Навигация по таблицам
- Таблица расчета вместимости гранулятора
- Таблица технологических параметров
- Таблица расчета воздушного потока
- Таблица масштабирования процессов
- Таблица контроля качества
Таблица расчета вместимости гранулятора
| Объем гранулятора (л) | Мин. загрузка (кг) | Опт. загрузка (кг) | Макс. загрузка (кг) | Коэффициент загрузки (%) | Площадь псевдоожижения (м²) |
|---|---|---|---|---|---|
| 50 | 7.5 | 20 | 30 | 30-60 | 0.32 |
| 120 | 18 | 48 | 72 | 30-60 | 0.71 |
| 200 | 30 | 80 | 120 | 30-60 | 1.13 |
| 500 | 75 | 200 | 300 | 30-60 | 2.55 |
| 1000 | 150 | 400 | 600 | 30-60 | 4.90 |
| 3000 | 450 | 1200 | 1800 | 30-60 | 14.1 |
Таблица технологических параметров
| Параметр | Единица измерения | Диапазон значений | Оптимальное значение | Критичность |
|---|---|---|---|---|
| Температура входящего воздуха | °C | 40-80 | 60-70 | Высокая |
| Скорость воздуха | м/с | 1-8 | 2-4 | Критическая |
| Размер гранул | мм | 0.1-2.0 | 0.3-1.2 | Высокая |
| Остаточная влажность | % | 2-8 | 3-5 | Критическая |
| Скорость распыления связующего | г/мин | 50-500 | 100-300 | Высокая |
| Давление атомизации | бар | 1-5 | 2-3 | Средняя |
Таблица расчета воздушного потока
| Загрузка (кг) | Насыпная плотность (г/см³) | Требуемый расход воздуха (м³/ч) | Скорость псевдоожижения (м/с) | Перепад давления (Па) |
|---|---|---|---|---|
| 20 | 0.4 | 400-800 | 2.5 | 800-1200 |
| 50 | 0.5 | 750-1500 | 3.0 | 1000-1500 |
| 100 | 0.45 | 1200-2400 | 3.2 | 1200-1800 |
| 200 | 0.5 | 2000-4000 | 3.5 | 1500-2200 |
| 500 | 0.55 | 4500-9000 | 3.8 | 2000-3000 |
Таблица масштабирования процессов
| Масштаб | Лабораторный | Пилотный | Промышленный | Коэффициент масштабирования |
|---|---|---|---|---|
| Объем гранулятора (л) | 5-50 | 120-500 | 1000-3000 | 10-60 |
| Размер партии (кг) | 2-20 | 48-200 | 400-1200 | 10-60 |
| Время обработки (ч) | 2-4 | 3-6 | 4-8 | 1.5-2 |
| Расход воздуха (м³/ч) | 100-500 | 1200-4000 | 4500-12000 | 12-24 |
| Мощность (кВт) | 5-15 | 25-75 | 100-300 | 5-20 |
Таблица контроля качества
| Показатель качества | Метод контроля | Норма | Частота контроля | Критерий приемки |
|---|---|---|---|---|
| Гранулометрический состав | Ситовой анализ | 0.3-1.2 мм (85%) | Каждая партия | ± 10% от номинала |
| Остаточная влажность | Потеря при высушивании | 2-8% (ОФС.1.4.2.0016.15) | Каждая партия | Соответствие спецификации |
| Насыпная плотность | Волюмометрия | 0.4-0.7 г/см³ | 3 партии из 10 | ± 15% от номинала |
| Угол естественного откоса | Прямое измерение | < 40° | 1 партия из 5 | Соответствие норме |
| Прочность гранул | Фриабилометр | < 1% потери массы | 1 партия из 5 | Соответствие норме |
Оглавление статьи
- 1. Введение в расчеты фармацевтических грануляторов
- 2. Основы расчета грануляторов псевдоожиженного слоя
- 3. Расчет размеров оборудования и партии
- 4. Расчет технологических параметров
- 5. Расчеты масштабирования процессов
- 6. Расчеты контроля качества и мониторинга
- 7. Продвинутые методы расчета и оптимизация
Введение в расчеты фармацевтических грануляторов
Гранулирование в псевдоожиженном слое является одним из наиболее важных технологических процессов в фармацевтическом производстве твердых лекарственных форм. Правильный расчет параметров гранулятора обеспечивает получение качественных гранул с заданными характеристиками: размером частиц 0,1-2,0 мм, остаточной влажностью 2-8% согласно ОФС.1.2.1.0010.15, и оптимальными технологическими свойствами.
Современные грануляторы псевдоожиженного слоя работают в диапазоне объемов от 50 до 3000 литров, обеспечивая температурный режим 40-80°C и скорость воздуха 1-8 м/с. Точность расчетов критически важна для масштабирования процессов от лабораторного уровня до промышленного производства.
Основы расчета грануляторов псевдоожиженного слоя
Расчет грануляторов основывается на фундаментальных принципах гидродинамики псевдоожиженного слоя и теплопередачи. Ключевыми параметрами являются минимальная скорость псевдоожижения, тепловой баланс системы и массообменные процессы.
Расчет минимальной скорости псевдоожижения
ΔP/L = [150μ(1-ε)²vs/ε³dp²] + [1.75ρ(1-ε)vs²/ε³dp]
где:
ΔP/L - градиент давления (Па/м)
μ - динамическая вязкость воздуха (Па·с)
ρ - плотность воздуха (кг/м³)
ε - порозность слоя
vs - поверхностная скорость (м/с)
dp - средний диаметр частиц (м)
Минимальная скорость псевдоожижения рассчитывается из условия:
ΔP = (1-ε)(ρp-ρg)gH
Тепловой баланс процесса
Тепловой баланс гранулятора учитывает теплоту испарения связующего раствора, нагрев материала и теплопотери в окружающую среду. Основное уравнение теплового баланса:
Q_подвод = Q_испарение + Q_нагрев + Q_потери
где:
Q_подвод = G_воздуха × Cp_воздуха × (T_вход - T_выход)
Q_испарение = W_связующего × L_испарения
Q_нагрев = m_материала × Cp_материала × ΔT
Q_потери = k × S × ΔT_средняя
Расчет размеров оборудования и партии
Определение оптимального размера гранулятора основывается на требуемом объеме производства, свойствах обрабатываемого материала и технологических ограничениях. Коэффициент загрузки для грануляторов псевдоожиженного слоя составляет 30-80% от общего объема камеры.
Расчет объема загрузки
V_загрузки = V_камеры × K_загрузки
m_загрузки = V_загрузки × ρ_насыпная
где:
V_камеры - объем рабочей камеры (м³)
K_загрузки - коэффициент загрузки (0.3-0.8)
ρ_насыпная - насыпная плотность материала (кг/м³)
Для гранулятора объемом 500 л с насыпной плотностью материала 500 кг/м³:
V_загрузки = 0.5 м³ × 0.6 = 0.3 м³
m_загрузки = 0.3 м³ × 500 кг/м³ = 150 кг
Расчет площади псевдоожижения
Площадь псевдоожижения определяет равномерность распределения воздуха и качество псевдоожижения. Рекомендуемая скорость воздуха через решетку составляет 2-4 м/с для большинства фармацевтических порошков.
S_псевдоожижения = Q_воздуха / (v_воздуха × 3600)
где:
Q_воздуха - расход воздуха (м³/ч)
v_воздуха - скорость воздуха через решетку (м/с)
Расчет технологических параметров
Технологические параметры гранулирования включают температурный режим, скорость подачи связующего раствора, давление атомизации и время процесса. Каждый параметр требует точного расчета для обеспечения воспроизводимости процесса.
Расчет скорости испарения
W_испарения = G_воздуха × (X_вход - X_выход)
где:
G_воздуха - массовый расход воздуха (кг/с)
X_вход, X_выход - влагосодержание воздуха на входе и выходе (кг_воды/кг_сух.воздуха)
Расчет размера капель распыла
Размер капель связующего раствора влияет на механизм гранулообразования и конечные свойства гранул. Средний размер капель рассчитывается по эмпирическим формулам.
d₃₂ = d₀ × (1 + (Q_жидкости/Q_газа))^n
где:
d₀ - характеристический размер сопла (мм)
Q_жидкости/Q_газа - отношение расходов жидкости и газа
n - эмпирический коэффициент (0.3-0.5)
Расчеты масштабирования процессов
Масштабирование процесса гранулирования от лабораторного до промышленного масштаба требует сохранения критических параметров процесса. Основными принципами масштабирования являются поддержание постоянной скорости псевдоожижения, соотношения жидкость/газ для атомизации и удельной скорости испарения.
Геометрическое масштабирование
K_объем = (V₂/V₁)
K_площадь = K_объем^(2/3)
K_линейный = K_объем^(1/3)
где:
V₁, V₂ - объемы лабораторного и промышленного грануляторов
Сохранение критических параметров
При масштабировании необходимо поддерживать постоянными следующие безразмерные критерии: число Фруда для псевдоожижения, время пребывания материала в зоне распыла, и соотношение скоростей испарения и подачи связующего.
При переходе от лабораторного гранулятора 50 л к промышленному 500 л:
Коэффициент масштабирования = 500/50 = 10
Увеличение площади псевдоожижения = 10^(2/3) = 4.64 раза
Увеличение расхода воздуха = 4.64 × скорость воздуха
Расчеты контроля качества и мониторинга
Система контроля качества гранул включает определение гранулометрического состава, остаточной влажности согласно ОФС.1.4.2.0016.15, насыпной плотности и технологических свойств. Каждый показатель требует статистической обработки результатов.
Расчет гранулометрического состава
d₃₂ = Σ(nᵢ × dᵢ³) / Σ(nᵢ × dᵢ²)
где:
nᵢ - количество частиц i-й фракции
dᵢ - средний размер i-й фракции
Расчет влажности по ОФС.1.4.2.0016.15
Определение остаточной влажности проводится методом потери массы при высушивании. Расчет влажности производится по формуле:
W = ((m₁ - m₂) / (m₁ - m₀)) × 100%
где:
m₀ - масса бюкса (г)
m₁ - масса бюкса с навеской до высушивания (г)
m₂ - масса бюкса с навеской после высушивания (г)
Продвинутые методы расчета и оптимизация
Современные методы расчета грануляторов включают использование CFD-моделирования, планирования эксперимента (DoE) и методов многофакторного анализа. Применение искусственного интеллекта и машинного обучения позволяет оптимизировать процессы в режиме реального времени.
Модели популяционного баланса
Модели популяционного баланса описывают кинетику роста гранул и позволяют прогнозировать гранулометрический состав продукта. Основное уравнение популяционного баланса:
∂n(v,t)/∂t = B(v,t) - D(v,t) + ∂/∂v[G(v,t) × n(v,t)]
где:
n(v,t) - плотность популяции частиц размера v в момент времени t
B(v,t) - скорость образования частиц (нуклеация)
D(v,t) - скорость разрушения частиц
G(v,t) - скорость роста частиц
Оптимизация методом поверхности отклика
Метод поверхности отклика (RSM) используется для оптимизации множественных факторов процесса гранулирования. Типичная модель второго порядка включает линейные, квадратичные и взаимодействующие эффекты.
