Tekutiny ve farmaceutickém průmyslu

Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob Tekutiny Charakteristika, proudění tekutin, interakce s PL, filtrace

Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob

P07 – Interakce partikulárních látek s tekutinou

Tekutiny ve farmaceutickém průmyslu 

Kapaliny   



rozpouštědla kapalné API, lékové formy disperze

Plyny   

Vzduchotechnika Sušení Fluidní operace


P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek

Ideální kapalina 

Ideální kapalina je nestlačitelná, ale neexistují v ní smyková napětí ani deformace.



1

Zachování hmoty Rovnice kontinuity  



Vteřinový objemový průtok Q kapaliny určitou proudovou trubicí se zachovává. Je-li u nestlačitelných kapalin v jednom jejím místě průřez S1 a v druhém S2, platí : S1v1 = Q1 = Q2 = S2v2 U stlačitelných tekutin je konstantní průtok hmotnostní a platí : S1v11 = S2v22



Zachování energie Bernoulliho rovnice

1 2 P u   z g  konst 2  

Rozměr J.kg-3



u … rychlost proudění z … výška P … tlak

 



Reálná kapalina - viskozita 

Dynamická viskozita, η [Pa.s]   



u y

τ … tečné napětí platí pro Newtonovské tekutiny

pohyblivý povrch

y u τ

tekutina

u y

stacionární povrch



2

Typy viskozity 

 (éta) je dynamická viskozita  



[] = kg.m-1.s-1 = N.m-2.s = Pa.s Starší jednotka Poise P=g.cm-1.s-1=0,1 Pa.s

Často se používá viskozita vztažená na hustotu, tzv. kinematická viskozita 

 = /



Vizkozity tekutin Látka

Viskozita [Pa.s]

Vzduch

2 × 10-5

Zkapalněný N2

2 × 10-4

Voda

9 × 10-4

Olej

8 × 10-2

Glycerin

1 × 100

Masťový základ

2 × 105



Nenewtonovské kapaliny

τ

Binghhamská

Newtonovská

Dilatantní

du/dx



3

Nenewtonovské kapaliny 

Zdánlivá viskozita může záviset také na době namáhání. Některé pseudoplastické a plastické systémy mají chování : 

tixotropní – u nichž viskozita s časem klesá



Nenewtonovské kapaliny 



Zdánlivá viskozita může záviset také na době namáhání. Některé dilatantní systémy mají chování: 

reopektické – u nichž viskozita s časem roste



Proudění viskózní kapaliny

Ft r F1

F2 2r

p1

p2

Směr pohybu tekutiny



4

Proudění viskózní kapaliny rovnováha sil 

Tlakové síly  



působí na podstavy plášť síla způsobená třením okolních vrstev.

Pohybuje-li se válec rovnoměrně, musí být všechny síly na něj působící v rovnováze :

r 2 ( p1  p2 )  2rl du  

du 0 dr

1 p r dr 2 l P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek


Proudění viskózní kapaliny v kulaté trubce 

okrajová podmínka u(R) = 0 : 

u stěny trubky je rychlost nulová

u (r; R) 

u(r)

1 p 2 2 (R  r ) 4 l

r

umax umax 

R

1 p 2 (R ) 4 l



Poiseuillův zákon 

Laminární tok potrubím

u

1 p 2 R  r2 4 l



umax 



1 p 2 R 4 l R

R

0

0

Q   udA   u 2rdr   A

Q

 p 4 R 8 l

1 p 2 R  r 2 2 rdr 4 l





Hagen-Poiseuillova rovnice



5

Režim toku 

Laminární



Turbulentní



Hranice režimů proudění 

Reynoldsovo kritérium Re  

 

uL





uL 

relace mezi setrvačnými a viskozitními toky hybnosti

Re < 2300 … laminární proudění Re > 10 000 … turbulentní proudění



Teorie podobnosti   



Pro turbulentní systémy je řešení Navier Stokesovy rovnice obtížné Nutné experimentální studium systému Možný přenos poznatků mezi podobnými systémy Podobné systémy – stejné hodnoty kritérií podobnosti



6

Kritéria podobnosti 

Strouhalovo kritérium St  



tu L

t, u, L … charakteristický čas, rychlost, velikost

Reynoldsovo kritérium Re  

uL





uL 

relace mezi setrvačnými a viskozitními toky hybnosti



Kritéria podobnosti 

Eulerovo kritérium Eu  



p

u 2

relace mezi tlakovou a setrvačnou silou

Froudovo kritérium Fr  

gL u2

relace mezi gravitačními a setrvačnými silami



Disipace energie při proudění kapalin 

Bernoulliho rovnice 1 2 P 1 P u A, stř  A  z A g  u B2 , stř  B  z B g  Edis 2  2 



u … rychlost proudění z … výška P … tlak Edis … měrná dissipovaná energie



f … frikční faktor



 

Edis  f


l u2 d 2 P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek

7

Moodyho diagram



Doprava kapalin - čerpadla 

Hydrostatická (positive displacement)   



přeměna práce na tlak v prvku čerpadla pístová, lamelová, zubová, membránová, aj. hlavní nevýhodou je pulsace

Hydrodynamická   

přeměna práce na kinetickou energii, poté na tlak axiální, radiální (odstředivá) hlavní nevýhodou je kavitace



Pístová čerpadla



8

Zubová čerpadla



Čerpání zvláštních tekutin   

viskózní abrazivní s pevnými částicemi



Membránová čerpadla



Membrána ovládána  





pístem stlačeným plynem

Mechanismus čerpadla oddělen od čerpané tekutiny Odolnost vůči zvláštním médiům



Šneková a peristaltická čerpadla



9

Hydrodynamická čerpadla Odstředivé

Axiální



Funkce odstředivého čerpadla



Doprava plynů 

Přetlaková   



ventilátory (fans) dmychadla (blowers) kompresory (compressors)

Podtlaková 

vývěvy (vacuum pump)



10

Ventilátory 

Charakteristika 



doprava většího množství plynů při malém přetlaku (0,1 - 0,11 MPa)

radiální (paprskový) ventilátor 

dopravovaný plyn se sacím hrdlem přivádí na střed oběžného kola se zahnutými lopatkami. Odstředivou silou je vytlačován do spirální skříně a výtlačného hrdla, odkud vychází ven.



Ventilátory 

axiální (osový) ventilátor 

oběžné kolo má tvar několikakřídlové vrtule.Jeho rotací se vzduch pohybuje rovnoběžně s osou (používají se k odvětrávání místností)



Dmychadla



Charakteristika 



doprava plynů za středního tlaku (0,11 - 0,3 MPa).

Rootsovo dmychadlo (Roots blower) 

podobné zubovému čerpadlu - ve skříni dmychadla se proti sobě otáčejí 2 rotory, které jsou neustále ve vzájemném dotyku a současně přiléhají k vnitřním stěnám skříně a rozdělují jí na 2 komory. Plyn se nasává do 1 komory mezi rotor a skříň a ve 2. komoře se vytlačuje.



11

Dmychadla 

Lamelové dmýchadlo (sliding vane blower) 

rotor má uložený ve válcové skříni s drážkami pro výsuvné lamely (destičky). Lamely mají mírný sklon, při otáčení rotoru jsou odstředivou silou přitlačovány k vnitřní straně válcové skříně a tím vytvářejí komůrky, jejich objem se směrem od sacího hrdla k výtlačnému snižuje a tím dochází ke stlačování plynu.



Kompresory 

Charakteristika  



stroje k dopravě a stlačování plynů, které vyvíjejí tlak 0,3 - 100 MPa. Při stlačování dochází ke zvyšování teploty a proto se musí chladit

Pístové kompresory  

stlačují plyn vratným pohybem pístu ve válci. mohou být dvou- a vícestupňové - stlačený plyn z předcházejícího stupně vstupuje vždy do dalšího válce o menším objemu.



Kompresory 

Rotační lopatkové turbokompresory  



stlačují plyn pomocí rotujících oběžných lopatek. radiální - mají stejný princip i konstrukci jako turbodmychadla, liší se vyšším počtem stupňů a vyšším tlakem a zmenšuje šířka a průměr oběžných kol. axiální - Základ kompresoru je rotor s lopatkami, které vhánějí plyn přiváděný sacím hrdlem do neustále se zmenšujícího objemu, čímž se plyn stlačuje a vychází výtlačným hrdlem.



12

Kompresory 

Šroubový kompresor 

plyn se přivádí mezi 2 šrouby, které do sebe zapadají. Každý má jiný počet závitů i otáček. Šrouby přiváděný plyn stlačují a vedou do výtlačného hrdla.



Vývěvy 

Charakteristika 



Pístové 



zařízení, která vysávají plyn z uzavřeného prostoru, kde má vzniknout podtlak a nasátý plyn stlačují na tlak atmosférický připomínají pístové kompresory

Rotační 

založeny na rotaci excentricky umístěného válce s lopatkami nebo výsuvnými lamelami.



Vývěvy



Olejová rotační vývěva   



rotační vývěva s vnitřní olejovou lázní lepší těsnost chlazení těla vývěvy olejem

Vodokružná vývěva 

mezi excentrickým rotorem a vodním prstencem vytvářejí lopatky komůrky, které se od sacího otvoru nejdříve zvětšují (tím se plyn nasává), směrem k výtlačnému otvoru se zmenšují (plyn je vytlačován).



13

Vývěvy 

Proudová vývěva   

proud tlakové vody nebo páry se přivádí do trysky, kde zúžením průřezu prudce stoupne rychlost a tím poklesne tlak vzniklým podtlakem se nasává dopravovaný plyn ze sací komory směs nosného média a nasátého plynu přichází do difuzoru, kde se průtokový průřez zvolna rozšiřuje, tím se proud zpomaluje a jeho tlak vzrůstá



Doprava kapalin čerpadlem 

Bernoulliho rovnice 1 P 1 P WA  u A2 , stř  A  z A g  u B2 , stř  B  z B g  Edis 2  2  HC  

E W A u B2  u A2 PB  PA    z B  z A  dis g 2g g g

HC … charakteristika potrubí 

Potřebná pracovní výška čerpadla



Charakteristika čerpadla

Hc hydrodynamické čerpadlo

hydrostatické čerpadlo

Q, m3.s-1 Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob


14

Proudění v porézních médiích 

Porézní média   



porézní pevné látky membrány lože sypkých hmot

Důležité pro popis   

filtračních procesů fluidačních procesů operací s disperzemi



Proudění nekruhovým průřezem 

Ekvivalentní hydraulický průměr

 



S S … plošný4průřez otvoru, potrubí d ekv  O … smočený O vnitřní obvod průřezu

Využití  

nekruhová potrubí proudění porézními médii



Veličiny pro popis proudění ve vrstvě

 Q [m3.s-1]

Rychlost proudění 

mimovrstvová, u [m.s-1]



Q S střední v mezerách, uf [m.s-1] u

ε

h [m]

uf  S [m2] d [m]

dp Ap ψ




Q u  S 

Hustota povrchu a a

A V P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek

15

Hustota povrchu 

Lože kulovitých částic a



A A1    nA p 1    61       V Vs nV p dp

Lože obecných částic a

A p 1    Vp



Ak ,ekv 1   

 Vk ,ekv



61     d k ,ekv



Model toku v porézním médiu 

Aproximace média paralelními kanálky se  

stejnou mezerovitostí stejnou hustotou povrchu

a 

A A nOk h 4    V Vk nS k h d ekv

Disipovaná energie a Re E dis  f

Re 

2 2 l uf al u f  f d ekv 2 4 2

u f d ekv u f 4   a



Výpočet součinitele tření 

Ergunova rovnice, empirické koeficienty f 



K B Re

f 

133  1,75 Re

Laminární oblast, kulové částice f 



K Re

východisko pro popis filtrace

9K  150 8

3 K h 1   2 9 K  h 1    u  u 4 Re d p  3 8  d p2  3 2

Edis 



16

Aplikace toku porézním médiem 



Tok vrstvou kuliček + Ergunova rovnice 2  h 1    Edis  150 u 2 3  dp  Bernouliho rovnice 



Δh ~ 0; Δu ~ 0

Výsledek: Blake-Koženého rovnice Edis  p p  150

h 1    u d p2  3 2



Aplikace toku porézním médiem 

Průtok porézní vrstvou Q  uA 

d p2 3 pA pA  K h 150 1   2 h

ovlivňuje     

tlak viskozita plocha filtru tloušťka filtru koeficient permeability … K



Princip filtrace



Dělení pevných částic od tekutiny na porézní filtrační přepážce Suspenze, Aerosol

Filtrační koláč

Filtrační přepážka Filtrát



17

Povrchová vs. hloubková filtrace



Typy filtrů 

Absolutní  



tenká filtrační přepážka s velikostí pórů menší než jsou zachytávané částice probíhá koláčová filtrace

Relativní (hloubkové)   

zachytávají se částice podstatně menší než je rozměr pórů účinnost zachycení závisí na tloušťce filtrační vrstvy zachycení probíhá za působení povrchových nerovností, povrchových sil, elektrostatických sil



Povrchová (koláčová) filtrace 

Filtrační koláč může suplovat funkci filtrační přepážky



18

Filtrační přepážky     

 

Vrstvy zrnitých materiálů Vrstvy vláknitých materiálů Papírové materiály Porézní kompaktní materiály Tkaniny Perforované desky, síta Makroporézní membrány



Kritéria vhodnosti filtrů     

Rychlost filtrace Účinnost filtrace Chemická stabilita filtru Afinita k filtrované tekutině Adsorpce složek filtrovaného média na filtru



Filtrační nuče



Jednoduché tlakové nebo vakuové filtry 

např. pro separaci krystalů z matečného louhu



19

Svíčkové filtry



Listové filtry



Kalolis



20

Filtrace ve farmacii 

Čiření (čistící filtrace)   

požadovaným produktem je filtrát pevných částic je velmi málo, jsou malé speciální případ = sterilní filtrace  



musí zachytit veškeré mikroorganismy 0,2 – 0,45 μm

Koláčová filtrace   

produktem je filtrační koláč pevných částice je až 20 % není nutná 100 % účinnost



Faktory ovlivňující rychlost filtrace 

Tlak  



Viskozita  



vyšší tlakový rozdíl (přetlak / vakuum) urychluje filtraci existuje limit daný pevností filtrační přepážky vyšší viskozita zpomaluje filtraci možno ovlivnit teplotou

Plocha filtru  

vyšší plocha urychluje filtraci zpomaluje nárůst filtračního koláče



Faktory ovlivňující rychlost filtrace 

Tloušťka filtru / koláče 



zpomaluje filtraci

Koeficient permeability 

 

funkce velikosti částic (pórů) a porozity porozita se výrazně snižuje u širokodisperzních hmot aditiva pro větší porozitu koláče 

flokulace



21

Zadržování částic při hloubkové filtraci  

Částice se zadržují na stěnách pórů filtračního média Kontakt se stěnou zajišťuje   



setrvačnost Brownův pohyb gravitace

Efektivita roste s  

turbulencí klesajícím průtokem



Parametry hloubkového filtru 

Tloušťka

  



dc   Kc dx c … obsah pevných částic x … tloušťka filtru K … koeficient záchytu

Životnost 

účinnost filtru během použití klesá, protože se snižuje průřez pórů a tedy zvyšuje rychlost proudění



Sterilní filtrace 

1960 





 



za sterilní považováno < 0,45 μm

1967 – 1987 Brevundimonas (Pseudomonas) diminuta organismus proniká filtry 0,45 μm 1987: FDA standard 0,2 / 0,22 μm

Současnost  

0,1 μm – dobrovolné iniciativy předních výrobců mykoplazmatické organismy (Acholeplasma laidlawii)



22

Validace sterilní filtrace 

Sterilní filtr je třeba validovat (nestačí porozita < 0,2 μm) 

testovací organismus Brevundimonas diminuta



zátěž filtru > 107 cfu.cm-2 prokázat sterilní filtrát nepovinné nadstandardní testy s dalšími organismy



 

ověřit průchod 0,4 μm filtrem



Zařazení sterilní filtrace  

Sterilní filtr je náchylný k zanesení velkým počtem částice Filtrace se provádí ve stupních



Sterilní skladování kapalin



23

HEPA filtry



High Efficiency Particulate Air filter   

záchyt prachových částic a mikroorganismů velmi čisté prostory, fermentory účinnost: 





> 99,97 % částic velikosti 0,3 μm větší nebo menší částice se zachytávají snáze

účinnost záchytu klesá při smočení filtru (rosný bod) 

intenzita difuzního pohybu v kapalinách je mnohem nižší než v plynech



24

Tekutiny ve farmaceutickém průmyslu

Recommend Documents