Таблеточные прессы - усилие прессования 5-100 кН скорость твердость толщина

Классификация и принцип работы таблеточных прессов

Таблеточные прессы представляют собой технологическое оборудование для производства твердых дозированных форм методом прессования порошкообразных или гранулированных материалов. Эти устройства широко применяются в фармацевтической, пищевой, химической промышленности, а также при производстве биологически активных добавок и других продуктов.

Эксцентриковые однопуансонные прессы

Эксцентриковые таблеточные прессы являются наиболее простыми по конструкции устройствами. Принцип их работы основан на ударной силе, с которой верхний пуансон опускается в неподвижную матрицу с материалом. В процессе работы каждая операция выполняется последовательно: заполнение матрицы, дозирование, прессование, выталкивание готовой таблетки.

Производительность однопуансонных прессов составляет от 3600 до 15000 таблеток в час, что делает их оптимальным выбором для лабораторных исследований, отработки технологий и производства небольших партий продукции. Максимальное усилие прессования в таких устройствах достигает 50-80 кН, что достаточно для большинства фармацевтических составов.

Роторные таблеточные прессы

Роторные прессы получили свое название благодаря вращающемуся матричному столу, на котором установлено множество пар пуансонов. В процессе вращения таблетируемая смесь сдавливается пуансонами с верхней и нижней стороны. Давление на материал нарастает постепенно и равномерно, что обеспечивает щадящее прессование и положительно влияет на характеристики готового продукта.

Роторные прессы подразделяются на односторонние и двухсторонние. В односторонних прессах за один оборот ротора производится одна таблетка на каждой станции, тогда как двухсторонние прессы имеют два комплекта прессующих роликов и производят две таблетки за один оборот. Производительность современных роторных прессов варьируется от 40000 до 680000 таблеток в час в зависимости от количества станций и скорости вращения ротора.

Усилие прессования: предварительное и основное

Процесс таблетирования на современных прессах включает две стадии прессования: предварительное прессование (precompression) и основное прессование (main compression). Правильная настройка обеих стадий критически важна для получения качественных таблеток без дефектов.

Предварительное прессование

Предварительное прессование выполняет функцию удаления остаточного воздуха из порошковой смеси и первичного уплотнения материала в матрице. Усилие предварительного прессования обычно составляет от 5 до 30 кН в зависимости от свойств таблетируемого материала. Недостаточное усилие предпрессования приводит к захвату воздуха, что может вызвать расслоение таблетки (ламинирование) или отделение верхней части (кэппинг). Избыточное усилие предпрессования может привести к образованию микротрещин в структуре таблетки.

Основное прессование

Основное прессование формирует конечную прочность и геометрические параметры таблетки. Усилие основного прессования варьируется от 20 до 100 кН в зависимости от диаметра таблетки, требуемой твердости и свойств материала. Современные прессы оснащены датчиками нагрузки (load cells), которые в режиме реального времени измеряют прикладываемое усилие и автоматически регулируют параметры для поддержания постоянного качества продукции.

Соотношение между усилием прессования и твердостью таблетки не является линейным для большинства составов. Для некоторых материалов значительное увеличение усилия прессования дает лишь незначительное повышение твердости, тогда как для других даже небольшое изменение усилия существенно влияет на конечные характеристики таблетки.

Время выдержки и скорость ротора

Время выдержки (dwell time) представляет собой временной интервал, в течение которого плоская часть головки пуансона находится в контакте с прессующим роликом при максимальном давлении. Этот параметр оказывает существенное влияние на прочность таблетки и является ключевым фактором при масштабировании производства.

Факторы, влияющие на время выдержки

Время выдержки определяется несколькими параметрами оборудования и инструмента:

Диаметр головки пуансона: Стандартный B-тип пуансон имеет диаметр головки 9,5 мм, тогда как D-тип обладает головкой диаметром 19 мм. Увеличение диаметра головки напрямую увеличивает время выдержки. Например, переход с B-типа на D-тип при той же скорости ротора увеличивает время выдержки примерно на 70%.

Скорость вращения ротора: При увеличении скорости вращения время выдержки пропорционально уменьшается. Однако сравнивать прессы по скорости вращения в оборотах в минуту некорректно, так как прессы имеют разные диаметры окружности расположения матриц. Для объективного сравнения используется линейная скорость ротора в миллиметрах в секунду.

Диаметр окружности расположения матриц: Чем больше диаметр ротора, тем выше линейная скорость при той же угловой скорости. Например, при линейной скорости 1000 мм/с роторный пресс с диаметром окружности 500 мм будет вращаться со скоростью 34 об/мин, пресс с диаметром 400 мм — 65 об/мин, а компактный пресс с диаметром 300 мм — 84 об/мин.

Специальные решения для увеличения времени выдержки

Для составов, чувствительных к времени прессования, разработаны пуансоны с увеличенной или эллиптической головкой. Пуансоны с увеличенной круглой головкой (диаметр 13,6 мм вместо стандартных 9,5 мм для B-типа) позволяют увеличить время выдержки на 40-45% без изменения скорости пресса или замены ротора.

Эллиптические головки пуансонов обеспечивают еще больший выигрыш по времени выдержки, но требуют применения системы ориентации пуансонов, так как могут проходить под прессующими роликами только в одном направлении вдоль большой оси эллипса. Это усложняет конструкцию пресса и ускоряет износ головок пуансонов из-за отсутствия вращения.

Системы контроля качества таблеток

Контроль качества таблеток является критически важным процессом, обеспечивающим соответствие продукции требованиям фармацопей и нормативных документов. Современные таблеточные прессы оснащаются интегрированными системами контроля, работающими в режиме реального времени, либо продукция проверяется на отдельных измерительных станциях.

Контроль массы таблетки

Масса таблетки является одним из наиболее важных параметров, так как напрямую связана с содержанием активного вещества. Допустимое отклонение массы согласно требованиям фармакопей обычно составляет ±5% для таблеток массой более 250 мг и ±7,5% для таблеток массой менее 80 мг. Современные системы контроля обеспечивают точность ±1-3% при 100% проверке каждой таблетки.

Встроенные системы контроля массы используют микроволновые резонаторные датчики или высокоточные весовые ячейки. Микроволновая технология позволяет производить измерения на скоростях до 150000 таблеток в час с точностью 1 мг (3 сигма), что обеспечивает выявление отклонений в режиме реального времени без замедления производственного процесса.

Контроль твердости

Твердость таблетки характеризует ее механическую прочность и способность сохранять целостность при транспортировке, хранении и обработке. Твердость измеряется как усилие, необходимое для разрушения таблетки путем диаметрального сжатия. Для стандартных фармацевтических таблеток типичные значения твердости составляют от 50 до 200 Н (что соответствует 4-20 кПа в зависимости от площади приложения нагрузки).

Современные тестеры твердости работают в двух режимах: режим линейного увеличения усилия и режим линейного увеличения скорости. Режим линейного увеличения усилия обеспечивает более точный и воспроизводимый контроль, так как скорость прироста нагрузки напрямую контролируется электронной тензометрической ячейкой. При установке скорости 20 Н/с таблетка с твердостью 100 Н будет разрушена ровно за 5 секунд.

Контроль толщины и диаметра

Толщина таблетки контролируется с допуском ±5% от номинального значения. Этот параметр важен не только для внешнего вида продукции, но и для обеспечения правильной работы упаковочного оборудования. Толщина непосредственно связана с усилием прессования и количеством материала в матрице. Современные автоматизированные системы измеряют толщину каждой таблетки с точностью до 0,01 мм.

Диаметр таблетки определяется размером матрицы и должен соответствовать заданному значению с точностью ±0,1 мм. Автоматические измерительные системы выполняют одновременную проверку всех параметров: массы, толщины, диаметра и твердости на одном и том же образце, что позволяет установить корреляции между параметрами и оптимизировать процесс прессования.

Тест на истираемость

Тест на истираемость (friability test) оценивает устойчивость таблеток к механическому воздействию при транспортировке и обработке. Испытание проводится на фрибиляторе, где 20 таблеток подвергаются вращению со скоростью 25 об/мин в течение 4 минут. Допустимая потеря массы не должна превышать 1% для большинства фармацевтических препаратов. Если хотя бы одна таблетка растрескивается или расслаивается во время теста, испытание считается не пройденным.

Производительность и технологические параметры

Производительность таблеточного пресса является комплексным параметром, зависящим от множества факторов, включая конструкцию оборудования, свойства таблетируемого материала и требования к качеству готовой продукции.

Факторы, влияющие на производительность

Скорость вращения ротора определяет базовую производительность оборудования, однако максимальная скорость не всегда достижима на практике. Для материалов с плохой текучестью или составов, требующих длительного времени выдержки, скорость пресса приходится снижать. При расчете реальной производительности необходимо учитывать процент брака, время на настройку и периодические остановки для контроля качества.

Количество станций прессования напрямую определяет теоретическую производительность. При прочих равных условиях пресс с 47 станциями типа BBS будет производить на 34% больше таблеток, чем пресс с 35 станциями типа B, работающий на той же скорости. Однако использование турелей с большим количеством станций накладывает ограничения на минимальный диаметр таблеток.

Оптимизация производительности

Для оценки возможности увеличения скорости пресса без ущерба для качества используется индекс процессной способности Cp, рассчитываемый по формуле:

Влияние размера таблетки на производительность

Размер таблетки существенно влияет на достижимую производительность. При производстве таблеток малого диаметра (менее 8 мм) пресс может работать на максимальной скорости, так как малое время заполнения матрицы и низкое усилие прессования позволяют поддерживать высокую частоту циклов. Для таблеток большого диаметра (более 15 мм) скорость приходится снижать из-за увеличенного времени заполнения матрицы и необходимости более длительной выдержки под давлением для обеспечения достаточной твердости.

Плотность таблетки также играет важную роль. Производство таблеток с высокой плотностью требует большего усилия прессования и более длительного времени выдержки, что снижает производительность. Напротив, таблетки с низкой плотностью из материалов с хорошей прессуемостью могут производиться на максимальных скоростях.

Системы отбраковки и автоматизация

Современные таблеточные прессы оснащаются интегрированными системами автоматической отбраковки, которые в режиме реального времени анализируют параметры каждой таблетки и удаляют из потока продукции несоответствующие спецификациям образцы.

Принципы работы систем отбраковки

Автоматические системы отбраковки основываются на непрерывном мониторинге критических параметров таблетирования. Каждая станция прессования оборудуется датчиками, измеряющими усилие прессования, высоту верхнего и нижнего пуансона, усилие выталкивания таблетки. Эти данные обрабатываются контроллером в режиме реального времени и сравниваются с предустановленными пределами.

При обнаружении отклонения любого параметра за допустимые пределы система помечает соответствующую таблетку для отбраковки. После выхода из матрицы таблетка направляется в отдельный контейнер с помощью пневматической системы или механического отклоняющего устройства. Современные системы способны отбраковывать таблетки со скоростью до 150000 штук в час без снижения общей производительности линии.

Критерии отбраковки

Таблетки отбраковываются по следующим критериям:

Отклонение массы: Если масса таблетки выходит за пределы установленного диапазона (обычно ±3% от номинала), она автоматически удаляется из потока. Причинами отклонения массы могут быть неравномерное заполнение матрицы, изменение плотности материала или износ пресс-инструмента.

Недостаточное или избыточное усилие прессования: Отклонение усилия прессования от заданного значения более чем на 10% указывает на проблемы с заполнением матрицы или изменение свойств материала. Такие таблетки могут иметь недостаточную твердость или избыточную плотность.

Аномалии выталкивания: Повышенное усилие выталкивания свидетельствует о прилипании материала к стенкам матрицы или пуансонам. Таблетки с дефектами поверхности автоматически отбраковываются.

Обнаружение двойного таблетирования: Если по каким-либо причинам произошло двойное заполнение матрицы, система обнаружит аномально высокое усилие прессования и удалит дефектную таблетку.

Дополнительные системы автоматизации

Металлодетекторы интегрируются в линию после выхода таблеток из пресса для обнаружения металлических включений. Даже микроскопические частицы металла, попавшие в продукцию в результате износа оборудования или загрязнения сырья, надежно выявляются и соответствующие таблетки отбраковываются.

Системы обеспыливания удаляют избыточную пыль с поверхности таблеток после прессования. Это особенно важно для составов, склонных к образованию пыли, так как пыль на поверхности таблетки может привести к проблемам при последующем нанесении оболочки или упаковке.

Визуальные инспекционные системы на основе видеокамер высокого разрешения и алгоритмов машинного зрения проверяют внешний вид каждой таблетки, выявляя сколы, трещины, несоответствие цвета или неправильную форму. Производительность таких систем достигает 300000 таблеток в час при сохранении высокой точности обнаружения дефектов.

Требования стандартов и правила эксплуатации

Таблеточные прессы, используемые в фармацевтической промышленности, должны соответствовать требованиям национальных и международных стандартов. В Российской Федерации основным документом является ГОСТ Р 52896-2017 «Производство лекарственных средств. Производственные системы и оборудование для производства лекарственных средств. Общие требования», который заменил устаревший ГОСТ Р 52896-2007 с 1 июля 2018 года.

Требования ГОСТ Р 52896-2017

Стандарт ГОСТ Р 52896-2017 применим ко всем элементам фармацевтических и биофармацевтических производственных систем, включая производственное оборудование, вспомогательные системы, системы мониторинга и контроля, которые способны оказывать влияние на качество продукции и безопасность пациента. Стандарт описывает системный подход к обеспечению пригодности производственных систем для предполагаемого использования.

Для таблеточных прессов стандарт устанавливает требования к контролю критических параметров: работа основного двигателя, герметичность рабочей зоны, положение окон оборудования и панелей в закрытом состоянии, скорость подачи таблеточной массы, уровень материала в загрузочном бункере. Особое внимание уделяется системам безопасности - оборудование должно обеспечивать автоматическую блокировку работы при отклонении параметров или выключении двигателя, а также при открывании дверей защитных конструкций.

Обязательно наличие контроля давления сжатого воздуха и отрицательного давления в зоне таблетирования с возможностью его регулирования. Для многослойных таблеток требуется контроль усилия прессования для каждого слоя отдельно, контроль глубины наполнения каждого слоя, усилие выталкивания таблетки, появление затора таблеток в разгрузочном устройстве, излом пуансона.

Требования GMP

Правила надлежащей производственной практики (Good Manufacturing Practice) предъявляют дополнительные требования к конструкции и эксплуатации таблеточных прессов. Оборудование должно иметь гладкие, легко очищаемые поверхности без труднодоступных зон, где могут накапливаться остатки продукции или загрязнения.

Конструкция пресса должна обеспечивать полное разделение между технологической зоной и механическим отделением. Это достигается применением специальных уплотнений и защитных барьеров, предотвращающих попадание смазочных материалов в зону контакта с продукцией и, наоборот, защищающих механизмы от загрязнения порошком.

Система управления должна обеспечивать полную прослеживаемость всех параметров процесса с регистрацией данных в электронном виде. Для обеспечения целостности данных и соответствия требованиям 21 CFR Part 11 система должна иметь защищенный вход по паролю, электронный журнал аудита, возможность управления рецептурами продуктов и комплексную систему управления данными партии.

Валидация и квалификация

Перед вводом таблеточного пресса в эксплуатацию проводится комплекс мероприятий по валидации и квалификации. Квалификация проектирования (DQ) подтверждает соответствие технической документации оборудования требованиям пользователя. Квалификация монтажа (IQ) верифицирует правильность установки и подключения всех систем пресса.

Квалификация функционирования (OQ) проверяет работоспособность всех систем и соответствие характеристик заявленным спецификациям. Квалификация эксплуатации (PQ) подтверждает способность оборудования стабильно производить продукцию требуемого качества в реальных производственных условиях.

После успешного завершения квалификации проводится валидация процесса производства минимум трех последовательных серий продукции. Только после подтверждения соответствия всех критических параметров качества таблеток установленным спецификациям оборудование может быть допущено к коммерческому производству.

Техническое обслуживание

Регулярное техническое обслуживание критически важно для обеспечения стабильной работы таблеточного пресса. Ежедневное обслуживание включает очистку оборудования от остатков продукции, проверку уровня смазки, контроль состояния пресс-инструмента. Еженедельно проводится проверка натяжения приводных ремней, состояния уплотнений, работоспособности систем безопасности.

Ежемесячное обслуживание предусматривает смазку подшипников, проверку калибровки датчиков усилия и перемещения, контроль износа кулачков и направляющих. Ежегодная процедура включает полную разборку основных узлов, замену изношенных деталей, повторную калибровку всех измерительных систем и профилактическое тестирование всех систем управления и безопасности.

Часто задаваемые вопросы