Badanie cząsteczek i procesów wytwórczych w celu ułatwienia dostępu do produktów wysokowartościowych
W wielu sektorach przemysłu wykorzystuje się materiały pyłowe w ramach procesów wytwórczych; wśród tych sektorów można wyróżnić przemysł metali szlachetnych, czystych chemikaliów oraz proszków ceramicznych. Zapewnienie optymalnej wydajności na wczesnych etapach rozwoju produktów o wysokiej wartości dodanej (np. środki farmaceutyczne i katalizatory) za pomocą systemów produkcyjnych o dużej skali nie jest jednak możliwe przy wykorzystaniu tradycyjnych metod eksperymentalnych. Wynika to z dużego zapotrzebowania na podawane proszki (>100 kg), których koszt jest bardzo wysoki (> 10 000 EUR na kg). Nie mając do dyspozycji narzędzi do komputerowego modelowania, naukowcy musieli, korzystając z systemów skali laboratoryjnej i pilotażowej, rozwiązać problem zwiększenia skali produkcji. W ramach projektu IPROCOM połączono dziedzinę inżynierii chemicznej, inżynierii procesów, inżynierii farmaceutycznej oraz informatyki, tak aby opracować modele procesu in-silico w celu scalania materiału prasą walcową. Modele te umożliwią zwiększenie wydajności procesów wytwórczych różnych receptur w oparciu o dokładne zrozumienie całego procesu wytwórczego oraz powiązanych produktów składowych. Systematyczne podejście do zoptymalizowanej produkcji Skomplikowany charakter procesu wytwórczego dodatkowo zwiększył trudności projektu IPROCOM, podsumowuje koordynator projektu, profesor Chuan-Yu Wu. „Proszki mają różne stany naprężeń i dlatego ich reakcja mechaniczna różni się w zależności od etapu procesu. Zespół musiał zatem przyjąć systematyczne podejście i przeanalizować najpierw właściwości produktów pośrednich (taśmy/granulat) i produktów końcowych (tabletki/granulki/składniki) w oparciu o właściwości poszczególnych cząsteczek i określne optymalne warunki procesu oraz preparaty”. Zespół analizował cechy cząsteczek i proszków. Naukowcy zidentyfikowali kluczowe atrybuty materiałowe (tj. właściwości cząstek), które decydują o właściwościach proszku luzem oraz wykonali badania i pomiary ilościowe dynamiki i mikrostruktur mieszanek. Wykonano również analizy wpływu właściwości proszku, typu prasy walcowej oraz parametrów procesu na proces wytwórczy. Dodatkowo, korzystając z metody wielkoskalowej, przeanalizowano wpływ właściwości taśmy i mechanizmów mielenia na właściwości granulatu. Zastosowano techniki modelowania i techniki obliczeniowe oraz metodę elementów dyskretnych (DEM), którą wykorzystano do badania procesów podawania, mieszania i wypełniania proszków oraz zjawiska segregacji, ujednolicania oraz szybkości przepływu. W ramach projektu IPROCOM badano również wpływ właściwości cząsteczek i warunków procesu na wydajność proszków w scalaniu materiału prasą walcową. Korzystając z metody elementów skończonych (FEM), określono kluczowe właściwości materiału oraz parametry procesu odpowiedzialne za jakość granulatu i tabletek. Wykonano wówczas modelowanie w zakresie prognozowania wpływu właściwości granulatu i parametrów procesu na napełniane matrycy, zagęszczanie i wyrzut proszków. W ramach projektu IPROCOM opracowano również model inteligencji obliczeniowej (CI), który pozwolił na lepsze zrozumienie: mieszanek proszkowych, umożliwiając zidentyfikowanie kluczowych właściwości cząsteczek oraz kluczowych zmiennych procesu; procesów scalania materiału prasą walcową oraz kluczowe właściwości proszku; procesu mielenia taśmy; oraz zagęszczania w matrycy, pozwalając na określenie kluczowych właściwości materiału oraz warunków procesu. Optymalizacja receptur Profesor Wu wyjaśnia: „Projekt IPROCOM umożliwił ocenę różnych technik przetwarzania, identyfikując te, które są najlepiej dopasowane do dominujących reakcji mechanicznych proszków podczas procesu wytwórczego”. Projekt podkreślił znaczenie projektowania mechanizmów kontrolnych procesu scalania materiału prasą walcową i umożliwił znaczącą poprawę wydajności LB Bohle (partnera stowarzyszonego). Połączone podejście modelujące DEM i FEM po raz pierwszy umożliwiło poznanie fundamentalnych mechanizmów zmiany gęstości taśmy, która może posłużyć do dokładnego przewidywania procesu scalania materiału prasą walcową. Dodatkowo opracowano ogólne modele inteligencji obliczeniowej, które można wykorzystać na wielu polach (np. do uwalniania substancji czynnych czy produkcji ciągłej). Poprzez obniżenie kosztów tworzenia produktów wysokowartościowych, a przez to zredukowanie ceny rynkowej, projekt IPROCOM ułatwia obywatelom UE dostęp do takich produktów. Profesor Wu podsumowuje: „W przypadku zastosowania w branży farmaceutycznej modele te mogą mieć znaczące korzyści zdrowotne i społeczne poprzez sprawniejsze udostępnianie nowych leków po niższych cenach”.
Słowa kluczowe
IPROCOM, produkcja, inżynieria chemiczna, modelowanie komputerowe, scalanie, cząsteczki, inżynieria procesów, inżynieria farmaceutyczna, procesy in-silico, produkty wysokowartościowe