Particle flow promoted by external forces in a confined space – feed frame case

Abstract

Pharmaceutical tablets are the most sold and preferred drug solid dosage form due to its many advantages. The feed frame was designed to transfer the powder from the hopper to the tablet press dies as the die disk rotates. The die filling process is complex and dynamic and entails different stages that present distinctive features. A proper understanding of the feed frame system is important to reduce or avoid possible problems during tablet manufacturing and to accomplish a successful tablet processing. For these reasons, this dissertation aims to provide a fundamental and practical understanding of particle flow in a confined space while applying external forces. It also develops a fundamental mathematical model to describe the force exerted by the paddles. This is needed to optimize the operation of feed frames that are used to ensure uniform filling of tablet press dies. To obtain an in-depth understanding of powder flow inside the feed frame, the Discrete Element Method (DEM) was used. The objective was to study the paddle wheel and die disk speed effect on particle size segregation inside the feed frame and dies. The results show that particle size segregation can occur during the die filling process. Paddle wheel speed was demonstrated to be the most important factor to control top to bottom segregation inside the feed frame. Another study was developed to correlate powder attrition and overlubrication with experimental and numerical residence time distribution (RTD) data. A correlation between particle size and force applied to particles was developed using DEM. The results show that paddle wheel speed, die disk speed, exit contributions and outlet mass flowrate have an effect on RTD. Near infrared spectroscopy (NIR) was used to monitor the powder flow and to complement its understanding during the die filling process. The different factors that could affect the prediction of the developed NIR calibration models were studied. The results show that NIR spectra can help in the understanding of powder flow inside the feed frame. It was demonstrated that the content uniformity can be assessed with high accuracy during the die filling process.

Las tabletas son la forma de dosis de medicamentos preferida y más vendida debido a sus múltiples ventajas. El dispositivo de llenado de dados fue diseñado para transferir el polvo de la tolva a los dados de la compresora de tabletas mientras gira el disco. El proceso de llenado de dados es uno complejo y dinámico compuesto por diferentes etapas, cada una con características particulares. Para reducir y/o evitar los problemas que pueden surgir durante la manufactura de tabletas y lograr que el proceso sea exitoso es necesario tener un conocimiento fundamental acerca del dispositivo de llenado de dados. Por tal razón, esta disertación tiene como objetivo proveer un conocimiento fundamental y práctico acerca del flujo de partículas promovido por fuerzas externas dentro de un espacio confinado. Además, desarrolla un modelo matemático fundamental que describe la fuerza ejercida por las aspas. Esto es necesario para optimizar el funcionamiento de los dispositivos de llenado utilizados con el propósito de obtener un llenado de dados uniforme. Para obtener un entendimiento del flujo de polvos en un dispositivo de llenado de dados sé simuló utilizando el Método de Elemento Discreto (DEM, por sus siglas en inglés). El objetivo fue estudiar el efecto de la velocidad de las aspas y del disco en la segregación por tamaño de partículas dentro del dispositivo de llenado y los dados. Los resultados muestran que la segregación por tamaño de partículas puede ocurrir durante el llenado de los dados. Se demostró que el factor que tiene más influencia sobre la segregación vertical es la velocidad de las aspas. Otro estudio fue desarrollado para correlacionar el rompimiento y la sobre lubricación de partículas utilizando la distribución del tiempo de residencia (RTD, por sus siglas en inglés). Se desarrolló una correlación entre el tamaño de las partículas y la fuerza aplicada sobre las mismas utilizando DEM. Los resultados muestran que la velocidad de las aspas, la velocidad del disco, las contribuciones de salida y el flujo másico de salida tienen efecto sobre la distribución de tiempo de residencia.. La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR, por sus siglas en inglés) fue utilizada para monitorear y complementar el entendimiento durante el proceso de llenado de dados. Se estudiaron los diferentes factores que pueden afectar las predicciones de los modelos de calibración de NIR que fueron desarrollados. Los resultados muestran que los espectros de NIR pueden ayudarnos a entender el flujo de partículas dentro del dispositivo de llenado. Se demostró que la uniformidad del contenido de ingrediente activo puede evaluarse con alta precisión durante el proceso de llenado.