No processo de produção de formas farmacêuticas sólidas, os secadores de leito fluidizado são equipamentos frequentemente escolhidos. Os secadores de leito fluidizado oferecem vantagens como excelente transferência de calor, alta capacidade de produção, distribuição uniforme de temperatura, diversos modos de operação, tempo de residência de material ajustável, baixos custos de investimento e manutenção mínima.
Após mais de 30 anos de utilização e melhoria na China, demonstraram uma posição única no campo da secagem, e o seu importante papel é cada vez mais evidente nas indústrias farmacêutica, química e alimentar.
1. Princípio de funcionamento, processo e características de secadores de leito fluidizado
1.1 Princípio de funcionamento Os secadores de leito fluidizado, também conhecidos como secagem em leito fluidizado, utilizam ar limpo filtrado. Através da troca de calor convectiva em um trocador de calor, a temperatura do ar sobe até um determinado valor antes de entrar no duto principal de distribuição de ar. O ar é então distribuído por válvulas para o secador de leito fluidizado, enquanto o material úmido entra pelo alimentador. Devido à pressão do ar, o material entra em estado de ebulição dentro do secador, garantindo contato suficiente entre o ar quente e o material, potencializando o processo de transferência de calor e massa e promovendo a evaporação e separação da umidade do material em um curto espaço de tempo. Após a secagem, o material é descarregado pela porta de descarga e os gases de exaustão são descarregados pelo topo do leito fluidizado. O pó sólido é recuperado por um coletor de pó tipo ciclone e um filtro de mangas antes de ser descarregado na atmosfera.
1.2 Fluxo de Trabalho: O material é transportado para o leito fluidizado através de um carrinho de material e vedado ao leito por um anel de vedação sob a ação de um mecanismo de levantamento de cilindro. Em seguida, o ar, acionado por um ventilador de tiragem induzida, é purificado por um filtro, aquecido por um radiador e depois distribuído no leito fluidizado (câmara de secagem) através de uma placa de distribuição de fluxo de ar (tela). O material na tremonha forma um estado fluidizado (isto é, leito fluidizado) sob a ação do ar quente e da agitação. No contato bifásico gás-sólido de grande área, a umidade (ou solvente) dentro do material evapora em pouco tempo e é levada junto com o ar de exaustão, secando assim o material.
1.3 Características técnicas (1) Excelente efeito de transferência de calor, temperatura relativamente uniforme dentro do leito, alto coeficiente de capacidade térmica (ou coeficiente volumétrico de transferência de calor) e grande capacidade de produção; (2) Devido à distribuição uniforme da temperatura dentro do leito fluidizado, qualquer superaquecimento local do produto pode ser evitado, tornando-o particularmente adequado para a secagem de certos materiais sensíveis ao calor (como konjac, poliacrilamida, etc.); (3) A operação contínua ou intermitente pode ser realizada dentro do mesmo equipamento; (4) O tempo de permanência do material no secador pode ser ajustado conforme necessário, resultando em um teor de umidade estável do produto; (5) Gabinete elétrico independente e controle de interface homem-máquina PLC, integrando todas as configurações de parâmetros de secagem, garantindo uma operação segura e conveniente; (6) Menos componentes de transmissão mecânica no dispositivo de secagem, resultando em baixos custos de investimento em equipamentos e mínima carga de trabalho de manutenção.
2. Sugestões para melhorar os secadores de leito fluidizado Após aplicação e desenvolvimento de longo prazo, os secadores de leito fluidizado obtiveram melhorias significativas na estrutura e no desempenho, e sua qualidade está melhorando constantemente. No entanto, alguns problemas ainda existem. Com base na prática de produção, são propostas as seguintes sugestões de melhoria:
2.1 Sugestões para melhorar a utilização insuficiente de calor Os secadores de leito fluidizado são, em essência, equipamentos de secagem por convecção de ar. Comparado com o equipamento de secagem por condução, o seu consumo de energia é realmente maior. No entanto, com certas medidas, podem ser alcançadas poupanças de energia significativas. Sugestões: (1) Melhorar o efeito de vedação do equipamento. Atualmente, a maioria das moegas do secador de leito fluidizado são conectadas ao corpo do equipamento por meio de flanges planas, resultando em má vedação. Recomenda-se a utilização de flanges de face elevada no projeto. Muitos secadores de bomba importados usam tubos de aço enrolados com aletas para troca de calor. Embora os tubos de aço possam economizar custos de material, seu efeito de troca de calor é fraco. Recomenda-se a utilização de tubos de cobre. (2) Aumentar as medidas de isolamento. Adicione uma camada de isolamento ao revestimento externo do trocador de calor para reduzir a perda de calor. 2.2 Sugestões para Melhorar o Dispositivo de Coleta de Pó
A condição básica para uma operação bem-sucedida do leito fluidizado é que o material tenha um bom estado de fluidização, que é mantido por um filtro coletor de pó de alta eficiência. A eficiência de remoção de poeira do coletor de poeira do filtro determina em grande parte o efeito de fluidização. Atualmente, os principais métodos de remoção de poeira são a coleta de pó por agitação de sacos e a coleta de pó por jato pulsado.
Sugestão: Use conexões de braçadeira para as bolsas filtrantes, selecione materiais rígidos que não se deformem facilmente para as hastes de suspensão e inspecione e substitua regularmente as bolsas filtrantes.
2.3 Sugestões para Melhorar a Placa de Distribuição de Fluxo de Ar (Tela)
A placa de distribuição do fluxo de ar no secador de leito fluidizado tem duas funções: apoiar a camada de material e garantir a distribuição uniforme do gás. O tamanho, formato, padrão de distribuição e proporção de orifícios das aberturas da placa de distribuição têm um impacto crucial na distribuição do fluido. A distribuição desigual de gás pode causar “circulação” dentro do leito fluidizado. Em casos extremos, isto pode levar à “canalização” em algumas áreas, enquanto outras áreas permanecem estagnadas. Nesta situação, a maior parte do gás entra em curto-circuito através de determinados canais do leito, piorando significativamente o contato gás-sólido – situação que deve ser evitada. Uma placa de distribuição bem projetada deve suprimir irregularidades na cama. Ou seja, quando a queda de pressão diminui e a velocidade do fluxo de ar aumenta em determinadas áreas do leito, a resistência gerada pela placa de distribuição deverá ser capaz de suprimir o aumento do fluxo de ar, evitando assim a deterioração da fluidização.
Atualmente, a maioria dos secadores de leito fluidizado utiliza um único tipo de placa de distribuição de fluxo de ar, geralmente uma placa vertical perfurada ou uma placa de malha tecida. Isto leva facilmente a fluidização irregular ou zonas mortas durante a fluidização do material, não garantindo a uniformidade do fármaco dentro das partículas. Além disso, o projeto de perfuração única não pode atender aos requisitos do processo de produção de diferentes medicamentos. Por outro lado, para reduzir o vazamento de medicamentos, são comumente utilizadas estruturas de malha multicamadas. A placa de distribuição do fluxo de ar e o leito fluidizado são frequentemente fixados com vários parafusos, tornando a desmontagem inconveniente, a limpeza difícil e propensa ao acúmulo de resíduos, levando à contaminação cruzada. Recomendação: Utilize modelos de dinâmica de fluidos auxiliados por computador e modelos de transferência de calor e massa para realizar cálculos de simulação aerodinâmica e termodinâmica e verificações de parâmetros como espaçamento de furos, diâmetro de furos e razão de área aberta durante o projeto da placa de distribuição de fluxo de ar, para atender aos requisitos do processo de produção de diferentes materiais. Quanto à instalação, o método de conexão deve ser destacável para garantir uma instalação rápida e uma limpeza completa.
2.4 Recomendações para melhorar o tratamento do ar de admissão
As entradas de ar quente geralmente estão localizadas na sala de equipamentos auxiliares, instaladas juntamente com dispositivos de aquecimento e silenciadores. A sala de equipamentos auxiliares e a área limpa não possuem portas ou janelas diretas. O nível de limpeza do ar na sala de equipamentos auxiliares costuma ser relativamente baixo, o que afetará a qualidade do ar quente farmacêutico. Isto exige que o próprio equipamento tenha um bom dispositivo de purificação; caso contrário, o ar não purificado contaminará os medicamentos, dificultando o cumprimento dos requisitos das BPF.
Atualmente, muitos sistemas de equipamentos domésticos configuram suas unidades de tratamento de ar da seguinte forma: pré-filtro – filtro de média eficiência – aquecimento a vapor (ou aquecimento elétrico) – (sub) filtro de alta eficiência. Embora o sistema de tratamento de ar esteja equipado com pré-filtros, filtros médios e filtros de alta eficiência, os filtros de alta eficiência podem ficar obstruídos ou danificados com o tempo. Atualmente, a necessidade de substituição só pode ser determinada visualmente, carecendo de embasamento teórico. A substituição prematura aumenta os custos, enquanto a substituição tardia corre o risco de deteriorar a qualidade do ar, afetando assim a qualidade do produto. Recomendação: Adicionar displays de pressão diferencial antes e depois dos filtros de alta eficiência, acionando um alarme para solicitar a substituição quando a pressão diferencial atingir determinado valor.
Além disso, a maioria dos equipamentos não possui dispositivos de desumidificação, resultando em problemas persistentes de desumidificação do ar, especialmente no final da primavera e no verão, quando a humidade é elevada. A falha na desumidificação pode afetar significativamente a secagem do material. Recomendação: Adicione dispositivos de desumidificação.
Muitos dispositivos não possuem um sistema coordenado entre o ventilador de tiragem induzida e o amortecedor, podendo causar refluxo de ar entre o desligamento do ventilador e o fechamento do amortecedor. Recomendação: Associar o arranque/paragem do ventilador à abertura e fecho do registo. O amortecedor deve abrir simultaneamente quando o ventilador iniciar e fechar sincronizadamente quando o ventilador parar para evitar o refluxo de ar. 2.5 Sugestões para Melhorar a Integração de Equipamentos e Processos Produtivos
Um fluxo de processo de secagem e um design de equipamento inadequados podem levar a perdas significativas de energia. Para resolver completamente estes problemas, é necessário um estudo sistemático das características de secagem do produto para determinar os parâmetros ideais do processo de secagem, como estudar as propriedades do material que está sendo seco. As propriedades do próprio material são o fator mais importante que afeta a secagem; a forma, o tamanho, a espessura da embalagem, o método de ligação à umidade e as propriedades químicas do material afetam a taxa de secagem. Exceto algumas empresas nacionais, a maioria dos fabricantes de equipamentos não compreende a tecnologia do processo de formulação e as condições necessárias para a realização de experimentos de processo. A sua compreensão das condições de utilização de vários materiais também é insuficiente, resultando em investigação e desenvolvimento insuficientes e dificuldade no desenvolvimento de novos produtos.
2.6 Sugestões para Melhorar o Sistema de Controle
Atualmente, os parâmetros operacionais dos equipamentos de leito fluidizado são geralmente definidos com base na experiência do operador. Contudo, é inteiramente possível obter controle inteligente e rastreabilidade dos parâmetros do processo. Isto impõe maiores exigências ao sistema de controle elétrico do equipamento de leito fluidizado. Nos sistemas de controle elétrico, uma série de dispositivos são necessários para detectar temperatura, umidade, pressão, pressão diferencial, velocidade do vento, tempo de operação, concentração de poeira, etc., e obter dados básicos. Esses dados são então transmitidos e armazenados em uma tela sensível ao toque por meio de transmissores. A tela sensível ao toque armazena e analisa os dados e, em seguida, formula uma rota de processo adequada para obter controle inteligente.
2.6.1 Controle de Temperatura
Os métodos comuns de controle de aquecimento de ar quente usam um modo simples "ligado" e "desligado". Quando a temperatura atinge o valor definido, o fornecimento de vapor é interrompido, mas o trocador de calor ainda possui calor residual, fazendo com que a temperatura do ar continue a subir e vice-versa. Isto resulta em flutuações excessivas de temperatura, afetando a qualidade de secagem do equipamento. Recomendação: Mantenha a temperatura do ar de entrada controlando a vazão do vapor. Inicialmente, a vazão de vapor deve ser maior para aproximar rapidamente a temperatura do ar de entrada do valor definido. Em seguida, a taxa de fluxo de vapor deve ser ajustada automaticamente para se aproximar gradualmente do valor definido e, finalmente, uma taxa de fluxo de vapor estável deve ser mantida para manter estável a temperatura do ar de entrada. 2.6.2 Controle de Fluxo de Ar
A maioria dos equipamentos de controle de fluxo de ar utiliza regulação de velocidade de conversão de frequência, mas não possui elementos de medição de fluxo de ar. Durante a produção, o fluxo de ar só pode ser ajustado manualmente com base no estado de fluidização do material, não garantindo assim um fluxo de ar estável e relativamente constante. Mudanças na composição do material e na resistência da bolsa filtrante podem afetar a estabilidade do fluxo de ar, o que, por sua vez, afeta a velocidade de secagem. Recomendação: Instale elementos de medição de fluxo de ar no duto de entrada de ar para controle automático, ajustando automaticamente a frequência com base no volume do fluxo de ar para manter um fluxo de ar relativamente constante durante a produção.
2.6.3 Detecção de umidade on-line
Adicione um dispositivo de detecção de umidade online. Isto permite aos usuários ajustar os parâmetros de acordo com as condições reais, melhorando a eficiência da secagem.
2.6.4 Repetibilidade e Rastreabilidade do Processo de Secagem em Leito Fluidizado
Na produção real, os operadores devem redefinir e modificar os parâmetros de processo do equipamento para cada execução de produção. Isto impossibilita garantir que o mesmo produto seja produzido utilizando os mesmos parâmetros de processo do equipamento, comprometendo assim a rastreabilidade. De acordo com as GMP, é necessário que o equipamento armazene uma certa quantidade de parâmetros do processo de produção para garantir a repetibilidade e rastreabilidade da produção. Cada usuário define isso de acordo com o número de variedades de produtos. Os secadores de leito fluidizado geralmente exigem a capacidade de armazenar 50 processos de produção, mas a maioria dos equipamentos produzidos internamente atualmente não consegue isso. Recomenda-se melhorar e ampliar o sistema de controle PLC e os atuadores mecânicos para tornar as funções mais completas. Por exemplo, deve ser fornecida memória suficiente para armazenar vários processos de produção, oferecendo impressão de parâmetros no local, armazenamento de dados e conexão de dados a um PC.
3. Conclusão
Este artigo inicia com o princípio de funcionamento dos secadores de leito fluidizado, resume alguns problemas do processo produtivo com base em parâmetros de operação do processo e propõe brevemente sugestões para melhoria deste tipo de equipamento. Espera-se que os fabricantes de equipamentos possam desenvolver mais equipamentos de secagem farmacêutica que atendam aos requisitos do processo de produção farmacêutica, tenham parâmetros de desempenho avançados, sejam altamente operáveis, ecologicamente corretos, economizem energia e tenham indicadores econômicos e técnicos avançados.