ای در کنار یا به جای پایش آمپراژ استفاده می‌شوند. کاوشگرهای طیف‌سنجی فروسرخ نزدیک (NIR) که در دیواره کاسه نصب شده‌اند، می‌توانند میزان رطوبت گرانول و اندازه ذرات را در زمان واقعی اندازه‌گیری کنند. پروب‌های اندازه‌گیری بازتاب پرتو متمرکز (FBRM) طول وتر گرانول‌هایی را که از پرتو لیزر عبور می‌کنند، می‌شمارند و اندازه‌گیری می‌کنند و سیگنال مستقیم اندازه گرانول را بدون نمونه‌گیری ارائه می‌دهند. این ابزارها کنترل نقطه پایانی دقیق تر و علمی تر را امکان پذیر می کند و به طور فزاینده ای تحت چارچوب های نظارتی Quality by Design (QbD) برای تولید دارو مورد نیاز است.