Masterproef uitgevoerd aan UNIVERSITEIT GENT
UNIVERSITY OF HELSINKI
Faculteit Farmaceutische Wetenschappen
Faculty of Pharmacy
Vakgroep Geneesmiddelenleer
Division of Pharmaceutical Technology
Laboratorium voor Farmaceutische Technologie
Academiejaar 2011-2012
EVALUATIE VAN HET GRANULATIEGEDRAG VAN DRIE VERSCHILLENDE EXCIPIENTEN IN EEN WERVELBED GRANULATOR MET BEHULP VAN EXPERIMENTEEL DESIGN Jolien VERMEIREN Eerste Master in de Farmaceutische Zorg
Promotor Prof. Dr. C. Vervaet Copromotor Prof. Dr. J. Yliruusi
Commissarissen Prof. Dr. K. Braeckmans Dr. E. Mehuys
Masterproef uitgevoerd aan UNIVERSITEIT GENT
UNIVERSITY OF HELSINKI
Faculteit Farmaceutische Wetenschappen
Faculty of Pharmacy
Vakgroep Geneesmiddelenleer
Division of Pharmaceutical Technology
Laboratorium voor Farmaceutische Technologie
Academiejaar 2011-2012
EVALUATIE VAN HET GRANULATIEGEDRAG VAN DRIE VERSCHILLENDE EXCIPIENTEN IN EEN WERVELBED GRANULATOR MET BEHULP VAN EXPERIMENTEEL DESIGN Jolien VERMEIREN Eerste Master in de Farmaceutische Zorg
Promotor Prof. Dr. C. Vervaet Copromotor Prof. Dr. J. Yliruusi
Commissarissen Prof. Dr. K. Braeckmans Dr. E. Mehuys
AUTEURSRECHT
“De auteur en de promotor geven de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting uitdrukkelijk de bron te vermelden bij het aanhalen van de resultaten uit deze masterproef.”
14 augustus 2012
Promotor
Auteur
Prof. Dr. C. Vervaet
Jolien Vermeiren
SAMENVATTING Bij de productie van tabletten wordt granulatie doorgaans als een intermediaire stap uitgevoerd ter verbetering van de fysische poedereigenschappen. De vochtige agglomeratie van fijne poederdeeltjes gebeurt veelal via wervelbed granulatie. Hoewel deze technologie op grote schaal toegepast wordt, is het een complex multi-factorieel systeem. Verschillende apparatuur-, proces- en productparameters beïnvloeden de uiteindelijke granulekwaliteit, wat de optimalisatie bemoeilijkt. Kennis omtrent de invloed van de variabelen en hun onderlinge relatie is cruciaal, om een indicatie te krijgen van de vereiste omstandigheden voor het verkrijgen van een kwalitatief hoogstaand product.
Deze studie beoogde meer inzicht te verwerven in het belang van de fysische eigenschappen van de startmaterialen bij wervelbed granulatie. Het granulatiegedrag van drie verschillende excipiënten (α-lactose monohydraat, MCC, gepregelatiniseerd zetmeel), werd bestudeerd door middel van een experimenteel design. Een ‘mixture’ design werd opgesteld om de vulstofsamenstelling van een paracetamol formulatie te variëren. In totaal werden veertien experimenten (batches P1 tot P14) onder identieke procesomstandigheden uitgevoerd. De granulekwaliteit werd onderzocht door het residueel vochtgehalte, de wateractiviteit, deeltjesgroottedistributie en vloeibaarheid te bepalen.
De gevonden significante mengselfactoren konden meestal worden gecorreleerd met de functionele karakteristieken van de excipiënten. In dit onderzoek bleek het hygroscopisch vermogen de meest kritische eigenschap. α-Lactose monohydraat is, in tegenstelling tot MCC en gepregelatiniseerd zetmeel, niet hygroscopisch, waardoor grotere granules ontstaan die minder residueel vocht bezitten. Gepregelatiniseerd zetmeel zorgt voor een hoger totaal vochtgehalte, aangezien deze vulstof het opgenomen water stevig vasthoudt in een gezwollen structuur. Bij MCC wordt het geïncludeerde water door de porositeit iets gemakkelijker afgegeven tijdens de droogfase. Andere eigenschappen die de resultaten van de deeltjesgroottedistributie konden verklaren waren de goede wateroplosbaarheid van lactose en het vermogen van gepregelatiniseerd zetmeel om zelf als binder te fungeren. De variabiliteit in de vloeibaarheid kon worden uitgelegd aan de hand van de karakteristieken van de granulaten, met name de grootte, vorm en oppervlaktemorfologie.
DANKWOORD
Graag wens ik van deze gelegenheid gebruik te maken een aantal mensen in het bijzonder te bedanken voor hun bijdrage aan dit werk.
In de eerste plaats wil ik graag Prof. Vervaet bedanken, voor het kritisch nalezen van mijn thesis. Ik apprecieer ten zeerste zijn tijd en vele bemoedigende woorden.
I would like to express my deepest appreciation towards my supervisor Ira Soppela, for guiding me throughout this research and letting me critically think about the gained results. Also, I am very grateful for the scientific spirit and knowledge she passed me.
Mijn dank gaat ook uit naar Prof. De Beer, voor de begeleiding bij de resultaatverwerking en ontwikkeling van het experimenteel design.
Furthermore I would like to thank Dr. Antikainen and Heikki Räikkönen, for their great help during the first granulation performances.
My sincere thanks to the whole staff at the Division of Pharmaceutical Technology, for the very warm welcome and the peaceful working environment. In particular, I want to thank Dr. Santos and Dr. Bimbo for making several Erasmus arrangements for me.
Tot slot wens ik mijn familie en vrienden te bedanken, voor de onvoorwaardelijke steun en ontspannende momenten. Eline, dankjewel om me doorheen de moeilijke momenten te loodsen en me te blijven doen geloven in mijzelf.
INHOUDSOPGAVE
AUTEURSRECHT SAMENVATTING DANKWOORD INHOUDSOPGAVE LIJST MET GEBRUIKTE AFKORTINGEN 1. INLEIDING ................................................................................................................... 1 1.1. GRANULATIE ................................................................................................................... 1 1.1.1. Algemeen ......................................................................................................... 1 1.1.2. Granulatiemethoden ........................................................................................ 2 1.1.3. Mechanismen van partikelbinding .................................................................... 3 1.2. GRANULEGROEI TIJDENS VOCHTIGE GRANULATIE......................................................... 4 1.3. WERVELBED GRANULATIE .............................................................................................. 6 1.3.1. Algemeen ......................................................................................................... 6 1.3.2. Wervelbed granulator....................................................................................... 7 1.3.3. Principe van fluïdisatie...................................................................................... 9 1.3.4. Wervelbed drogen ...........................................................................................10 1.3.5. Eindpunt detectie ............................................................................................ 11 1.3.6. Granulatievariabelen ....................................................................................... 13 1.3.6.1. Procesparameters ............................................................................................. 13 1.3.6.2. Productparameters ........................................................................................... 14 1.4. DESIGN OF EXPERIMENTS ............................................................................................. 15 2. OBJECTIEVEN ..............................................................................................................17 3. MATERIAAL EN METHODEN ........................................................................................ 18 3.1. MATERIALEN ................................................................................................................. 18
3.1.1. Paracetamol .................................................................................................... 18 3.1.2. α-Lactose monohydraat ................................................................................... 18 3.1.3. Microkristallijne cellulose ................................................................................ 19 3.1.4. Gepregelatiniseerd zetmeel ............................................................................. 20 3.1.5. Polyvinylpyrrolidone........................................................................................ 21 3.2. METHODEN ................................................................................................................... 22 3.2.1. Experimenteel design ..................................................................................... 22 3.2.2. Wervelbed granulatie ..................................................................................... 24 3.2.3. Karakterisatie van granules............................................................................. 26 3.2.3.1. Residueel vochtgehalte ..................................................................................... 26 3.2.3.2. Wateractiviteit................................................................................................... 26 3.2.3.3. Deeltjesgroottedistributie ................................................................................. 26 3.2.3.4. Vloeibaarheid .................................................................................................... 28 3.2.3.5. Scanning elektronen microscopie ..................................................................... 29 3.2.4. Analyse van experimenteel design .................................................................. 30 3.2.5. Optimalisatie van formulatie .......................................................................... 30 4. RESULTATEN EN DISCUSSIE ........................................................................................ 34 4.1. ANALYSE VAN EXPERIMENTEEL DESIGN ....................................................................... 32 4.1.1. Droogtijd ......................................................................................................... 32 4.1.2. Residueel vochtgehalte .................................................................................... 35 4.1.3. Wateractiviteit ................................................................................................ 36 4.1.4. Deeltjesgroottedistributie................................................................................ 37 4.1.5. Vloeibaarheid .................................................................................................. 40 4.2. OPTIMALISATIE VAN FORMULATIE ............................................................................... 44 5. CONCLUSIES .............................................................................................................. 46 6. LITERATUURLIJST ....................................................................................................... 48
LIJST MET GEBRUIKTE AFKORTINGEN
DOE
design of experiments
MCC
microkristallijne cellulose
LOD
loss on drying
PVP
polyvinylpyrrolidone
RV
relatieve vochtigheid
Ph. Eur.
Europese Farmacopee
SEM
scanning elektronen microscopie
NIR
near-infrared
w/w
weight/weight
FT-NIR
Fourier transform near-infrared
1. INLEIDING 1.1. GRANULATIE 1.1.1. Algemeen Granulatie wordt gedefinieerd als een proces van deeltjesvergroting, waarbij kleine deeltjes samengeklit worden tot grotere, semipermanente aggregaten of granules. De oorspronkelijke deeltjes kunnen hierbij nog steeds gedifferentieerd worden (Ennis en Litster, 1997). In de farmaceutische industrie verwijst granulatie doorgaans naar het vormen van aggregaten met een afmeting tussen 0,1 en 2,0 mm. Pelletisatie wordt soms als synoniem gebruikt, maar in dit proces worden sferische aggregaten gemaakt met een nauwere deeltjesgroottedistributie (Kristensen en Schaefer, 1987).
Granules zijn voornamelijk een intermediair product tijdens de productie van tabletten. Tot op heden zijn tabletten nog steeds de meest populaire en veelzijdige doseringsvorm voor geneesmiddelen. Dit onder meer omwille van de accurate dosering, gebruiksgemak voor de patiënt en de eenvoudige productie. Tabletten worden bij voorkeur geproduceerd via directe compressie, waarbij poeders als dusdanig samengeperst worden door middel van hoge druk. In de meeste gevallen kan deze techniek echter niet gehanteerd worden, gezien het poedermengsel niet beschikt over een goede compressibiliteit, vloeibaarheid en/of homogeniteit. Droge of vochtige granulatie is dan vereist voorafgaand aan het tabletteerproces (Gohel en Jogani, 2005). In mindere mate zijn granules het eindproduct en worden ze afgevuld in capsules of zakjes.
Het granulatieproces heeft tot doel de fysische eigenschappen van de oorspronkelijke poeders te verbeteren. Granulatie verbetert de compressie-eigenschappen, waardoor sterkere tabletten verkregen worden. Daarnaast worden de vloei-eigenschappen verbeterd, wat resulteert in een hogere dosisuniformiteit. Verder vermijdt granulatie segregatie, waardoor een homogene verdeling van de verschillende bestanddelen gewaarborgd blijft. Ook worden, door densificatie van het bulkmateriaal, transport en bewaring vereenvoudigd. Tot slot wordt de vorming van stof aanzienlijk teruggedrongen, wat bijdraagt tot een verhoogde veiligheid bij de verwerking van toxische producten (Summers en Aulton, 2002). 1
1.1.2. Granulatiemethoden Granulatiemethoden kunnen ruwweg onderverdeeld worden in twee types: droge en vochtige methoden. Beide methoden worden aangewend in het farmaceutisch domein, maar vochtige granulatietechnologieën komen meer voor.
Droge granulatie is gebaseerd op de compressie van een grote poedermassa onder invloed van hoge druk. Door deze hoge druk vergroot het contactoppervlak tussen de primaire deeltjes en neemt de bindingssterkte toe. Granulair materiaal wordt verkregen na het opbreken van de producten door vermaling. Aangezien geen granulatievloeistof gebruikt wordt ter adhesie, is deze droge methode uitermate geschikt voor het granuleren van vochten warmtegevoelige farmaca. Het is echter geen eerste keuze techniek vanwege de hoge variabiliteit van de korreleigenschappen en de excessieve stofvorming. Droge aggregaten worden gevormd via ‘slugging’ of via roller compactie (Augsburger en Vuppala, 1997).
Bij vochtige granulatie worden poederdeeltjes in contact gebracht met een granulatievloeistof. Agglomeratie vindt plaats door de opbouw van vloeistofbruggen. Als granulatievloeistof wordt veelal water gebruikt, maar ook ethanol of hydroalcoholische mengsels zijn mogelijk. Doorgaans is in de vloeistof een binder (polyvinylpyrrolidone, cellulosederivaten, zetmelen) opgelost, die na het verdampen van de vloeistoffase door droging meer permanente bindingen doet ontstaan. Als alternatief kan de binder vermengd worden met de poeders, waarbij het in oplossing zal gaan na toevoeging van de granulatievloeistof. Wervelbed granulatie en ‘high shear’ mixer gevolgd door wervelbed drogen zijn de twee voornaamste vochtige granulatiemethoden (Schaefer, 1988).
In vergelijking met droge granulatie, leiden vochtige granulatieprocessen tot granules met een lagere densiteit, en een hogere compressibiliteit en compactibiliteit (Bacher et al., 2008). Doordat vochtige granulatie uit meerdere eenheidsprocessen bestaat, zijn validatie en controle daarentegen meer gecompliceerd. Bovendien is deze technologie duurder omdat ze tijdrovend is, en extra plaats en uitrusting vergt (Augsburger en Vuppala, 1997).
2
1.1.3. Mechanismen van partikelbinding Deeltjesvergroting is enkel mogelijk indien bindingen opgebouwd worden tussen de individuele deeltjes. Deze bindingen moeten voldoende sterk zijn om afbraak van de granules tijdens verdere bewerkingen te voorkomen. Algemeen wordt de grootte van de bindingskrachten bepaald door de grootte van de deeltjes, vochtigheidsgraad, structuur van de granules en de oppervlaktespanning van de granulatievloeistof (Augsburger en Vuppala, 1997). Rumpf (1962) beschreef vijf mechanismen die aan de basis liggen van de krachten die optreden tijdens en na het agglomeratieproces: 1. Adhesie- en cohesiekrachten in immobiele vloeistoffilms. Bij een beperkte hoeveelheid vocht kan een dunne, immobiele adsorptielaag gevormd worden. Dit draagt bij tot de binding van kleine deeltjes door de afstand tussen de deeltjes te verlagen en het interparticulaire contactoppervlak te vergroten. 2. Interfaciale krachten en capillaire druk in mobiele vloeistoffilms. Wanneer het vloeistofniveau aan het oppervlak van de deeltjes stijgt, zal de mobiele vloeistof bruggen vormen waarin interfaciale krachten en capillaire druk sterke bindingen creëren. Hoewel vloeistofbruggen slechts tijdelijke structuren zijn, zijn ze cruciaal voor het ontstaan van vaste bruggen. 3. Vaste bruggen. Door het verharden van de binder tijdens het droogproces na vochtige granulatie, kunnen vaste bruggen opgebouwd worden. Daarnaast kunnen deze bruggen ook gevormd worden door chemische reacties, soldificatie van gesmolten componenten, sintering en kristallisatie van opgeloste substanties. 4. Aantrekkingskrachten tussen vaste deeltjes. Zelfs in afwezigheid van een granulatievloeistof kunnen deeltjes geagglomereerd worden wanneer ze elkaar voldoende benaderen. In dat geval zijn oppervlaktekrachten werkzaam zoals Van der Waalse, magnetische of elektrostatische krachten. 5. Mechanische interlocking. Deeltjes met een onregelmatige vorm en een ruwe oppervlaktestructuur kunnen in elkaar haken en op die manier vastgehecht worden. Dit bindingsmechanisme is minder relevant voor farmaceutische granulaties.
3
1.2. GRANULEGROEI TIJDENS VOCHTIGE GRANULATIE Tijdens vochtige granulatie zal de granulatievloeistof gedistribueerd worden als films rondom en tussen de poederdeeltjes. Gewoonlijk wordt voldoende vocht toegevoegd voor de transitie van de immobiele naar de mobiele toestand. Afhankelijk van de relatieve hoeveelheid van de vloeibare fase kunnen vervolgens vier stadia doorlopen worden. Men spreekt respectievelijk van een pendulair, funiculair, capillair en een druppelstadium. Naargelang het stadium waarin het granulaat zich bevindt zijn andere bindingskrachten werkzaam. De verschillende stadia worden geïllustreerd in Figuur 1.1.
Figuur 1.1.: Stadia van vloeistofverzadiging: (a) pendulair, (b) funiculair, (c) capillair en (d) druppelstadium (Summers en Aulton, 2002).
Bij het toevoegen van kleine hoeveelheden granulatievloeistof ontstaan lensachtige ringen ter hoogte van de contactpunten van de deeltjes. Dit is het pendulair stadium. De deeltjes worden aan elkaar geclusterd door zowel de oppervlaktespanning aan het grensvlak vast/vloeibaar/lucht als de hydrostatische zuigkrachten van de vloeistofbruggen. Naarmate meer vloeistof toegevoegd wordt, treedt coalescentie op van de ringen. Hierdoor vormt zich een continu vloeistofnetwerk met insluiting van lucht. Dit wordt het funiculair stadium genoemd. Wanneer alle lucht verdreven is door vloeistof en de interparticulaire poriën dus volledig verzadigd zijn, spreekt men van het capillair stadium. Capillaire krachten aan het oppervlak van het aggregaat zorgen dan voor het samenhouden van de deeltjes. Het druppelstadium wordt verkregen als de vaste fase volledig omringd is door vloeistof. De oppervlaktespanning van de vloeistof bepaalt in dat geval de sterkte van de druppel (Augsburger en Vuppala, 1997; Summers en Aulton, 2002). Indien dit laatste stadium bereikt wordt tijdens vochtige granulatie is er, met uitzondering van vriesdrogen van een suspensie, te veel vloeistof aanwezig om een succesvolle granulering toe te laten (Schwartz, 1988). 4
Verschillende mechanismen van deeltjesvergroting vinden plaats gedurende vochtige granulatie. Deze mechanismen werden reeds in 1964 bestudeerd door Kapur en Fuerstenau, die het proces onderverdeelden in drie fasen: 1. Nucleatie. Wanneer een vloeistof in staat is het oppervlak van deeltjes voldoende te bevochtigen zullen vloeistofbruggen ontstaan tussen de deeltjes waardoor de vrije oppervlakte-energie daalt. De deeltjes blijven samen en vormen kleine, losse aggregaten of nuclei op voorwaarde dat de bindingskrachten groter zijn dan de afbraakkrachten (bv. wrijving door agitatie). Nuclei zijn drie-fasige kernen die bestaan uit vaste stof, vloeistof en lucht. 2. Transitie. Groei van nuclei is mogelijk via twee mechanismen. Enerzijds kunnen enkele deeltjes zich bij nuclei voegen door middel van pendulaire bruggen, anderzijds kunnen twee of meer nuclei samensmelten. Deze fase wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van kleine granules met een vrij grote deeltjesgroottedistributie. 3. Balgroei. Bij een verdere granulegroei worden grote, sferische granulaten gevormd. Indien coalescentie echter blijft doorgaan, kan een onbruikbaar, overladen systeem verkregen worden. Dit laatste is vooral afhankelijk van de hoeveelheid vloeistof dat toegevoegd wordt en de eigenschappen van de startmaterialen. Als de granules zich in deze fase bevinden zijn ze meestal te groot voor farmaceutische toepassingen. Vier mechanismen van balgroei werden gerapporteerd door Sastry en Fuerstenau (1973), afgebeeld in Figuur 1.2.: ‘Crushing en layering’: het opbreken van granules tot fragmenten die op hun beurt lagen vormen rond nog intacte granules. Coalescentie: twee of meer granules die fuseren tot één grote granule. ‘Abrasion transfer’: afgesleten materiaal dat zich vasthecht aan andere granules. ‘Layering’: poederdeeltjes die lagen vormen rond reeds gevormde granules.
5
Figuur 1.2.: Mechanismen van balgroei (Augsburger en Vuppala, 1997).
1.3. WERVELBED GRANULATIE 1.3.1. Algemeen Zoals eerder aangehaald (sectie 1.1.2.) is wervelbed granulatie één van de belangrijkste methoden gebruikt door de farmaceutische industrie voor het vochtig granuleren van poedermengsels. Wervelbed granulatie is het proces waarbij granules vervaardigd worden door het sproeien van de granulatievloeistof op een wervelend bed van poeders. Het granulatieproces omvat drie fasen: een mengfase, sproei- of granulatiefase en droogfase. Nadat de verschillende poeders in de typisch conische productcontainer geplaatst zijn, worden ze in een gefluïdiseerde conditie gebracht door een opwaartse stroom van warme lucht. De op- en neerwaartse beweging van de poederdeeltjes zorgt voor een intensieve menging. Wanneer de poeders uniform gemengd zijn, wordt de binderoplossing over het wervelbed verneveld. Door het bevochtigen van de deeltjes wordt agglomeratie geïnduceerd. De gevormde granules bevinden zich meestal niet in het druppelstadium, omdat tijdens de sproeifase een gedeelte van de oplossing onmiddellijk verdwijnt via verdamping. Eens voldoende vloeistof toegevoegd is om de gewenste grootte te verkrijgen, worden de natte aggregaten gedroogd. De temperatuur van de proceslucht wordt hierbij verhoogd zodat het solvent verdwijnt en soldificatie optreedt van de binder.
6
Granules geproduceerd via de wervelbed technologie worden algemeen gekenmerkt door een poreuze, losse structuur en een lage bulkdensiteit als gevolg van een gebrek aan kinetische energie in de agglomeratiezone. Dit resulteert in een betere bevochtiging en een hogere compressibiliteit vergeleken met granulaten bereid door ‘high shear’ granulatie (Liske en Mobus, 1968 ; Rubino, 1999). Aangezien zowel gemengd, gegranuleerd als gedroogd kan worden in hetzelfde toestel, reduceert wervelbed granulatie de productietijd en de arbeidskosten. Doordat het aantal transfers beperkt wordt, gaat bij dit proces bovendien minder materiaal verloren en verlaagt de blootstellingkans aan toxische substanties (Gao et al., 2002). Een bijkomend voordeel is dat de techniek volledig automatiseerbaar is van zodra de optimale condities vastgelegd zijn. Optimalisatie van verschillende parameters verloopt echter moeilijk en vergt ervaring. Wervelbed granulatie wordt daarom als een zeer complex proces beschouwd (Summers en Aulton, 2002).
1.3.2. Wervelbed granulator Een wervelbed granulator bestaat uit een aantal belangrijke onderdelen (Figuur 1.3.). Een controlesysteem (1) laat de operator toe het volledige productieproces te beheersen en de kritische procesvariabelen op te volgen. Omdat meestal buitenlucht gebruikt wordt als fluïdisatiemedium, is een luchtbehandelingseenheid (2) onontbeerlijk voor het filteren en verwarmen van de inkomende lucht. Bovendien kan met deze eenheid een zekere vochtigheidsgraad ingesteld worden, wat van extreem belang is in regio’s waar de luchtvochtigheid sterk schommelt. De geconditioneerde lucht wordt vervolgens via een luchtverdelingsrooster (3) gelijkmatig over de productcontainer verdeeld. In de granulator is ook een sproeikop (4) gelokaliseerd, die instaat voor de atomisatie van de granulatievloeistof. De binaire sproeikop, waarbij de vloeistof verneveld wordt door samengeperste lucht, wordt het meest aangewend. De binderoplossing wordt aan de sproeikop geleverd door het peristaltisch pompen (5) vanuit een reservoir. Om de poederdeeltjes van de uitgaande luchtstroom te scheiden worden twee zones gebruikt. In de expansiekamer (6) vervalt de opwaartse stuwkracht van de lucht door een toename in vrije ruimte. Hierdoor verliezen de grootste deeltjes als eerste hun snelheid en vallen ze terug in het fluïdiserende bed. Kleinere deeltjes daarentegen komen vast te zitten in filterzakken (7), die periodisch schudden om opnieuw al het materiaal te verzamelen in de productcontainer. 7
De lucht verlaat het proces langs een luchtfiltersysteem (8), waardoor de uitlaatlucht gegarandeerd volledig vrij is van contaminaties. Een laatste belangrijk onderdeel is een ventilator (9), die de lucht aanzuigt en zo het systeem voorziet van een lagere druk dan deze van de omgevende atmosfeer (Parikh et al., 1997).
(8)
(9)
(7) (6) (4) (5) (1) (3) (2)
Figuur 1.3.: Top spray wervelbed granulator: (1) controlesysteem, (2) luchtbehandelingseenheid, (3) luchtverdelingsrooster, (4) top spray geïnstalleerde sproeikop, (5) peristaltische pomp, (6) expansiekamer, (7) filterzakken, (8) luchtfiltersysteem, (9) ventilator.
Afhankelijk van de locatie van de sproeikop onderscheidt men drie types wervelbed granulatoren, waarbij de verkregen granules andere karakteristieken vertonen (Jones, 1985). De meerderheid van de poedermengsels wordt gegranuleerd in de conventionele top spray granulator. Hierin bevindt de sproeikop zich aan de top van de procescontainer en wordt de granulatievloeistof tegen de luchtstroom in over het wervelbed verneveld. De poederdeeltjes worden centraal naar omhoog gestuurd, waarna ze via de randen terug gecollecteerd worden onderaan de container. Bij een bodem spray granulator is de sproeikop in het midden van de luchtverdelingsplaat gepositioneerd en wordt de vloeistof verneveld in een boven de poeders geplaatste Wursterkolom. De perforatiegrootte van de luchtverdelingsplaat neemt af van het centrum naar de buitenkant, wat een specifiek 8
fluïdisatiepatroon toelaat. Het grootste gedeelte van de luchtstroom wordt doorheen de Wursterkolom gestuurd, wat de opwaartse poedervloei hierin aanzienlijk versnelt. Vermits de luchtstuwkracht lager is in de periferie, vallen de deeltjes terug naar de bodem van de container en worden ze opnieuw aangezogen naar de kolom. De deeltjes wervelen op die manier rond in een fonteinbeweging. Verder is er nog een tangentiële spray granulator, waarin de sproeikop aan de zijkant van de container gesitueerd is en ingebed zit in het poederbed tijdens de granulering. De opstelling wijkt licht af van de standaard wervelbed granulator, doordat geen luchtverdelingsplaat aangewend wordt. Op de bodem is een draaiende schijf geplaatst, die een centrifugale kracht introduceert in het systeem. De lucht stroomt door de ruimte tussen de containerwand en de roterende plaat. Ten opzichte van de andere wervelbed toestellen zorgt deze tangentiële spray granulator voor extra mechanische agitatie (Srivastava en Mishra, 2010).
1.3.3. Principe van fluïdisatie Fluïdisatie is het verschijnsel dat optreedt wanneer vaste deeltjes van een statische naar een dynamische toestand overgebracht worden door suspensie in een gas- of vloeistofatmosfeer. De commerciële wervelbed toestellen gebruiken vrijwel altijd lucht ter fluïdisatie. Een wervelbed wordt verkregen als de fluïdestroom die opwaarts doorheen het poederbed gestuurd wordt in staat is om elk afzonderlijk deeltje in beweging te vervoeren (Parikh et al., 1997). De deeltjes dwarrelen rond, waardoor een excellente mixing gecreëerd wordt. Een adequate fluïdisatie is noodzakelijk tijdens elke fase van wervelbed granulatie en wordt in praktijk geëvalueerd aan de hand van de hoogte van het bed. De karakteristieken en het gedrag van het wervelend bed zijn sterk afhankelijk van de snelheid van de luchtstroom en de eigenschappen van de poeders (Teunou en Poncelet, 2002).
Wanneer lucht aan een lage snelheid doorheen het poederbed stroomt, percoleert het fluïdum louter doorheen de interparticulaire poriën. De poederdeeltjes zitten in een gefixeerd bed. Bij een verhoging van het luchtdebiet, beginnen de deeltjes te vibreren en bewegen ze van elkaar weg. Dit duidt men aan als een geëxpandeerd bed. Indien de snelheid van de luchtstroom verder opgedreven wordt, zal een punt bereikt worden waarbij alle deeltjes net gesuspendeerd zijn in het medium en het bed minimaal gefluïdiseerd is. Op dit 9
punt compenseert de wrijvingskracht tussen de deeltjes en de lucht het effectieve gewicht van het bed (Kunni en Levenspiel, 1991). De snelheid van de inkomende lucht die hiermee correspondeert wordt de minimale fluïdisatiesnelheid genoemd. Meestal is het luchtdebiet dat nodig is tijdens het granulatieproces vijf tot zes keer deze snelheid (Parikh et al., 1997). De menging van de deeltjes wordt veroorzaakt door het ontstaan van grote, exploderende luchtbellen. Het is van primair belang dat de snelheid van de luchtstroom niet te hoog is, omdat de deeltjes anders meegesleurd worden en in de filterzakken terechtkomen.
Het vloeistofachtig gedrag van het bed wordt tevens bepaald door het type poeders dat gebruikt wordt. Hierbij spelen de grootte, densiteit, cohesie en vorm van de deeltjes een belangrijke rol, alsook het aantal ‘fines’ dat aanwezig is (Vahlas et al., 2006). Afhankelijk van de hygroscopiciteit en porositeit van het poedermengsel zal tijdens de sproeifase bovendien een andere luchtdebiet ingesteld moeten worden om de hoogte van het fluïdiserende bed constant te houden. Een alom bekende classificatie voor het fluïdisatiegedrag van poeders is deze van Geldart (1973), die vier groepen differentieerde op basis van het verschil in densiteit tussen de vaste stof en het gas, en de gemiddelde deeltjesgrootte.
1.3.4. Wervelbed drogen Wervelbed drogen behelst het verwijderen van de granulatievloeistof via thermische methoden tot een gewenst vochtgehalte. Vaste brugvorming vindt plaats, wat het voornaamste bindingsmechanisme is dat bijdraagt tot de mechanische sterkte van de finale granules. De droogfase is fundamenteel een proces van warmte- en massaoverdracht. Warmte, nodig voor de evaporatie van het toegevoegde vocht, wordt overgedragen van de doorstromende lucht naar het partikeloppervlak via convectie en binnenin de deeltjes via conductie. Massa daarentegen wordt getransporteerd in de tegenovergestelde richting: water verdampt aan het oppervlak van de deeltjes en wordt overgedragen aan de lucht via convectie (Airaksinen et al., 2004). Doordat de luchtstroom de poederdeeltjes in een wervelbed houdt, gebeuren deze fenomenen zeer snel en is de droogtijd relatief kort.
De capaciteit van de proceslucht om het vocht te absorberen wordt beïnvloed door de temperatuur en de relatieve vochtigheidsgraad van de lucht. Aangezien het vochtgehalte 10
van de granules een thermodynamisch evenwicht zal bereiken met de lucht, is het niet mogelijk om alle vloeistof uit de granulaten te verwijderen (Hlinak en Saleki-Gerhardt, 2000). De hoeveelheid vocht dat geassocieerd blijft met de granules onder specifieke droogcondities is het evenwichtsvochtgehalte. De waarde ervan wordt ook bepaald door de eigenschappen van de poeders, met name de kristallisatiegraad (Lipsanen, 2008). Verschillende fysische en chemische eigenschappen zoals de stabiliteit, vloeibaarheid, compactie en de dissolutie zijn gerelateerd met het residueel vochtgehalte (Hlinak en SalekiGerhardt, 2000). Een zekere hoeveelheid vocht is essentieel voor een goede tablettering.
Tijdens wervelbed drogen van farmaceutische granulaties gebeurt het waterverlies typisch in twee fasen. In de warmteoverdracht gelimiteerde fase nemen de granules de warmte op van de inkomende lucht om met deze energie het los geassocieerde water, voornamelijk oppervlaktewater, te verdampen. De bedtemperatuur blijft hierdoor constant, terwijl de lucht gekoeld wordt. Wanneer het vochtgehalte van de granules een kritisch niveau bereikt, waarbij geen vrij oppervlaktewater meer beschikbaar is, stijgt de temperatuur van zowel het fluïdiserende bed als van de uitlaatlucht. In deze massaoverdracht gelimiteerde fase zal de resterende hoeveelheid water binnenin de aggregaten eerst naar het oppervlak moeten diffunderen alvorens het overgedragen kan worden als damp aan de omgevende lucht. Als weinig tot geen water meer overblijft in de granules, wordt het evenwichtsvochtgehalte bereikt (Morris et al., 2000).
1.3.5. Eindpunt detectie De detectie van het optimale eindpunt van de droogfase en dus van het wervelbed proces is cruciaal om een goede productkwaliteit te verkrijgen. Granulaire producten mogen niet langer gedroogd worden dan nodig, omdat ze anders broos worden en gemakkelijk afslijten bij een verdere fluïdisatie in de productcontainer of tijdens daaropvolgende bewerkingen (Briens en Bojarra, 2010; Roy et al., 2010). Verschillende methoden om het droogproces te controleren zijn uitvoerig beschreven in de literatuur. Bij de bepaling van het eindpunt mag geen beroep gedaan worden op vaste tijdcycli, vermits de invloed van procesvariabelen op deze manier genegeerd wordt (Alden et al., 1988).
11
Om het droogproces na te gaan, kan men op geregelde tijdstippen stalen nemen van het wervelbed en het vochtgehalte hiervan offline verifiëren. Dit neemt echter veel tijd in beslag en kan tot foutieve interpretaties leiden indien de staalname niet representatief is voor het gehele bed (Briens en Bojarra, 2010). Het bed moet goed gefluïdiseerd zijn, zodat de snelheid van warmte- en massaoverdracht op elke plaats in het bed gelijk is. Doordat het tot 30 minuten kan duren vooraleer de hoeveelheid vocht vastgesteld kan worden, loopt men met deze methode het risico dat het kritieke eindpunt overschreden wordt (Morris et al., 2000).
Meer frequent toegepast voor het identificeren van het granulatie-eindpunt zijn temperatuursmetingen van de inlaatlucht, wervelbed en de uitlaatlucht. In de vorige sectie (1.3.4.) werd reeds vermeld hoe de producttemperatuur en temperatuur van de uitgaande lucht veranderen in functie van de droogtijd. Het droogproces kan worden beëindigd wanneer de proceslucht niet langer gekoeld wordt door waterdamp, en de temperatuur van zowel de uitlaatlucht als van het wervelbed de temperatuur van de inkomende lucht benaderen. Dit eindpunt criterium kan wel enkel gebruikt worden indien de vochtigheidsgraad van de lucht onder controle blijft (Lipsanen et al., 2008). Als tijdens de granulatie blijkt dat aan deze voorwaarde niet voldaan wordt, kan de temperatuur verschil methode aangewend worden. Hierbij wordt het verschil in temperatuur tussen de inlaatlucht en de wervelende massa berekend, waardoor het effect van de luchtvochtigheid op de bepaling van het eindpunt geëlimineerd wordt (Alden et al., 1988). Deze techniek wordt echter in sterke mate beïnvloed door het fluïdisatiegedrag van het granulebed.
Het opvolgen van de droogfase kan ook met nabije-infrarood (near-infrared, NIR) spectroscopie. Deze methode vormt een aantrekkelijk alternatief voor de eindpunt indicatie, aangezien het onmiddellijk informatie verschaft omtrent de toestand van de granules. Daarnaast is NIR spectroscopie interessant omwille van zijn niet-destructief karakter. Water absorbeert zeer sterk in het NIR gebied (780 – 2500 nm), in het bijzonder tussen 1400 en 1450 nm en tussen 1900 en 1940 nm (Luypaert et al., 2007).
12
1.3.6. Granulatievariabelen Hoewel het wervelbed proces op grote schaal aangewend wordt voor het granuleren van farmaceutische mengsels, hebben verschillende variabelen een significante invloed op de uiteindelijke granulekwaliteit. Aulton en Banks (1981) classificeerden deze variabelen en maakten een onderscheid tussen apparatuur-, proces- en productparameters (Tabel 1.1.). De indeling geldt voor top spray systemen waarbij de binder verondersteld wordt opgelost te zijn in de granulatievloeistof. Het is van belang de invloed van de granulatievariabelen te kennen om zo de procesreproduceerbaarheid te garanderen. Op basis van deze kennis kunnen ook de optimale instellingen vastgelegd worden voor het verkrijgen van een kwalitatief hoogstaand product. Verder is het noodzakelijk zich te realiseren dat de variabelen onderling nauw verbonden zijn en dat ze elkaar gemakkelijk beïnvloeden.
Table 1.1.: Overzicht van de variabelen bij wervelbed granulatie (Aulton en Banks, 1981). Apparatuurparameters
Procesparameters
Productparameters
Luchtverdelingsplaat
Bed lading
Type binder
Vorm granulator
Debiet inlaatlucht
Hoeveelheid binder
Hoogte sproeikop
Temperatuur inlaatlucht
Binder solvent
Positieve of negatieve druk
Vochtigheidsgraad inlaatlucht
Concentratie
Opschaling
Atomisatie
granulatievloeistof
Type sproeikop
Temperatuur
Sproeihoek
granulatievloeistof
Sproeiregime
Startmaterialen
Debiet granulatievloeistof
Fluïdisatie
Debiet atomisatielucht
Hydrofobiciteit
Druk atomisatielucht Druppelgrootte
1.3.6.1. Procesparameters Procesparameters worden erkend als de meest kritische parameters om de kwaliteit van de granules onder controle te houden (Schinzinger en Schmidt, 2005). Tijdens wervelbed granulatie moet het vochtgehalte van het bed nauwkeurig geregeld worden, omdat dit het 13
agglomeratieproces stuurt. Als de hoeveelheid vocht te hoog is, wordt het poederbed zwaar en is het moeilijk om een goede fluïdisatie aan te houden. Door een ineenstorting van het bed kunnen grote klompen ontstaan. Indien het vochtgehalte zeer laag is, zullen de poederdeeltjes amper aaneenklitten. Het vochtgehalte dat aanwezig is in de massa hangt enerzijds af van de bevochtiging van het wervelbed, maar wordt anderzijds ook bepaald door de verdampingsgraad van de granulatievloeistof. De balans hiertussen wordt in essentie gecontroleerd door het debiet van de binderoplossing, en het debiet, de temperatuur en de vochtigheidsgraad van de inlaatlucht (Kristensen en Schaefer, 1987). Wanneer het debiet of de temperatuur van inkomende lucht verhoogd wordt, zal meer vocht onttrokken kunnen worden aan de deeltjes en is de granulegrootte kleiner (Wan et al., 1992). Een verhoging van de luchtvochtigheid leidt tot grotere aggregaten, omdat het vermogen om waterdamp op te nemen daalt en dus meer vocht in het bed blijft (Rambali et al., 2001).
Naast het vochtgehalte van het bed, is ook de druppelgrootte van de vernevelde granulatievloeistof een fundamentele procesvariabele. Vermits de poeders bij wervelbed granulatie weinig onderhevig zijn aan mechanische agitatie, is een optimale druppelgrootte nodig om de vloeistof gelijkmatig te kunnen verdelen over de fluïdiserende massa (Faure et al., 2001). De voornaamste parameters die de druppelgrootte bepalen zijn het debiet van de granulatievloeistof, en het debiet en de druk van de atomisatielucht. Grotere druppels kunnen worden gevormd als het debiet van de vloeistof verhoogd wordt (Davies en Gloor, 1971). Een toename van het debiet of de druk van de atomisatielucht resulteert in een kleinere druppelgrootte (Schaefer en Worts, 1978). Schaefer en Worts (1978) vonden een lineair verband tussen de druppelgrootte en de grootte van de granulaten.
1.3.6.2. Productparameters Het granulatiegedrag van een formulatie wordt in grote mate bepaald door de fysische eigenschappen van de startmaterialen. Bij het wijzigen van een formulatie moeten hierdoor noodgedwongen één of meerdere procesparameters aangepast worden, alsook de hoeveelheid toegevoegde granulatievloeistof. Zelfs wanneer een formulatie onveranderd
14
blijft, zal batch tot batch variatie in de deeltjesgrootte de controle over het granuleerproces bemoeilijken (Kristensen en Schaefer, 1987).
De grootte en groottedistributie van de deeltjes blijken de belangrijkste fysische eigenschappen van de poeders te zijn (Kristensen en Schaefer, 1987). Bij een constante hoeveelheid granulatievloeistof, resulteert een fijnere deeltjesgrootte van eenzelfde poeder in granules met een kleinere grootte (Abberger et al., 2002). De vloeistof moet zich bij kleinere deeltjes namelijk verspreiden over een groter oppervlak, waardoor de film rond elk deeltje dunner is. Zodoende is er minder mobiele vloeistof beschikbaar voor de agglomeratie van de poederdeeltjes. Als de deeltjesgrootte zodanig klein is, kan het poeder omwille van een te sterke cohesiviteit fluïdisatieproblemen vertonen (Kristensen en Schaefer, 1987). Behalve de deeltjesgrootte speelt ook het waterabsorberend vermogen van de verschillende bestanddelen een fundamentele rol. Bij het gebruik van hygroscopische excipientia zoals zetmeel of microkristallijne cellulose, dient de hoeveelheid granulatievloeistof verhoogd te worden om het oppervlak voldoende te kunnen bevochtigen (Rantanen et al., 2001; Schinzinger en Schmidt, 2005). Verder is de oplosbaarheid van de poeders in de vloeistof een determinerende factor voor de granulevorming. Ormos en Pataki (1979) vergeleken hiertoe vijf materialen met een verschillende oplosbaarheid in een waterige binderoplossing en stelden een snellere granulegroei vast voor het materiaal met de hoogste oplosbaarheid. Andere eigenschappen die het granulatiegedrag beïnvloeden zijn de vochtigheidsgraad, vorm en densiteit van de startmaterialen. Als de deeltjes niet goed bevochtigd worden, kan zo nodig geopteerd worden voor een ander solvent of kan beroep gedaan worden op een surfactant (Ormos en Pataki, 1979).
1.4. DESIGN OF EXPERIMENTS Design of experiments (DOE) is een belangrijk concept in de farmaceutische industrie voor de planning en uitvoering van informatieve experimenten. Traditioneel gebeurt de optimalisatie van een product of proces door het aanpassen van één factor per experiment tot er geen verdere verbetering meer vastgesteld kan worden (COST methode). Het één voor één uitproberen van alle mogelijke condities is echter tijdrovend en zorgt voor een hoge totaalkost. Bovendien verwerft deze strategie niet noodzakelijk informatie over de optimale 15
condities, omdat er geen rekening gehouden wordt met potentiële interacties tussen de variabelen. DOE daarentegen biedt de mogelijkheid een set van experimenten te selecteren waarbinnen de kritische factoren systematisch en simultaan gevarieerd kunnen worden. Op deze manier kan met een minimum aantal experimenten een maximale hoeveelheid aan relevante informatie verkregen worden (Eriksson et al., 2008).
DOE wordt aangewend voor drie experimentele doeleinden (Eriksson et al., 2008): 1. Screening. In eerste instantie wordt een groot aantal factoren onderzocht die mogelijks een invloed hebben op de procesresponsen. Er wordt getracht de significante effecten te verklaren en het bereik vast te leggen waarbinnen de belangrijkste factoren verder bestudeerd moeten worden. 2. Optimalisatie. Tijdens de optimalisatiefase wordt bepaald wat de optimale combinatie van factoren moet zijn om tot de gewenste responsen te komen. Soms zal een compromis nodig zijn om aan tegenstrijdige eisen te voldoen. 3. Robuustheid. In de laatste fase wordt de gevoeligheid van een product of proces nagegaan op kleine veranderingen in de factorinstellingen. Eventueel worden de grenzen aangepast zodat de robuustheid geclaimd kan worden.
Verschillende experimentele designs zijn voorhanden om deze objectieven te onderzoeken. ‘Full factorial’ en ‘central composite’ designs laten toe de invloed van procesfactoren op de producteigenschappen te controleren. Aan elke factor wordt een hoge (+1) en een lage (-1) waarde toegekend, waarbij op basis van het gemiddelde additionele centrumpunt experimenten uitgevoerd worden. Naast de proces designs, zijn er ook ‘mixture’ designs. Hiermee wordt het effect van een verandering in de mengselsamenstelling op de gedefinieerde responsen geanalyseerd. Een kenmerkende eigenschap is dat de som van de factoren steeds 100% bedraagt. Dit betekent dat het niet mogelijk is om één factor volledig onafhankelijk van de andere factoren te variëren. Wanneer het gewenst is om gelijktijdig proces- en mengselfactoren te onderzoeken, kunnen gecombineerde designs opgesteld worden (Eriksson et al., 1998).
16
2. OBJECTIEVEN Granulatie is voornamelijk een intermediaire stap in de productie van tabletten. De vorming van granulaten verbetert onder meer de vloeibaarheid en compactibiliteit van een oorspronkelijk poedermengsel. Tot op heden behoort wervelbed granulatie nog steeds tot één van de meest gebruikte vochtige granulatietechnologieën. Ondanks de vele voordelen verbonden aan deze techniek, verloopt de optimalisatie van het totaalproces problematisch. De finale productkwaliteit wordt beïnvloed door verschillende apparatuur-, proces- en productparameters. Reeds tientallen jaren investeert de farmaceutische industrie in onderzoek naar deze variabelen, vermits kennis omtrent hun invloed noodzakelijk is voor het vastleggen van de optimale procesomstandigheden. Het aantal wetenschappelijke publicaties met betrekking tot de productparameters is evenwel beperkt. Vooral het effect van een specifieke formulatie op kritische granulekarakteristieken is weinig bestudeerd.
Dit onderzoeksproject is toegespitst op de granulatie van een paracetamol formulatie in een wervelbed granulator, met als doelstelling het belang van de fysische eigenschappen van de startmaterialen aan te tonen. Drie excipiënten worden onderzocht (α-lactose monohydraat,
MCC,
gepregelatiniseerd
zetmeel),
die
verschillende
functionele
karakteristieken bezitten. Om de invloed van de vulstofsamenstelling op het granulatiegedrag te onderzoeken, wordt gebruik gemaakt van een experimenteel design (‘mixture’ design). De kwaliteit van de producten wordt onderzocht door het residueel vochtgehalte, water activiteit, deeltjesgroottedistributie en vloeibaarheid te bepalen. Verder wordt de droogtijd nodig van de verschillende experimenten geanalyseerd. De resultaten kunnen in de toekomst aangewend worden voor het optimaliseren van de formulatie.
17
3. MATERIALEN EN METHODEN 3.1. MATERIALEN 3.1.1. Paracetamol Paracetamol (Mallinckrodt, Raleigh, Verenigde Staten) is een actief farmaceutisch bestanddeel dat pijnstillend en koortswerend werkt. De chemische structuur wordt getoond in Figuur 3.1. Het is een wit, kristallijn poeder met een moleculaire massa van 151,16 g/mol (Martindale: The Complete Drug Reference, 2009). Paracetamol is goed wateroplosbaar.
Figuur 3.1.: Chemische structuur van paracetamol (Martindale: The Complete Drug Reference, 2009).
3.1.2. α-Lactose monohydraat α-Lactose monohydraat (Pharmatose® 200 M, DMV International, Veghel, Nederland) is een natuurlijk dissacharide opgebouwd uit galactose en glucose (Figuur 3.2.). Het wordt bereid uit de weifractie van melk. Net als paracetamol is het een wit, kristallijn poeder. De moleculaire massa bedraagt 360,31 g/mol. Binnen de farmaceutische industrie wordt lactose voornamelijk aangewend als vulstof in tabletten en capsules (Handbook of Pharmaceutical Excipients, 2009). Verschillende soorten zijn commercieel beschikbaar, die zich differentiëren op basis van fysicochemische eigenschappen zoals vloei-eigenschappen en deeltjesgroottedistributie. In deze masterproef wordt gekozen voor lactose met een fijne deeltjesgrootte, omdat dit een betere menging met de andere poeders toelaat en de werking van de binder bevordert. De belangrijkste functionele eigenschappen van α-lactose monohydraat Pharmatose® 200 M worden weergegeven in Tabel 3.1.
18
Figuur 3.2.: Chemische structuur van α-lactose monohydraat (Handbook of Pharmaceutical Excipients, 2009).
Tabel 3.1.: Functionele eigenschappen van α-lactose monohydraat Pharmatose® 200 M (Handbook of Pharmaceutical Excipients, 2009). Wateroplosbaarheid
Densiteit (g/cm3)
Hygroscopiciteit
1 in 4,63 bij 25°C
Echte densiteit
Niet
83% < 75
1,54
hygroscopisch
92% < 100
Bulk densiteit
98% < 150
0,55
100% < 250
Schud densiteit
Deeltjesgrootte-
Vochtgehalte
distributie (µm)
(% w/w)
60% < 45
5,2
0,85
3.1.3. Microkristallijne cellulose Microkristallijne cellulose (MCC) (Avicel® PH-101, FMC International, Cork, Ierland) is een gezuiverd, partieel gedepolymeriseerd cellulose (Figuur 3.3.). Het wordt geproduceerd door gecontroleerde hydrolyse van α-cellulose, verkregen uit fibreus plantenmateriaal, met verdunde zure oplossingen. Het komt voor als een wit, kristallijn poeder dat bestaat uit poreuze partikels. In de productie van geneesmiddelen wordt MCC hoofdzakelijk gebruikt als vulstof in tabletten en capsules, zowel bij vochtige granulatie als in directe compressieprocessen. Verder kent het ook toepassingen als adsorbent, lubrifieermiddel en desintegrant (Handbook of Pharmaceutical Excipients, 2009). Tabel 3.2. vermeldt de eigenschappen van MCC Avicel® PH-101 die mogelijks een rol spelen in dit onderzoek.
19
Figuur 3.3.: Chemische structuur van microkristallijne cellulose (Handbook of Pharmaceutical Excipients, 2009).
Tabel 3.2.: Functionele eigenschappen van microkristallijne cellulose Avicel® PH-101 (Handbook of Pharmaceutical Excipients, 2009). Deeltjesgrootte-
Vochtgehalte
distributie (µm)
(% w/w)
Gemiddelde
≤5
deeltjesgrootte
Wateroplosbaarheid
Densiteit
Hygroscopiciteit
3
(g/cm ) Praktisch
Echte densiteit
onoplosbaar
1,618
50
Hygroscopisch
Bulk densiteit 0,32 Schud densiteit 0,45
3.1.4. Gepregelatiniseerd zetmeel Gepregelatiniseerd zetmeel is zetmeel dat een chemische of fysische modificatie heeft ondergaan, waardoor de zetmeelkorrels gedeeltelijk of volledig opgebroken zijn (Martindale: The Complete Drug Reference, 2009). Het is een matig grof tot fijn wit poeder. Voor deze studie wordt gebruik gemaakt van Starch 1500® (Colorcon, Indianapolis, Verenigde Staten), een partieel gepregelatiniseerd maïszetmeel. Maïszetmeel is samengesteld uit twee polymeren, amylopectine en amylose, die sterk gebonden zijn in een specifieke kristallijne structuur (Figuur 3.4.). Amylose is verantwoordelijk voor een significante zwelling bij bevochtiging. Bij een partiële pregelatinisatie worden de bindingen tussen de twee polymeerketens deels verbroken, wat resulteert in een gedeeltelijke oplosbaarheid, verhoogde deeltjesgrootte, en een verbeterde vloeibaarheid en compactibiliteit. 20
Gepregelatiniseerd zetmeel fungeert dikwijls als vulstof in tabletten en capsules, maar in het bijzonder bij vochtige granulatie heeft het een primordiale rol als binder en disintegrant. De functionele eigenschappen van gepregelatiniseerd zetmeel Starch 1500® die belangrijk zijn in het kader van deze studie zijn opgenomen in Tabel 3.3.
Figuur 3.4.: Chemische structuur van amylopectine en amylose. Tabel 3.3.: Functionele eigenschappen van gepregelatiniseerd zetmeel Starch 1500® (Handbook of Pharmaceutical Excipients, 2006). Deeltjesgrootte-
Vochtgehalte
distributie (µm)
(% w/w)
30-150
≤5
Gemiddelde
Wateroplosbaarheid
Densiteit
Hygroscopiciteit
3
(g/cm ) Partieel oplosbaar in
Echte densiteit
koud water
1,516
deeltjesgrootte
Bulk densiteit
52
0,586
Hygroscopisch
Schud densiteit 0,879
3.1.5. Polyvinylpyrrolidone Polyvinylpyrrolidone (PVP) (Kollidon® K-30, BASF, Ludwigshafen, Duitsland) is een homopolymeer van N-vinyl-2-pyrrolidone (Figuur 3.5.). Het is een wit tot geelwit 21
hygroscopisch poeder dat goed oplosbaar is in water. Het wordt synthetisch bereid door radicaalpolymerisatie van het monomeer. Diverse types PVP zijn beschikbaar op de markt. Hun viscositeit in waterige oplossing neemt toe met de molaire massa van het polymeer (polymerisatiegraad n). De viscositeit van PVP oplossingen ten opzichte van die van zuiver water wordt uitgedrukt in een K-waarde (Martindale: The Complete Drug Reference, 2009). Een K-waarde van 30 stemt overeen met een moleculaire massa van 50000 g/mol. PVP wordt typisch aangewend als binder bij vochtige granulatieprocessen.
Figuur 3.5.: Chemische structuur polyvinylpyrrolidone (Handbook of Pharmaceutical Excipients, 2009).
3.2. METHODEN 3.2.1. Experimenteel design Een model formulatie (batchgrootte van 3000 g) voor wervelbed granulatie bestaat uit 150 g (5% w/w) paracetamol en 2850 g (95% w/w) vulstoffen. De vulstoffen die geëvalueerd worden zijn α-lactose monohydraat, MCC en gepregelatiniseerd zetmeel. De invloed van de vulstofsamenstelling op de droogtijd en granulekarakteristieken wordt onderzocht door gebruik van een experimenteel design, meer bepaald een ‘mixture’ design (Tabel 3.4., Figuur 3.6.). Dit ‘simplex lattice’ design includeert in totaal veertien experimenten, die gerefereerd worden als batches P1 tot P14. De relatieve verhouding van elke mengselfactor ligt tussen 0 en 1. Teneinde een systematische beïnvloeding van oncontroleerbare variabelen op de granulaties te voorkomen, wordt de run order gerandomiseerd. Het centrumpunt en de hoekpunten van het design worden herhaald om de procesreproduceerbaarheid na te gaan. De gemiddelde absolute vochtigheidsgraad van de inlaatlucht van elk proces wordt bij de aanmaak van het experimenteel design als een oncontroleerbare variabele opgenomen.
22
Tabel 3.4.: ‘Mixture’ design met de run volgorde en mengselsamenstelling per batch. Batch
Run volgorde
Lactose
MCC
monohydraat
Gepregelatiniseerd zetmeel
P1
2
1
0
0
P2
10
0
1
0
P3
9
0
0
1
P4
1
2/3
1/3
0
P5
3
2/3
0
1/3
P6
8
1/3
2/3
0
P7
4
1/3
0
2/3
P8
6
1/3
1/3
1/3
P9
5
0
1/3carol
2/3
P10
11
0
2/3
1/3
P11
12
1
0
0
P12
14
0
1
0
P13
13
0
0
1
P14
7
1/3
1/3
1/3
Figuur 3.6.: ‘Mixture’ design met de locatie en codering van de experimenten.
23
3.2.2. Wervelbed granulatie Alle granulatie-experimenten worden uitgevoerd in een Glatt WSG 5 wervelbed granulator (Glatt GmbH, Binzen, Duitsland) (Figuur 3.7.). Dit toestel werd reeds gedetailleerd beschreven in een publicatie door Rantanen et al. (2000).
Figuur 3.7.: Glatt WSG 5 wervelbed granulator.
De temperatuur van de inlaatlucht wordt tijdens de meng- en sproeifase van elke granulatie ingesteld op 40°C en bij aanvang van de droogfase verhoogd tot 60°C. De mengtijd bedraagt 2,5 minuten. Een top spray geïnstalleerde sproeikop bevindt zich op een hoogte van 45 cm van de luchtverdelingsplaat en de atomisatiedruk is 1,5 bar. Als granulatievloeistof wordt een 15% w/w PVP oplossing in gezuiverd water gebruikt, dat met een debiet van 80 g/min over het bed verneveld wordt. De granules worden gedroogd na het toevoegen van 1000 g granulatievloeistof. Op basis van visuele waarneming wordt het debiet van de inkomende lucht aangepast zodat de hoogte van het wervelend bed constant blijft. Gedurende de volledige tijdspanne van elk proces worden de filterzakken gedurende 7 seconden geschud met een interval van 60 seconden.
24
Voor de identificatie van het eindpunt wordt een Fourier transform NIR (FT-NIR) spectrometer (Bühler NIRVIS, Uzwil, Zwitserland) gebruikt. Hiertoe werd een speciaal cuvetsysteem ontworpen dat een online meting van het watergehalte van de granulaten mogelijk maakt (Figuur 3.8.). Het systeem is opgebouwd uit een frame dat verankerd is met de onderzijde van de productcontainer. In dit frame kunnen twee glazen cuvetten geplaatst worden, waarin tijdens het granulatieproces materiaal zal terechtkomen. Een turbulente luchtstroom blaast de granules uit de cuvetten en maakt zo plaats voor nieuwe stalen. Stalen worden elke 5 seconden genomen, waarbij 1 seconde nodig is om de cuvetten volledig te vullen. Na het bevestigen van de FT-NIR camera op het frame, wordt via het glasraam een spectrum opgenomen in het golflengtegebied van 1100 tot 2200 nm. De absorptieband rond 1940 nm wordt gebruikt als waterindicator. Een minimale absorptie wordt gecorreleerd met het eindpunt. Ter bevestiging wordt het verschil in temperatuur gecontroleerd tussen de inkomende en uitgaande lucht.
FT-NIR
Figuur 3.8.: Eindpunt detectie: (a) online staalname via een dubbel cuvetsysteem door een luchtpuls, (b) FT-NIR camera vastgekoppeld aan het frame.
Na het beëindigen van elk wervelbed proces worden de producten over een zeef gebracht met openingen van 1,8 mm (Filtra Vibración S.L., Badalona, Spanje) om te grote aggregaten te verwijderen.
25
3.2.3. Karakterisatie van granules 3.2.3.1. Residueel vochtgehalte Na afloop van de droogfase wordt het residueel vochtgehalte van de granules gemeten via verlies door droging (loss on drying, LOD) in een infrarood oven (Sartorius Thermocontrol MA100, Sartorius, Göttingen, Duitsland). Hiertoe wordt een staal genomen aan de top van het granulebed. Ongeveer 3 g staalmateriaal wordt overgebracht op een aluminiumschaal en geplaatst in de oven. Vervolgens worden de granulaten ontwaterd bij 105°C tot het gewichtverlies minder dan 0,1% bedraagt gedurende 50 seconden. Het totale watergehalte kan worden afgelezen. Voor elke granulebatch wordt dit driemaal uitgevoerd.
3.2.3.2. Wateractiviteit De wateractiviteit is een maat voor de hoeveelheid vrij (niet gebonden) water dat aanwezig is in een product. Dit is van belang voor het verifiëren van zowel de kwaliteit als de stabiliteit van de finale granulaten. Voor deze analyse wordt gebruik gemaakt van een Aqualab 3TE wateractiviteitsmeter (Decagon Devices, Pullman, Verenigde Staten) met een accuraatheid van ± 0,003. Nadat de bodem van een schaaltje bedekt is met granules afkomstig van hetzelfde staal als onder sectie 3.2.3.1., wordt het in het meetinstrument gebracht. Aqualab 3TE bepaalt de wateractiviteit aan de hand van de gekoelde spiegeldauwpuntstechniek. Het aanwezige materiaal wordt geëquilibreerd met de lege bovenruimte in een afgesloten kamer, die naast een spiegel een detectiesysteem (fotoelektrische cel) bevat om het exacte punt vast te leggen waarbij condensatie optreedt. Bij evenwicht is de relatieve vochtigheidsgraad van de lucht gelijk aan de wateractiviteit.
3.2.3.3. Deeltjesgroottedistributie Een recent ontwikkeld Flashsizer 3D beeldanalyse systeem (Flashsizer 3D versie 11.117, Intelligent Pharmaceutics Ltd, Helsinki, Finland) wordt aangewend om de deeltjesgroottedistributie te bepalen. Met de Flashsizer 3D camera wordt een poeder- of granulemassa, met een optimale deeltjesgrootte tussen 50 en 2000 µm, vanuit twee invalshoeken door een glasraam belicht. De afmeting van het meetveld is 15,1 x 11,3 mm (1280 x 960 pixels). De twee lichtbronnen staan 180° tegenover elkaar in een horizontaal 26
vlak. De beelden genomen langs elke lichtbron worden met behulp van computergestuurde software gecombineerd ter 3D visualisatie van het partikeloppervlak. Met de topografische data wordt vervolgens de grootte van de deeltjes berekend.
De gebruikte opstelling is afgebeeld in Figuur 3.8. Het systeem bestaat uit de Flashsizer 3D camera (1) vastgekoppeld aan een stalen koker met glasraam (2). De afmeting van de rechthoekige koker bedraagt 40 x 40 mm. Voor aanvang van de meting wordt de koker volledig gevuld met de gezeefde granulaten via de daartoe voorziene voedingstrechter (3) (openingsdiameter van 40 mm). De sluiter (4) onderaan de koker is dan gesloten. Bij de start van de meting wordt de sluiter geopend en stromen de granules doorheen de koker in een emmer. Langs het raam neemt de camera intussen beelden op. Het aantal geregistreerde beelden is afhankelijk van de snelheid van de sluiteropeningen en de vloeibaarheid van de granules. De sluiter wordt elke seconde geopend gedurende 0,2 seconden. Door het continu aanvullen van de koker is het volledige meetveld van de camera op elk ogenblik ingenomen door granules. De meting wordt stopgezet wanneer de volledige batchhoeveelheid door de koker is gevloeid. Voor elke granulatie wordt de deeltjesgrootte in drievoud bepaald.
(3)
(1)
(2) (4)
Figuur 3.9.: Opstelling van het Flashsizer 3D beeldanalyse systeem: (1) Flashsizer 3D camera, (2) stalen koker met een glasraam naar de camera, (3) voedingstrechter, (4) sluiter met een controle-eenheid.
27
3.2.3.4. Vloeibaarheid Voor de karakterisatie van de vloei-eigenschappen van de granules wordt beroep gedaan op de Carr’s index (compressibiliteitsindex) en de Hausner ratio methode (Ph. Eur. 7.1., 2011). Het bulk- en schudvolume wordt hiertoe bepaald met een automatisch taptoestel (Erweka SVM, Erweka Apparatebau GmbH, Heusenstamm, Duitsland) onder gecontroleerde omstandigheden (23.5 ± 0.5°C, 50 ± 4%RV). Via een trechter wordt een nauwkeurig afgewogen hoeveelheid granules voorzichtig in een gegradueerde maatcilinder van 250 ml (nauwkeurig tot op 2 ml) gebracht. Het volume dat afgelezen wordt is het bulkvolume (V0). De geselecteerde granulemassa varieert in deze studie van 50 tot 100 g, zodanig dat V0 tussen 150 en 250 ml ligt. Na 10, 500 en 1250 taps worden de corresponderende volumes opnieuw afgelezen (V10, V500 en V1250). Indien het verschil tussen V500 en V1250 kleiner is dan 2 ml wordt V1250 beschouwd als het schudvolume (Vf). Wanneer het verschil in volume 2 ml overschrijdt wordt het experiment verdergezet in stappen van 1250 taps tot deze voorwaarde vervuld is. De proef wordt per batch drie keer herhaald. De Carr’s index en de Hausner ratio worden berekend aan de hand van onderstaande formules:
(3.1)
(3.2)
Waarbij:
: bulkvolume (ml) : schudvolume (ml)
De resultaten van de berekeningen worden vervolgens geïnterpreteerd op basis van Tabel 3.5.
Tabel 3.5.: Vloeibaarheid volgens de Carr’s index en de Hausner ratio (Ph. Eur. 7.1., 2011). Carr’s index (%)
Vloeibaarheid
Hausner Ratio
1-10
Uitstekend
1,00-1,11
11-15
Goed
1,12-1,18 28
16-20
Matig
1,19-1,25
21-25
Neutraal
1,26-1,34
26-31
Zwak
1,35-1,45
32-37
Slecht
1,46-1,59
>38
Zeer slecht
>1,60
De opstelling van het Flashsizer 3D beeldanalyse systeem (sectie 2.3.2.3.) laat toe, simultaan met de bepaling van de deeltjesgroottedistributie, de vloeibaarheid van de granules te evalueren. De vloeisnelheid kan worden berekend door de massa van de granulebatch te delen door de tijd die de granules nodig hebben om doorheen de opening van de koker te vloeien. Het resultaat wordt uitgedrukt in g/s.
3.2.3.5. Scanning elektronen microscopie Elektronenmicroscopie maakt gebruik van een bundel versnelde elektronen om de inhoud of het oppervlak van een preparaat in beeld te brengen. Deze microscopen zijn analoog opgebouwd als optische microscopen, maar hebben een elektronenkanon in plaats van een lichtbron. Elektronen hebben een kortere golflengte dan fotonen, waardoor de resolutie honderden maal beter is dan bij een klassieke lichtmicroscoop. In dit onderzoek wordt scanning elektronen microscopie (SEM) (FEI Quanta 250 Field Emission Gun Scanning Electron Microscope, FEI, Hillsboro, Verenigde Staten) gebruikt om gedetailleerde informatie te verwerven over de oppervlaktemorfologie en vorm van de granulaten.
Bij SEM wordt een hoogenergetische elektronenbundel in vacuümomgeving tot stand gebracht door het elektronenkanon. In tegenstelling tot de conventionele SEM, gebruikt het veldemissie systeem een koude bron van elektronen. De afgeschoten elektronen worden door elektromagnetische lenzen gefocust tot een zeer kleine spot. Deze spot loopt snel heen en weer over het oppervlak van een staal volgens een lijnpatroon. Hierbij maakt de primaire elektronenbundel
secundaire
elektronen
vrij,
die
informatie
leveren
over
de
oppervlaktestructuur. Een deel van de primaire elektronen wordt ook direct teruggestrooid, wat iets zegt over de hardheid van de materie. De losgeslagen secundaire elektronen worden daarna opgevangen door een detectiesysteem met fluorescerende schijf. Hierdoor
29
ontstaat een lichtsignaal, waarvan de intensiteit evenredig is met het aantal secundaire elektronen. Dit lichtsignaal wordt omgezet tot een videosignaal, dat gesynchroniseerd wordt met de scannende beweging om een scherp 3D beeld van het staaloppervlak te verkrijgen (www.vcbio.science.ru.nl).
Voorafgaand aan de SEM analyse worden representatieve stalen voor elke batch bereid door middel van een rotatieve staalverdeler (Fritsch Rotary Cone Divider Laborette 27, Idar-Oberstein, Germany). Hierna worden de stalen op een koolstoftape gebracht. Koolstof is een elektrisch geaard materiaal dat accumulatie van elektrostatische ladingen aan het oppervlak verhindert. Ook worden de stalen door sputtering gecoat met een ultradun laagje platina, wat het granulair materiaal elektrisch geleidend maakt. Op die manier hebben de granules niet de neiging zich op te laden wanneer ze gescand worden door de elektronen. Beelden worden genomen bij een vergroting van 300 x. Additioneel worden voor batches P1 en P11 ook beelden gemaakt bij een vergroting van 100 x.
3.2.4. Analyse van experimenteel design De dataverwerking van het experimenteel design gebeurt met Modde software 9.1. (Umetrics, Umeå, Zweden). Voor elke respons wordt een replicatieplot opgesteld om de ruwe data te analyseren. Hiertoe wordt de gemeten waarde van elk experiment uitgezet in een grafiek. Indien de variabiliteit van herhaalde experimenten beduidend kleiner is dan de totale variabiliteit, bemoeilijkt de replicatiefout de analyse niet. Overigens wordt aan de hand van een histogram gecontroleerd of de responsdata een normale verdeling benaderen. Wanneer dit niet het geval is, wordt een logaritmische transformatie uitgevoerd. Verder wordt voor elke respons een coëfficiëntenplot opgemaakt ter identificatie van significante effecten. Deze plot toont de regressiecoëfficiënten van de verschillende termen met het 95% betrouwbaarheidsinterval.
3.2.5. Optimalisatie van formulatie Voor de optimalisatie van een formulatie is het noodzakelijk de respons te kunnen voorspellen in functie van de variabelen. In dit onderzoek wordt het ‘mixture’ design van elke respons via onderstaande vergelijking beschreven: 30
(3.3.)
Waarbij:
: respons : constante : regressiecoëfficiënten van lineaire termen
: regressiecoëfficiënten van kwadratische termen : regressiecoëfficiënten van interactietermen : massafracties van mengselfactoren
De polynomiale vergelijking wordt gekenmerkt door een R² en Q² waarde. R² is een maat voor de correlatie of de ‘fit’ van de data van het opgestelde regressiemodel. De waarde ligt tussen 0 en 1, waarbij de waarde 1 overeenstemt met een perfect model. Q² duidt aan hoe goed het regressiemodel in staat is de respons van nieuwe experimenten te voorspellen. De maximale waarde bedraagt 1, maar er is geen ondergrens. Q² is aanvaardbaar bij een waarde hoger dan 0,5. Voor een goed model mag het verschil tussen de R² en Q² waarde niet groter zijn dan 0,2 tot 0,3.
31
4. RESULTATEN EN DISCUSSIE Tabel 4.1. geeft een overzicht van de droogtijd en granulekarakteristieken van de veertien batches. Daarnaast wordt ook de absolute vochtigheidsgraad van de inkomende lucht vermeld.
4.1. ANALYSE VAN EXPERIMENTEEL DESIGN 4.1.1. Droogtijd Figuur 4.1. geeft de replicatieplot van de droogtijd weer. Uit deze plot kan worden afgeleid dat batches P1 en P11, en P3 en P13 een grote onderlinge variabiliteit vertonen ten opzichte van de totale variabiliteit. Verder toont de replicatieplot dat batches P2, P6 en P12 een korte droogtijd nodig hadden in verhouding tot batch P1. Deze laatste vaststelling kan niet verklaard worden op basis van de functionele karakteristieken van de respectievelijke materialen. Door de hygroscopiciteit van MCC en gepregelatiniseerd zetmeel wordt er immers verwacht dat alle granules die hieruit samengesteld zijn een langere droogtijd vereisen dan deze opgebouwd uit α-lactose monohydraat. Water moet eerst vanuit de interne structuur naar het oppervlak diffunderen alvorens verdamping optreedt. Bij lactose daarentegen vindt een onmiddellijke evaporatie plaats aan het partikeloppervlak. Plot of Replications for Droogtijd with Experiment Number labels 3
1500 1400 1300 Droogtijd
1 1200
9
4
13
7 10
1100
5 8
1000 2
14
900 6
800
11 12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Replicate Index
Figuur 4.1.: Replicatieplot van de droogtijd.
De resultaten van de droogtijd stemmen niet overeen met in de literatuur gepubliceerde bevindingen. Rantanen et al. (2001) gebruikten een ‘mixture’ design met
32
Tabel 4.1.: Overzicht van de droogtijd, granulekarakteristieken en absolute vochtigheidsgraad van de inlaatlucht van de batches. Batch
Droogtijd (s)
Residueel
Wateractiviteit
vochtgehalte (%)
Carr’s
Deeltjesgroottedistributie d10 (µm)
a
d50 (µm)
a
d90 (µm)
a
index (%)
Hausner a
a
ratio
a
Flashsizer
Absolute
vloeibaarheid vochtigheid (g/s)a
inlaatlucht (g/m3)b
P1
1247
0,38 ± 0,07
0,076
375 ± 26
618 ± 42
904 ± 76
9,0 ± 0,5
1,10 ± 0,01
43,9 ± 0,2
5,18
P2
952
4,30 ± 0,15
0,257
147 ± 6
283 ± 16
453 ± 32
19,1 ± 0,5
1,24 ± 0,01
12,6 ± 0,3
4,33
P3
1519
4,88 ± 0,14
0,089
130 ± 12
257 ± 25
409 ± 50
14,5 ± 0,8
1,17 ± 0,01
18,9 ± 0,4
4,87
P4
1195
1,22 ± 0,04
0,131
183 ± 12
337 ± 21
525 ± 41
11,0 ± 0,1
1,12 ± 0,00
15,1 ± 1,0
3,02
P5
1091
1,76 ± 0,13
0,073
266 ± 22
460 ± 39
698 ± 73
11,1 ± 1,0
1,13 ± 0,01
27,0 ± 2,0
4,23
P6
811
3,25 ± 0,08
0,243
172 ± 11
333 ± 25
531 ± 48
16,1 ± 0,7
1,19 ± 0,01
12,9 ± 0,3
4,81
P7
1168
3,36 ± 0,14
0,084
188 ± 16
354 ± 30
552 ± 55
12,9 ± 0,4
1,15 ± 0,01
22,4 ± 0,3
4,26
P8
1021
2,60 ± 0,09
0,078
174 ± 9
327 ± 18
521 ± 37
15,6 ± 1,0
1,19 ± 0,01
14,7 ± 0,3
3,25
P9
1226
6,32 ± 0,17
0,198
163 ± 13
309 ± 25
493 ± 50
15,8 ± 0,5
1,19 ± 0,01
14,1 ± 1,7
5,81
P10
1132
4,86 ± 0,02
0,214
125 ± 10
247 ± 20
407 ± 43
17,9 ± 0,5
1,22 ± 0,01
11,6 ± 0,4
4,37
P11
794
0,59 ± 0,18
0,085
313 ± 27
518 ± 48
779 ± 87
7,2 ± 0,5
1,08 ± 0,01
39,3 ± 0,8
4,65
P12
749
4,98 ± 0,16
0,311
137 ± 7
267 ± 15
435 ± 37
22,3 ± 0,4
1,29 ± 0,01
12,8 ± 2,6
3,31
P13
1215
5,22 ± 0,03
0,096
163 ± 15
319 ± 30
511 ± 60
14,0 ± 0,1
1,16 ± 0,00
19,3 ± 2,3
4,16
P14
913
3,73 ± 0,03
0,181
208 ± 17
376 ± 29
584 ± 54
12,6 ± 0,5
1,14 ± 0,01
14,2 ± 1,4
4,68
a
Gemiddelde ± SD, n = 3
b
Gemiddelde van het granulatieproces
33
dezelfde vulstoffen (α-lactose monohydraat, MCC en gepregelatiniseerd zetmeel) ter optimalisatie van een verapamil hydrochloride formulatie. De formulatie met enkel lactose als vulstof had de kortste droogtijd nodig in de wervelbed granulator. De formulaties met enkel MCC en gepregelatiniseerd zetmeel moesten respectievelijk 800 en 1000 seconden langer drogen. Deze resultaten voldoen dus aan het wat er theoretisch verwacht wordt. De reden waarom gepregelatiniseerd zetmeel een iets langere droogtijd vergt dan MCC heeft vermoedelijk te maken met het waterbindend vermogen. Gepregelatiniseerd zetmeel is volledig amorf, terwijl MCC over kristallijne regio’s beschikt. MCC is ook poreus, waardoor het water gemakkelijker afgegeven wordt tijdens de droogfase.
Aangezien het niet mogelijk is de afwijkende droogtijden volledig te verklaren aan de hand van specifieke procesvariabelen (bv. luchtvochtigheidsgraad), werd het eindpunt van het proces vermoedelijk niet altijd accuraat bepaald. Dit vermoeden wordt bevestigd na onderzoek van de procesdata met inline vochtigheidsgraad- en temperatuursmetingen. Bij batches P2, P6, P12, en verder bij batch P14, was op het vastgelegde eindpunt de vochtigheidsgraad van de uitlaatlucht groter dan de vochtigheidsgraad van de inkomende lucht. Bovendien was het temperatuursverschil van de lucht voor en na de productcontainer voor deze batches aanzienlijk groot in vergelijking met de andere experimenten, wat aangeeft dat de lucht nog steeds gekoeld werd door waterdamp.
Een directe analyse van de droogtijd wordt toegelaten, omdat de data normaal verdeeld zijn. In de coëfficiëntenplot kunnen geen significante termen opgemerkt worden (Figuur 4.2.). Unscaled Coefficients for Droogtijd 1000
0
-500
N=14
R2=0,573
MCC*Zetm
Lact*Zetm
Lact*MCC
Zetm*Zetm
MCC*MCC
Lact*Lact
Zetm
MCC
-1000
Lact
s
500
RSD=178,2
Figuur 4.2.: Coëfficiëntenplot de droogtijd. DF=8 Q2=-0,431 Conf. van lev.=0,95 34
4.1.2. Residueel vochtgehalte Uit de replicatieplot in Figuur 4.3. kan worden afgeleid dat de granulaten met een identieke vulstofsamenstelling een gelijkaardige hoeveelheid vocht bezaten na het beëindigen van het proces, ondanks de grote onderlinge verschillen in de tijdsduur van de droogfase. De data voor het residueel vochtgehalte zijn normaal verdeeld, waardoor geen logaritmische transformatie nodig is. Plot of Replications for Residueel vochtgehalte with Experiment Number labels 9 6,0
Residueel vochtgehalte
5,0
3
13
12
10
2 4,0
14 7
6 3,0
8 2,0
5 4
1,0
11
1 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Replicate Index
Figuur 4.3.: Replicatieplot van het residueel vochtgehalte.
Uit de coëfficiëntenplot blijkt dat α-lactose monohydraat en gepregelatiniseerd zetmeel een significante invloed uitoefenen op het residueel vochtgehalte, zij het in een tegengestelde richting (Figuur 4.4.). Lactose vertoont een sterk negatieve invloed op de LOD waarde. Dit betekent dat het totale watergehalte lager is naarmate een hogere massafractie van lactose gebruikt wordt. De significante invloed kan worden verklaard doordat lactose niet het vermogen heeft om vocht op te nemen. Hoe hoger het gehalte in de formulatie, hoe meer vloeistof in ongebonden toestand aanwezig is aan het oppervlak. Het water kan via droging eenvoudig verdampen, waardoor een minimale hoeveelheid vocht overblijft na het bereiken van het granulatie-eindpunt. Gepregelatiniseerd zetmeel heeft, door zijn hygroscopisch karakter, een positief effect op de residuele hoeveelheid vocht. Een hoger aandeel in de formulatie resulteert in een hoger vochtgehalte. De geabsorbeerde watermoleculen worden stevig vastgehouden in de opgezwollen, amorfe structuur en worden tijdens het droogproces moeilijker van de producten verwijderd.
35
Unscaled Coefficients for Residueel vochtgehalte
4
%
2
0
-2
-4
N=14
R2=0,952
MCC*Zetm
Lact*Zetm
Lact*MCC
Zetm*Zetm
MCC*MCC
Lact*Lact
Zetm
Lact
MCC
-6
RSD=0,5162
DF=8 Q2=0,864 Conf. lev.=0,95 vochtgehalte. Figuur 4.4.: Coëfficiëntenplot van het residueel
4.1.3. Wateractiviteit Uit de replicatieplot kan worden geconcludeerd dat de granules van de herhaalde experimenten een vergelijkbaar vrij watergehalte hadden na afloop van het proces (Figuur 4.5.). Het grootste onderlinge verschil doet zich voor bij batches P8 en P14. Mogelijke oorzaken zijn het verschil in de droogtijd, een minder representatieve staalname en de mate waarin het schaaltje gevuld werd. Voor deze respons zijn de data normaal verdeeld. Plot of Replications for Water activiteit with Experiment Number labels 12 0,30
2
Water activiteit
0,25
6 10
0,20
9 14
0,15 4 0,10
13
3
7
1 1
2
3
4
5
6
7
11
8
5 8
9
10
11
12
13
14
Replicate Index
Figuur 4.5.: Replicatieplot van de wateractiviteit.
De coëfficiëntenplot toont een significant positieve invloed van MCC op de wateractiviteit (Figuur 4.6.). Een hogere wateractiviteit wordt verkregen wanneer een hogere massafractie van MCC gebruikt wordt. Zografi en Kontny (1986) stelden dat het geabsorbeerde water in de amorfe regio’s van MCC direct aan de hydroxylgroepen kan binden, maar dat steeds een hoeveelheid als bulkwater aanwezig blijft. Omdat batches P2, 36
P6, P12 en P14 niet volledig gedroogd werden (sectie 4.1.1.), bevond zich nog veel vrij water in de granules. Dit water is in principe eenvoudig te verdampen, al heeft het tijd nodig voor de diffusie naar het oppervlak. Het is bijgevolg plausibel dat de gevonden significantie niet algemeen geldt. In een studie verricht door de firma Colorcon werd de wateractiviteit van veelgebruikte farmaceutische excipientia vergeleken (www.colorcon.com). In tegenstelling tot de resultaten van deze studie, werd een lage wateractiviteit geconstateerd voor MCC. Gepregelatiniseerd zetmeel vertoonde een bijna identieke waarde, terwijl de wateractiviteit voor de hydraatvorm van lactose iets hoger was. Verder onderzoek is aangewezen naar het effect van MCC op de wateractiviteit bij een correcte bepaling van het eindpunt. Unscaled Coefficients for Water activiteit 0,30
0,20
0,10
-0,00
-0,10
N=14
R2=0,884
MCC*Zetm
Lact*Zetm
Lact*MCC
Zetm*Zetm
MCC*MCC
Lact*Lact
Zetm
MCC
Lact
-0,20
RSD=0,03515
Figuur 4.6.:DF=8 Coëfficiëntenplot van delev.=0,95 wateractiviteit. Q2=0,723 Conf.
4.1.4. Deeltjesgroottedistributie Figuur 4.7. geeft de replicatieplots van de d10, d50 en d90 waarde weer. De responsvariabiliteit van de herhaalde punten in het experimenteel design is beperkt. Een logaritmische transformatie wordt uitgevoerd voor de d10 en d50 waarde om normaal verdeelde data te verkrijgen. De data voor de d90 waarde vereisen geen logaritmische transformatie.
37
Plot of Untransformed Replications for d10 with Experiment Number labels 1 350 11
d10
300 5 250
14
200
7
4 150
8
6
13
9
2
12
3 1
2
3
10 4
6 7 8 9 Plot of5 Untransformed Replications for d50 10 Replicate Index with Experiment Number labels
11
12
13
14
1 600 550 11
d50
500 5
450 400
14 7
350
4
6
8
13
9
300
2
12
3
250 1
2
3
10 4
5 6 7 9 Plot of Replications for 8d90 Replicate Indexlabels with Experiment Number
10
11
12
13
14
1
900
800
11
5
d90
700
600
14 7
6
4
8
500
13
9 2
12 3
400 1
2
3
10 4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Replicate Index
Figuur 4.7.: Replicatenplots van de d10, d50 en d90 waarde.
Uit de coëfficiëntenplots kan worden afgeleid dat α-lactose monohydraat een significante invloed heeft op de d10 en d50 waarde (Figuur 4.8.). Bij een verhoging van de massafractie van lactose worden grotere granules gevormd. Doordat bij lactose de granulatievloeistof zich aan de buitenzijde bevindt, kunnen meer vloeistofbruggen ontstaan en zullen de poederdeeltjes sterker samenklitten. Naast de hygroscopiciteit speelt ook de wateroplosbaarheid een fundamentele rol. Lactose kan, vergeleken met de twee andere 38
excipiënten, beter bevochtigd worden, omdat het gemakkelijker oplost in water. Als meer lactose oplost, zal deze ook extra vaste bruggen kunnen opbouwen na een rekristallinisatie bij droging (Juslin en Yliruusi, 1996). Unscaled Coefficients for d10~ 0,4
µm
0,2
-0,0
-0,2
Lact*MCC
Lact*Zetm
MCC*Zetm
Lact*MCC
Lact*Zetm
MCC*Zetm
Lact*Zetm
MCC*Zetm
Zetm*Zetm
MCC*MCC
Lact*MCC
N=14 DF=8
Lact*Lact
Zetm
MCC
Lact
-0,4
R2=0,905 RSD=0,05567 Unscaled Coefficients for d50~ Q2=0,701
Conf. lev.=0,95
0,30 0,20
µm
0,10 -0,00 -0,10 -0,20 -0,30
N=14 DF=8
R2=0,886
Zetm*Zetm
MCC*MCC
Lact*Lact
Zetm
MCC
Lact
-0,40
RSD=0,04977
Unscaled CoefficientsConf. for d90lev.=0,95 Q2=0,632
400
200
µm
0
-200
N=14 DF=8
R2=0,889 Q2=0,635
Zetm*Zetm
Lact*Lact
Zetm
MCC
Lact
-600
MCC*MCC
-400
RSD=61,22 Conf. lev.=0,95
Figuur 4.8.: Coëfficiëntenplots van de (a) d10, (b) d50 en (c) d90 waarde.
39
De resultaten van de deeltjesgroottedistributie stemmen overeen met eerdere vaststellingen. In de studie door Rantanen et al. (2001) werd voor elke formulatie binnen het design de gemiddelde deeltjesgrootte bepaald. Een model werd ontwikkeld (R² = 0,91 , Q² = 0,79), waaruit blijkt dat lactose ook de grootste granules vormt. Verder kan uit het model besloten worden dat gepregelatiniseerd zetmeel in grotere granules resulteert dan MCC. Een verklaring hiervoor is dat gepregelatiniseerd zetmeel bij bevochtiging kleverig wordt en zelf als binder fungeert. In dit onderzoek dient wel één uitzondering opgemerkt te worden, met name voor batch P3. De granules hiervan vertonen een kleinere grootte dan deze van batches P2 en P12. Dit is mogelijks een gevolg van de langere verblijftijd in de granulator (sectie 4.1.1.), waardoor de producten meer onderhevig waren aan wrijving.
4.1.5. Vloeibaarheid De replicatieplots in Figuur 4.9. tonen een geringe variabiliteit in de Hausner ratio en Carr’s index van de herhaalde experimenten. De data voor beide responsen zijn normaal Plot of Replications for Carr's index with Experiment Number labels
verdeeld.
12
22 20 2
Carr's index
18
10 6
16
9
8
3
14
13 7
14
12 5
4 10 1 8
11 1
2
3
Plot5 of Replications ratio 6 7 for Hausner 8 9 with Experiment Replicate NumberIndex labels
4
10
11
12
13
14
12
1,25 2 Hausner ratio
10 1,20
6
9
8
3
13
1,15
7
1,10
14
5
4 1
11 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Replicate Index
Figuur 4.9.: Replicatieplots van de Carr’s index en Hausner ratio. 40
Uit de coëfficiëntenplots kan worden geconcludeerd dat α-lactose monohydraat en MCC significante variabelen zijn voor de Carr’s index en Hausner ratio (Figuur 4.10.). Lactose heeft een negatief effect op deze responsen, wat indiceert dat de granulevloei verbetert naarmate een hoger gehalte van lactose gebruikt wordt. Dit komt omdat lactose in staat is grotere granules te vormen (sectie 4.1.4.), die betere vloei-eigenschappen vertonen door minder sterke cohesie- en adhesiekrachten. De gevonden significantie kan verder worden verklaard met behulp van de SEM beelden (Figuur 4.11.). Hierop is zichtbaar dat de granules van batches P1 en P11 sferisch zijn en over een gladde oppervlaktetextuur beschikken. In tegenstelling tot de andere experimenten, waarbij de granules ruw en onregelmatig zijn, wordt de vloei weinig gehinderd door wrijving en interlocking. Aangezien MCC een positieve invloed heeft op de Carr’s index en Hausner ratio, vermindert de granulevloei bij een verhoging van de massafractie van MCC. MCC vormt namelijk kleinere granules (sectie 4.1.4.), die cohesief zijn en minder goed vloeien. Voorts blijkt uit de SEM beelden dat batches P2 en P12 niet succesvol gegranuleerd werden. De staafvorm en grove oppervlaktemorfologie van de granules van deze batches belemmeren de vloei. Unscaled Coefficients for Carr's index 10
%
5
0
-5
N=14 DF=8
MCC*Zetm
Lact*Zetm
Lact*MCC
Zetm*Zetm
MCC*MCC
Lact*Lact
Zetm
MCC
Lact
-10
UnscaledR2=0,945 Coefficients for RSD=1,208 Hausner ratio Q2=0,846
Conf. lev.=0,95
0,10
0,05
-0,00
-0,05
N=14 DF=8
R2=0,940 Q2=0,827
MCC*Zetm
Lact*Zetm
Lact*MCC
Zetm*Zetm
MCC*MCC
Lact*Lact
Zetm
Lact
-0,15
MCC
-0,10
RSD=0,01738 Conf. lev.=0,95
Figuur 4.10.: Coëfficiëntenplots van de (a) Carr’s index en (b) Hausner ratio. 41
P1
P11
P2
P12
P3
P13
Figuur 4.11.: SEM beelden van de hoekpunten van het experimenteel design.
De opstelling van het Flashsizer beeldanalyse systeem maakt een kwantitatieve vergelijking mogelijk van de vloeibaarheid van de granulaten. Uit Figuur 4.12. kan worden afgeleid dat de responsvariabiliteit van de experimenten met een identieke formulatie minimaal is, wat een goede reproduceerbaarheid doet vermoeden. De ruwe data zijn normaal verdeeld. 42
Plot of Replications for Flashsizer vloeibaarheid with Experiment Number labels 45
1
Flashsizer vloeibaarheid
40
11
35 30 5 25 7 20
13
3 4
15
8
9
6
2
14
12
10
10 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Replicate Index
Figuur 4.12.: Replicatieplot van de Flashsizer vloeibaarheid.
De vloeisnelheid doorheen de koker van het systeem wordt significant beïnvloed door α-lactose monohydraat en MCC (Figuur 4.13.). Net als bij de Carr’s index en Hausner ratio methode, heeft lactose een positieve effect op de granulevloei en zorgt MCC voor een negatieve invloed. Dezelfde verklaringen zijn hier van toepassing. Verder kunnen in de coëfficiëntenplot significant positieve kwadratische termen gezien worden voor lactose en MCC, alsook een sterke negatieve interactie tussen deze twee hulpstoffen. Dit wijst op een kwadratisch gedrag en niet-lineaire effecten. Unscaled Coefficients for Flashsizer vloeibaarheid
20 10
-10 -20 -30
N=14
R2=0,969
MCC*Zetm
Lact*Zetm
Lact*MCC
Zetm*Zetm
MCC*MCC
Lact*Lact
Zetm
MCC
-40 Lact
g/s
0
RSD=2,275
Figuur 4.13.: Coëfficiëntenplot Flashsizer DF=8 Q2=0,896van de Conf. lev.=0,95 vloeibaarheid.
43
4.2. OPTIMALISATIE VAN FORMULATIE Voor elke respons wordt een polynomiale vergelijking opgesteld. De niet-significante termen worden niet uit het regressiemodel geëxcludeerd, aangezien deze de voorspelde responswaarden weinig beïnvloeden. De lage R² en Q² waarde voor de droogtijd duiden aan dat deze vergelijking onbetrouwbaar is.
(4.1)
(4.2)
(4.3)
(4.4)
(4.5)
(4.6)
(4.7)
44
(4.8)
(4.9)
Waarbij:
: massafractie van α-lactose monohydraat : massafractie van MCC : massafractie van gepregelatiniseerd zetmeel
In de toekomst kan men vergelijkingen of modellen gebruiken om te berekenen welke combinatie van factoren leidt tot een gewenste respons. In deze studie werden geen gewenste responswaarden of -limieten gedefinieerd, waardoor geen optimum kan worden vastgelegd. Aangezien er in totaal negen vergelijkingen zijn, kunnen twee mogelijkheden onderscheiden worden. Een eerste mogelijkheid is dat er effectief een optimale combinatie van factoren bestaat om tot de negen gewenste responsen komen. Dit noemt men een ‘sweet spot’. Een tweede mogelijkheid is dat er zich een conflict voordoet. Men zal een compromis moeten zoeken en nagaan welke responsen primeren in functie van het doel.
45
5. CONCLUSIES Deze masterproef had tot doel de invloed van drie verschillende excipiënten (α-lactose monohydraat, MCC en gepregelatiniseerd zetmeel) op de finale granulekwaliteit van een paracetamol formulatie te onderzoeken. De vulstofsamenstelling werd gevarieerd volgens een ‘mixture’ design. In totaal werden veertien experimenten (batches P1 tot P14) uitgevoerd met wervelbed granulatie. Om een evaluatie van granulatiegedrag toe te laten werd er onder identieke procesomstandigheden gewerkt. De kwaliteit van de granulaten werd
bestudeerd
door
het
residueel
vochtgehalte,
de
wateractiviteit,
deeltjesgroottedistributie en vloeibaarheid te bepalen. Bij de aanmaak van het experimenteel design werd verder de droogtijd als een procesrespons geïncludeerd. Er werd getracht de bevindingen te correleren met de functionele karakteristieken van de excipientia.
Voor de droogtijd konden geen significante mengselfactoren worden geobserveerd. Dit kon worden verklaard door de grote onderlinge variabiliteit van de herhaalde experimenten. Daarnaast werd het eindpunt van verschillende batches (P2, P6, P12 en P14) onderschat, waardoor het vinden van een correlatie complexer wordt. Het residueel vochtgehalte werd, ondanks de grote onderlinge verschillen in de droogtijd, significant beïnvloed door α-lactose monohydraat en gepregelatiniseerd zetmeel. Lactose had een sterk negatieve invloed op het totale vochtgehalte, omdat het niet hygroscopisch is. Aan het oppervlak blijft meer vloeistof aanwezig, dat gemakkelijk kan verdampen tijdens de droogfase. Gepregelatiniseerd zetmeel zorgde voor een positief effect op het residueel vochtgehalte. Dit hygroscopisch excipient zwelt bij bevochtiging en geeft het opgenomen water moeilijker af. MCC vertoonde een significant positief effect op de wateractiviteit. Dit kon echter niet worden uitgelegd door de functionele karakteristieken van MCC. Mogelijk is de gevonden significantie niet reëel, omwille van de te korte droogtijden van de granules die hieruit opgebouwd zijn.
De d10 en d50 waarden bleken significant positief beïnvloed door α-lactose monohydraat. Opnieuw ligt het niet hygroscopisch vermogen van lactose hier aan de basis van. Meer vloeistofbruggen kunnen immers ontstaan voor het agglomereren van de 46
poederdeeltjes. Daarenboven is lactose het best wateroplosbaar en kunnen additionele vaste bruggen worden opgebouwd door een rekristallinisatie bij droging. Uit de resultaten van de deeltjesgroottedistributie kon gezien worden dat, met uitzondering voor batch P3, gepregelatiniseerd zetmeel grotere granules vormde dan MCC. Beide excipiënten zijn hygroscopisch, maar gepregelatiniseerd zetmeel heeft de eigenschap bij bevochtiging zelf als binder te fungeren. Een verklaring voor de kleinere granulegrootte van batch P3 is de langere droogtijd, waardoor de producten meer onderhevig waren aan slijtage door wrijving.
α-Lactose monohydraat en MCC hadden een significant tegengesteld effect op de vloeibaarheid bepaald via de Carr’s index en Hausner ratio methode. Een hogere massafractie van lactose resulteerde in een betere granulevloei. De granules samengesteld uit lactose zijn groter, waardoor ze minder cohesiekrachten uitoefenen op elkaar. Bovendien werd aan de hand van de SEM beelden aangetoond dat lactose sferische granules vormt met een glad oppervlak. De vloei wordt minder gehinderd door wrijving en mechanische vernesteling. Bij het werken met een hoger gehalte van MCC werd een minder goede granulevloei verkregen. Granules opgebouwd uit MCC zijn kleiner en vertonen op de SEM beelden een onregelmatige structuur met een grof oppervlak. De gevonden correlaties werden bevestigd met de directe Flashsizer methode, wat de waarde ervan versterkt.
De opgestelde vergelijkingen of modellen kunnen in de toekomst worden gebruikt voor het voorspellen van de optimale combinatie van de mengselfactoren die leidt tot de gewenste responsen. Indien het niet mogelijk is een ‘sweet spot’ te lokaliseren, waarbij een identieke vulstofsamenstelling vereist is om tot alle gewenste responsen te komen, zal men een afweging moeten maken. Binnen een farmaceutisch bedrijf is overlegd noodzakelijk om te beslissen welke granulekarakteristieken primeren naar kwaliteit of productie toe.
47
6. LITERATUURLIJST http://www.vcbio.science.ru.nl/image-gallery/electron/ (28-07-2012). http://www.colorcon.com/literature/marketing/ex/Starch%201500/water_activity_lod2.pdf (10-08-2012). Abberger, T.; Seo, A.; Schaefer, T. (2002). The effect of droplet size and powder particle size on the mechanisms of nucleation and growth in fluid bed melt agglomeration. International Journal of Pharmaceutics, 249, 185-197. Airaksinen, S.; Karjalainen, M.; Räsänen, E.; Rantanen, J.; Yliruusi, J. (2004). Comparison of the effects of two drying methods on polymorphism of theofylline. International Journal of Pharmaceutics, 276, 129-141. Alden, M.; Torkington, P.; Strutt, A. C. R. (1988). Control and instrumentation of a fluidizedbed drier using the temperature-difference technique I. Development of a working model. Powder Technology, 54, 15-25. Augsburger, L. L.; Vuppala, M. K. (1997). Theory of granulation. In: Handbook of Pharmaceutical Granulation Technology, Parikh D. M. (Ed.), Marcel Dekker, New York. Aulton, M. E.; Banks, M. (1981). Fluidised bed granulation – factors influencing the quality of the product. International Journal of Pharmaceutical Technology and Product Manufacture, 2, 24-29. Bacher, C.; Olsen, P. M.; Bertelsen, P.; Sonnergaard, J. M. (2008). Compressibility and compactibility of granules produced by wet and dry granulation. International Journal of Pharmaceutics, 358, 69-74. Briens, L.; Bojarra, M. (2010). Monitoring fluidized bed drying of pharmaceutical granules. AAPS PharmSciTech, 11, 1612-1618. Davies, W. L.; Gloor, W. T. (1971). Batch production of pharmaceutical granulations in a fluidized bed I: Effects of process variables on physical properties of final granulation. Journal of Pharmaceutical Sciences, 60, 1869-1874.
48
Ennis, B. J.; Litster, J. D. (1997). Particle size enlargement. In: Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, Perry R. H. and Green D. W. (Eds.), McGraw-Hill, New York. Eriksson, L.; Johansson, E.; Kettaneh-Wold, N.; Wikström, C.; Wold, S. (2008). Design of experiments: principles and applications, Umetrics Academy, Umetrics AB, Umea. Eriksson, L.; Johansson, E.; Wikström, C. (1998). Mixture design – design generation, PLS analysis, and model usage. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 43, 1-24. European Pharmacopoeia (Ph. Eur.) 7.1. (2011). Stationery Office. Faure, A.; York, P.; Rowe, R. C. (2001). Process control and scale-up of pharmaceutical wet granulation processes: a review. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 52, 269-277. Gao, J. Z. H.; Jain, A.; Motheram, R.; Gray, D. B.; Hussain, M. A. (2002). Fluid bed granulation of a poorly water soluble, low density, micronized drug: comparison with high shear granulation. International Journal of Pharmaceutics, 237, 1-14. Geldart, D. (1973). Types of gas fluidization. Powder Technology, 7, 285-292. Gohel, M. C.; Jogani, P. D. (2005). A review of co-processed directly compressible excipients. Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, 8, 76-93. Handbook of Pharmaceutical Excipients. (2009). Rowe R. C., Sheskey P. J., Quinn M. E. (Eds.), Pharmaceutical Press, London. Hlinak, A. J.; Saleki-Gerhardt, A. (2000). An evaluation of fluid bed drying of aqueous granulations. Pharmaceutical Development and Technology, 5, 11-17. Jones, D. M. (1985). Factors to consider in fluid-bed processing. Pharmaceutical Technology, 9, 50-62. Juslin, L.; Yliruusi, J. (1996). The effect of fluidized bed granulation on the crystal properties of lactose, glucose and mannitol. STP Pharma Sciences, 6, 173-178. Kapur, P. C.; Fuerstenau, D. W. (1964). Kinetics of green pelletization. Trans AIME, 229, 348355. 49
Kristensen, H. G.; Schaefer, T. (1987). Granulation: a review on pharmaceutical wetgranumlation. Drug Development and Industrial Pharmacy, 13, 803-872. Kunni, D.; Levenspiel, O. (1991). Fluidization Engineering, Butterworth-Heunemann, Newton. Lipsanen, T. (2008). Process Analytical Technology Approach on Fluid Bed Granulation and Drying – Identifying Critical Relationships and Constructing the Design Space, PhD thesis, University of Helsinki, Viikki. Lipsanen, T.; Antikainen, O.; Räikkönen, H.; Airaksinen, S.; Yliruusi, J. (2008). Effect of fluidisation activity on end-point detection of a fluid bed drying process. International Journal of Pharmaceutics, 357, 37-43. Liske, T.; Mobus, W. (1968). The manufacture and comparative aspects of fluidized layer spray granulation. Drugs Made in Germany, 11, 182-189. Luypaert, J.; Massart, D. L.; Vander Heyden, Y. (2007). Near-infrared spectroscopy applications in pharmaceutical analysis. Talanta, 72, 865-883. Martindale: The Complete Drug Reference. (2009). Sweetman C. S. (Ed.), Pharmaceutical Press, London. Morris, K. R.; Stowell, J. G.; Byrn, S. R.; Placette, A. W.; Davis, T. D.; Peck, G. E. (2000). Accelerated fluid bed drying using NIR monitoring and phenomenological modeling. Drug Development and Industrial Pharmacy, 26, 985-988. Ormos, Z., Pataki, H. (1979). Studies on granulation in a fluidised bed. VII. The effect of raw material upon the granule formation. Hungarian Journal of Industrial Chemistry, 7, 89-104. Parikh, D. M.; Bonck, J. A.; Mogavero, M. (1997). Batch fluid bed granulation. In: Handbook of Pharmaceutical Granulation Technology, Parikh D. M. (Ed.), Marcel Dekker, New York. Rambali, B.; Baert, L.; Thoné, D.; Massart, D. L. (2001). Using experimental design to optimize the process parameters in fluidized bed granulation. Drug Development and Industrial Pharmacy, 27, 47-55.
50
Rantanen, J.; Jorgensen, A.; Räsänen, E.; Luukkonen, P.; Airaksinen, S.; Raiman, J.; Hänninen, K.; Antikainen, O.; Yliruusi, J. (2001). Process analysis of fluidized bed granulation. AAPS PharmSciTech, 2, article 21. Rantanen, J.; Känsäkoski, M.; Suhonen, J.; Tenhunen, J.; Lehtonen, S.; Rajalahti, T.; Mannermaa, J. P.; Yliruusi, J. (2000). Next generation fluidized bed granulator automation. AAPS PharmSciTech, 1, article 10. Roy, P.; Khanna, R.; Subbarao, D. (2010). Granulation time in fluidized bed granulators. Powder Technology, 199, 95-99. Rubino, O. P. (1999). Fluid-bed technology: overview and criteria for process selection. Pharmaceutical Technology, 23, 104-113. Rumpf, H. (1962). The strength of granules and agglomerates. In: Agglomeration, Knepper W. A. (Ed.), Wiley Interscience, New York. Sastry, K. V. S.; Fuerstenau, D. W. (1973). Mechanisms of agglomerate growth in green pelletization. Powder Technology, 7, 97-105. Schaefer, T. (1988). Equipment for wet granulation. Acta Pharmaceutica Suecica, 25, 205228. Schaefer, T.; Worts, O. (1978). Control of fluidized bed granulation. IV. Effects of binder solution and atomization on granule size and size distribution. Archiv der Pharmazie – Chemistry in Life Sciences, 6, 14-25. Schinzinger, O.; Schmidt, P. C. (2005). Comparison of the granulation behaviour of three different excipients in a laboratory fluidized bed granulator using statistical methods. Pharmaceutical Development and Technology, 10, 175-188. Schmidt, C.; Kleinebudde, P. (1999). Influence of the granulation step on pellets prepared by extrusion/spheronization. Chemical & Pharmaceutical Bulletin, 47, 405-412. Schwartz, J. B. (1988). Granulation. Drug Development and Industrial Pharmacy, 14, 20712090.
51
Srivastava, S.; Mishra, G. (2010). Fluid bed technology: overview and parameters for process selection. International Journal of Pharmaceutical Sciences and Drug Research, 2, 236-246. Summers, M.; Aulton, M. E. (2002). Granulation. In: Pharmaceutics: the science of dosage form design, Aulton M. E. (Ed.), Churchill Livingstone, Leicester. Teunou, E.; Poncelet, D. (2002). Batch and continuous fluid bed coating – review and state of the art. Journal of Food Engineering, 53, 325-340. Vahlas, C.; Caussat, B.; Serp, P.; Angelopoulos, G. N. (2006). Principles and applications of CVD powder technology. Materials Science and Engineering, 53, 1-72. Wan, L. S. C., Heng, P. W. S., Muhuri, G. (1992). Analysis of growth of granules in a fluidised bed granulator. STP Pharma Sciences, 2, 381-386. Zografi, G.; Kontny, M. J. (1986). The interactions of water with cellulose- and starch-derived pharmaceutical excipients. Pharmaceutical Research, 3, 187-193.
52
