Nel processo di produzione di forme di dosaggio solide, gli essiccatori a letto fluido sono spesso le apparecchiature scelte. Gli essiccatori a letto fluido offrono vantaggi quali eccellente trasferimento di calore, elevata capacità di produzione, distribuzione uniforme della temperatura, diverse modalità operative, tempo di permanenza del materiale regolabile, bassi costi di investimento e manutenzione minima.
Dopo più di 30 anni di utilizzo e miglioramento in Cina, hanno dimostrato una posizione unica nel campo dell’essiccazione e il loro ruolo importante è sempre più evidente nelle industrie farmaceutiche, chimiche e alimentari.
1. Principio di funzionamento, processo e caratteristiche degli essiccatori a letto fluido
1.1 Principio di funzionamento Gli essiccatori a letto fluido, noti anche come essiccazione a letto fluido, utilizzano aria pulita filtrata. Attraverso lo scambio termico convettivo in uno scambiatore di calore, la temperatura dell'aria sale fino ad un certo valore prima di entrare nel condotto principale di distribuzione dell'aria. L'aria viene poi distribuita tramite valvole nell'essiccatore a letto fluido, mentre il materiale umido entra dall'alimentatore. A causa della pressione dell'aria, il materiale entra in uno stato di ebollizione all'interno dell'essiccatore, garantendo un contatto sufficiente tra l'aria calda e il materiale, migliorando il processo di trasferimento di calore e massa e favorendo l'evaporazione e la separazione dell'umidità nel materiale in breve tempo. Dopo l'essiccazione, il materiale viene scaricato dall'apertura di scarico e il gas di scarico viene scaricato dalla parte superiore del letto fluidizzato. La polvere solida viene recuperata da un depolveratore a ciclone e da un filtro a maniche prima di essere scaricata nell'atmosfera.
1.2 Flusso di lavoro: il materiale viene trasportato al letto fluidizzato tramite un carrello del materiale e sigillato al letto tramite un anello di tenuta sotto l'azione di un meccanismo di sollevamento del cilindro. Successivamente l'aria, spinta da un ventilatore a tiraggio indotto, viene purificata da un filtro, riscaldata da un radiatore e quindi distribuita nel letto fluidizzato (camera di essiccazione) tramite una piastra di distribuzione del flusso d'aria (schermo). Il materiale nella tramoggia forma uno stato fluidizzato (cioè letto fluidizzato) sotto l'azione dell'aria calda e dell'agitazione. Nel contatto bifase gas-solido ad ampia superficie, l'umidità (o solvente) all'interno del materiale evapora in breve tempo e viene trasportata con l'aria di scarico, asciugando così il materiale.
1.3 Caratteristiche tecniche (1) Eccellente effetto di trasferimento del calore, temperatura relativamente uniforme all'interno del letto, elevato coefficiente di capacità termica (o coefficiente di trasferimento di calore volumetrico) e grande capacità di produzione; (2) Grazie alla distribuzione uniforme della temperatura all'interno del letto fluido, è possibile evitare qualsiasi surriscaldamento locale del prodotto, rendendolo particolarmente adatto all'essiccazione di alcuni materiali termosensibili (come konjac, poliacrilammide, ecc.); (3) Il funzionamento continuo o intermittente può essere eseguito all'interno della stessa apparecchiatura; (4) Il tempo di permanenza del materiale nell'essiccatore può essere regolato secondo necessità, ottenendo un contenuto di umidità del prodotto stabile; (5) Armadio elettrico indipendente e controllo dell'interfaccia uomo-macchina PLC, che integra tutte le impostazioni dei parametri di asciugatura, garantendo un funzionamento sicuro e conveniente; (6) Meno componenti di trasmissione meccanica nel dispositivo di asciugatura, con conseguenti bassi costi di investimento nelle apparecchiature e carico di lavoro di manutenzione minimo.
2. Suggerimenti per migliorare gli essiccatori a letto fluido Dopo un'applicazione e uno sviluppo a lungo termine, gli essiccatori a letto fluido hanno riscontrato miglioramenti significativi nella struttura e nelle prestazioni e la loro qualità è in costante miglioramento. Tuttavia, esistono ancora alcuni problemi. Sulla base della pratica produttiva si propongono i seguenti suggerimenti di miglioramento:
2.1 Suggerimenti per migliorare l'utilizzo insufficiente del calore Gli essiccatori a letto fluido sono, in sostanza, apparecchiature di essiccazione per convezione dell'aria. Rispetto alle apparecchiature di essiccazione a conduzione, il loro consumo energetico è effettivamente maggiore. Tuttavia, con alcune misure, è possibile ottenere notevoli risparmi energetici. Suggerimenti: (1) Migliorare l'effetto di tenuta dell'apparecchiatura. Attualmente, la maggior parte delle tramogge degli essiccatori a letto fluidizzato sono collegate al corpo dell'apparecchiatura tramite flange piatte, con conseguente scarsa tenuta. Si consiglia di utilizzare flange a faccia rialzata nel progetto. Molti essiccatori a pompa importati utilizzano tubi di acciaio avvolti con alette per lo scambio di calore. Sebbene i tubi in acciaio possano far risparmiare sui costi dei materiali, il loro effetto di scambio termico è scarso. Si consiglia invece di utilizzare tubi in rame. (2) Aumentare le misure di isolamento. Aggiungere uno strato isolante al guscio esterno dello scambiatore di calore per ridurre la perdita di calore. 2.2 Suggerimenti per migliorare il dispositivo di raccolta delle polveri
La condizione fondamentale per il successo del funzionamento del letto fluidizzato è che il materiale abbia un buon stato di fluidificazione, mantenuto da un filtro depolveratore ad alta efficienza. L'efficienza di rimozione della polvere del filtro depolveratore determina in gran parte l'effetto di fluidificazione. Attualmente, i principali metodi di rimozione della polvere sono la raccolta della polvere con scuotimento del sacco e la raccolta della polvere con getto a impulsi.
Suggerimento: utilizzare collegamenti a morsetto per i sacchetti filtro, selezionare materiali rigidi che non si deformino facilmente per le aste di sospensione e ispezionare e sostituire regolarmente i sacchetti filtro.
2.3 Suggerimenti per migliorare la piastra di distribuzione del flusso d'aria (schermo)
La piastra di distribuzione del flusso d'aria nell'essiccatore a letto fluidizzato ha due funzioni: sostenere lo strato di materiale e garantire una distribuzione uniforme del gas. Le dimensioni, la forma, il modello di distribuzione e il rapporto degli orifizi delle aperture della piastra di distribuzione hanno tutti un impatto cruciale sulla distribuzione del fluido. Una distribuzione non uniforme del gas può causare "circolazione" all'interno del letto fluidizzato. In casi estremi, ciò può portare ad una “canalizzazione” in alcune aree mentre altre rimangono stagnanti. In questa situazione, la maggior parte del gas va in cortocircuito attraverso alcuni canali del letto, peggiorando notevolmente il contatto gas-solido, situazione che dovrebbe essere evitata. Una piastra di distribuzione ben progettata dovrebbe eliminare le irregolarità all'interno del letto. Cioè, quando la caduta di pressione diminuisce e la velocità del flusso d'aria aumenta in alcune aree del letto, la resistenza generata dalla piastra di distribuzione dovrebbe essere in grado di sopprimere l'aumento del flusso d'aria, prevenendo così il deterioramento della fluidificazione.
Attualmente, la maggior parte degli essiccatori a letto fluidizzato utilizza un unico tipo di piastra di distribuzione del flusso d'aria, spesso una piastra perforata verticale o una piastra a rete intrecciata. Ciò porta facilmente a una fluidificazione non uniforme o a zone morte durante la fluidificazione del materiale, non riuscendo a garantire l'uniformità del farmaco all'interno delle particelle. Inoltre, il design a perforazione singola non può soddisfare i requisiti del processo di produzione di diversi farmaci. D'altra parte, per ridurre la perdita di farmaco, vengono comunemente utilizzate strutture a rete multistrato. La piastra di distribuzione del flusso d'aria e il letto fluidizzato sono spesso fissati con numerosi bulloni, rendendo scomodo lo smontaggio, difficile la pulizia e soggetti all'accumulo di residui che portano alla contaminazione incrociata. Raccomandazione: utilizzare modelli fluidodinamici assistiti da computer e modelli di trasferimento di calore e massa per eseguire calcoli di simulazione aerodinamica e termodinamica e verifiche su parametri quali spaziatura dei fori, diametro dei fori e rapporto di area aperta durante la progettazione della piastra di distribuzione del flusso d'aria, per soddisfare i requisiti del processo di produzione di diversi materiali. Per quanto riguarda l'installazione, il metodo di connessione dovrebbe essere staccabile per garantire un'installazione rapida e una pulizia accurata.
2.4 Raccomandazioni per migliorare il trattamento dell'aria aspirata
Le prese d'aria calda sono generalmente ubicate nel locale degli impianti ausiliari, installate insieme ai dispositivi di riscaldamento e ai silenziatori. Il locale delle attrezzature ausiliarie e l'area pulita non hanno porte o finestre dirette. Il livello di pulizia dell'aria nella sala apparecchiature ausiliarie è spesso relativamente basso, il che influirà sulla qualità dell'aria calda farmaceutica. Ciò richiede che l'apparecchiatura stessa disponga di un buon dispositivo di depurazione; in caso contrario, l’aria non purificata contaminerà i medicinali, rendendo difficile il rispetto dei requisiti GMP.
Attualmente, molti sistemi di apparecchiature domestiche configurano le proprie unità di trattamento dell'aria come segue: prefiltro—filtro a media efficienza—riscaldamento a vapore (o riscaldamento elettrico)—filtro (sub)ad alta efficienza. Sebbene il sistema di trattamento dell'aria sia dotato di prefiltri, filtri medi e filtri ad alta efficienza, i filtri ad alta efficienza potrebbero ostruirsi o danneggiarsi nel tempo. Attualmente, la necessità di sostituzione può essere determinata solo visivamente, mancando una base teorica. La sostituzione prematura aumenta i costi, mentre la sostituzione ritardata rischia di deteriorare la qualità dell’aria, influenzando così la qualità del prodotto. Raccomandazione: aggiungere display della pressione differenziale prima e dopo i filtri ad alta efficienza, attivando un allarme per avvisarne la sostituzione quando la pressione differenziale raggiunge un determinato valore.
Inoltre, la maggior parte delle apparecchiature non dispone di dispositivi di deumidificazione, con conseguenti problemi persistenti di deumidificazione dell’aria, soprattutto in tarda primavera e in estate, quando l’umidità è elevata. La mancata deumidificazione può avere un impatto significativo sull’asciugatura del materiale. Raccomandazione: aggiungere dispositivi di deumidificazione.
Molti dispositivi non dispongono di un sistema coordinato tra il ventilatore a tiraggio indotto e la serranda, causando potenzialmente un riflusso dell'aria tra lo spegnimento del ventilatore e la chiusura della serranda. Raccomandazione: collegare l'avvio/arresto del ventilatore all'apertura e chiusura della serranda. La serranda dovrebbe aprirsi simultaneamente all'avvio della ventola e chiudersi in modo sincrono quando la ventola si ferma per impedire il riflusso dell'aria. 2.5 Suggerimenti per migliorare l'integrazione delle attrezzature e del processo produttivo
Un flusso del processo di essiccazione e una progettazione delle apparecchiature irragionevoli possono portare a significative perdite di energia. Per risolvere a fondo questi problemi, è necessario uno studio sistematico delle caratteristiche di essiccazione del prodotto per determinare i parametri ottimali del processo di essiccazione, come lo studio delle proprietà del materiale da essiccare. Le proprietà del materiale stesso sono il fattore più importante che influenza l'essiccazione; la forma, le dimensioni, lo spessore dell'imballaggio, il metodo di legame dell'umidità e le proprietà chimiche del materiale influiscono tutti sulla velocità di essiccazione. Fatta eccezione per alcune aziende nazionali, la maggior parte dei produttori di apparecchiature non comprende la tecnologia del processo di formulazione e le condizioni necessarie per condurre esperimenti di processo. Anche la loro comprensione delle condizioni di utilizzo dei vari materiali è insufficiente, con conseguente ricerca e sviluppo insufficienti e difficoltà nello sviluppo di nuovi prodotti.
2.6 Suggerimenti per migliorare il sistema di controllo
Attualmente, i parametri operativi delle apparecchiature a letto fluidizzato sono generalmente impostati in base all'esperienza dell'operatore. Tuttavia, è del tutto possibile ottenere un controllo intelligente e la tracciabilità dei parametri di processo. Ciò pone requisiti più elevati al sistema di controllo elettrico delle apparecchiature a letto fluidizzato. Nei sistemi di controllo elettrico sono necessari una serie di dispositivi per rilevare temperatura, umidità, pressione, pressione differenziale, velocità del vento, tempo di funzionamento, concentrazione di polvere, ecc. e ottenere dati di base. Questi dati vengono quindi trasmessi e memorizzati su un touchscreen tramite trasmettitori. Il touchscreen memorizza e analizza i dati, quindi formula un percorso di processo adeguato per ottenere un controllo intelligente.
2.6.1 Controllo della temperatura
I comuni metodi di controllo del riscaldamento ad aria calda utilizzano una semplice modalità "on" e "off". Quando la temperatura raggiunge il valore impostato, l'erogazione del vapore si interrompe, ma lo scambiatore di calore ha ancora calore residuo, facendo sì che la temperatura dell'aria continui a salire e viceversa. Ciò si traduce in eccessive fluttuazioni di temperatura, che influiscono sulla qualità di asciugatura dell'apparecchiatura. Raccomandazione: mantenere la temperatura dell'aria in ingresso controllando la portata del vapore. Inizialmente la portata del vapore dovrebbe essere maggiore per portare rapidamente la temperatura dell'aria in ingresso vicino al valore impostato. Quindi, la portata del vapore dovrebbe essere regolata automaticamente per avvicinarsi gradualmente al valore impostato e, infine, dovrebbe essere mantenuta una portata del vapore stabile per mantenere stabile la temperatura dell'aria in ingresso. 2.6.2 Controllo del flusso d'aria
La maggior parte delle apparecchiature di controllo del flusso d'aria utilizza la regolazione della velocità di conversione della frequenza, ma non dispone di elementi di misurazione del flusso d'aria. Durante la produzione, il flusso d'aria può essere regolato solo manualmente in base allo stato di fluidificazione del materiale, non riuscendo così a garantire un flusso d'aria stabile e relativamente costante. I cambiamenti nella composizione del materiale e nella resistenza del sacchetto filtro possono influire sulla stabilità del flusso d'aria, che a sua volta influisce sulla velocità di asciugatura. Raccomandazione: installare elementi di misurazione del flusso d'aria nel condotto di ingresso dell'aria per il controllo automatico, regolando automaticamente la frequenza in base al volume del flusso d'aria per mantenere un flusso d'aria relativamente costante durante la produzione.
2.6.3 Rilevamento dell'umidità online
Aggiungi un dispositivo di rilevamento dell'umidità online. Ciò consente agli utenti di regolare i parametri in base alle condizioni reali, migliorando l'efficienza di asciugatura.
2.6.4 Ripetibilità e tracciabilità del processo di essiccazione a letto fluidizzato
Nella produzione effettiva, gli operatori devono reimpostare e modificare i parametri di processo dell'apparecchiatura per ogni ciclo di produzione. Ciò rende impossibile garantire che lo stesso prodotto venga realizzato utilizzando gli stessi parametri di processo delle apparecchiature, compromettendone così la tracciabilità. Secondo GMP, le apparecchiature devono memorizzare una certa quantità di parametri del processo di produzione per garantire la ripetibilità e la tracciabilità della produzione. Ogni utente lo imposta in base al numero di varietà di prodotto. Gli essiccatori a letto fluido generalmente richiedono la capacità di immagazzinare 50 processi di produzione, ma la maggior parte delle apparecchiature prodotte a livello nazionale attualmente non possono raggiungere questo obiettivo. Si consiglia di migliorare ed espandere il sistema di controllo PLC e gli attuatori meccanici per rendere le funzioni più complete. Ad esempio, dovrebbe essere fornita memoria sufficiente per memorizzare più processi di produzione, offrendo la stampa dei parametri in loco, il salvataggio dei dati e la connessione dati a un PC.
3. Conclusione
Questo articolo inizia con il principio di funzionamento degli essiccatori a letto fluido, riassume alcuni problemi nel processo di produzione in base ai parametri operativi del processo e propone brevemente suggerimenti per migliorare questo tipo di apparecchiature. Si spera che i produttori di apparecchiature possano sviluppare più apparecchiature di essiccazione farmaceutica che soddisfino i requisiti di processo della produzione farmaceutica, abbiano parametri di prestazione avanzati, siano altamente utilizzabili, rispettosi dell'ambiente, a risparmio energetico e abbiano indicatori economici e tecnici avanzati.