Грануляция — это процесс формирования зерен или гранул из порошкообразного или твердого вещества, в результате чего получается гранулированный материал . Он применяется в нескольких технологических процессах в химической и фармацевтической промышленности. Обычно грануляция включает агломерацию мелких частиц в более крупные гранулы, как правило, размером от 0,2 до 4,0 мм в зависимости от их последующего использования. Реже он включает измельчение или размалывание твердого материала в более мелкие гранулы или пеллеты.
Процесс грануляции объединяет одну или несколько частиц порошка и образует гранулу, которая позволит таблетированию находиться в требуемых пределах. Это процесс сбора частиц вместе путем создания связей между ними. Связи образуются путем сжатия или с помощью связующего вещества. Грануляция широко используется в фармацевтической промышленности для производства таблеток и пеллет. Таким образом, возможен предсказуемый и повторяемый процесс и могут быть получены гранулы постоянного качества.
Гранулирование проводится по разным причинам, одна из которых — предотвратить сегрегацию компонентов порошковой смеси. Сегрегация происходит из-за различий в размере или плотности компонентов смеси. Обычно более мелкие и/или более плотные частицы имеют тенденцию концентрироваться у основания контейнера, а более крупные и/или менее плотные — наверху. Идеальная грануляция будет содержать все компоненты смеси в правильной пропорции в каждой грануле, и сегрегации гранул не произойдет.
Многие порошки из-за своего малого размера, неправильной формы или характеристик поверхности являются связными и плохо текут. Гранулы, полученные из такой связной системы, будут больше и более изодиаметричными (примерно сферическими), оба фактора способствуют улучшению свойств текучести.
Некоторые порошки трудно уплотнить, даже если в смесь включен легко уплотняемый адгезив, но гранулы тех же порошков часто уплотняются легче. Это связано с распределением адгезива внутри гранулы и является функцией метода, используемого для производства гранулы.
Например, если бы кто-то делал таблетки из гранулированного сахара, а не из сахарной пудры , сахарную пудру было бы трудно спрессовать в таблетку, а гранулированный сахар спрессовать было бы легко. Мелкие частицы сахарной пудры имеют плохие характеристики текучести и сжатия. Эти мелкие частицы пришлось бы спрессовывать очень медленно в течение длительного периода времени, чтобы сделать стоящую таблетку. Если сахарная пудра не гранулирована, ее нельзя было бы эффективно превратить в таблетку, которая имела бы хорошие характеристики таблетки, такие как однородное содержимое или постоянная твердость.
Применяются два типа технологий грануляции: влажная грануляция и сухая грануляция.
При влажной грануляции гранулы образуются путем добавления грануляционной жидкости в слой порошка, который находится под воздействием импеллера ( в грануляторе с высоким сдвигом), шнеков (в двухшнековом грануляторе) [1] или воздуха (в грануляторе с псевдоожиженным слоем ). Перемешивание, возникающее в системе, вместе со смачиванием компонентов в составе приводит к агрегации первичных частиц порошка для получения влажных гранул. [1] Грануляционная жидкость ( жидкость ) содержит растворитель или носитель, который должен быть летучим , чтобы его можно было удалить путем сушки, и в зависимости от предполагаемого применения быть нетоксичным. Типичные жидкости включают воду , этанол и изопропанол либо по отдельности, либо в комбинации. Жидкий раствор может быть как на водной основе, так и на основе растворителя. Водные растворы имеют то преимущество, что с ними безопаснее работать, чем с другими растворителями.
Вода, смешанная с порошками, может образовывать связи между частицами порошка, которые достаточно прочны, чтобы скрепить их вместе. Однако после высыхания воды порошки могут распасться. Поэтому вода может быть недостаточно прочной, чтобы создать и удержать связь. Связывание частиц вместе с использованием жидкости представляет собой комбинацию капиллярных и цепких сил до тех пор, пока не установится более постоянная связь.
Состояния насыщения жидкостью в гранулах могут существовать; маятниковое состояние - это когда молекулы удерживаются вместе жидкими мостиками в точках контакта. Капиллярное состояние возникает, когда гранула полностью насыщена. Заполнение всех пустот жидкостью, в то время как поверхностная жидкость втягивается обратно в поры. Изменение состояния канатика, связывающее маятниковое и капиллярное, где пустоты не полностью насыщены жидкостью. Жидкость помогает связываться с частицами, которые становятся проблемными в барабане. В таких случаях требуется жидкий раствор, который включает связующее вещество (фармацевтический клей). Повидон , который является поливинилпирролидоном (ПВП), является одним из наиболее часто используемых фармацевтических связующих веществ. ПВП растворяется в воде или растворителе и добавляется в процесс. Когда ПВП и растворитель/вода смешиваются с порошками, ПВП образует связь с порошками во время процесса, а растворитель/вода испаряется (высыхает). После того, как растворитель/вода высохли и порошки образовали более плотную удерживаемую массу, грануляцию измельчают . Этот процесс приводит к образованию гранул.
Процесс может быть очень простым или очень сложным в зависимости от характеристик порошков, конечной цели изготовления таблеток и имеющегося оборудования. В традиционном методе влажной грануляции влажная масса продавливается через сито для получения влажных гранул, которые затем высушиваются.
Мокрая грануляция традиционно является периодическим процессом в фармацевтическом производстве, однако ожидается, что в будущем влажная грануляция периодического типа будет все больше заменяться непрерывной влажной грануляцией в фармацевтической промышленности. Переход от периодической к непрерывной технологии был рекомендован Управлением по контролю за продуктами и лекарствами . [2] Эта технология непрерывной влажной грануляции может быть реализована на двухшнековом экструдере , в который твердые материалы и вода могут подаваться в различных частях. В экструдере материалы смешиваются и гранулируются благодаря взаимодействию шнеков, особенно в месильных элементах. [3]
Процесс сухой грануляции используется для формирования гранул без жидкого раствора, поскольку гранулированный продукт может быть чувствителен к влаге и теплу. Формирование гранул без влаги требует уплотнения и герметизации порошков. В этом процессе первичные частицы порошка агрегируются под высоким давлением. Для сухой грануляции можно использовать качающийся гранулятор или валковый уплотнитель.
Сухую грануляцию можно проводить двумя способами: либо крупная таблетка (заготовка) изготавливается на мощном таблеточном прессе, либо порошок сжимается между двумя вращающимися в противоположных направлениях роликами для получения непрерывного листа или ленты материала.
Когда таблеточный пресс используется для сухой грануляции, порошки могут не обладать достаточной естественной текучестью для равномерной подачи продукта в полость матрицы , что приводит к разной плотности. Роликовый уплотнитель (гранулятор-компактор) использует систему подачи шнека , которая будет последовательно и равномерно подавать порошок между двумя прижимными роликами. Порошки уплотняются в ленту или небольшие гранулы между этими роликами и измельчаются в мельнице с низким сдвигом. Когда продукт уплотнен должным образом, его можно пропустить через мельницу и окончательно смешать перед прессованием таблеток. [4]
Типичные процессы уплотнения роликами состоят из следующих этапов: транспортировка порошкообразного материала в зону уплотнения, обычно с помощью шнекового питателя, уплотнение порошка между двумя вращающимися в противоположных направлениях роликами с приложенными усилиями, измельчение полученного уплотнения до желаемого распределения размера частиц. Частицы, уплотненные роликами, обычно плотные, с профилями с острыми краями. [5]
В переработке пластика грануляция — это процесс измельчения пластиковых предметов для переработки в хлопья или гранулы, пригодные для последующего повторного использования при экструзии пластика . На первом этапе пластиковые предметы, подлежащие переработке, подаются в режущую камеру с электродвигателем, которая непрерывно режет материал с помощью одной из нескольких систем резки. Некоторые системы используют ножничное режущее движение, шевронный или V-образный ротор, винтовой ротор или летучие ножи. [6] [7] Материал измельчается на все более мелкие хлопья, пока они не станут достаточно мелкими, чтобы провалиться через сито. В линиях влажной грануляции вода непрерывно распыляется в режущей камере для удаления мусора и примесей и действует как смазка стальных лезвий; в линиях сухой грануляции вода отсутствует, но такая технология, как правило, дает продукцию более низкого качества, чем мокрая технология. [8] Хотя процесс относительно прост, его необходимо тщательно параметризировать, так как высокие температуры, возникающие в результате трения, могут повредить материал и повлиять на его пластичность. Регулярное техническое обслуживание и заточка лезвий ножниц имеют важное значение, равно как и тщательный контроль процесса из-за возможного засорения и заклинивания. [9]
Во многих случаях грануляция может быть единственным шагом, необходимым перед тем, как пластик можно будет повторно использовать для производства новых продуктов. В других случаях новый или переработанный пластиковый материал должен быть переработан в гранулы . Материал расплавляется и выдавливается в тонкие стержни, которые затем охлаждаются в резервуаре с водой и мелко измельчаются в небольшие цилиндрические гранулы. [10]
Гранулирование имеет важное значение для удобрений , поскольку гранулированный продукт более экономичен в транспортировке и хранении, не говоря уже о том, что его легче применять. [11]