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Mechanisms of the spheronization process for the formulation of spherical granules

Subject Area Biological Process Engineering
Mechanical Process Engineering
Pharmacy
Term from 2013 to 2018
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 244752778
 
Final Report Year 2019

Final Report Abstract

Im Zuge des Projektes konnte der Zusammenhang zwischen Prozessparametern, Materialeigenschaften, Partikeldynamik und Produktqualität in der Sphäronisation beschrieben werden. Basierend darauf war es möglich ein Scaling-Modell zu entwickeln, welches an drei unterschiedlich großen Sphäronisern validiert werden konnte. Durch ein erfolgreiches Downscaling des Prozesses konnten relevante Sphäronisationsexperimente im Kleinstmaßstab mit einer Beladung von lediglich 20 g durchgeführt werden. Darüber hinaus ermöglichte das Downscaling erstmals die Simulation des gesamten Prozesses mit numerischen Methoden. Die vier getesteten Bildanalysesysteme waren ungeeignet die Pelletdeformation und Größenänderung im Sphäronisationsprozess zu verfolgen, weshalb auf offline Messungen zurückgegriffen wurde, welche eine höhere Empfindlichkeit und eine erheblich höhere Robustheit aufwiesen. Umfassende Daten zur Rundungskinetik sowie zur finalen Pelletform und -größe in Abhängigkeit von Prozessparametern wurden erhoben. Die Entwicklung des Einzelpartikelsphäronisers erwies sich als nicht zielführend. Der Massenübergang zwischen den Granulatpartikeln konnte stattdessen sowohl durch Einzelkontakte im Einachsigen Druckversuch, als auch im Partikelkollektiv nachgewiesen werden. Eine Quantifizierung des Massentransfers in Abhängigkeit von der Partikelgröße gelang erstmals im Sphäroniser. Um aussagekräftige Simulationen des Prozesses durchführen zu können, wurden zunächst sphäronisierte Pellets in zahlreichen Experimenten untersucht. Neben einachsigen Druckversuchen zur Bestimmung des Deformationsverhaltens der Pellets wurden die Stoßeigenschaften durch Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen von Pelletstößen bestimmt. Basierend auf den experimentellen Daten wurde zum einen ein Kontaktmodell entwickelt, welches in die DEM-Simulationen implementiert wurde, zum anderen wurden Parameter abgeleitet, die in den Rundungsmodellen der PBM verwendet wurden. Durch einen Vergleich der Partikelkinematik runder Pellets in der Simulation mit PIV-Daten der realen Partikelbewegung in Sphäronisationsexperimenten sowie der Mischkinetik konnten die Simulationsergebnisse validiert werden. Dadurch wurde ein umfassendes Verständnis der Kinetik des Sphäronisationsprozesses sowie des Durchmischungsverhaltens in einem Sphäroniser gewonnen. Es konnten Bereiche identifiziert werden, in welchen die Partikel länger verweilen, was zu höheren Prozesszeiten führt. Eine Kopplung der Partikeldynamik, welche mit der DEM auf der Mikroskala berechnet wird, mit Modellen zur Pelletrundung in einer Populationsbilanz auf der Makroskala, ermöglichte erstmals den gesamten Rundungsprozess mit einer Simulation abzubilden. Dabei werden die Stoßdaten der Pellets von der Mikroskala statistisch verarbeitet und in den Modellen auf der Makroskala verwendet um die Pelletrundung über den Zeitraum von mehreren Minuten zu beschreiben. Erste Vergleiche bezüglich der Änderung des mittleren Aspect Ratios zeigten gute Übereinstimmungen mit realen Sphäronisationsexperimenten.

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