A művelettan általános, a konkrét gyártási eljárástól, készüléktől, berendezéstől, független elméleti ismeretekkel foglalkozik.

Átírás

1 A gyártási folyamatok műveletekre bonthatók pl. keverés, szűrés, szárítás, kivonás, tablettázás A konkrét művelet végrehajtása eljárásokkal történik pl. keverés lapát keverővel, rázógéppel A művelettan általános, a konkrét gyártási eljárástól, készüléktől, berendezéstől, független elméleti ismeretekkel foglalkozik. Az eljárástan a műveleti ismeretek hasznosításával, az egyes konkrét rendszerekre az adott készülékre, a berendezés sajátos kiképzésére (alak, méret), működési elvére, paramétereire specifikus összefüggéseket tár fel. 1

2 Előkészítő műveletek Azok a műveletek, amelyek lehetővé teszik a további műveletek végrehajtását (pl. kristályosítás, aprítás, szárítás). Összeállító műveletek A különböző anyagokat, alkotó részeket egy termékké dolgozzuk (pl. keverés, préselés). Befejező műveletek A már csaknem teljesen kész terméken a végső forma megadása céljából hajtjuk végre az utolsó műveleteket (letöltés, bevonás), illetve a csomagolás. 2

3 A gyártási folyamat műveleteinek megtervezése. kapszulázás (pl. letöltés) szemcsésítés (pl. granulálás, pelettezés) tablettázás (pl. préselés) csomagolás (pl. bliszterezés) a készítményt alkotó komponensek (porok) előkészítése (pl. szárítás, aprítás) 3

4 Pécsi Tudományegyetem Gyógyszertechnológiai és Biofarmáciai Intézet 4

5 Egyensúlyi hőmérséklet értékek 20 C-on: 1) keményítő tartalmú anyagok, 2) textiliák, fibrózus anyagok, 3) szervetlen anyagok pl. kaolin.

6 Az exszikkátorokban leggyakrabban használt szárítószer a szilikagél. Rendszerint Co-sóval színezik, így látható, hogy mikor szükséges regenerálni. A légtérből szívja el a vízgőzt. 5-10%-os relatív nedvességtartalom érhető el 20 o C-on. Egyéb nedvesség elszívó anyagok: exszikkátor NaOH, CaCl 2, CaSO 4, aktív szén, molekula-szűrő.

7 A szárítás elmélete

8 A szárítás fogalma A szárítás anyagátadási művelet, ami rendszerint hő vagy párolgás hatására következik be és ahol a nedvességvándorlás a nedves szárítandó anyagon belül, annak felületén és a környező közegben is lejátszódik. A szárítás folyamatát tekintve diffúziós művelet (is), mivel a szilárd anyag belsejéből a nedvesség diffúzióval jut a szilárd anyag felületére, és onnan a szárító levegőbe. A diffúzió a gőznyomáskülönbség alapján jön létre, amely a levegőben és a nedves anyagban lévő vízgőz nyomása között áll fenn. 8

9 A szárítás célja Nedvesség eltávolítása Anyag előkészítése céljából a további technológiai műveletekhez (pl. porlasztásos szárítás, granulálás, tablettázás). Nedvességtartalom beállítása A stabilitás elérése/megőrzése céljából (pl. fizikai, kémiai, biológiai). 9

10 A nedvességtartalom meghatározza az anyag fontos technológiai sajátságait» sűrűséget,» tapadást,» gördülékenységet,» mechanikai szilárdságot,» keveredést,» nedvesség felvevő képességet. 10

11 A szárítandó szilárd anyagok szerkezete Kapillár-pórusos testek: belsejükben kapillárishálózat alakul ki, nedvességfelvétel- és leadás során a méretük gyakorlatilag nem változik (rideg gélek), de rugalmas tulajdonságaik megmaradnak korlátlanul, ill. korlátozottan (duzzadó gélek, zselatin). Kolloid testek: a nedvesség eltávolítása után zsugorodnak. Kolloid-kapillár-pórusos testek: vegyes csoport, a legtöbb anyag ide tartozik (pl. ioncserélő gyanták), méretük akár 10-20%-ot is változik). 11

12 A nedvesség típusai A nedvesség kötődése szerint megkülönböztetünk: kötetlen (könnyen eltávolítható) és kötött nedvességet. 12

13 A nedvesség típusai A kötetlen nedvesség az anyag külső felületén összefüggő filmet képez tapadó felületi vagy szabad nedvességnek is nevezik. - gyenge kohéziós erők jellemzik, - a szárítóközeggel érintkező teljes felületen egyensúlyi gőznyomása ugyanannyi, mint az azonos hőmérsékletű folyadék gőznyomása: P v = gőznyomás, P vt = a telített gőz nyomása 13

14 A nedvesség típusai A fizikailag kötött nedvesség elsősorban pórusokban, kapillárisokban kötődik. A szárítást leggyakrabban porózus szerkezetű anyagokkal végezzük (pl.: granulátumok), amelyek, belsejükben pórusok, kapillárisok találhatók. Innen nehezebb a nedvességet eltávolítani. Makrokapillárisokban (d > 10-7 m) a kapilláris erő hatása alig érvényesül. Mikrokapillárisokban (d < 10-7 m) azonban igen jelentős, a nedvesség görbült felülete miatt ezért a gőznyomás kisebb, mint a telített gőz nyomása. p v = gőznyomás, p vt = a telített gőz nyomása 14

15 A nedvesség típusai A kémilag kötött nedvesség az erősebb kötődés miatt a nehezen eltávolítható csoportba sorolhatjuk. A kristályviz a legerősebben, kémiailag kötött nedvesség és az anyagra jellemző arányban fordul elő, pl.: Na 2 B 4 O 7 x 10H 2 O (bórax), MgSO 4 x 7H 2 O, Na 2 SO4 x 10H 2 O (Glauber-só), CaSO 4 x 2H 2 O (gipsz), CuSO 4 x 5H 2 O (rézgálic). 15

16 A nedvesség típusai Higroszkóposnak azokat az anyagot nevezzük, amelyek a levegővel érintkezve jelentős mennyiségű nedvességet képesek felvenni. Egyes anyagok (pl. a kalcium-klorid), a párás levegőből felvett vízben feloldódnak, elfolyósodnak (törzsoldatok). 16

17 A nedvességtartalom m m sz m n = nedves anyag össztömege = száraz anyag = nedvesség tömege Teljes kiszáradáskor: 17

18 A száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom (W sz ) m sz m n = a száraz anyag = a nedvesség tömege 18

19 A nedves anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom (W n ) m sz m n = a száraz anyag = a nedvesség tömege 19

20 A szárító levegő abszolút nedvességtartalma (φ a ) Az abszolút páratartalom a levegő víztartalma gramm/m 3. m v = a vízgőz tömege V = a levegő térfogata 20

21 A szárító levegő relatív nedvességtartalma (φ r ) A relatív páratartalom a vízgőz parciális nyomásának és a víz egyensúlyi gőznyomásának egy adott hőmérsékleten való aránya. A relatív páratartalom függ a rendszer hőmérsékletétől és a rendszer nyomásától. Alacsony hőmérsékleten kevesebb vízgőz esetén is magasabb relatív páratartalom érhető el. Meleg levegőben több vízgőz szükséges magas relatív páratartalom eléréséhez. p v = gőznyomás, p vt = a telített gőz nyomása 21

22 A nedvességtartalom egyre csökkenő sebességgel folyamatosan távozik a szárítandó anyagból a környezeti (egyensúlyi nedvesség) eléréséig. 22

23 A száradási folyamat hajtó ereje a nedvesség parciális nyomáskülönbsége. A száradás addig tart, amíg a nedves anyag feletti gőznyomás (p 1 ) nagyobb, mint a környezeti nedvesség parciális nyomása ( p 2 ). p 1 > p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 = p 2 p 2 p 2 23

24 A belső és a külső nedvesség p 2 p 2 diffuzió p 1 p 2 1. nedvesség transzportja az anyagon belül a felszínre 2. nedvesség eltávozása anyagon kívül :16 24

25 Fázisdiagram

26 A szárítás kinetikája W Szárítási görbe I. II. III. W e W e egyensúlyi nedvesség I. felmelegedési szakasz t II. Állandó sebességű szakasz (diffúzió) III. Csökkenő sebességű szakasz (belső nedv. tart. csökken)

27 Szárítási, szárítási sebesség és hőmérséklet idő görbék Szárítási görbe, W=f(t) Szárítási sebesség görbe, dw/dt=f(t) a szárítási görbe differenciál görbéje Hőmérséklet változást mutató görbe T=f(t)

28 Szárítási, szárítási sebesség és hőmérséklet idő görbék I. felmelegedési szakasz (nagy belső nedv. tart.) II. állandó sebességű szakasz (a felületen egyenletes pótlás az anyag belsejéből, állandó diffúzió, a melegítést kiegyenlíti a párolgás okozta hűlés) III. csökkenő sebességi szakasz (csökken a belső nedvesség, ezért lassul a diffúzió és a nedvesség leadás)

29 Szárítási, szárítási sebesség és hőmérséklet idő görbék W k = a kritikus pontnak megfelelő nedvességtartalom (II. III.) W e = egyensúlyi nedvességtartalom T lev = a szárító levegő hőmérséklete T k = az anyag hőmérséklete az állandó sebességű szakaszban t sz = szárítási idő

30 A szárítás gyakorlata

31 A szárító berendezések csoportosítása (1) Üzemmód szerint szakaszos (pl.: szárító szekrény), folyamatos (pl.: szárítócsatorna, szalagszárító). A szárítóközeg és anyag mozgása alapján egyenáramú, ellenáramú, keresztáramú. A szárítandó anyag mozgása szerint nyugvó réteges (pl.: tálcás szárító), mozgó réteges (pl.: fluidizációs szárító, porlasztva szárító). 31

32 A szárító berendezések csoportosítása (2) A szárítóban lévő nyomás szerint atmoszférikus (pl.: szárítószekrény), vákuumszárító. A hőközlés módja szerint konvekciós (pl.: meleg levegővel), hősugárzás (pl.: infravörös sugarakkal), hővezetéses (kondukciós), sugárzás (dielektromos, nagyfrekvenciás), kombinált módszerek. 32

33 A szárító berendezések csoportosítása Üzemmód Az anyag mozgása A hőközlés módja A szárító közeg és az anyag mozgása Nyomás szerint Szakaszos Nyugvó réteg Konvekciós Egyenáramú Légköri Folyamatos Mozgó réteg Kondukciós Ellenáramú Vákuum Hősugárzás (infra) Keresztáramú Sugárzás (mikrohullám)

34 A szárító berendezések Nyugvóréteges eljárások

35 Nyugvóréteges szárítási eljárás Tálcás szárító szakaszos üzeműek, normál légkörön, vagy vákuum alatt működik, levegő átáramoltatás nélkül, vagy áramoltatással. 35

36 Nyugvóréteges szárítási eljárás Tálcás szárító Rögzített perforált lemezből álló tálcák. A befújt levegő sebessége és nedvesség tartalma befolyásolja a szárítás sebességét. 36

37 Nyugvóréteges szárítási eljárás Alagút szárító 37

38 Nyugvóréteges szárítási eljárás Szalagos szárító :16 38

39 Nyugvóréteges szárítási eljárás Szalagos mikrohullámú szárító :16 39

40 Szárítás mikrohullámmal A mikrohullám elektromágneses hullám. Hullámhossza: 1 mm és 1 m között, Frekvenciája: 300 MHz és 300 GHz között változik. A mikrohullámot általában különleges elektroncsővel ún. magnetronnal állítják elő. Gyógyszertechnológiai alkalmazhatóság: melegítés, olvasztás, szárítás, sterilezés. 40

41 Szárítás mikrohullámmal A mikrohullámú vízelvonást az teszi lehetővé, hogy a szárítandó anyagban levő víz elsőrendű dielektrikum, amelyben az elektromos energia egy része hővé alakul, ami alkalmas a termékek fölösleges tartalmának egyenletes eltávolítására :16 41

42 Szárítás mikrohullámmal A kontakt hőközlés pl. vízfürdő, olajfürdő egyenetlen melegedést okoz, lokális túlhevülést okozhat. A hőáramlás gyakran, nem elégséges, ezért keverést ígényel. A mikrohullámú sugárzás a szárítandó anyagot egyenletesen melegíti. 42

43 Szárítás mikrohullámmal m(%) 10 mikrohullám vakuum vakuum + levegő áramlás t(perc) 43

44 Nyugvóréteges szárítási eljárás Vákuum szárító Különösen alkalmas hőérzékeny anyagokra Szakaszos üzemű, állóréteges 44

45 Nyugvóréteges szárítási eljárás Ipari vákuum szárító

46 Nyugvóréteges szárítási eljárás Fagyasztásos szárítás vákuum-szublimálás, kriodehidrálás, liofilezés, liofilizálás, krioszikkálás, fagyasztásos szárítás 46

47 Nyugvóréteges szárítási eljárás Fagyasztásos szárítás Előnyei: termolabilis anyagok csak minimális változást szenvednek biológiai anyagok megtartják biokémiai, fiziológiai és terápiás tulajdonságaikat porózus, nagy felületű szerkezet keletkezik gyors és teljes oldóddás, rehidráció lehetséges pontos dózirozást biztosít a tárolóedényben (ampulla, infúziós palack) 47

48 Nyugvóréteges szárítási eljárás Fagyasztásos szárítás Hátrányai: magas beruházási költség, drága üzemeltetés, jelentős energia felhasználás. 48

49 Nyugvóréteges szárítási eljárás Fagyasztásos szárítás 1. nedvesség távozása az anyagból 3. nedvesség kondenzálása 2. a lehűlt minta melegítése 49

50 Nyugvóréteges szárítási eljárás Fagyasztásos szárítás lépései 1. Fagyasztás 2. A lefagyasztott anyagból a nedvesség szublimálása 3. Az anyag melegítése 4. Utánszárítás 5. Lezárás 50

51 Nyugvóréteges szárítási eljárás Fagyasztásos szárítás Kezdetben általában -40 C-ra vagy alá hűtjük a liofilezendő anyagot, amely megszilárdul. Vákuum hatására megindul a szublimáció a felületi rétegekből. Később a belső rétegek száradása következik be. A párolgás miatti hőveszteséget pótolni kell, különben nagyon lelassul a folyamat. 51

52 Nyugvóréteges szárítási eljárás Fagyasztásos szárítás, a hőközlés jelentősége A hőközlés során a hőveszteségnek és a hőközlésnek egyensúlyban kell lennie. Arra kell törekedni, hogy az anyag a szárítás során a párolgás hatására ne hűljön le túlzottan, de ne is melegedjen fel túlságosan. Ha az anyag a szükségesnél nagyobb mértékben hűl le, a szárítás folyamata lelassul; ha viszont a kelleténél hamarabb melegszik fel, az anyag feloldódhat. A hőközlés mértékét az anyag hőérzékenységéhez kell igazítani. 52

53 Nyugvóréteges szárítási eljárás Fagyasztásos szárítás, utánszárítás Ha a nedvesség nagy része eltávozott, gyorsabban lehet fűteni a beolvadás veszélye nélkül. Megfelelő vákuum mellett C lehet tartani az anyag hőmérsékletét. A liofilizátum végső nedvességtartalma < 1%. 53

54 Nyugvóréteges szárítási eljárás Fagyasztásos szárítás, lezárás Tökéletes, légmentes legyen 54

55 Nyugvóréteges szárítási eljárás Laboratóriumi fagyasztásos szárító 55

56 Nyugvóréteges szárítási eljárás Ipari fagyasztásos szárító 56

57 Zyprexa Velotab 5mg Liofilezéses eljárással (Zydis) készült gyógyszerkészítmény Felépítésének köszönhetően a szájban megtörténik a tabletta szétesése Hatóanyaga: olanzapin

58 A szárító berendezések Mozgóréteges eljárások

59 Mozgóréteges szárítási eljárások Vákuum szárító Szakaszos üzemű, mozgóréteges (keverők) szakaszos üzemű belső keverővel (mozgóréteg) 59

60 Mozgóréteges szárítási eljárások Ipari mozgóréteges szárító (Rototherm) folyamatos üzemű, nagy energia szükséglet nedves anyag pára gőz kondenzátum száraz anyag 60

61 Mozgóréteges szárítási eljárások Fluidizáció (lazított réteges eljárás) - intenzív, átható, gyors szárítást tesz lehetővé, - szemcsék kopnak, porképződés, porkihordás, - nagy energia igényű, - szakaszos üzemű A szárítóközeg 3 funkciót lát el: -leadja a hőjét, -mozgásban tartja a szemcsehalmazt, -magával viszi a nedvességet. 61

62 Mozgóréteges szárítási eljárások Porlasztásos szárító A porlasztásos szárítás legfontosabb eleme a megfelelő porlasztás, ami befolyásolja a végtermék szerkezetét és minőségét. A fúvókás porlasztással rendszerint: szűkebb szemcse-méret eloszlás és nagyobb szemcsesűrűsség érhető el. 62

63 Mozgóréteges szárítási eljárások Porlasztásos szárító Fúvókás porlasztás porlasztó porlasztandó folyadék porlasztó levegő szárító kamra porlasztott száraz termék

64 Mozgóréteges szárítási eljárások Porlasztásos szárító Fúvókás porlasztás nagynyomású levegő folyadék közti termék (permet) végtermék (por) 64

65 Mozgóréteges szárítási eljárások Porlasztásos szárító Forgótárcsás porlasztás porlasztandó folyadék porlasztó szárító kamra porlasztott száraz termék

66 Mozgóréteges szárítási eljárások Porlasztásos szárító Forgótárcsás porlasztás oldat, szuszpenzió nagy sebességű forgótárcsa, mechanikus hatás, szemcseméret a tárcsa sebességtől függ cseppképzés szárítás száraz por 66

67 Mozgóréteges szárítási eljárások A porlasztásos szárítás végtermékének minősége forgótárcsás porlasztás fúvókás porlasztás 67

68 Mozgóréteges szárítási eljárások Anhydro ipari készülék Tápszerek, tejpor előállításnál használják. 68

69 Mozgóréteges szárítási eljárások Nano Spray Dryer B-90 Piezoelektromos porlasztó fej 69

70 Nedvességtartalom meghatározás (minőségellenőrzés)

71 Nedvességtartalom meghatározás Gravimetria hőközlés, mikrohullám, folyamatos mérés :16 71

72 Nedvességtartalom meghatározás Mikrohullámú nedv. meghatározó 72

73 Nedvességtartalom meghatározás Karl Fischer titrálás Víztartalom pontos meghatározására alkalmas, a víz és a jód reakcióján alapul: I 2 + SO 2 + 2H 2 O 2HI + H 2 SO 4 A gyakorlatban kéndioxid, kis molekulatömegű alkohol pl. metanol, és szerves bázis pl. piridin jelenlétében: 73

74 Nedvességtartalom meghatározás Spektroszkópia NMR hidrogén atomok alapján, a protonok kvantitatív meghatározásával megkülönbözteti a szabad és a kötött vizet IR spektroszkópia alkalmas lehet, de nehéz a készüléket kalibrálni NIR az abszorbeált vizet mérhetjük különböző hullámhosszokon (1950, 1450 és 977 nm) nem roncsol gyors módszer 74

75 75