Overview of particle accumulation | Tài liệu môn Vật lý 1,2 Trường đại học sư phạm kĩ thuật TP. Hồ Chí Minh

2022 6th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD)
Overview of particle accumulation Bui Huu Dang
Ho Chi Minh City University of
Technology and Education
Faculty of Mechanical Engineering Ha Tinh, Vietnam 21143452@student.hcmute.edu.vn
Abstract— Tích tụ hạt là quá trình tạo và kết tụ những hạt
bột sơ cấp thành những hạt lớn gọi là viên nén hoặc viên nang.
Việc tích tụ và sản xuất những viên nén là rất cần thiết để
tránh phân tách, tạo ra được một hỗn hợp đồng nhất trong
nhiều nguyên liệu như vậy. Còn nhằm bảo đảm được sức bền
kéo và chất lượng cũng như việc bảo quản các hạt bột một cách
dễ dàng. Ngoài các phương pháp tạo hạt thông thường như tạo
hạt ướt và tạo hạt khô thì bài đánh giá cũng nêu ra một số
phương pháp mới cải tiến từ hai phương pháp này.
Keywords— Dry Granulation, Wet Granulation, Kỹ thuật và
công nghệ tạo hạt, Pneumatic Dry Granulation, Reverse wet granulation,
Moisture-Activated Dry Granulation, Melt
Hình 1. Quá trình tạo hạt khô granulation B. Wet Granulation I. INTRODUCTION
Trong quá trình tạo hạt ướt cần đưa vào chất phân hủy,
Trong những năm gần đây việc đáp ứng nhu cầu về
chất làm dính, chất bôi trơn và các dung môi cần thiết khác.
ngành dược phẩm cũng như các ngành công nghiệp cần đến
Quy trình này được thể hiện trong hình 2. Các phương pháp
việc tạo hạt. Vì vậy bài báo cáo này mô tả ngắn gọn cung
hiện nay được dừng nhiều để tạo hạt ướt gồm high-shear wet
nhưng cấp một cái nhìn đa diện và về công nghệ cũng như
granulation (HSWG) và fluid bed wet granulation (FBWG).
quy trình tạo hạt được ứng dụng mới đến. Tạo hạt nói chung
Việc tạo ra các hạt đạt yêu cầu cần đòi hỏi phải kiểm soát
là quá trình trộn hỗn hợp bột để tạo ra các hạt. Các hạt này
được lực kết dính giữa các hạt. Chính lực này là nguyên nhân
được sử dụng ngay sau đó hoặc có thể thêm một vài tá dược
chính để các hỗn hợp kết hình thành và xác định được các
khác nhau để tạo ra viên nén hoặc viên nang. Bài báo cáo
chất kết tụ có đủ độ bền cơ học hay không. Để đảm bảo được
cũng đánh giá các kỹ thuật mới được áp dụng gần đây.
điều này một nghiên cứu đến từ Đại học Bang New Jersey
chỉ ra một số điểm khác biệt giữa hệ thống wet binder II. GRANULATION TECHNOLOGIES
addition (WBA) và dry binder addition (DBA) bằng cách sử
dụng discrete element methodology (DEM) trong phương A. Dry Granulation pháp HSWG [3] Nă .
ng suất làm việc của phương pháp này tiết
Là một quá trình được sử dụng bằng hai phương pháp
kiệm được khá nhiều thời gian khi kết hợp được nhiều loại
nén hoặc dầm lăn để kết tụ các hạt bột khô. Với việc nén
máy móc trong suốt cả quá trình vì vậy quá trình tích tụ có
dưới áp suất cao chủ yếu từ các con lăn, tiếp theo là giảm
thể làm ảnh hưởng đến khả năng tạo viên của hạt nên ta cần
kích thước để tạo ra hỗn hợp dạng hạt. Nghiên cứu gần đây
chú ý đến tỷ lệ tương đối của chất pha loãng, nước tạo hạt và
cho rằng bằng cách áp dụng quality by design (QbD) [1] thì sẽ
thời gian phun ướt [5]. Về
nhược điểm của phương pháp này
tạo ra được các hạt theo ý muốn một cách đễ dàng. Để tăng
không thể không kể tới vấn đề về kinh phí, năng lượng và
độ chính xác của kích thước người ta cũng đã sử dụng tới hệ
diện tích sàn, nhiều bước khá phức tạp gây mất nguyên liệu
thống giám sát Granule Size Distributions (GSD) dựa trên
và không thể dùng cho các loại API. nhiễu xạ laser [2]. Cả
hai phương pháp kể trên đều không sử
dụng đến chất lỏng và không cần làm khô nên quá trình này
Đối với FBWG gồm 3 giai đoạn: nucleation, transition,
thường dùng cho các loại nguyên liệu dễ bị thủy phân, active
and ball growth. Nhiệt độ ảnh hưởng tới hạt và chất kết dính
pharmaceutical ingredient (API)/vật liệu nhạy cảm với độ ẩm
được đưa vào, dựa vào kết quả nghiên cứu của Elham
vì thế nó giảm đi mức năng lượng cần thiết cũng như giá
Heidari và các cộng sự tại Iran University of Science and
thành sản phẩm. Để tạo hạt khô thì chúng ta chỉ cần một máy
Technology (IUST) chỉ ra rằng khi giảm nhiệt độ từ 62
duy nhất. Bụi sinh ra trong quá trình là điều mà đến thời
xuống 22 thì làm cho độ nhớt và sức căng bề mặt của chất [4]
điểm hiện tại chưa thể khắc phục khi sử dụng đến quá trình
kết dính được tăng lên . Ngoài nhiệt độ thì cũng có kích
này. Những bước khác nhau được sử dụng trong sản xuất hạt
thước hạt lượng dung môi, lưu lượng không khí, vận tốc khô ở hình 1. không khí,...
Tuy bất lợi là vậy nhưng bằng việc ứng dụng QbD giúp
xác định sớm các mục tiêu và các vấn đề rủi ro phát sinh
nhằm đưa ra các quyết định đúng. Vì thế nên tạo hạt khô
được sử dụng nhiều hơn tất cả các phương pháp còn lại.
XXX-X-XXXX-XXXX-X/XX/$XX.00 ©20XX IEEE
2020 5th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD)
dụng độ ẩm để kết tụ hạt. Điều này tạo ra một dạng hạt đồng
nhất, dễ kết dính lại với nhau, các hạt này có kích thước nhỏ
và khả năng phân tách dược phẩm trong công thức thấp. Vì
thế mục đích của quá trình MADG không phải là tạo ra các
hạt lớn mà để kết tụ các hạt mịn và liên kết thuốc với các tá
dược để tạo ra các hạt chảy tự do. Độ bền kéo của các hạt
theo Hiroshi Takasaki và cộng sự cho thấy nếu hạt chứa
0.0% đến 2.5% và hàm lượng nước ở mức 0.61 thì cho ra
chất lượng hạt cao hơn [9].
Hình 2. Tóm tắt quy trình tạo hạt ướt
C. Pneumatic Dry Granulation (PDG)
PDG là một công nghệ tạo hạt khô được cải tiến sử
dụng hai phương pháp là sử dụng khí nén và dầm lăn. Ban
đầu nguyên liệu được đưa vào máy nén như dry granulation,
sau quá trình này các hạt nhỏ và mịn sẽ được buồng phân
loại chọn lọc và luồng không khí nén sẽ đẩy những hạt này ra
ngoài. Tùy thuộc vào kích thước của từng hạt, hệ thống sẽ
tiếp tục tuần hoàn [6]. Với việc
sử dụng hai phương pháp này
cùng một lúc nó mang lại nhiều lợi ích như tốc độ xử lý
Hình 4. Quy trình Moisture-Activated Dry Granulation
nhanh, tiết kiệm chi phí, ít lãng phí nguyên liệu, hạn chế
được nhược điểm của tạo hạt khô vì tính chất khép kín của
F. Thermal Adhesion Granulation (TAG)
công nghệ này. Vì vậy nhiều nơi vẫn thường sử dụng PDG
TAG là một công nghệ tạo hạt bằng cách sử dụng
thay cho dry granulation. Hình 3 là quy trình Pneumatic Dry
chất kết dính nhiệt và có thể sử dụng một lượng nhỏ chất Granulation.
lỏng tạo hạt rồi tăng nhiệt độ trong lò (30 – 130) [10]. Sơ đồ hình
5 là các bước tiến hành đại diện cho kỹ thuật
này. Quá trình TAG cũng cần đến microcrystalline
cellulose (MCC) – một loại phụ gia hút ẩm. Ngoài ra
không như những công nghệ tạo hạt khác việc dùng
MCC trong TAG được xem là để làm tăng độ bền kéo và
chất lượng hạt [11]. Kỹ
thuật TAG cũng loại bỏ quá trình
làm khô hạt vì chỉ cần bổ sung lượng chất lỏng tạo hạt
tương đối thấp, phần lớn lượng chất lỏng này gần như bay hơi ở trong lò.
Hiện nay để cải thiện quy mô sản xuất hạt, người ta
thường sử dụng phương pháp này để thay thế cho các kỹ
Hình 3. Nguyên lí Pneumatic Dry Granulation
thuật tạo hạt ướt khác để nhằm tiết kiệm chi phí và vận
chuyển. Không những thế Thermal Adhesion
D. Reverse wet granulation
Granulation còn được đánh giá là một phương pháp tạo
Sự cải tiến trong tạo hạt ướt sinh ra reverse wet
hạt khá đơn giản và thuận tiện [11] [12].
granulation bằng cách nhúng nguyên liệu vào chất kết dính
và dung môi, rồi những hạt này sẽ được nghiền và làm khô.
Sự cải tiến trong công nghệ này là dùng được cho các
nguyên liệu không tan trong dung môi. Nhằm cải tiến công
nghệ reverse wet granulation thì cần kiểm soát được lượng
chất kết dính, độ dính, tốc độ trộn của cánh quạt. So sánh
quy trình tạo hạt thông thường với reverse wet granulation
cho thấy rằng hai quy trình đều có phạm vi kích thước của
hạt nằm trong khoảng 600 – 2000mm nhưng reverse wet
granulation tạo ra 10 -15% khối lượng, lớn hơn nhiều so với
quy trình thông thường 3 -6%. Và không những thế reverse
wet granulation còn tạo ra tỷ lệ hạt lớn hơn [7]. Để cải thiện
điều này, Granule surface velocity là phương pháp hay dùng
Hình 5. Quy trình Thermal Adhesion Granulation
cho Reverse wet granulation để ước tính va chạm của các
hạt. Hạn chế của phương pháp này là nó không thể tính toán G. Melt granulation
được khi tăng nhanh chóng kích thước các hạt [8].
Melt granulation là một công nghệ thúc đẩy sự kết tụ hạt
bằng cách sử dụng chất kết dính và kết hợp nhiệt độ nhằm
E. Moisture-Activated Dry Granulation (MADG)/
làm tan chảy hoặc mềm nguyên liệu. Cũng gần giống như Moist granulation
phương pháp tạo hạt ướt thông thường, nhưng ở bước thêm
Bằng việc sử dụng lượng nước vừa đủ trong cả quá
granulating fluid thì người ta sẽ trộn với drug và sau đó
trình MADG được xem như một biến thể của wet
nguyên liệu sẽ được cho vào buồng kín ở nhiệt độ khá thấp [10]
granulation mà không dùng đến nhiệt độ. Các bước trong 50 - 90 . Ư
u điểm mà quy trình này mang lại so với các
quá trình này được thể hiện trong hình 4. Như tên gọi nó sử
quy trình thông thường là điểm nóng chảy của các hạt phải ít
nhất 20 so với nhiệt độ được xử lí [6]; Tiết kiệm được thời
2020 5th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD)
gian bỏ ra vì đã lược bỏ đi bước làm khô; Các hạt mịn được
tương đối cao, quá trình làm khô ngăn ngừa sự oxy hóa của phân tán đồng đều.
các phi oxit và kim loại, không có lỗ trong hạt, không lãng
phí vật liệu, cùng cùng là dễ dàng vệ sinh thiết bị.
Hiện nay, kỹ thuật này cũng được đánh giá cao để xử lí
hạt nhờ có sự cải tiến mới mang tên Twin-Screw Melt I. Foam granulation
Granulation. Phương pháp mới này sử dụng hydroxypropyl
So với các công nghệ tạo hạt lâu đời, foam granulation
cellulose làm chất kết dính theo đánh giá là có hiệu quả cao
được xem như là người em út khi vừa mới ra đời cách đây
trong việc cải thiện khả năng tạo viên của acetaminophen
19 năm . Công nghệ freeze granulation sử dụng chất kết [13].
dính dạng bọt phun trực tiếp vào hỗn hợp bột thay vì phun H. Freeze granulation
hoặc đổ chất lỏng lên. Hiệu quả của việc này là giúp phân
bố các chất kết dính được đồng đều và tăng cường khả năng
Freze granulation technology bằng cách cho hỗn hợp bột
khử trùng của hạt [14]. Phương pháp này cần một lượng nhỏ
dưới dạng phun vào nitơ lỏng, các hỗn hợp này được đông
chất kết dính nhưng lại đem ra công dụng khá lớn khi bọt
lạnh ngay lập tức và tạo thành hạt. Tiếp theo, các hạt này
của chất kết dính được ngấm và làm khô nhanh chóng. Nó
được làm khô trực tiếp tại nhiệt độ phòng mà không cần
cũng giảm thiểu sự tắc nghẽn dây chuyền sản xuất và điều
đến bất cứ loại máy móc nào. Lợi thế lớn nhất mà công nghệ
chỉnh các công thức thuốc một cách chính xác vì sự phân
này đem lại là cấu trúc, kích thước và tính đồng nhất của
phối đồng đều này. Có thể sử dụng HFWG, FBWG,... để tạo
các hạt trong hỗn hợp bột ban đầu được giữ lại [6]. Trong các
hạt trong công nghệ foam granulation.
ngành dược phẩm đây được xem là phương pháp tạo hạt hữu
hiệu khi giảm thiểu thiệt hại của các chất hữu cơ và cải thiện
độ ổn định của hạt. Ngoài ra, mức độ đồng nhất của hạt
[5] Praveen Hiremath, Kalyan Nuguru, Vivek Agrahari, “Chapter 8 -
Material Attributes and Their Impact on Wet Granulation Process III. CONCLUSION
Performance,”trong Handbook of Pharmaceutical Wet Granulation, 2019.
Các công nghệ tạo hạt được ứng dụng trong các ngành
[6] Gowripattapu Sridevi, Vasanthi Korangi, S. Madhavi Latha, “Review
công nghiệp sản xuất dược phẩm, bánh kẹo, mỹ phẩm, hóa
on a novel approach in Recent Advances of granulation techniques
chất...vì đây là những ngành quan trọng trong đời sống nên
and technologies,” Jawaharlal Nehru Technological University
các đổi mới kỹ thuật và công nghệ nhằm để nhằm cải thiện Kakinada, 2016 .
chất lượng và nâng cao các quy trình hiện nay. Đòi hỏi các
[7] J.B. Wade , G.P. Martin , D.F. Long, “Controlling granule size
công nghệ mới, giải pháp mới cần giảm thiểu các nhược
through breakage in a novel reverse-phase wet granulation process;
điểm, thiếu sót ngoài ra còn phải đáp ứng được nhu cầu về
the effect of impeller speed and binder liquid viscosity,” International
mặt thời gian sản xuất hàng loạt, tiết kiệm được chi phí.
Journal of Pharmaceutics 478 (2015) 439–446, 2014
Trong quá trình phát triển quy trình sản xuất, mỗi dược chất
[8] J.B. Wade , G.P. Martin , D.F. Long, “The development of a growth
đặt ra một thách thức riêng mà các nhà khoa học phát triển
regime map for a novel reverse-phase wet granulation process,”
International Journal of Pharmaceutics 512 (2016) 224–233, 2016
công thức phải cân nhắc ở giai đoạn lựa chọn quy trình. Mỗi
kỹ thuật đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, và việc lựa
[9] Hiroshi Takasaki, Etsuo Yonemochi, Masanori Ito, Koichi Wada,
Katsuhide Terada, The effect of water activity on granule
chọn loại kỹ thuật và công nghệ đòi hỏi phải có kiến thức kỹ
characteristics and tablet properties produced by moisture activated
lưỡng về các đặc tính hóa lý của thuốc, tá dược, đặc tính
dry granulation (MADG), Powder Technology (2016), doi:
chảy và giải phóng cần thiết,... cũng là bước quan trọng để 10.1016/j.powtec.2016.02.
tạo ra các hạt chất lượng.
[10] Pharm. R&D Institute, Hanmi Pharm. Co., Ltd., Hwasung, Gyeonggi,
Korea, “Granulation techniques and technologies: recent progresses,” REFERENCES
Shanmugam, BioImpacts, 5(1), 55-63, 2015
[11] Hong-Liang Lin, Hsiu-O. Ho, Chi-Chia Chen, Ta-Shuong Yeh, Ming-
[1] E.H. Jang, Y.S. Park and D.H. Choi, Investigation of the effects of
Thau Sheu, “Process and formulation characterizations of the thermal
materials and dry granulation process on the mirabegron tablet by
adhesion granulation (TAG) process for improving granular
integrated QbD approach with multivariate analysis, Powder
properties,” International Journal of Pharmaceutics 357 (2008) 206–
Technology (2020), https://doi.org/10.1016/ j.powtec.2020.12.044 212.
[2] IAnnika Wilms & Robin Meier & Peter Kleinebudde, “Development
[12] Ying-Chen Chen, Hsiu-O Ho, Jiun-Da Chiou, Ming-Thau Sheu,
and Evaluation of an In-line and On-line Monitoring System for
“Physical and dissolution characterization of cilostazol solid
Granule Size Distributions in Continuous Roll Compaction/Dry
dispersions prepared by hot melt granulation (HMG) and thermal
Granulation Based on Laser Diffraction,” in Journal of Pharmaceutical
adhesion granulation (TAG) methods,” International Journal of
Innovation, 2020, https://doi.org/10.1007/s12247-020-09443-3.
Pharmaceutics 473 (2014) 458–468
[3] Ashutosh Tamrakar, Sheng-Wen Chen, Rohit Ramachandran, “A
[13] Tongzhou Liu, Shubhajit Paul, Brian T Beeson, Johnny Alexander,
DEM model-based study to quantitatively compare the effect of wet
Fengyuan Yang, Vivian Bi, Thomas Durig, Changquan Calvin Sun,
and dry binder addition in high-shear wet granulation processes,”
and Feng Zhang, “Effect of Hydroxypropyl Cellulose Level on Twin-
State University of New Jersey, 2018.
Screw Melt Granulation of Acetaminophen,” AAPS PharmSciTech
[4] Elham Heidari, Mohammad Amin Sobati, Salman Movahedirad,
(2020) 21:240 DOI: 10.1208/s12249-020-01785-y
“International Journal of Heat and Mass Transfer,” in Iran University
[14] George A. Mutch, Karen P. Hapgood, Rui Shen, Cordelia Selomulya,
of Science and Technology (IUST), P.O. Box 16765-163, 2019.
“An investigation on the dissolution qualities of foam granulated
products,” Powder Technology 343 (2019) 693–70