Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 8
1.1. Замораживание как подготовительная стадия сублимационной сушки. 8
1.1.1. Структурообразование при замораживании растворов 8
1.1.2. Технологические решения замораживания растворов 9
1.2. Проведение процесса сублимационной сушки 16
1.2.1. Вакуумная сублимационная сушка 19
1.2.2. Атмосферная сублимационная сушка в активном гидродинамическом режиме, как способ получения тонкодисперсных фармацевтических порошков с заданной структурой 22
1.3. Математическое моделирование процесса замораживания 29
1.4. Математическое моделирование процесса сублимационной сушки... 33
1.5. Постановка задачи исследования 41
Глава 2. Экспериментальные исследования 43
2.1. Экспериментальная установка 45
2.2. Объекты сушки 51
2.2.1. Интерферон альфа-2Ь 52
2.2.2. Альбумин 52
2.2.3. Декстран 53
2.3. Определение биологической активности интерферона альфа-2Ь 53
2.4. Определение эвтектических температур исследуемых растворов 59
2.5. Исследование кинетики атмосферной сублимационной сушки в фонтанирующем слое 62
2.6. Характеристика высушенных веществ 68
2.6.1. Остаточное влагосодержание 68
2.6.2. Гранулометрический состав 69
2.6.3. Форма, поверхность высушенных частиц 70
2.7. Исследование гидродинамики фонтанирующего слоя микрочастиц... 71
Глава 3. Математическое моделирование 76
3.1. Молекулярно-динамическое моделирование влияния отрицательных температур на биологическую активность интерферона альфа-2Ь 76
3.2. Математическое моделирование сублимационной сушки в фонтанирующем слое 85
3.2.1. Математическая модель гидродинамики сублимационной сушки в фонтанирующем слое 86
3.2.2. Математическая модель тепло-, массообмена сублимационной сушки в фонтанирующем слое 89
3.2.3. Исследование гидродинамической обстановки по уравнениям математической модели 92
3.2.4. Исследование тепло-, массообмена по уравнениям математической модели 100
3.2.5. Параметры проведения процесса сублимационной сушки в фонтанирующем слое 103
Глава 4. Развитие процесса атмосферной сублимационной сушки в фонтанирующем слое 108
Выводы 113
Список литературы 115
- Атмосферная сублимационная сушка в активном гидродинамическом режиме, как способ получения тонкодисперсных фармацевтических порошков с заданной структурой
- Определение биологической активности интерферона альфа-2Ь
- Математическое моделирование сублимационной сушки в фонтанирующем слое
- Развитие процесса атмосферной сублимационной сушки в фонтанирующем слое
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время актуальна задача создания новых сушильных технологий для получения материалов с заданной нано- и микроструктурой. Особенно важно разработать такое сушильное оборудование, которое позволит получать дорогостоящие термолабильные материалы при минимальных затратах энергии и ресурсов.
Разработанный в диссертационной работе процесс получения порошковых препаратов с заданной нанокомпозитной структурой путем диспергирования, замораживания и сушки при отрицательных температурах является востребованным в химико-фармацевтической отрасли промышленности, поскольку направлен на получение термолабильных продуктов в форме микродисперсных порошков, состоящих из частиц правильной сферической формы с развернутой внутренней пористой структурой, способствующей их быстрому растворению, что позволяет улучшать фармакокинетику и биодоступность ряда препаратов, в том числе и слаборастворимых.
Создание новых ресурсо- и энергосберегающих технологий для химико-фармацевтической отрасли требует проведения комплекса экспериментальных работ, глубоких теоретических исследований, разработки многоуровневого математического описания, позволяющего предсказывать не только направление и условия ведения процесса сушки, но и структурообразование, а также сохранение биологической активности получаемого фармацевтического продукта. Кроме того, требуется решение задач контроля и управления для получения качественного продукта, перехода на непрерывную технологию и снижения энергетических затрат.
Работа выполнялась в соответствии с заданием Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»: ГК№ 02.513.11.3359 «Индустриализация
технологий получения наночастиц и наноструктурированных материалов как основы лекарственных препаратов нового поколения».
Цель работы заключается в разработке и моделировании нового процесса получения микропорошков путем диспергирования, замораживания и сушки при отрицательных температурах и атмосферном давлении в фонтанирующем слое.
Для достижения указанной цели поставлены следующие научно-технические задачи:
Анализ структурообразования в зависимости от температуры и скорости замораживания.
Проведение экспериментальных исследований:
гидродинамика фонтанирующего слоя микродисперсных частиц в аппарате собственной конструкции;
кинетика сушки при отрицательных температурах; анализ свойств модельных субстанций до и после сушки.
Анализ и моделирование поведения структуры молекулы белка под действием отрицательных температур.
Создание математической модели и программного продукта для расчета параметров ведения процесса атмосферной сублимационной сушки, а также определения стабильных режимов фонтанирования в течение сушки.
Анализ возможности перехода на непрерывный процесс, и проведение расчетов для проектирования нового аппарата, в котором происходит диспергирование и замораживание капель, сушка при отрицательных температурах и атмосферном давлении в непрерывном режиме.
Научная новизна. Предложен процесс получения микропорошков путем диспергирования, замораживания, сушки при отрицательных температурах и атмосферном давлении в фонтанирующем слое. Предложена экспериментальная установка собственной конструкции. Создана молекулярно-динамическая модель конформационного поведения белков при сверхбыстром
замораживании. Математическая модель, основанная на положениях механики гетерогенных сред, позволяет определять характеристики процесса по всему объему сублимационной камеры, учитывать кинетику сушки микродисперсных частиц при отрицательных температурах. Предложена конструкция аппарата для реализации процесса атмосферной сублимационной сушки в фонтанирующем слое в непрерывном режиме.
Практическая ценность. Установлена возможность использования атмосферной сублимационной сушки в фонтанирующем слое для получения микропорошков биологически активных веществ, характеризующихся сферичностью, узким гранулометрическим составом и высокой пористостью.
Проведены исследования кинетики сублимационной сушки и гидродинамики микропорошков в фонтанирующем слое, установлены закономерности влияния параметров проведения процесса на его продолжительность и характеристики продуктов сушки.
На основе математической модели сублимационной сушки в фонтанирующем слое разработано программное обеспечение, которое позволяет рассчитать характеристики процесса и параметры его ведения, соответствующие устойчивому режиму работы.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы были доложены на «Всероссийском конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов», Москва, 2006 г. и получен диплом за лучший инновационный проект по приоритетному направлению "Индустрия наносистем и материалы"; Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2007», Москва, 2007 г.; 20ой Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Ярославль, 2007 г.; 60М Европейском конгрессе по химической технологии «ЕССЕ-6», Копенгаген, 2007 г.; Международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты», Москва, 2008 г. и награжден медалью; 16ом Международном симпозиуме по сушке «IDS-2008», Хайдарабад,
2008 г.; 80М Мировом конгрессе по химической технологии «WCCE-8», Монреаль, 2009 г.
В 2008/2009 учебном году диссертационная работа была поддержана стипендией Правительства РФ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 168 наименований. Общий объём составляет 131 страницу печатного текста, включая 3 таблицы и 54 рисунка.
Атмосферная сублимационная сушка в активном гидродинамическом режиме, как способ получения тонкодисперсных фармацевтических порошков с заданной структурой
Переход от условий вакуума при проведении сублимационной сушки к условиям атмосферного давления исключает из технологической схемы сложное в обслуживании вакуумное оборудование, которое требует специальных мер безопасности и специально обученного персонала.
Исключение вакуумного оборудования приводит к значительному снижению энергозатрат, исключая затраты энергии на выработку вакуума в сублимационной камере [83].
Атмосферная сублимационная сушка по физической природе близка к вакуумной сублимационной, что подтверждают кинетические кривые процессов, не имеющие принципиальных отличий по форме [78-80]. В целом, характер кинетических кривых влагосодержания и температуры полностью соответствует кинетическим кривым, приведенным в фундаментальных работах по общей теории сушки [70].
Движущей силой сублимации в условиях атмосферного давления являются разность температуры подводимого сушильного агента и температуры высушиваемого материала, а также разница парциальных давлений водяного пара над поверхностью высушиваемого материала и водяного пара в потоке сушильного агента. При этом [95] в ходе сублимационной сушки развитый ансамбль сообщающихся между собой капилляров и пор заполнен водяными парами, что обеспечивает поддержание квазистационарного состояния: объём находится в состоянии локального равновесия с испаряющимся льдом.
Исходя из этого, существуют два основных пути интенсификации процесса атмосферной сублимационной сушки: увеличение разности температур повышением температуры сушильного агента. Однако превышение температуры эвтектики ведет к переходу замороженного раствора в жидкость, приводящее к нарушению структуры замороженного вещества, а также возникновению капиллярных сил в высушенном слое, которые могут привести к схлопыванию пор. Поэтому достигнуть максимальной скорости сушки в этом аспекте, сохранив при этом пористую структуру материала, возможно при подаче сушильного агента с температурой как можно более близкой к температуре эвтектики высушиваемого раствора; увеличение разности парциальных давлений путем подачи сушильного агента как можно менее насыщенного влагой.
Принимая во внимание обозначенные выше факторы, необходимо сказать, что авторы [75] свидетельствуют о том, что сублимация влаги при отрицательных температурах происходит и во влажном воздухе.
Наряду с этими способами, существует возможность увеличения скорости атмосферной сублимационной сушки увеличением скорости отвода водяных паров путем увеличения скорости сушильного агента. При этом существуют ограничения по условиям создания гидродинамического режима, и слишком высокая скорость сушильного агента может привести к тому, что водяной пар будет не успевать акцептироваться воздухом.
В работе [70] приведено, что движущая сила сублимационной сушки при атмосферном давлении в неподвижном слое слишком мала по сравнению с аналогичным процессом, проводимым в вакууме.
При переходе к проведению атмосферной сублимационной сушки в условиях активной гидродинамики тепло- и массообмен были значительно интенсифицированы и превысили тепло- массообмен при вакуумной сублимационной сушке в неподвижном слое в десятки раз [96], что сильно снизило время проведения процесса [97].
Авторами [98] был проведен экспериментальный анализ атмосферной сублимационной сушки в аппарате кипящего слоя. На основе эксперимента была подтверждена возможность проведения данного процесса для обезвоживания продуктов биологической природы, а также выявлены пути его интенсификации.
Преимуществами применения фонтанирующего слоя при сушке является интенсификация тепло- и массопереноса, возможность сушки мелкодисперсных частиц и частиц несферической формы, которые невозможно сушить в стабильном режиме кипящего слоя [99]. При этом существуют различные конструкции аппаратов фонтанирующего слоя, которые предусматривают различные способы подвода сушильного агента (боковая подача с двух или с одной стороны, подача снизу), наличие распределителя потока воздуха и частиц в нижней части.
Результаты исследований [97] показывали, что быстрозамороженные распылением в жидкий азот частицы лекарственных средств и сублимационно высушенные в фонтанирующем слое, имели значительно меньший размер пор и соответственно, большую площадь поверхности, чем частицы, высушенные вакуумной сублимационной сушкой в неподвижном слое. По степени дегидратации продукты, полученные с помощью атмосферной сублимационной сушки, не уступали полученным вакуум-сублимационной сушкой. Также было отмечено, что повышение удельной поверхности высушенных частиц малорастворимых лекарственных препаратов ведет к повышению их растворимости.
Учеными из технического университета г. Лодзь (Польша) [83] были проведены исследования по атмосферной сублимационной сушке различных материалов из хитозана (мембраны, гранулы), которые используются в медицине. С помощью сканирующего электронного микроскопа было получено изображение среза высушенной с помощью атмосферной сублимационной сушки гранулы хитозана.
Определение биологической активности интерферона альфа-2Ь
Среди вышеприведенных веществ противовирусной биологической активностью обладает только интерферон альфа-2Ь. На первой стадии сублимационной сушки в фонтанирующем слое раствор интерферона альфа-2Ь подвергается замораживанию в жидком азоте при температуре -196С. Далее на второй стадии сублимация в фонтанирующем слое проводится при значительно более высоких отрицательных температурах. В работах [20, 22, 28] подтверждается незначительное падение активности белков на стадии сублимационной сушки. Таким образом, логично пренебречь падением активности в результате температурной обработки на второй стадии.
На основании вышесказанного, сделан вывод о том, что адекватные данные по активности конечного продукта сушки интерферона альфа-2Ь могут быть получены сравнением активности исходного раствора и раствора после распыления и замораживания в жидком азоте. Кроме того, чтобы выяснить, насколько сильное влияние на активность белка оказывает ультразвуковое распыление, была определена активность раствора интерферона альфа-2Ь после распыления в воздух при комнатной температуре.
Было проведено сравнение активностей исходного раствора интерферона альфа-2Ь, после ультразвукового распыления и замораживания в жидком азоте, а также после ультразвукового распыления при комнатной температуре.
Определение активностей растворов интерферона альфа-2Ь проводилось в биотехнологической компании «Биокад». 1. Специфическая противовирусная активность
Специфическую противовирусную активность определяли в реакции подавления интерфероном цитопатического действия индикаторного вируса на культуре клеток, чувствительных к интерферону. За единицу противовирусной активности принимали такое количество интерферона альфа-2Ь, которое обеспечивает защиту половины монослоя от цитопатического действия индикаторного вируса [151].
Специфическую противовирусную активность препарата субстанции интерферона альфа-2Ь определяли по формуле: где AQ — специфическая противовирусная активность субстанции интерферона альфа-2Ь, МЕ/мл; То - начальное разведение исследуемого образца, Тосо - начальное разведение стандартного образца, Аосо - активность референс-препарата, МЕ/мл. 2. Удельная противовирусная активность
Удельную противовирусную активность субстанции интерферона альфа-2Ь определяли расчетным методом, основываясь на данных по специфической противовирусной активности по формуле: где Во - удельная привовирусная активность субстанции интерферона альфа-2Ь, МЕ/мл, А0 - специфическая противовирусная активность субстанции интерферона альфа-2Ь, МЕ/мл, С - содержание белка в субстанции интерферона альфа-2Ь, мг/мл.
Для определения удельной противовирусной активности, которая может быть использована в качестве адекватной меры сравнения, необходимо знать концентрацию белка в растворе.
Определение содержания белка в растворе проводили спектрофотометрическим методом. Измеряли оптическую плотность субстанции интерферона альфа-2Ь в максимуме поглощения при длине волны 280 нм в кювете с толщиной слоя 10 мм. В качестве раствора сравнения использовали раствор 1. Содержание белка (С) в препарате субстанции интерферона альфа-2Ь в мг/мл рассчитывали по формуле: где А28о - среднее значение оптической плотности при длине 280 нм; є -молекулярный коэффициент экстинкции интерферона альфа-2Ь человека, равный 18700; М - молекулярная масса интерферона альфа-2Ь человека, равная 19269; /-толщина слоя раствора в кювете, см.
Приготовление раствора 1 ведется следующим образом: в стакан вместимостью 50 мл помещают 40 мл воды очищенной, 680 мг натрия ацетата и 438 мг натрия хлористого. Содержимое стакана перемешивают на магнитной мешалке до полного растворения соли и добавляют уксусную кислоту (ГОСТ 61-75) до рН 5.0. Раствор количественно переносят в мерную колбу вместимостью 50 мл, доводят объем раствора до метки очищенной водой и перемешивают.
Соответственно для трех проб интерферона альфа-2Ь (исходный раствор, растаявший раствор после распыления и замораживания в жидком азоте и раствор, распыленный при комнатной температуре) по средним значениям были построены кривые титрования исследуемого образца и референс-препарата, т.е. кривые зависимости оптической плотности (ось ординат) от log2 разведения интерферона (ось абсцисс). Определили уровень 50 % выживаемости клеток. Из точки пересечения кривых с линией уровня 50 % выживаемости клеток опустили перпендикуляр на ось абсцисс, указывающий log2 разведений интерферонов - конечная точка для испытуемого образца (Х0) и референс-препарата (Хосо). По этим значениям нашли начальные разведения исследуемого (То) и стандартного образца (Тосо)- Далее по формуле (2.3) определили специфическую противовирусную активность.
Математическое моделирование сублимационной сушки в фонтанирующем слое
Математическое описание сублимационной сушки в фонтанирующем слое было создано в соответствие с основными принципами системного анализа для математического моделирования химико-технологических процессов, разработанных Кафаровым В.В. [162]. При описании процесса был применен блочный подход, в соответствии с которым отдельно были описаны гидродинамическая обстановка и тепло-, массообмен в сублимационной камере фонтанирующего слоя. Для визуализации гидродинамической обстановки в сублимационной камере проведен расчет с помощью программного пакета Fluent 6.3.26. Создана обобщенная модель управления и определены устойчивые режимы работы. Разработанная математическая модель позволяет решать задачи проектирования и оптимизации химико-технологических систем [163]. В рабочем состоянии сублимационная камера содержит две фазы: дисперсную — частицы высушиваемого материала в фонтанирующем слое и сплошную - воздух. Такой тип систем относится к гетерогенным, которые могут быть описаны механикой гетерогенных сред [164, 165]. Введем обозначения, сплошную (газовую) фазу обозначим индексом 1, дисперсную - 2. Далее введем понятие доли объема фазы а,-, тогда для некоторого объема выполняется следующее соотношение: Приведенная плотность, равная массе і-ой фазы в единице объема среды: где р - истинная плотность.
Тогда плотность гетерогенной смеси: Механика гетерогенных сред основана на основных физических законах сохранения массы, импульса и энергии. При записи системы уравнений, описывающей эти законы, принимаются следующие допущения: - размер включений в смеси намного больше молекулярно-кинетических размеров; - размер включений намного меньше расстояний, на которых макроскопические или осредненные параметры меняются существенно. Система уравнений гидродинамики процесса была записана для стационарного режима, без учета фазовых переходов с учетом конструкционных особенностей сублимационной камеры. Рабочее пространство сублимационной камеры было разделено на зоны ядра и кольца. Зона ядра является центральной с постоянным радиусом по высоте. В зоне ядра газовая и дисперсная фаза движутся в одном направлении, порозность близка к единице. Зона кольца приходится на периферическую область аппарата, в конической части радиус по высоте увеличивается. В зоне кольца газовая и дисперсная фаза находятся в противотоке.
При описании гидродинамической обстановки в камере были приняты следующие допущения: - дисперсная фаза монодисперсна, частицы не деформируются в течение процесса; - не происходит дробления и агрегации частиц; - частицы не сталкиваются друг с другом; - нет перетока частиц из зоны ядра в зону кольца; - не учитывается влияние свойств поверхностной фазы; - не учитываются энергия и другие эффекты хаотического и внутреннего движения. На основе приведенных допущений была записана система уравнений, описывающая локальный объем сублимационной камеры фонтанирующего слоя для зон ядра и кольца в проекциях на 2 оси.
Развитие процесса атмосферной сублимационной сушки в фонтанирующем слое
В настоящее время в России остро стоит вопрос развития фармацевтической отрасли и выхода на международный фармацевтический рынок. Необходимым шагом в этом направлении является приведение российского законодательства, относящегося к организации исследований, производства и обращения лекарственных препаратов и иных биологически активных веществ, в полное соответствие законодательству Европейского Союза. Это позволит устранить действующую практику двойных стандартов и повысит экспортный потенциал российской фармацевтической отрасли. Одним из важнейших аспектов данного направления является скорейшее принятие GMP в европейской редакции в форме национальных стандартов [167].
Поскольку в области конструирования и проектирования аппаратов для тепловой сушки во взвешенных слоях накоплен значительный опыт [168], представляется перспективным применить его для разработки сублимационной сушилки фонтанирующего слоя непрерывного действия. Использование сублимационных сушилок фонтанирующего слоя, работающих в непрерывном режиме, позволит увеличить производительность, а также осуществлять непрерывный контроль качества высушиваемого материала, что соответствует требованиям GMP к системе контроля качества производства. Это открывает возможность внедрения технологии в промышленность.
Во второй главе подробно описана технология проведения экспериментальных исследований по сублимационной сушке фонтанирующего слоя, первой стадией которой является распыление и замораживание частиц раствора в жидком азоте. При переходе на непрерывный режим проведения процесса, замораживание в жидком азоте или другой криогенной жидкости представляется весьма затруднительным.
Поэтому при переходе на непрерывный режим, заморозку диспергированного раствора на первой стадии предлагается осуществлять в противотоке холодного воздуха в отдельном аппарате по аналогии с тепловой распылительной сушкой.
Высота камеры для замораживания была определена по зависимости для определения времени промерзания шара [115]: где t3 - время замораживания, с; R - радиус цилиндра или шара, м р - плотность тела, кг/м ; q - удельная теплота фазового перехода, Дж/кг X - коэффициент теплопроводности замороженной части тела, Вт/(м2-К) а - коэффициент теплопроводности замороженной части тела, Вт/(м2-К) Ткр - криоскопическая температура, К; ТХ1 - температура хладоагента, К С - удельная теплоемкость замороженной части тела, Дж/(кг-К) Bi = аЯ/Х - число Био, безразмерное.
Расчет был проведен с учетом сопротивления противотока воздуха движению падающей капли. Для капли с размером в 60 мкм и температурой подаваемого воздуха -60С, высота камеры для замораживания составила 2 м.
По результатам проведенного в третьей главе расчета скорости воздуха в ходе атмосферной сублимационной сушки в фонтанирующем слое (рис. 3.21) были сделаны выводы, что в течение процесса необходимо уменьшать скорость воздуха во избежание уноса частиц из аппарата. На основании этого предложена технологическая схема непрерывной сублимационной сушки. Центральным узлом является аппарат с тремя последовательно установленными секциями фонтанирующего слоя. Переток частиц из одной секции в другую осуществляется самопроизвольно из-за уменьшения массы частиц в ходе сушки, как это уже отмечалось в главе 3.
Время пребывания частиц в одной секции зависит от скорости сушки. Производительность предложенного аппарата также соответствует размеру секций. Технологическая схема непрерывной атмосферной сублимационной сушки предложена ниже на рис. 4.1. Рис. 4.1. Технологическая схема процесса непрерывной атмосферной сублимационной сушки: Е - емкость с исходным раствором; КЗ - камера для замораживания; АФ - трехсекционный аппарат фонтанирующего слоя; Ц — циклон; ВХ - воздуходувка; Ф- воздушный фильтр: О - осушитель; X холодильник; П - подогреватель; В - вентиль
В предлагаемой технологической схеме для сублимационной сушки в фонтанирующем слое протекают два основных технологических процесса:
Технологический процесс непрерывной сублимационной сушки в фонтанирующем слое (ТШ), включающий следующие последовательные технологические операции, протекающие непрерывно в двух соединенных между собой аппаратах: замораживание исходного раствора в камере для замораживания распылением с помощью ультразвуковой форсунки в противотоке холодного воздуха, подаваемого снизу; транспорт замороженных частиц в сублимационную камеру аппарата фонтанирующего слоя; сублимационная сушка замороженных частиц в трехсекционном аппарате фонтанирующего слоя при атмосферном давлении; отделение и выгрузка продукта с помощью циклона. Технологический процесс подготовки воздуха (сушильного агента) (ТП2), включающий следующие последовательные технологические операции: - фильтрация воздуха (сушильного агента) нагнетаемого компрессором из атмосферы; осушка воздуха в адсорбционном осушителе; охлаждение воздуха в холодильнике; подача воздуха в камеру для заморозки и трехсекционный аппарат фонтанирующего слоя; выброс воздуха в атмосферу после прохождения воздушного фильтра. Режимы технологических процессов должны обеспечивать: непрерывность технологического процесса; согласованность, безопасность и безаварийность работы всего технологического оборудования, и оптимальную его загрузку; возможность обработки (обезвреживания) помещений, оборудования, трубопроводов; минимальные трудозатраты и высокие показатели производительности труда; автоматизацию технологических процессов, механизацию вспомогательных стадий и погрузочно-разгрузочных работ на уровне лучших отечественных и зарубежных аналогов.
