يمكن استخدام العديد من تقنيات التجفيف في المعالجة في حاوية واحدة، لكن طريقة التجفيف الأساسية تعتمد على تطبيق التفريغ في الحاوية، وبالتالي خفض درجة حرارة التبخر لسائل التحبيب بشكلٍ كبير. يقارن هذا البحث كفاءة تقنيتين إضافيتين: التجفيف باستخدام الموجات متناهية الصغر والتجفيف بالغاز.

تحسين كفاءة التجفيف

المعالجة في حاوية واحدة هي تقنية إنتاج دوائية راسخة من أجل التحبيب والتجفيف عالي القص والرطب، وكثيرًا ما تستخدم عندما يكون الاحتواء العالي مطلوبًا لإنتاج مواد أورام فعالة أو هرمونات. يمكن استخدام العديد من تقنيات التجفيف في المعالجة في حاوية واحدة، لكن طريقة التجفيف الأساسية تعتمد على تطبيق التفريغ في الحاوية، وبالتالي خفض درجة حرارة التبخر لسائل التحبيب بشكلٍ كبير. يعتبر مصدر الحرارة التقليدي هو الجدران المجففة بالتسخين، ويرتبط انتقال الحرارة مباشرة إلى المساحة السطحية للجدران وحجم المنتج، مما يجعل هذه الطريقة أكثر فاعلية للاستخدام على نطاقٍ ضيق. ولتحسين عملية التجفيف وتقليل أوقات التجفيف، خاصة بالنسبة للعمليات واسعة النطاق، يمكن تنفيذ تقنيات تجفيف إضافية.

معلومات أساسية

 أظهر بحث علمي يقارن طرق التجفيف المختلفة للمعالجات في حاوية واحدة ما يلي:

  • يقلل التجفيف بالغاز من وقت التجفيف عن طريق حقن غاز خامل عبر كتلة المنتج لتعزيز التبخر، مما يقلل من وقت التجفيف بنسبة تصل إلى 50٪1
  • يمكن الحصول على أوقات تجفيف أقصر من خلال التغذية المستمرة والفعالة بالغاز المجفف2
  • يحل نظام توفير الغاز المجفف المتواصل محل التركيبات المكلفة وعالية الصيانة مثل خيارات الإمالة أو تقنية الموجات متناهية الصغر دون تمديد أوقات التجفيف.3

وأجريت دراسة للتحقق من هذه الادعاءات، خاصة أن التجفيف بالغاز يمكن أن يحل محل تقنية الموجات متناهية الصغر دون تمديد أوقات التجفيف.

أسس تقنية التجفيف

التجفيف عن طريق تفريغ الهواء: تعتمد جميع تقنيات التجفيف من خلال المعالجات في حاوية واحدة على التجفيف بالتفريغ.4 تعد الفرضية الأساسية هي أن نقطة غليان السائل تقل عندما تكون الضغوط أقل (على سبيل المثال، نقطة غليان الماء عند 40 ملي بار هي 28 درجة مئوية)؛ يؤدي هذا إلى انخفاض درجات حرارة التجفيف، وبالتالي، يكون المطلوب كمية أقل من الطاقة لتسخين المنتج. يتم توفير الطاقة اللازمة للتبخر عن طريق التوصيل من خلال حاوية منفردة ساخنة ووعاء مغطى وغطاء. ومن ثم، فإن نسبة مساحة سطح التلامس إلى حجم المنتج مهمة للغاية لعملية التجفيف بالتفريغ، وهذه هي النسبة التي تحد من استخدامه في وحدات مستوى الإنتاج: فكلما كان وعاء العملية أكبر، كلما كانت نسبة سطح/حجم التلامس أقل ملاءمة وطالت أوقات التجفيف (الأشكال 1 أ و1 ب).

التجفيف بالغاز: يعمل التجفيف بالغاز على تحسين التجفيف بالتفريغ عن طريق حقن كمية صغيرة من الغاز عبر كتلة المنتج أثناء مرحلة التجفيف. هناك العديد من النظريات حول كيفية عمل هذا:

  • عن طريق زيادة خفض الضغط الجزئي على قاع المسحوق في الوعاء وبالتالي تحسين التبخر
  • عن طريق تحسين تدفق الحرارة من الجدار إلى المنتج
  • عن طريق امتصاص الرطوبة
  • من خلال تعزيز نقل البخار إلى النظام الفراغي.

ومع ذلك، هناك بعض القيود:

  • عادة، لا يتم تسخين الغاز، لذلك يظل الجدار الساخن هو المصدر الوحيد لطاقة التجفيف
  • قد يكون الضغط في الوعاء أعلى - بالمقارنة مع التجفيف بالتفريغ "النقي" - بسبب إضافة الغاز، والذي قد يعوض تأثير نسبة التبخر المحسّن.

لذلك، وعلى الرغم من أن التجفيف بالغاز ينبغي أن يؤدي إلى انخفاض مستويات الرطوبة النهائية مقارنة بالتجفيف بالتفريغ، إلا أن تأثيره على وقت التجفيف يعتمد إلى حدٍ كبير على إعدادات العملية. وبما أن طاقة التجفيف لا تزال مشتقة من غطاء الوعاء المسخن فقط—، فإن ذلك لا يزال يعتمد على السطح الملامس المتوفر وأقصى درجة حرارة ممكنة للحائط — حيث تظل مشكلة التكبير قائمة. بالإضافة إلى ذلك، فإن أوقات التجفيف ستكون أطول بالنسبة لمعدات مستوى الإنتاج. على هذا النحو، فإن هذه التقنية ستكون أكثر فائدة للمنشآت الأصغر حجمًا، وأقل من ذلك على مستوى الإنتاج.

التجفيف باستخدام الموجات متناهية الصغر: يعتمد التجفيف بالموجات متناهية الصغر على توفير طاقة إضافية يتم امتصاصها بشكلٍ تفضيلي من خلال المذيبات في العملية لتعزيز التبخر. إن الموجات متناهية الصغر هي شكل من أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية (300 ميجاهرتز - 300 جيجا هرتز)، يتم توليدها بواسطة مغنطرونات من خلال القوة المشتركة للمجالات الكهربية والمغناطيسية العمودية. في صناعة المستحضرات الدوائية، يعتبر أكثر الترددات المستخدمة شيوعًا هو 2450 ميجاهرتز، بسبب المزايا التي يوفرها هذا التردد بالتزامن مع التفريغ.

يعد التسخين بالموجات متناهية الصغر هو طريقة التسخين المباشرة. في المجال الكهربائي المتناوب بشكلٍ سريع والذي تولده الموجات متناهية الصغر، توجّه المواد القطبيّة، وتعيد توجيه نفسها تبعًا لاتجاه المجال. التغيرات السريعة في المجال - عند 2450 ميجا هرتز ، واتجاه المجال 2450 مليون مرة في الثانية - يتسبب في إعادة التوجيه الجزيئي السريع، مما ينتج عنه الاحتكاك والحرارة. تتميز المواد المختلفة بخصائص مختلفة عند تعريضها لأفران الموجات متناهية الصغر، اعتمادًا على درجة امتصاص الطاقة، والتي تتميز بعامل الفقد.

نظرًا لخصائص المواد المستخدمة عادة في إنتاج المستحضرات الدوائية، فتعتبر طاقة الموجات متناهية الصغر مناسب تمامًا لتجفيف المستحضرات الدوائية. تحتوي السوائل الأكثر استخدامًا في التحبيب الرطب (الماء والكحول) على عوامل فقد أعلى بكثير من مكونات التحبيب الرطبة القياسية الأخرى (على سبيل المثال، اللاكتوز، ونشا الذرة)، مما يؤدي إلى ارتفاع امتصاص طاقة الموجات متناهية الصغر والتسخين التفضيلي لهذه السوائل.

الشكل 1 أ: النسبة بين سطح التلامس وحجم الوعاء (خط الأساس = 75 لتر).

الشكل 1 ب: زيادة أوقات التجفيف للتفريغ والتجفيف بالموجات متناهية الصغر.

رفع مستوى عمليات التجفيف

مقارنة الكفاءة النظرية

لإجراء مقارنة نظريًا بين التجفيف بالغاز والتجفيف بالموجات متناهية الصغر، أجريت حسابات للكمية الإضافية من الماء التي يمكن إزالتها (بالإضافة إلى كمية المياه التي يتم إزالتها عن طريق التجفيف بالتفريغ وحده) بواسطة الغاز أو طاقة الموجات متناهية الصغر، اعتمادًا على الخواص الفيزيائية للرطوبة التي تمتص الهواء الجاف والموجات متناهية الصغر التي توفر الطاقة.

كأساس، تم استخدام مواصفات الأجهزة المعالجة في حاوية واحدة 75 لترًا (كمقياس تجريبي) لمقارنة كمية الماء التي يمكن امتصاصها/تبخرها بواسطة الطريقتين المختلفتين للتجفيف.

لإمكانية المقارنة بين الطريقتين، يجب إجراء بعض الافتراضات الأولية بشأن الحساب النظري:

  •  من المفترض أن الطاقة التي يوفرها الغطاء المسخن (التوصيل الحراري عبر جدار الوعاء) تعتبر نموذجية لنظامي التجفيف؛ على الرغم من أن إحدى النظريات هي أن التجفيف بالغاز يعزز من نقل الطاقة هذا، ويتم تجاهل هذا في الحساب النظري
  • يعد الغاز المجفف جاف تمامًا عند دخول الوعاء ومشبع بالرطوبة بنسبة 100٪ بعد مروره عبر المنتج
  • يتم تطبيق الطاقة بالموجات متناهية الصغر بأكملها لتبخر المذيب المستخدم
  •  يعتبر مذيب التحبيب المستخدم هو الماء.

فيما يتعلق بهذه الافتراضات، يجب ملاحظة أنه في واقع الأمر، لن يتم استخدام كل طاقة الموجات متناهية الصغر في التبخر، ولن يكون التجفيف بالغاز مشبعًا بنسبة 100٪ عند خروجه من الماكينة: وبالتالي يمكن توقع أن يكون معدل التبخر الحقيقي أقل من النتيجة المحسوبة.

حسابات التجفيف بالغاز

في ماكينة بسعة 75 لترًا، يعتمد تدفق الغاز المستخدم على الشركة المصنعة للمعدات. ووفقا لبياناتنا، فإنه مع ذلك، يتراوح الحد الأقصى للتدفقات بين 35 و100 لترًا/دقيقة.5 اعتمدت الحسابات على استخدام الهواء الجاف المصفى عند درجة حرارة الغرفة (20 درجة مئوية). في هذه الحرارة، يبلغ أقصى محتوى مائي للهواء 17.3 جم/م3.

بافتراض أن الهواء يكون جافًا تمامًا عند دخول المنتج (0٪ RH)، ويكون مشبعًا تمامًا عند الخروج من الماكينة، فيمكن إزالة ما مقداره 0.9169 جم/دقيقة كحد أقصى و1.73 جم/دقيقة من الماء عند تدفقات الهواء 35 لترًا و100 لترًا لكل دقيقة، على التوالي.

ومن المعروف أنه في حالة تسخين الهواء، فتزداد قدرته على الاحتفاظ بالرطوبة. على سبيل المثال، يمكن أن يحتوي الهواء عند الدرجة المئوية 60 على 130 جم/م من المياه3 كحد أقصى. ومع ذلك، فإن تدعيم الهواء الساخن للعملية لن يؤدي إلى إزالة أيه مياه إضافية قدرها 4.55 جم/دقيقة عند تدفق الهواء 35 لتر/دقيقة، أو 13 جم/دقيقة عند تدفق الهواء بمقدار 100 لتر/دقيقة. وذلك لأنه عندما يلامس الهواء المنتج، يتم ضبط درجة حرارته على درجة حرارة المنتج. إذا تم التجفيف عند 40 ملي بار، على سبيل المثال، فإن درجة حرارة المنتج ستكون 28 درجة مئوية، مما يعني أن الهواء سيكون أيضًا عند 28 درجة مئوية، وبالتالي تكون قدرة امتصاص الرطوبة محدودة تقريبًا عند 30 جم/م3 (أو 1.05 جم/دقيقة و3 جم/دقيقة، على التوالي).

طاقة الهواء الساخن، عندما تبرد إلى درجة حرارة المنتج، فإنها توفر الطاقة للتبخر، ولكن هذا لا يؤثر على قدرة امتصاص الهواء، ولا يؤخذ في الاعتبار لهذا الحساب. قد يكون هذا السبب وراء أنه في حالة التجفيف بالغاز، نادرًا ما يتم تسخين الهواء (وكذلك زيادة تعقيد وتكلفة التركيب).

حسابات الموجات متناهية الصغر

تحتوي الأجهزة المعالجة في حاوية واحدة بسعة بالغة 75 لترًا على مغنطرون 3 كيلو واط. يقتصر إنتاج الموجة متناهية الصغر الفعلية على 2.4 كيلو واط، وهو ما يوازي إمدادات الطاقة التي تبلغ 2.4 كيلو جول/ثانية. إذا كان الضغط في الوعاء يبلغ 40 ملي بار (فيجب أن يكون ضغط الوعاء 30–100 ملي بار عند العمل بالموجات متناهية الصغر)، وتبلغ الحرارة الكامنة لتبخر الماء 2433 كيلو جول/كجم. مع إخراج الموجات متناهية الصغر من 2.4 كيلو واط، يتم تسليم 144 كيلو جول من الطاقة للمنتج في كل دقيقة، وهو ما يكفي لتوفير الطاقة الكافية لتبخر 59.19 جرام من الماء.

المقارنة

وبمقارنة الكمية الإضافية من المياه التي يمكن إزالتها/تبخرها بتقنيتي التجفيف في الدقيقة الواحدة، يتضح أن تقنية الموجات متناهية الصغر قادرة على إزالة المزيد من المياه بشكلٍ كبير من العملية في كل وحدة زمنية أكثر من عملية التجفيف بالغاز: يستغرق التجفيف بالغاز 0.9169 جرام/دقيقة، مقارنة بـ 59.19 جرام/دقيقة يستغرقها التجفيف بأجهزة الموجات متناهية الصغر (الجدول الثاني). حتى إذا تم تسخين الهواء المستخدم في التجفيف بالغاز إلى 60 درجة مئوية، وتم استخدام أقصى تدفق يبلغ 100 لتر/دقيقة، فإن قدرة امتصاص الماء تبقى أقل بكثير من قدرة الموجات متناهية الصغر (12.74 جم/دقيقة مقارنة بـ 59.19 جم/دقيقة).

المقارنة التجريبية

لتأكيد الحسابات النظرية، تم إجراء تجربة صغيرة باستخدام معالج UltimaPro ™ 25 (جهاز المعالجة في حاوية واحدة بسعة 25 لترًا، GEA Pharma Systems، بلجيكا). لتجنب أي حجم جزيئي أو آثار للمسامية على أوقات التجفيف، تم إجراء التجربة باستخدام مسحوق اللاكتوز (Lactochem Fine Powder، Domo) الذي كان يبلل بالماء دون تحبيب.

يتم تعبئة مونوهيدرات اللاكتوز (8 كجم) يدويًا في الماكينة. تم رش الماء المصفى (1 كجم) على اللاكتوز باستخدام وعاء ضغط عند 2 بار وفوهة رش شعاع مسطح (LX2، Delavan) بينما كان الدافع يعمل بقدرة 200 دورة في الدقيقة للحصول على مزيج متجانس من الماء/اللاكتوز، دون عمل حبيبات. بعد إضافة الماء، استمر في الخلط لمدة دقيقة واحدة قبل بدء مرحلة التجفيف.

تم أخذ عينات من المادة الخام، بعد الإضافة السائلة وخلال مرحلة التجفيف لتحديد محتوى الرطوبة من المنتج (باستخدام ميزان رطوبة Meltler Toledo Halogen عند 100 درجة مئوية، حتى الاستقرار [البرنامج 2]). تم اختيار نقطة النهاية للتجفيف كفقد بنسبة 2٪ عند التجفيف. يتم تلخيص المعلمات المستخدمة أثناء مرحلة التجفيف في الجدول الثالث. بالنسبة لهذه التجارب، تم الحفاظ على تسخين الأغطية إلى الحد الأدنى لتكون قادرة على إثبات قدرات إزالة الماء المختلفة لتقنيتي التجفيف. تؤكد النتائج، كما تم تلخيصها في الجدول الرابع والشكل 2، الحسابات النظرية، التي تبين أن الموجات المتناهية الصغر لديها قدرة على إزالة المياه أعلى بكثير من تلك التي تتم من خلال التجفيف بالغاز. باستخدام الإعدادات الموجودة في الجدول الثالث، اتضح أن لدى الموجات متناهية الصغر القدرة على إزالة الماء (حوالي 1 كجم) في 40 دقيقة، في حين أن التجفيف بالغاز يتطلب أكثر من 3 ساعات لإزالة نفس الكمية.

فيما يتعلق بنتائج هذه الدراسة، يجب ملاحظة أنه في بيئة عملية فعلية، قد يتم تسخين غطاء الوعاء، مما يوفر الطاقة لزيادة التبخر. وبالتالي، ستكون أوقات التجفيف الحقيقية أقصر من تلك المعدة التجريبية الموصوفة أعلاه (لكل من التجفيف بالغاز والتجفيف بالموجات متناهية الصغر). تعد الطاقة التي يتم توفيرها من خلال غطاء الوعاء أهم مصدر للطاقة لتبخر الماء في عملية التجفيف بالتفريغ بمساعدة الغاز، على الرغم من أنها أقل أهمية في التجفيف بالموجات متناهية الصغر حيث أن معظم طاقة التبخر يتم توفيرها بواسطة أجهزة الموجات متناهية الصغر. وهذا أمرٌ مهم خاصة عند رفع مستوى عملية التجفيف.

من خلال التجفيف بالموجات متناهية الصغر، ترتبط قوة المغنطرون بحجم الماكينة، مما ينتج عنه إمدادات طاقة ثابتة لكل كجم من المنتج، بغض النظر عن المستوى. وينعكس هذا (غالبًا) في كون أوقات التجفيف متطابقة في التطبيقات الصغيرة والكبيرة الحجم (الطاقة من الغطاء المسخن سيكون لها بعض التأثير على وقت التجفيف، لكنه لا يكاد يذكر). بالنسبة لعمليات التجفيف بالتفريغ بمساعدة الغاز، فإن تأثير إمداد الطاقة من الغلاف المسخن في وقت التجفيف يكون أعلى بكثير، وبالتالي، فإنه يؤثر أيضًا على زيادة المستوى. لذلك، وعلى الرغم من أن تدفق الغاز المجفف تمت زيادته خطيًا وفقًا لحجم الماكينة (وبالتالي، أيضًا تزداد قدرته على إزالة الرطوبة)، فإن أوقات التجفيف لن تبقى ثابتة عند الانتقال من المستوى الصغير إلى الكبير، ولكن سوف تكون أطول، بسبب نسبة تغير الحجم ومساحة السطح عندما يتم توسعة أبعاد الماكينة، على غرار التجفيف بالتفريغ (انظر أيضًا الشكل 1 ب).

المراجع

1. www.ima-pharma.com/Product/EN/Products-F575/Solid_Dose_Processing_%2f_Manufacturing-S591/Granulation-T601/High_shear_mixer_granulators-Q603/High_shear_granulator_and_single_pot_processor___Roto_Cube-M3.html.

2. www.boschpackaging.com/en/pa/products/industries/pd/product-detail/htg-hbg-singlepot-13394.php?ind=1675&mt=15299.

3. دليل المنتج: High-Shear Mixer Granulator Systems. الخلط، والتحبيب، والتجفيف؛ Huttlin GmbH، شركة Bosch Packaging Technology.

4. H. Stahl وG. Van Vaerenbergh, “Single-Pot Processing,” في D.M. Parikh, Ed., كتاب Handbook of Pharmaceutical Granulation Technology الطبعة الثانية, Drugs and the Pharmaceutical Sciences; المجلد 154 (Taylor and Francis,لندن, المملكة المتحدة) صفحات 311-331.

5. www.engineeringtoolbox.com/air-psychrometrics-properties-t_8.html.

المؤخرة