In wenigen Schritten zur Optimierung pharmazeutischer Fertigungsprozesse

Mehr als 75 % aller pharmazeutischen Produkte haben eine feste Darreichungsform, und in nahezu allen Stadien des Fertigungsprozesses kommen Partikel vor. Dabei sind eine effiziente Handhabung und Verarbeitung von Partikeln für die profitable Herstellung von pharmazeutischen Produkten von großer Bedeutung.

Ein typischer Arbeitsablauf in der Medikamentenproduktion beinhaltet einige Grundverfahren wie zum Beispiel das Mischen, Granulieren, Mahlen und Beschichten, wobei all diese Verfahren mit Partikeln in der Form von Pulvern, Kapseln oder Tabletten verbunden sind. Zu den allgemeinen Problembereichen gehören eine schlechte Durchmischung, eine ungleichmäßige Beschichtung, uneinheitliche Formfüllung und Tablettenbruch. Das kann einen großen Einfluss auf die Produktivität des Betriebs und die finale Produktqualität haben.

Ein ineffizienter Mischprozess kann zum Beispiel negative Auswirkungen auf nachgeschaltete Prozesse wie z. B. Granulieren, Mahlen und Tablettierung haben. Es kann die Produktqualität mindern und zu möglichen Chargenfehlern führen sowie höhere Kosten aufgrund von Produktionsverzögerungen verursachen.

Bei der Förderung von Pulvern und Partikeln stellen sich den Prozessingenieuren und -Anwendern viele Fragen, wie zum Beispiel, welches Gerät oder Design für ein bestimmtes Pulver verwendet werden soll, welche Mischgeschwindigkeit dabei hilft, eine einheitliche Mischung zu erreichen, welches der maximale Füllstand ist, usw.

Um diese Probleme einzugrenzen und eine effiziente Fertigung zu gewährleisten sowie Schwierigkeiten bei der Produktqualität zu vermeiden, ist ein Verständnis des Verhaltens von Pulvern und Schüttgut unerlässlich. Traditionell haben sich die Prozessingenieure auf empirische Methoden verlassen müssen, wie zum Beispiel physische Tests, um ihre Systeme und Vorgänge zu verstehen. Diese Methoden bringen einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand mit sich, sind außerdem kostspielig und liefern nicht alle Antworten.

Numerische Modellierungswerkzeuge können dabei helfen, die Prozesse besser zu verstehen und bieten wichtige Einblicke in die Abläufe. Insbesondere die Diskrete Elemente Methode (DEM) verfügt über bewährte Fähigkeiten, das komplexe Verhalten einer großen Bandbreite an Granulaten und ein breites Spektrum an Prozess- und Betriebsbedingungen zu erfassen. DEM hat sich dabei als wertvolles Vorhersagewerkzeug bewährt, um pharmazeutische Herstellungsprozesse zu simulieren, darunter Pulvermischen, Tablettenbeschichtung, Formfüllung, Granulierung, Mahlen und mehr. Durch den Einsatz eines DEM Tools wie der Altair EDEM Software können Ingenieure ein Verständnis der Mechanik ihrer Systeme erlangen, das weit über das hinausgeht, das rein auf der Basis von Experimenten erreicht wird.

Altair EDEM kann dafür verwendet werden, eine Reihe von Prozessen zu simulieren: Formfüllung, Tablettenbeschichtung, Tablettierung

Altair EDEM kann dafür verwendet werden, eine Reihe von Prozessen zu simulieren: Formfüllung, Tablettenbeschichtung, Tablettierung

Zum Beispiel kann EDEM effektiv dazu genutzt werden, um den Mischprozess von Pulvern und Tabletten zu simulieren. Es liefert zentrale Informationen wie die Partikelgeschwindigkeit und Bahnkurven und ermöglicht eine Vorhersage von Mischungs- und Segregationsraten sowie die Ermittlung von Totzonen. Das versetzt die Anwender in die Lage, fundierte Entscheidungen über die optimalen Prozessparameter für ihre Ausrüstung hinsichtlich des Einflusses von Geschwindigkeit, Füllstand, Neigungswinkel, usw. zu treffen sowie die Mischeffizienz zu beurteilen.

EDEM Simulation einer Nassmischung

Ein weiteres Beispiel ist die Beschichtung. Die Homogenität der Beschichtung spielt für den Tablettenbeschichtungsprozess eine große Rolle. Mit EDEM ist es möglich, wichtige Parameter zu erhalten, wie die Verweilzeit der Tabletten unter dem Beschichtungsspray, Variabilität der Beschichtung innerhalb einer Tablette (engl. intra-tablet coating variability) und Geschwindigkeitsmuster der Tabletten – viele von diesen können nur mit größter Mühe oder gar nicht durch Experimente ermittelt werden. EDEM kann auch dazu genutzt werden, um zu untersuchen, wie die Form einer Tablette, die Geschwindigkeit der Trommel und der Füllstand den Beschichtungsprozess beeinflusst.

EDEM Simulation einer Tablettenbeschichtung

Bei der Simulation von pharmazeutischen Fertigungsprozessen kann EDEM dabei helfen, die Wurzel des Problems zu erkennen und als Virtual Prototyping Tool zu dienen, um mögliche Lösungen zu untersuchen. Darüber hinaus kann der fundamentale Einblick, den EDEM in die Mikro-Mechanik von granularen Systemen bietet, dazu genutzt werden, besondere Herausforderungen zu meistern, wie z. B. das Skalieren der Prozesse und den Übergang zur kontinuierlichen Herstellung.

Das hat EDEM zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Optimierung des Prozessdesigns und der Betriebsabläufe in der pharmazeutischen Industrie gemacht.

Insgesamt haben Forscher, Wissenschaftler und Ingenieure, die EDEM-Simulationen mit der DEM Methode in ihren Arbeitsablauf integrieren, die Möglichkeit:

  • Ein besseres Verständnis über Pulververhalten zu erlangen
  • Die Prozesseffizienz und -fähigkeiten zu erhöhen
  • Kosten und die Abhängigkeit von physischen Prototypen und Tests zu verringern
  • Produkt und Prozessinnovation voranzutreiben
  • Skalierungsprozeduren zu verbessern
  • Die Produktqualität zu verbessern
  • Produkte schneller zur Marktreife zu bringen

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