Segregacija v vertikalnih cevnih povezavah z zaprtim dnom: obravnava procesa s postopkom numerične analize tokov in eksperimentalno potrditvijo modelaJaklič, Miha Tomaž (Avtor) Srčič, Stanko (Mentor) Kočevar, Klemen (Komentor) farmacevtska industrijapraškigravitacijski transportgranularni tokvertikalne cevne povezave z zaprtim dnomsegregacijafarmacevtski preparatikvalitetanumerična simulacijamodeliranjedisertacijeGravitacijski transport po vertikalnih cevnih povezavah je osnoven in hkrati ključen proces transporta praškastih snovi v farmacevtski industriji. V primeru vertikalnih cevnih povezav z zaprtim dnom lahko protitočni izhajajoči zrak povzroči obsežno segregacijo, kar ima znaten vpliv na enakomernost vsebnosti in druge ključne biofarmacevtske lastnosti končnih farmacevtskih izdelkov. Napoved pojava in obsega segregacije že v fazi razvoja izdelka in vpeljava ustreznih ukrepov za preprečitev pojava segregacije je pomemben element pri razvoju izdelka z vgrajeno kakovostjo. Eksperimentalno analizo granularnega toka in segregacije farmacevtskih praškov smo izvedli na laboratorijskem modelu vertikalne cevne povezave. Uporabili smo materiale in zmesi, ki se dejansko uporabljajo v industrijskih procesih. Steklena prosojna cev je omogočila snemanje tokovnih struktur padajočih praškov, s slikovno analizo pa smo kvantificirali tokovne parametre. S postopno modifikacijo laboratorijskega modela smo proučevali tokovne strukture pri različnih pogojih izpusta: zaprta cev, odprta cev in izpust brez cevi. Za testiranje segregacije v cevi z zaprtim dnom smo razvili ventil za plastovito vzorčenje sedimenta, kar je omogočilo kvantifikacijo vertikalne segregacije enokomponentnih materialov ter dvo- in večkomponentnih zmesi. Numerično simulacijo granularnega toka smo izvedli po Euler-Eulerjevem pristopu. Za modeliranje smo uporabili program za numerično analizo tokov Fluent, kjer smo predpostavili, da je vsaka izmed simuliranih faz fluid: v našem primeru tako obravnavamo plin (izhajajoči zrak) ter na podlagi kinetične teorije granularnega modela eno oziroma dve granularni fazi. Zasnova simulacij je bila enaka eksperimentalnemu delu: simulirali smo granularni tok za vse tri pogoje izpusta, dodatno pa smo izvedli simulacijo segregacije binarne zmesi. Granularni tok v zaprti cevi je kompleksen, večfazen proces. Celotno nasutje praškov se zaradi permeacije zraka skozi njegovo porozno strukturo počasi spušča; bistveno hitrejši je redek granularni tok, ki nastane ob dispergiranju odcepljenih paketov s spodnje strani nasutja praškov. Še za dodaten red velikosti hitrejše pa je spuščanje praškov v cevi z odprtim dnom, kjer nasutje praškov zrak potisne skozi izpust cevi. Podobno hiter tok smo opazovali v poskusih brez cevi. Na granularnih tokovih smo opazili Plateau-Rayleighjevo in Rayleigh-Taylorjevo nestabilnost, kar kaže na podobnost obravnavanih granularnih tokov s tekočinami. Vrsta materiala vpliva na pretok zlasti v pogoju zaprte cevi, medtem ko je za pogoj odprte cevi ta vpliv manjši. Pri kvantificiranju segregacije enokomponentnih praškov smo ugotovili, da se z naraščajočo plastjo sedimenta velikost delcev postopno manjša, kar je posledica akumulacije majhnih delcev v zraku med padanjem praškov. Pri testih segregacije na binarnih zmeseh smo na eni strani identificirali segregacijsko stabilno kombinacijo laktoze sušene z razprševanjem in mikrokristalne celuloze, na drugi strani pa pokazali obsežno segregacijo pri kombinaciji laktoze sušene z razprševanjem in krospovidonom ter kombinaciji laktoze sušene z razprševanjem in kopovidonom. Na primeru ternarnih zmesi smo pokazali, da dodatek koloidnega silicijevega dioksida segregacijsko destabilizira sicer stabilno binarno zmes. Drugi primer ternarne zmesi – binarna zmes praškov z dodatkom tekoče komponente v vlogi veziva – je pokazal, da višanje deleža tekoče komponente bistveno zmanjša segregacijo zmesi. Na petkomponentni zmesi za direktno tabletiranje smo pokazali, da je uskladitev velikosti delcev učinkovine in glavnega polnila uspešen ukrep za zmanjšanja obsega segregacije na sprejemljivo raven. Izsledki numerične simulacije granularnega toka v odprti cevi se z eksperimentalnimi rezultati dobro ujemajo tako v tokovnih strukturah, kakor tudi v hitrostih pretoka. Podobno smo ugotovili za primer brez cevi. Pri cevi z zaprtim dnom pa je ujemanje slabše, ker se je granularni model fluida izkazal za šibkega pri napovedovanju realnega odcepljanja paketov praškov iz spodnje strani nasutja. Po drugi strani pa simulacija pokaže obstoj anularnega toka, ki ga z optičnim opazovanjem ne moremo ne potrditi ne ovreči. Pri simulaciji segregacije binarne zmesi praškov smo odkrili pričakovani trend vertikalne segregacije, dodatno pa smo s simulacijo pokazali še močno lateralno segregacijo. Eksperimentalna in simulacijska obravnava tokovnih struktur in segregacije sta komplementarni: eksperiment potrjuje simulacijo, hkrati pa simulacija dodaja vpogled v obravnavani proces z ločljivostjo, ki je eksperiment ne more doseči. Skupna uporaba obeh predstavlja ključ za detajlno razumevanje procesov in aplikacijo dognanj v realnih industrijskih procesih.[M. Jaklič]20162023-01-11 11:52:11Doktorsko delo/naloga143756sl