Коатинг таблеток - перфорированные барабаны скорость распыления Wurster температура

Таблица 1: Типы коатинг-машин для таблеток

Таблица 2: Технические параметры процесса коатинга

Таблица 3: Сравнение пленочного и сахарного покрытия

Таблица 4: Параметры Wurster-процесса (псевдоожиженный слой)

1. Типы коатинг-машин для фармацевтических таблеток

Коатинг-машины для таблеток представляют собой специализированное фармацевтическое оборудование, предназначенное для нанесения защитных, функциональных или косметических покрытий на твердые лекарственные формы. Процесс нанесения покрытия является критически важным этапом производства таблеток, обеспечивающим защиту активных фармацевтических ингредиентов от внешних факторов, маскировку неприятного вкуса, улучшение внешнего вида и контроль высвобождения препарата.

В современной фармацевтической промышленности используются три основных типа коатинг-систем: стандартные барабанные коатеры, перфорированные барабаны и системы псевдоожиженного слоя. Каждый тип оборудования имеет свои особенности, преимущества и специфические области применения, определяемые характеристиками таблеток, требованиями к покрытию и масштабами производства.

Стандартные барабанные коатеры

Традиционные барабанные коатеры состоят из круглого металлического барабана диаметром от 15 до 200 см, установленного под углом приблизительно 45 градусов к горизонтали. Барабан приводится во вращение электродвигателем со скоростью от 3 до 20 оборотов в минуту. Партия таблеток загружается в барабан, который вращается, заставляя таблетки переворачиваться внутри. Раствор покрытия наносится на вращающийся слой таблеток путем распыления в атомизированной форме, что обеспечивает более быстрое и равномерное распределение по сравнению с простым введением жидкости.

Эффективность сушки в стандартных барабанах может быть улучшена различными модификациями: система погружного меча, где горячий воздух распределяется через перфорированную металлическую трубку, погруженную в слой таблеток; система с перегородками Pellegrini, позволяющая равномерно распределять сушильный воздух по поверхности таблеток; система погружной трубки, где трубка подает нагретый воздух непосредственно через распылительное сопло.

Перфорированные барабанные системы

Перфорированные коатеры стали популярными в фармацевтической промышленности при переходе с покрытий на основе органических растворителей на водные покрытия. Эти системы состоят из полностью или частично перфорированного барабана, который вращается на горизонтальной оси в закрытом корпусе. Раствор покрытия наносится через распылительные форсунки, расположенные внутри барабана. Сушильный воздух направляется непосредственно к барабану, проходит через слой таблеток и выходит через перфорации в барабане, обеспечивая максимально эффективную сушку и минимизируя проникновение влаги в ядро таблетки при высоких скоростях распыления.

Системы псевдоожиженного слоя

В коатере с псевдоожиженным слоем камера обычно представляет собой вертикальный цилиндр. Псевдоожижение таблеток или пеллет достигается потоком воздуха, поступающим снизу от центра цилиндра. Распыляемое покрытие подается через форсунки в нижней части по мере перемещения частиц вокруг цилиндра. Системы псевдоожиженного слоя особенно эффективны для покрытия мультипартикулятных систем и частиц небольшого размера.

2. Перфорированные барабанные коатеры

Перфорированные барабанные коатеры представляют собой эволюцию традиционных систем и являются наиболее распространенным типом оборудования в современной фармацевтической промышленности. Их конструкция обеспечивает высокую эффективность сушки, что особенно важно при использовании водных систем покрытия, которые являются предпочтительными с точки зрения безопасности и экологичности.

Конструкционные особенности

Основным элементом системы является барабан с перфорацией, представляющей собой множество отверстий диаметром обычно 2.5 мм, занимающих не менее 25% площади поверхности барабана. Барабан вращается на горизонтальной оси внутри герметичного корпуса. Внутри барабана установлены специальные перегородки-лопасти с низким сдвигом, которые обеспечивают переворачивание таблеток и равномерное покрытие по всему диапазону загрузки коатера.

Система распыления включает одну или несколько форсунок, установленных на подвижной штанге внутри барабана. Современные системы позволяют автоматически регулировать расстояние от форсунки до слоя таблеток, что критически важно для обеспечения равномерности покрытия и предотвращения чрезмерного смачивания или недостаточного нанесения раствора.

Принцип работы системы воздухоподготовки

Воздухоподготовительная установка обеспечивает подачу в барабан фильтрованного воздуха с контролируемыми параметрами температуры и влажности. Воздух проходит через систему фильтрации, включающую предварительный фильтр, фильтр средней очистки и HEPA-фильтр, затем нагревается до заданной температуры в диапазоне от 40 до 80°C. При необходимости воздух может быть осушен с помощью роторного осушителя для достижения точки росы ниже требуемой температуры продукта.

Нагретый воздух направляется к барабану, проходит через слой таблеток, испаряя растворитель из нанесенного покрытия, и выходит через перфорации в барабане. Отработанный воздух содержит испарившийся растворитель и выводится через вытяжную систему. Для поддержания оптимальных условий процесса в барабане создается небольшое отрицательное давление, обычно от 5 до 15 Па относительно помещения.

Система управления и контроля

Современные перфорированные коатеры оснащаются программируемыми логическими контроллерами и человеко-машинными интерфейсами, позволяющими точно контролировать все критические параметры процесса. Операторы могут создавать и сохранять рецепты для различных продуктов, что обеспечивает воспроизводимость процесса от партии к партии.

Датчики температуры непрерывно измеряют температуру входящего воздуха, выходящего воздуха и слоя таблеток. Датчики давления контролируют перепад давления в барабане и на HEPA-фильтре. Перистальтические или роторные насосы с регулируемой скоростью обеспечивают точную подачу раствора покрытия к форсункам со скоростью от 5 до 50 г/мин на каждую форсунку.

3. Системы псевдоожиженного слоя и Wurster-процесс

Системы псевдоожиженного слоя представляют собой альтернативу барабанным коатерам и особенно эффективны для покрытия пеллет, гранул и небольших таблеток. Wurster-процесс, также известный как процесс нижнего распыления, является наиболее распространенным вариантом покрытия в псевдоожиженном слое, обеспечивающим высокую равномерность и качество покрытия.

Принцип работы Wurster-системы

Wurster-система состоит из вертикальной цилиндрической камеры с коническим днищем, содержащим перфорированную распределительную пластину. Внутри камеры установлена центральная цилиндрическая перегородка, называемая колонной Wurster или разделительной перегородкой, которая приподнята на небольшое расстояние над распределительной пластиной. Распылительная форсунка расположена в центре под перегородкой.

Воздух для псевдоожижения проходит через перфорированную пластину, при этом большая часть воздуха направляется через центральную зону под колонной Wurster, создавая эффект Вентури. Частицы с потоком воздуха движутся вверх через центральную колонну, проходя мимо распылительной форсунки, где на них наносятся капли раствора покрытия. Достигнув верха колонны, частицы попадают в расширительную камеру, где скорость воздуха снижается, позволяя частицам отделиться друг от друга и начать опускаться. Затем частицы циркулируют обратно к покрывающей зоне через нисходящий слой вне колонны Wurster.

Преимущества Wurster-процесса

Wurster-процесс обеспечивает высокоорганизованное движение частиц и предсказуемую циркуляцию, что приводит к получению более гладкого и равномерного покрытия по сравнению с верхним или тангенциальным распылением. Процесс позволяет наносить высококачественные воспроизводимые пленки на частицы размером от 20 микрон до нескольких сантиметров. Система обеспечивает эффективность покрытия от 85 до 99% в зависимости от условий процесса и используемых вспомогательных средств.

Для функциональных покрытий, таких как системы контролируемого высвобождения или энтеросолюбильные покрытия, использование колонны Wurster является предпочтительным, так как обеспечивает более равномерное распределение барьерной пленки. Процесс особенно подходит для частиц, которые не могут выдерживать интенсивное механическое воздействие в барабанных коатерах.

Критические параметры Wurster-процесса

Температура входящего воздуха для водных систем обычно составляет 35-40°C, а для систем на органических растворителях - 30-35°C, в зависимости от типа используемого полимера. Температура продукта должна поддерживаться в диапазоне 25-30°C для водных систем и 18-25°C для органических растворителей, чтобы предотвратить агломерацию частиц.

Скорость распыления является критическим параметром и обычно составляет от 1.1 до 2.4 г/мин для водных систем и от 2 до 5 г/мин для органических растворителей на одну форсунку. При слишком высокой скорости распыления капли покрытия не успевают высыхать до столкновения частиц, что приводит к агломерации. При слишком низкой скорости процесс становится неэффективным, а капли могут высыхать в воздухе до достижения поверхности частиц.

Давление атомизации обычно составляет 1.5 бар для водных систем и 2.0-2.5 бар для систем на органических растворителях. Более высокое давление создает более мелкие капли, что важно для покрытия мелких частиц размером менее 100 микрон.

Масштабирование Wurster-процесса

Масштабирование процесса от лабораторного к промышленному масштабу осуществляется путем увеличения количества колонн Wurster и распылительных форсунок при сохранении основных параметров процесса. Лабораторное оборудование с распределительными пластинами диаметром до 18 дюймов использует одну перегородку и одну форсунку. Промышленные установки с пластинами диаметром до 46 дюймов могут иметь несколько перегородок и форсунок для увеличения производительности.

При масштабировании критически важно сохранять постоянными температуру продукта и точку росы, так как эти параметры являются наиболее критическими для движения продукта и профиля высвобождения. Объем воздуха для псевдоожижения должен быть увеличен пропорционально площади распределительной пластины для поддержания постоянной скорости воздуха.

4. Критические параметры процесса коатинга

Процесс нанесения покрытия на таблетки является сложной динамической системой, в которой одновременно протекают распыление, нанесение покрытия и сушка. Для обеспечения высокого качества покрытия и воспроизводимости процесса необходим точный контроль множества взаимосвязанных параметров.

Температурные параметры

Температура входящего воздуха обычно устанавливается в диапазоне от 40 до 80°C для барабанных коатеров и от 35 до 40°C для систем псевдоожиженного слоя с водными покрытиями. Этот параметр контролирует эффективность сушки и должен быть достаточно высоким для быстрого испарения растворителя, но не настолько высоким, чтобы вызвать преждевременное высыхание капель в воздухе до достижения поверхности таблеток.

Температура слоя таблеток является наиболее критическим параметром и обычно поддерживается в диапазоне от 25 до 45°C в зависимости от формулировки. Слишком низкая температура может привести к избыточному смачиванию и слипанию таблеток. Слишком высокая температура может вызвать термическую деградацию активных веществ или вспомогательных компонентов покрытия. Температура слоя измеряется с помощью датчиков сопротивления или инфракрасных датчиков, установленных в барабане.

Параметры распыления

Скорость распыления раствора покрытия обычно составляет от 5 до 50 г/мин на одну форсунку для барабанных коатеров. Этот параметр должен быть сбалансирован с производительностью сушки системы. Слишком высокая скорость распыления может привести к избыточному смачиванию, что вызывает прилипание таблеток друг к другу, слипание с барабаном, образование двойных таблеток и неравномерность покрытия. Слишком низкая скорость приводит к высыханию капель в воздухе и снижению эффективности покрытия.

Давление атомизации обычно составляет от 1.5 до 3.0 бар и контролирует размер распыляемых капель и форму факела распыления. Более высокое давление создает более мелкие капли, что обеспечивает более равномерное покрытие, но требует более интенсивной сушки. Современные форсунки позволяют независимо контролировать давление формирования факела и давление атомизации для оптимизации процесса.

Параметры воздушного потока

Объем воздуха, проходящего через слой таблеток, является критическим параметром, определяющим эффективность сушки и движение таблеток в барабане. Объем воздуха обычно выражается в кубических метрах в час и должен быть достаточным для быстрого удаления испарившегося растворителя, но не настолько высоким, чтобы вызвать чрезмерную турбулентность или унос мелких частиц.

Перепад давления в барабане должен поддерживаться слегка отрицательным (обычно от 5 до 15 Па) относительно помещения для предотвращения утечки паров растворителя и пыли из оборудования. Чрезмерно отрицательное давление может привести к прохождению избыточного количества раствора покрытия через слой таблеток до его высыхания.

Скорость вращения барабана

Скорость вращения барабана обычно составляет от 3 до 20 оборотов в минуту и влияет на движение и перемешивание таблеток. Минимальная скорость определяется как скорость, при которой слой таблеток начинает двигаться без остановок. Максимальная скорость определяется как скорость, при которой отдельные таблетки начинают отрываться от слоя в зоне распыления.

Некоторые процессы используют различные скорости вращения для разных фаз покрытия. На фазе защитного покрытия, составляющей примерно 30-40% общего цикла, используется минимальная скорость для обеспечения тонкого, но полного покрытия. На фазе косметического покрытия, составляющей оставшиеся 60-70% цикла, скорость увеличивается для улучшения внешнего вида и сокращения времени процесса.

5. Пленочное покрытие против сахарного покрытия

Пленочное и сахарное покрытие представляют собой две различные технологии нанесения покрытий на таблетки, каждая из которых имеет свои характеристики, преимущества и области применения.

Пленочное покрытие

Пленочное покрытие является современным и наиболее широко используемым методом в фармацевтической промышленности. Процесс включает нанесение тонкого слоя полимерной пленки толщиной от 20 до 100 микрон на поверхность таблетки путем распыления раствора или суспензии полимера с добавлением пластификаторов, пигментов и других вспомогательных веществ.

Наиболее распространенные полимеры для пленочного покрытия включают гидроксипропилметилцеллюлозу, которая является водорастворимым полимером, обеспечивающим быстрое высвобождение препарата; этилцеллюлозу для контролируемого высвобождения; поливинилпирролидон для улучшения адгезии и гибкости пленки; акрилатные сополимеры для энтеросолюбильных покрытий и покрытий с замедленным высвобождением.

Процесс пленочного покрытия является одноэтапным и занимает от 1.5 до 3 часов в зависимости от размера партии, толщины покрытия и типа используемого оборудования. Прирост веса таблетки при пленочном покрытии составляет всего 2-4%, что означает минимальное увеличение размера таблетки. Форма таблетки полностью сохраняется, логотипы и линии разлома остаются четко видимыми.

Сахарное покрытие

Сахарное покрытие является традиционным методом, который исторически использовался для маскировки вкуса и придания таблеткам привлекательного внешнего вида. Процесс включает нанесение множества слоев материалов на основе сахарозы в несколько этапов: герметизацию, подслойку, сглаживание, окрашивание и полировку.

Герметизация включает нанесение защитного слоя на ядро таблетки с использованием шеллака, ацетата целлюлозы фталата или других водонепроницаемых материалов для предотвращения проникновения влаги от последующих сахарных слоев. Подслойка представляет собой этап наращивания объема, при котором наносятся чередующиеся слои связующего раствора и порошка для присыпки, такого как карбонат кальция или тальк, для округления краев таблетки и увеличения ее размера. Сглаживание выполняется с использованием концентрированных растворов сахарозы для создания гладкой поверхности. Окрашивание придает таблетке окончательный цвет. Полировка с использованием порошкообразного воска обеспечивает желаемый блеск.

Процесс сахарного покрытия является многоэтапным и трудоемким, занимая от 8 до 12 часов или более. Прирост веса таблетки составляет 30-50%, что значительно увеличивает размер и округляет форму таблетки. Толщина сахарного покрытия составляет от 0.5 до 2 мм, что делает невозможным сохранение логотипов или линий разлома на поверхности.

Сравнение методов

Пленочное покрытие значительно более эффективно с точки зрения времени процесса и затрат. Одноэтапный процесс требует меньше рабочей силы и может быть легко автоматизирован. Пленочное покрытие обеспечивает превосходную гибкость для создания функциональных покрытий, таких как энтеросолюбильные покрытия для защиты от желудочной кислоты, покрытия с замедленным высвобождением для контроля скорости высвобождения препарата, или покрытия, содержащие дополнительные активные ингредиенты.

Сахарное покрытие обеспечивает превосходный эстетический вид с высоким глянцем и привлекательной округлой формой, что может быть важно для безрецептурных препаратов, где внешний вид влияет на выбор потребителя. Однако этот метод в значительной степени вытеснен пленочным покрытием в современной фармацевтической промышленности из-за более высокой стоимости, длительности процесса и ограничений в создании функциональных покрытий.

6. Системы распыления и толщина покрытия

Системы распыления играют критическую роль в процессе нанесения покрытия, определяя размер капель, форму факела распыления и равномерность нанесения раствора покрытия на поверхность таблеток.

Типы систем распыления

В фармацевтических коатинг-машинах используются преимущественно воздушные атомизирующие форсунки, которые работают за счет энергии сжатого воздуха. Эти форсунки обеспечивают создание мелкодисперсных капель с контролируемым распределением по размерам. Современные форсунки позволяют независимо регулировать давление формирования факела и давление атомизации для оптимизации процесса распыления.

Давление атомизации обычно составляет от 1.5 до 3.0 бар и определяет размер образующихся капель. При более высоком давлении создаются более мелкие капли диаметром от 20 до 50 микрон, которые обеспечивают более равномерное покрытие и лучшую адгезию к поверхности таблеток. При более низком давлении образуются более крупные капли диаметром от 50 до 150 микрон, которые требуют менее интенсивной сушки, но могут давать менее равномерное покрытие.

Форма факела распыления может быть отрегулирована для соответствия ширине слоя таблеток. Узкий факел используется для небольших партий, а широкий факел для крупных производственных партий. Расстояние от форсунки до слоя таблеток обычно составляет от 15 до 30 см и должно быть оптимизировано для предотвращения чрезмерного смачивания или преждевременного высыхания капель.

Толщина покрытия и контроль качества

Толщина пленочного покрытия обычно составляет от 20 до 100 микрон в зависимости от назначения покрытия. Косметические покрытия, используемые только для придания цвета и блеска, обычно имеют толщину от 20 до 40 микрон. Защитные покрытия для маскировки вкуса и защиты от влаги имеют толщину от 40 до 60 микрон. Функциональные покрытия, такие как энтеросолюбильные или покрытия с замедленным высвобождением, могут иметь толщину от 60 до 100 микрон или более.

Толщина покрытия связана с приростом веса таблетки и может быть рассчитана на основе плотности полимера покрытия и площади поверхности таблетки. Для таблетки с площадью поверхности 400 квадратных миллиметров и плотностью покрытия 1.2 г/см³, покрытие толщиной 50 микрон будет соответствовать прироста веса примерно 2.4 миллиграмма на таблетку, или около 3% для таблетки весом 80 миллиграммов.

Контроль толщины покрытия осуществляется несколькими методами. Спектроскопия в ближней инфракрасной области позволяет проводить неразрушающие измерения толщины покрытия в режиме реального времени непосредственно в процессе нанесения. Терагерцовая импульсная визуализация обеспечивает трехмерное картирование толщины покрытия с высоким разрешением. Разрушающий метод с использованием оптической микроскопии поперечных срезов таблеток используется для валидации неразрушающих методов.

Дефекты покрытия и их предотвращение

Неравномерность покрытия может возникать из-за недостаточного перемешивания таблеток, неправильного расположения форсунок или неоптимальных параметров процесса. Прилипание и слипание таблеток происходит при избыточной скорости распыления относительно производительности сушки или слишком низкой температуре слоя. Растрескивание покрытия может быть вызвано недостаточным содержанием пластификатора, чрезмерной толщиной покрытия или неправильной скоростью сушки. Эффект апельсиновой корки возникает при слишком быстром испарении растворителя или неправильных параметрах распыления.

7. Время цикла и оптимизация процесса

Время цикла нанесения покрытия является важным экономическим параметром, влияющим на производительность и стоимость производства. Типичный цикл пленочного покрытия состоит из нескольких фаз: прогрева, распыления, промежуточной сушки (при необходимости) и охлаждения.

Фазы процесса нанесения покрытия

Фаза прогрева обычно занимает от 10 до 30 минут в зависимости от размера партии и начальной температуры таблеток. Во время этой фазы таблетки нагреваются до заданной температуры процесса потоком горячего воздуха при вращении барабана. Прогрев должен быть постепенным, чтобы избежать термического шока, который может привести к растрескиванию таблеток или неравномерному расширению.

Фаза распыления является основной и наиболее продолжительной фазой процесса, обычно занимающей от 60 до 150 минут для пленочного покрытия. Продолжительность этой фазы определяется требуемым приростом веса покрытия, скоростью распыления и эффективностью процесса. Для сахарного покрытия эта фаза может быть разделена на несколько этапов с промежуточными периодами сушки и занимать от 6 до 10 часов.

Промежуточная сушка может использоваться при многослойных покрытиях для обеспечения полного высыхания предыдущего слоя перед нанесением следующего. Это особенно важно при нанесении функциональных покрытий, где каждый слой должен сформировать непрерывную пленку перед нанесением следующего слоя.

Фаза охлаждения обычно занимает от 10 до 20 минут и включает продолжение вращения барабана при подаче охлажденного воздуха или воздуха комнатной температуры для снижения температуры таблеток до безопасного уровня для выгрузки и упаковки. Недостаточное охлаждение может привести к слипанию таблеток при упаковке.

Стратегии оптимизации времени цикла

Увеличение скорости распыления является наиболее очевидным способом сокращения времени цикла, но ограничено производительностью системы сушки. Производительность сушки может быть увеличена путем повышения температуры входящего воздуха, увеличения объема воздуха или снижения относительной влажности входящего воздуха с помощью осушителей. Однако каждый из этих подходов имеет ограничения, связанные с термической стабильностью продукта, конструкцией оборудования и энергетическими затратами.

Использование перфорированных барабанов вместо стандартных барабанов может сократить время цикла на 20-40% за счет более эффективной сушки. Оптимизация концентрации сухого вещества в растворе покрытия позволяет уменьшить количество растворителя, которое необходимо испарить. Однако повышение концентрации ограничено увеличением вязкости раствора, что может негативно повлиять на распыление и равномерность покрытия.

Применение систем с несколькими форсунками позволяет увеличить общую скорость распыления при сохранении оптимальной скорости на каждую форсунку. Современные промышленные коатеры могут быть оснащены от 2 до 8 форсунок в зависимости от размера барабана и требований к производительности.

Непрерывное производство покрытий

Традиционное периодическое производство покрытий, при котором каждая партия загружается, покрывается и выгружается отдельно, постепенно заменяется непрерывными или квази-непрерывными системами. В непрерывных системах непокрытые таблетки постоянно поступают в коатер, проходят через зону покрытия и выгружаются как покрытые таблетки. Это позволяет устранить непроизводительное время, связанное с загрузкой, прогревом и охлаждением каждой партии.

Системы непрерывного покрытия требуют точного контроля времени пребывания таблеток в зоне покрытия для обеспечения равномерности покрытия. Они также требуют более сложных систем управления для поддержания постоянных условий процесса при изменении скорости подачи материала. Однако преимущества в виде повышенной производительности, улучшенной воспроизводимости и сокращения объема незавершенного производства делают непрерывное производство привлекательным направлением развития технологии.

Часто задаваемые вопросы