Différentes techniques de séchage peuvent être utilisées dans le traitement à une cuve, mais le principe de base du séchage repose sur l'application du vide dans une cuve, ce qui diminue largement la température d'évaporation et le liquide de granulation. Cet article compare l'efficacité de deux autres techniques : le séchage aux micro-ondes et le séchage par désorption de gaz.

Amélioration de l'efficacité de séchage

Le traitement à une cuve est une technique de production bien connue en pharmaceutique pour la granulation par voie humide à grand cisaillement et pour le séchage. Il est fréquemment utilisé lorsque la production requiert un confinement important, par exemple pour la fabrication de substances oncologiques puissantes ou d'hormones. Différentes techniques de séchage peuvent être utilisées dans le traitement à une cuve, mais le principe de base du séchage repose sur l'application du vide dans une cuve, ce qui diminue largement la température d'évaporation et le liquide de granulation. La source de chaleur traditionnelle consiste à chauffer les parois du séchoir. Le transfert de chaleur dépend directement de la surface des parois et du volume de produit, c'est pourquoi cette méthode est plus efficace pour l'usage à petite échelle. Pour améliorer le processus de séchage et réduire la durée de celui-ci, en particulier pour les opérations à plus grande échelle, des techniques de séchage supplémentaires peuvent être implémentées.

Informations fondamentales

 Une recherche effectuée dans la littérature afin de comparer les différentes techniques de séchage pour les systèmes de traitement à une cuve a fourni les résultats suivants :

  • la désorption de gaz réduit le temps de séchage en injectant du gaz inerte à travers la masse de produit afin d'améliorer l'évaporation, ce qui réduit le temps de séchage jusqu'à 50%1
  • la durée de séchage peut être réduite en appliquant une désorption de gaz continue et efficace2
  • le système d'alimentation continue en gaz de désorption remplace les accessoires coûteux tels que les systèmes d'inclinaison ou la technologie aux micro-ondes, qui requièrent en outre une maintenance fréquente, sans prolonger la durée de séchage.3

Une étude a été conduite afin de vérifier ces affirmations, en particulier pour prouver que la désorption de gaz peut remplacer la technologie par micro-ondes sans prolonger la durée de séchage.

Les principes de la technique de séchage

Déshydratation sous vide : Toutes les techniques de séchage d'un système de traitement à une cuve sont basées sur la déshydratation sous vide.4 Le principe de base est que le point d'ébullition d'un liquide est réduit lorsque la pression est plus faible (le point d'ébullition à 40 mbar est par exemple 28°C) ; la température de séchage est donc plus basse, ce qui entend que la chauffe du produit requiert moins d'énergie. L'énergie nécessaire à l'évaporation est fournie par conduction, à travers les parois et le couvercle chauffés et enveloppés de la cuve. Le rapport entre la surface de contact et le volume de produit est donc très important pour le processus de déshydratation sous vide, et c'est ce même rapport qui limite son utilisation dans les unités de production : plus la cuve de traitement est grande, moins le rapport surface de contact/volume est favorable et plus le temps de séchage est long (Figures 1a et 1b).

Désorption de gaz : La désorption de gaz améliore la déshydratation sous vide en injectant une petite quantité de gaz à travers la masse de produit durant la phase de séchage. Il existe plusieurs théories quant au fonctionnement de cette méthode :

  • en augmentant, la pression partielle tombe sur le lit de poudre de la cuve et améliore donc l'évaporation
  • en améliorant le débit de chaleur entre la paroi et le produit
  • en absorbant l'humidité
  • en améliorant le déplacement de la vapeur vers le système d'aspiration.

Il existe toutefois des limitations :

  • le gaz n'étant généralement pas chauffé, la paroi chauffée est la seule source d'énergie pour le séchage
  • la pression de la cuve peut être plus grande (par rapport à la déshydratation sous vide « pure »), il faut donc ajouter du gaz, ce qui peut modifier l'effet du meilleur taux d'évacuation.

Ainsi, bien que la désorption de gaz soit sensée produire un niveau d'humidité final plus bas que lors de la déshydratation sous vide, son effet sur le temps de séchage dépend largement des réglages du processus. Et si l'énergie de séchage est toujours issue uniquement de l'enveloppe chauffée de la cuve (elle dépend donc toujours de la surface de contact disponible et de la température maximum que la paroi peut atteindre), la question de la mise à niveau reste posée. De plus, la durée du séchage sera plus longue pour l'équipement de production. Cette technologie sera donc plus efficace pour les installations de petite échelle, et elle le sera moins pour les installations de production.

Séchage aux micro-ondes : le séchage aux micro-ondes demande un plus grand apport d'énergie, qui est de préférence absorbée par les solvants du processus afin d'améliorer l'évaporation. Les micro-ondes sont une forme d'énergie électromagnétique (300 Mhz–300 GHz) générée par les magnétrons sous la force de champs électriques perpendiculaires et de champs magnétiques. En pharmaceutique, la fréquence la plus utilisée est 2450 MHz, au vu des avantages que cette fréquence offre lorsqu'elle est associée au vide.5

Le chauffage aux micro-ondes est une méthode de chauffage directe. Dans le champ électrique alterné rapidement généré par les micro-ondes, les matériaux polarisés s'orientent continuellement selon la direction du champ. Les changements rapides du champ — à 2450 MHz, l'orientation du champ change 2450 millions de fois par seconde — provoquent une réorientation rapide, ce qui génère la friction et la chaleur. Différents matériaux ont différentes propriétés lorsqu'ils sont exposés aux micro-ondes, selon l'étendue de la désorption d'énergie, laquelle est caractérisée par le facteur de perte.

Au vu des caractéristiques des matériaux communément employés dans la production pharmaceutique, l'énergie des micro-ondes est parfaitement adaptée au séchage des formules pharmaceutiques. Les liquides les plus fréquemment utilisés dans la granulation par voie humide (l'eau et l'alcool) affichent des facteurs de perte plus élevés que ceux des autres ingrédients standard de la granulation par voie humide (par exemple le lactose ou l'amidon de maïs), ce qui génère une plus grande désorption de l'énergie des micro-ondes et la chauffe préférentielle de ces liquides.

Figure 1a : rapport entre la surface de contact et le volume de la cuve (valeur de base = 75 l).

Figure 1b : mise à l'échelle de la durée de séchage pour le séchage sous vide et aux micro-ondes.

Mise à niveau des processus de séchage

Comparaison théorique de l'efficacité

Pour comparer théoriquement le séchage par désorption de gaz et par micro-ondes, des calculs ont été effectués pour la quantité supplémentaire d'eau qui peut être éliminée (outre la quantité d'eau éliminée par la déshydratation sous vide seule) par le gaz ou l'énergie des micro-ondes, en fonction des propriétés physiques de l'air sec qui absorbe l'humidité et les microondes qui fournissent l'énergie.

Les spécifications d'un système de traitement comprenant un cuve de 75 l (échelle pilote) ont été utilisées comme référence pour comparer la quantité d'eau qui peut être absorbée/évaporée par les deux techniques de séchage.

Des hypothèses initiales quant au calcul théorique ont dû être formulées afin de pouvoir comparer les deux méthodes :

  •  il est posé que l'énergie fournie par l'enveloppe chauffante (conductivité thermique à travers la paroi de la cuve) est la même pour les deux systèmes de séchage ; bien que l'une des théories avance que la désorption de gaz améliore ce transfert d'énergie, cette donnée est négligée dans le calcul théorique.
  • le gaz de désorption est entièrement sec lorsqu'il pénètre dans la cuve et 100% saturé d'humidité après avoir passé à travers le produit
  • toute l'énergie des micro-ondes est appliquée à évaporer le solvant utilisé
  •  le solvant de granulation utilisé est l'eau.

Pour ce qui est de ces hypothèses, il faut remarquer qu'en réalité toute l'énergie des micro-ondes n'est pas utilisée pour l'évaporation, et que le gaz de désorption ne sera pas saturé à 100% à la sortie de la machine : le taux d'évaporation réel sera donc probablement inférieur au résultat calculé.

Calculs de la désorption du gaz

Dans une machine de 75 l, le débit de gaz employé dépend du fabricant de l'équipement. D'après les données dont nous disposons, le débit maximum varie de 35 à 100 l/min.5 Les calculs se basaient sur l'utilisation d'air purifié sec à température ambiante (20 °C). À cette température, la teneur maximum en eau de l'air est de 17,3 g/m3

En supposant que l'air est totalement sec lorsqu'il entre dans le produit (0% RH) et qu'il est entièrement saturé lorsqu'il sort de la machine, un maximum de 0,9169 g/min et 1,73 g/min d'eau peut être éliminé à un débit d'air de 35 l et de 100 l par minute respectivement.

Il est bien connu que la capacité de retenue de l'humidité de l'air augmente lorsqu'il est chauffé. De l'air à 60°C peut par exemple contenir 130 g/m3 d'eau au maximum. Toutefois, fournir de l'air chaud au processus augmenterait l'élimination de l'eau à 4,55 g/min à un débit d'air de 35 l/min, ou de 13 g/min à un débit d'air de 100 l/min, car lorsque l'air entre en contact avec le produit, sa température s'adapte à celle du produit. Si le séchage est effectué à 40 mbar par exemple, la température du produit serait de 28°C, ce qui entend que l'air aurait également 28°C et que la capacité d'absorption serait donc limitée à 30 g/m3 environ (ou 1,05 g/min et 3 g/min respectivement).

Lorsque l'air descend à la température du produit, l'énergie de l'air chauffé fournit de l'énergie pour l'évaporation, mais cela n'a aucune conséquence sur la capacité d'absorption de l'air. Ce cas n'est donc pas pris en considération dans ce calcul. Cela pourrait expliquer pourquoi l'air est rarement chauffé dans l'absorption de gaz (sans compter que cela augmenterait la complexité et le coût de l'installation).

Calculs des micro-ondes

Un système de traitement comprenant une cuve de 75 l contient 3 kW de magnétrons. La valeur actuelle des micro-ondes est limitée à 2,4 kW, ce qui correspond à une alimentation en énergie de 2,4 kJ/seconde. Si la pression de la cuve est de 40 mbar (la pression de la cuve doit être comprise entre 30 et 100 mbar pour le travail avec les micro-ondes), la chaleur latente de l'évaporation de l'eau est de 2433 kJ/kg. Avec une valeur de micro-ondes de 2,4 kW, 144 kJ d'énergie sont fournis au produit toutes les minutes, ce qui suffit à fournir l'énergie nécessaire à évaporer 59,19 g d'eau.

Comparaison

La comparaison de la quantité d'eau supplémentaire qui peut être éliminée/évaporée par minute par chacune des deux techniques de séchage montre de manière évidente que la technologie par micro-ondes est en mesure d'éliminer une quantité d'eau bien plus importante que la désorption par unité de temps : 0,9169 g/min pour la désorption de gaz par rapport à 59,19 g/min pour les micro-ondes (Tableau II). Bien que l'air utilisé pour la désorption de gaz soit chauffée à 60°C et qu'un débit maximum de 100 l/min soit utilisé, la capacité d'absorption de l'eau reste largement inférieure à celle des micro-ondes (12,74 g/min par rapport à 59,19 g/min).

Comparaison expérimentale

Pour confirmer les calculs théoriques, un petit essai a été effectué à l'aide de UltimaPro™ 25 (système de traitement contenant une cuve de 25 l, GEA Pharma Systems, Belgique). Pour éviter les effets dus à la taille des particules ou à leur porosité sur les temps séchage, l'essai a été effectué à l'aide de poudre de lactose (Lactochem Fine Powder, Domo) humidifiée à l'eau avant la granulation.

Du monohydrate de lactose (8 kg) a été chargé manuellement dans la machine. De l'eau purifiée (1 kg) a été pulvérisée sur le lactose à l'aide d'un récipient sous une pression de 2 bar et d'un gicleur à faisceau plat (LX2, Delavan) tandis que le rotor tournait à 200 rpm afin d'obtenir un mélange de lactose homogène, sans créer de granules. Après avoir ajouté de l'eau, le mélange s'est poursuivi pendant 1 minute avant le démarrage de la phase de séchage.

Des échantillons ont été prélevés à partir du matériel brut, après avoir ajouté du liquide et durant la phase de séchage, afin de définir la teneur en humidité (à l'aide d'un équilibre d'humidité halogène de Mettler Toledo à 100°C, jusqu'à atteindre la stabilité [programme 2]). Le point final du séchage a été établi à 2% de perte durant le séchage. Les paramètres employés durant la phase de séchage sont récapitulés au Tableau III. Pour ces essais, la chauffe de l'enveloppe a été maintenue au minimum afin de pouvoir montrer les différentes capacités d'élimination de l'eau des deux technologies de séchage. Les résultats, tels qu'ils sont récapitulés dans le Tableau IV et à la Figure 2, confirment les calculs théoriques : ils montrent que la capacité d'élimination de l'eau des micro-ondes est largement supérieure à celle de la désorption de gaz. En appliquant les réglages indiqués dans le Tableau III, les micro-ondes ont pu éliminer l'eau (1 kg env.) en 40 minutes, tandis que la désorption de gaz a obtenu le même résultat en plus de 3 heures.

Pour ce qui est des résultats de cette étude, il faut remarquer que dans un environnement de traitement réel l'enveloppe de la cuve serait chauffée, afin de fournir l'énergie nécessaire à l'évaporation. Les temps de séchage réels seront donc plus courts que ceux du paramétrage expérimental décrit ci-dessus (pour le séchage par désorption de gaz et par micro-ondes). L'énergie fournie par l'enveloppe de la cuve est la principale source d'énergie pour l'évaporation de l'eau dans un processus de séchage sous vide assisté, pratiqué dans du verre, bien qu'elle soit moins importante dans le séchage aux micro-ondes, puisque la plupart de l'énergie d'évaporation est fournie par les micro-ondes. Cette considération est particulièrement importante lors de la mise à l'échelle du processus de séchage.

Avec le séchage par micro-ondes, la poudre des magnétrons dépend de la taille de la machine, ce qui assure une alimentation en énergie constante par kilo de produit, quelle que soit l'échelle. Cela se reflète dans la durée de séchage (presque) identique dans les applications de séchage à petite et grande échelle (l'énergie provenant de l'enveloppe chauffée a des effets sur le temps de séchage, mais elle est négligeable). Pour les processus de séchage sous vide assistés au gaz, l'effet de l'alimentation en énergie de l'enveloppe chauffée sur le temps de séchage est bien plus élevé. Il influe donc également sur la mise à l'échelle. Ainsi, bien que le débit d'une bande de gaz de désorption dénote une linéarité de mise à niveau (et donc aussi sa capacité d'éliminer l'humidité), la durée du séchage ne sera pas constante lors du passage d'une petite échelle à une grande échelle. Au contraire, elle sera plus longue, au vu du changement du rapport volume/surface lorsque les dimensions de la machine sont plus grandes, comme pour le séchage sous vide (voir également la Fig. 1b).

Références

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. Brochure de produit : High-Shear Mixer Granulator Systems. Mixing, Granulating, Drying; Huttlin GmbH, A Bosch Packaging Technology Company.

4. H. Stahl and G. Van Vaerenbergh, “Single-Pot Processing,” in D.M. Parikh, Ed., Handbook of Pharmaceutical Granulation Technology Second Edition, Drugs and the Pharmaceutical Sciences; Vol. 154 (Taylor and Francis,London, UK) pp 311-331.

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

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