Wytłaczarki współbieżne i przeciwbieżne dla farmacji.

Powszechne stało się stosowanie współbieżnych wytłaczarek dwuślimakowych do wytwarzania na gorąco układów amorficznego leku i polimeru. W miarę jak kandydaci na leki małocząsteczkowe opuszczają laboratoria badawcze stają się coraz bardziej skomplikowani strukturalnie.

Akceptowalna przestrzeń robocza wytłaczarek przesuwa się poniżej temperatury topnienia leku. Kluczowym czynnikiem staje się dobranie przestrzeni procesu wytłaczania, którą należy wybrać tak, aby zapewnić rozpuszczenie leku w polimerze przy minimalnej ekspozycji termicznej, która ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia wydajności, stabilności i czystości stałej dyspersji.

Zawartość substancji amorficznej w uzyskanych stałych dyspersjach będzie zależała od kombinacji prędkości ślimaka, temperatury i trybu pracy.

Zastosowanie laboratoryjnych wytłaczarek współbieżnych i przeciwbieżnych w farmacji.

Wytłaczanie leków na gorąco (HME) stało się solidną technologią przetwarzania w przemyśle farmaceutycznym, gdzie wykorzystuje się ją do wytwarzania różnych postaci dawkowania, w tym granulek, peletek, tabletek, leków przezskórnych, implantów i półproduktów procesowych w celu kontrolowanego uwalniania i poprawy rozpuszczalności substancji terapeutycznych.

Wytłaczarki dwuślimakowe są stosowane ze względu na ich zdolność do tworzenia jednorodnych mieszanin leków i polimerów. Wytłaczarki dwuślimakowe współbieżne i przeciwbieżne służą do topienia, ścinania i pompowania materiałów polimerowych. Jednakże ich różne geometrie zmieniają względne wielkości dodatniego przemieszczenia i ścinania. Jeśli chodzi o przetwarzanie polimerów termotopliwych, wytłaczarki współbieżne są szeroko stosowane do mieszania i wytłaczania tworzyw sztucznych do późniejszego wykorzystania w procesach formowania wtryskowego lub kolejnych procesach wytłaczania.

Wytłaczarki przeciwbieżne są często, ale nie wyłącznie, stosowane w procesach wymagających stabilnego lub wysokiego ciśnienia wyjściowego. Wytłaczarka przeciwbieżna zapewnia większy stopień wyporu, a ścinanie rozciągające występuje na całej długości ślimaka, nawet w sekcjach transportowych. Z drugiej strony, wytłaczarki współbieżne są postrzegane jako oferujące szerszy zakres możliwości mieszania.

Współbieżne wytłaczarki dwuślimakowe są wykorzystywane w celu zwiększenia rozpuszczalności leków w matrycy polimerowej. Właściwości leków małocząsteczkowych pojawiających się w fazie rozwoju w ciągu ostatniej dekady wskazują na tendencję w kierunku niższej rozpuszczalności. Wraz z tą tendencją we właściwościach cząsteczek leku, konfiguracja wytłaczarki i warunki jej pracy stają się coraz bardziej krytyczne dla zapewnienia rozpuszczenia tych leków w polimerze podczas czasu przebywania w wytłaczarce. W szczególności, zastosowanie wyższych temperatur, topienia leku podczas procesu może być niemożliwe ze względu na zakres roboczy polimeru. Nowe cząsteczki, które są kandydatami na leki stają się coraz bardziej złożone i mają zwiększoną liczbę ciężkich atomów. Niewątpliwie cechy te prowadzą do zwiększonej wrażliwości na degradację w stanie amorficznym lub po stopieniu, powodując dalsze naciski na to, aby proces wytłaczania przebiegał w niższych temperaturach.

W przypadku leków wrażliwych termicznie o wysokiej masie cząsteczkowej należy ocenić i kontrolować równowagę pomiędzy wydajnością mieszania a ekspozycją termiczną, aby zapewnić bezpieczeństwo i skuteczność produktu końcowego. Ważnym czynnikiem jest precyzyjna kontrola temperatury, którą muszą zapewnić układy grzania i chłodzenia wytłaczarek laboratoryjnych.

Mechanizm transportu tworzywa w wytłaczarkach dwuślimakowych w dużym stopniu zależy od stopnia zazębiania się ślimaków. W wytłaczarkach dwuślimakowych oprócz transportu wleczonego występuje również mechanizm wyporu (Positive displacement). Stopień działania mechanizmu wyporu zależy od stopnia w jakim zazębiają się ślimaki wytłaczarki. W największej skali występuje on w przypadku wytłaczarek przeciwbieżnych w których ślimaki zazębiają się. W przypadku ślimaków nie zazębiających się ten mechanizm nie występuje. Wytłaczarki dwuślimakowe nie zazębiające się przypominają w zasadzie wytłaczarki jednoślimakowe i z tego powodu nie mają tak dobrych zdolności transportu tworzywa, jak wytłaczarki o szczelne zazębiających się ślimakach. Kolejną ważną różnicą jest rozkład prędkości tworzywa w cylindrze wytłaczarki. W wytłaczarkach dwuślimakowych ten rozkład jest bardzo złożony i trudny do opisu matematycznego. Ten skomplikowany mechanizm przepływu powoduje, że wytłaczarki dwuślimakowe mają dobrą zdolność do mieszania i odgazowania stopu polimeru. Ponadto charakteryzują się dobrą wymianą ciepła oraz szybkim uplastycznianiem polimerów. Wytłaczarki dwuślimakowe mają wiele zalet, które są wręcz niezbędne w procesie prowadzenia badań nad wytłaczaniem preparatów farmaceutycznych, mają też wady. Są drogie, posiadają złożoną mechaniczną konstrukcje oraz są trudne do wykonania.

Wytłaczarki współbieżne w zastosowaniach farmaceutycznych.

Wytłaczanie dwuślimakowe współbieżne jest stosowane głównie w procesach mieszania tworzyw, napełniana, odgazowywania czy wytłaczania reaktywnego. W wytłaczarce dwuślimakowej współbieżnej tworzywo przepływa z jednego ślimaka na drugi i przemieszcza się wzdłuż linii mającej kształt ósemki dzięki czemu droga tworzywa w cylindrze jest wydłużona i co zatem idzie czas przebywania również jest wydłużony. Ponadto w szczelinie między ślimakami wytłaczarki występuje ruch przeciwbieżny w wyniku, którego są w tym obszarze generowane duże naprężenia ścinające. Dlatego też, ten sposób wytłaczania znajduje zastosowanie w wielu procesach przetwórstwa tworzyw termoplastycznych. Wytłaczanie współbieżne przeważnie jest realizowane z dozowanym karmieniem, co sprawia, że profil ciśnienia w cylindrze wytłaczarki w zależności od konfiguracji ślimaków może nie być ciągły i może zawierać strefy, w których ciśnienie zmniejsza się do wartości zerowej. W tych strefach, gdzie nie jest generowane ciśnienie, możliwe jest instalowanie bocznych dozowników dodatków modyfikujących tworzywo, napełniających i wzmacniających. W tych obszarach można również instalować systemy odgazowania atmosferycznego lub próżniowego. Można też instalować systemy odprowadzające produkty reakcji chemicznych podczas wytłaczania reaktywnego. W wytłaczarkach dwuślimakowych współbieżnych podczas obrotu ślimaków tworzywo jest transportowane z kanału jednego ślimaka do kanału drugiego ślimaka. Przepływ tworzywa ma charakter wleczony, w związku z tym przypomina pod tym względem przepływ w wytłaczarce jednoślimakowej, jednak podczas przemieszczania między ślimakami tworzywo przebywa dłuższą drogę i jest poddawane większemu ścinaniu.

Rys.1. Schemat przepływu tworzywa w wytłaczarce współbieżnej:

Q_d-przepływ wleczony, Q_p-przepływ ciśnieniowy, Q_a-przepływ osiowy, Q_l-przepływów przeciekowy.

Rys.2. Schemat generowania naprężeń w wytłaczarce dwuślimakowej współbieżnej.

Rys.3. Schemat przepływu tworzywa w wytłaczarce dwuślimakowej współbieżnej.

Wytłaczarki przeciwbieżne w zastosowaniach farmaceutycznych.

Wytłaczarki dwuślimakowe przeciwbieżne, zapewniają dobre karmienie wytłaczarki tworzywem zwłaszcza w przypadku materiałów w postaci proszku czy tworzyw wykazujących właściwości poślizgu. W porównaniu z wytłaczarką współbieżną krótszy i mniej zróżnicowany jest czas pobytu cząstek polimeru w cylindrze wytłaczarki. Przepływ tworzywa w wytłaczarce dwuślimakowej przeciwbieżnej jest całkowicie inny niż przepływ w wytłaczarce dwuślimakowej współbieżnej. Kluczowym czynnikiem tego przepływu jest podobny do działania pompy tzw. mechanizm wyporu, który nie występuje w innych rodzajach wytłaczarek. Stopień występowania mechanizmu wyporu zależy od stopnia zazębienia ślimaków wytłaczarki. Występuje w przypadku wytłaczarek przeciwbieżnych ściśle zazębiających się. Nie występuje tutaj przepływ wleczony, tak że niewielkie jest rozpraszanie energii. Wytłaczanie przeciwbieżne, podobnie jak wytłaczanie współbieżne jest zazwyczaj realizowane z dozowanym karmieniem. Dozowanie powoduje, że profil ciśnienia w tej wytłaczarce nie jest ciągły i zawiera strefy, w których ciśnienie zmniejsza się do zera analogicznie jak w wytłaczarce współbieżnej. W tych strefach, można instalować boczne dozowniki dodatków napełniających, wzmacniających czy też modyfikujących tworzywo. W procesie wytłaczania przeciwbieżnego tworzywo nie przepływa z jednego ślimaka wytłaczarki na drugi, tak jak ma to miejsce w wytłaczarce współbieżnej. W szczelinie między ślimakami występuje ruch współbieżny i dlatego w tym obszarze nie są generowane duże naprężenia ścinające, jak przy wytłaczaniu współbieżnym. Wytłaczarka ma zalety niskiej prędkości obrotowej, niskiej wartości ciepła generowanego przy ścinaniu. Z tych powodów ryzyko przegrzania materiału jest mniejsze zwłaszcza w połączeniu z precyzyjnymi i wydajnymi układami grzania i chłodzenia cylindra, dlatego w takiej konfiguracji szczególnie nadaje się do formowania i przetwarzania materiałów wrażliwych na ciepło.

Rys.4. Schemat przepływu tworzywa w wytłaczarce przeciwbieżnej (przepływy przeciekowe):

Q_c-przepły walcowy, Q_f-przepływ wierzchołkowy, Q_t-przepływ ciśnieniowy, Q_s-przepływ boczny.

Rys.5. Schemat generowania naprężeń w wytłaczarce dwuślimakowej przeciwbieżnej.

Rys.6. Schemat przepływu tworzywa w wytłaczarce dwuślimakowej przeciwbieżnej.

Teoretycznie wytłaczarki dwuślimakowe przeciwbieżne mogą być korzystne w zastosowaniach farmaceutycznych. W praktyce wytłaczarki o konstrukcji przeciwbieżnej można skonfigurować bardziej jak pompę i mogą mieć one krótszy rozkład czasu przebywania stopu w cylindrze. Podczas opracowywania preparatów o stałej dyspersji, jak w przypadku wszystkich produktów farmaceutycznych, należy monitorować niskopoziomowe zanieczyszczenia powstałe w wyniku degradacji termicznej cząstek stopu, aby zapewnić bezpieczeństwo i skuteczność końcowej postaci leku. Zaobserwowano, że wytłaczarka przeciwbieżna tworzyła amorficzne stałe dyspersje w nieco niższej temperaturze i przy krótszym rozkładzie czasu przebywania w wytłaczarce, które również wykazywały bardziej pożądane właściwości.

Na rynku istnieją wytłaczarki, które mogą pracować jako współbieżne i przeciwbieżnie (w jednym urządzeniu), nieliczne z nich posiadają mechanizm automatycznej zmiany konfiguracji przekładni rozdzielającej moment obrotowy.

Rys.7. Zaawansowana technicznie laboratoryjna wytłaczarka przystosowana do pracy współbieżnej i przeciwbieżnej (przełączana automatycznie) 2x12 mm L/D =40.

Rys.8. Miniaturowe linie laboratoryjne z (1) wytłaczarką dwuślimakową 2x12 mm z podajnikiem bocznym oraz (2) wytłaczarką jednoślimakową 12 mm.