เครื่องบดย่อยแบบผสมแรงเฉือนสูงทำงานอย่างไรและอะไรทำให้มีประสิทธิภาพมาก

เครื่องบดย่อยผสมแรงเฉือนสูงคืออะไร?

A เครื่องบดย่อยผสมแรงเฉือนสูง (HSMG) เป็นเครื่องแปรรูปยาและอุตสาหกรรมที่รวมการผสมผงแห้งและแกรนูลเปียกไว้ในภาชนะปิดเดียว ใช้ใบพัดความเร็วสูงหมุนที่ด้านล่างของชาม รวมกับใบมีดสับที่ติดตั้งด้านข้าง เพื่อผสมผงไปพร้อมๆ กัน กระจายของเหลวของสารยึดเกาะ และอนุภาคละเอียดจับตัวกันเป็นเม็ดเล็กที่มีความหนาแน่นสม่ำเสมอ กระบวนการทั้งหมด ตั้งแต่การผสมแบบแห้งไปจนถึงการสร้างเม็ดเล็ก เกิดขึ้นในหน่วยเดียวโดยไม่ต้องถ่ายโอนผลิตภัณฑ์ระหว่างอุปกรณ์ที่แยกจากกัน

เครื่องบดย่อยแบบผสมแรงเฉือนสูงเป็นเทคโนโลยีการทำแกรนูลที่โดดเด่นในการผลิตแท็บเล็ตทางเภสัชกรรม เนื่องจากแกรนูลที่ผลิตนั้นมีความหนาแน่น ไหลอย่างอิสระ และบีบอัดได้ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญต่อน้ำหนักและความแข็งของแท็บเล็ตที่สม่ำเสมอ เทคโนโลยีเดียวกันนี้ยังใช้ในการผลิตผงซักฟอก ปุ๋ย เซรามิก และผลิตภัณฑ์อาหารอีกด้วย การทำความเข้าใจวิธีการทำงานของเครื่องจักรนี้จำเป็นต้องตรวจสอบส่วนประกอบทางกล ฟิสิกส์ของการก่อตัวของเม็ด และลำดับขั้นตอนกระบวนการที่เปลี่ยนผงหลวมให้เป็นเม็ดสำเร็จรูป

ส่วนประกอบสำคัญและหน้าที่ของมัน

เครื่องบดย่อยผสมแรงเฉือนสูงทุกเครื่องใช้ชุดส่วนประกอบหลักร่วมกัน และแต่ละเครื่องมีบทบาทเฉพาะในกลไกการเกิดเม็ด ปฏิสัมพันธ์ระหว่างส่วนประกอบเหล่านี้คือสิ่งที่กำหนดประสิทธิภาพของเครื่องจักรและความสามารถในการผลิตเม็ดที่มีลักษณะควบคุม

• ชาม (ภาชนะ): ภาชนะสแตนเลสที่บรรจุมวลผง รูปทรงของชาม รวมถึงเส้นผ่านศูนย์กลาง ความลึก และความโค้งของผนัง ส่งผลโดยตรงต่อรูปแบบการไหลเวียนของผงและประสิทธิภาพการผสม โดยทั่วไปโบลิ่งจะเป็นครึ่งทรงกลมหรือทรงกระบอกและมีฐานเป็นจาน
• ใบพัดหลัก: เครื่องมือหมุนหลายใบมีดที่ติดตั้งอยู่ที่ด้านล่างของโถและขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์แรงบิดสูง ใบพัดสร้างการดำเนินการผสมเบื้องต้นโดยการยกและหมุนเวียนมวลผงในรูปแบบการไหลแบบวงแหวน (รูปโดนัท) โดยทั่วไปจะทำงานที่ความเร็วตั้งแต่ 100 ถึง 500 RPM แม้ว่าความเร็วที่แน่นอนจะแตกต่างกันไปตามขนาดเครื่องและการใช้งาน
• เครื่องบดสับ (ใบมีดบด): ใบมีดความเร็วสูงขนาดเล็กที่ติดตั้งอยู่บนผนังด้านข้างของโถ ตั้งฉากกับใบพัดหลัก เครื่องบดสับหมุนด้วยความเร็ว 1,000 ถึง 3,000 รอบต่อนาที และมีหน้าที่ในการสลายกลุ่มก้อนขนาดใหญ่และควบคุมการกระจายขนาดเม็ดเล็ก หากไม่มีเครื่องบดสับ มวลที่เปียกก็จะรวมตัวเป็นก้อนขนาดใหญ่ที่ไม่สามารถควบคุมได้
• พอร์ตเพิ่ม Binder: หัวฉีดพ่นหรือช่องเติมของเหลวซึ่งของเหลวที่เป็นเม็ด (สารละลายสารยึดเกาะ) ถูกนำเข้าไปในเตียงผง อัตราการเติมของเหลวที่ควบคุมเป็นสิ่งสำคัญเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้เปียกมากเกินไป
• มอเตอร์ขับเคลื่อน: มอเตอร์ที่แยกจากกันจะควบคุมใบพัดและเครื่องบดสับอย่างอิสระ ช่วยให้วิศวกรกระบวนการสามารถปรับตัวแปรความเร็วแต่ละค่าในระหว่างขั้นตอนต่างๆ ของวงจรการทำแกรนูล
• พอร์ตจำหน่าย: วาล์วที่ฐานหรือด้านข้างของโถที่เปิดออกเพื่อปล่อยแกรนูลที่เสร็จแล้วลงในเครื่องอบแห้งแบบดาวน์สตรีม ซึ่งโดยทั่วไปคือเครื่องอบแห้งแบบฟลูอิดเบด หลังจากที่แกรนูลเสร็จสมบูรณ์

หลักการทำงานทีละขั้นตอน

หลักการทำงานของเครื่องบดย่อยผสมแรงเฉือนสูงจะเผยออกมาในขั้นตอนกระบวนการที่แตกต่างกันหลายขั้นตอน แต่ละขั้นตอนสร้างขึ้นจากขั้นตอนก่อนหน้า และการเปลี่ยนระหว่างขั้นตอนต่างๆ จะต้องได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อผลิตเม็ดที่มีความหนาแน่น ขนาด และความพรุนเป้าหมาย

ขั้นตอนที่หนึ่ง: การผสมแบบแห้ง

กระบวนการเริ่มต้นด้วยการผสมแบบแห้ง ส่วนประกอบที่เป็นผงทั้งหมด ได้แก่ ส่วนผสมออกฤทธิ์ทางเภสัชกรรม (API) สารตัวเติม เช่น แลคโตสหรือไมโครคริสตัลไลน์เซลลูโลส และส่วนเติมเนื้อยาภายในแกรนูล จะถูกใส่ลงในชาม จากนั้นใบพัดหลักจะถูกเปิดใช้งานด้วยความเร็วปานกลาง โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 150 ถึง 300 รอบต่อนาที ใบพัดหมุนจะกวาดผ่านผงแป้ง ยกวัสดุจากฐานของโถและฉายขึ้นและออกไปด้านนอกในลักษณะการหมุนเวียนแบบวงแหวนอย่างต่อเนื่อง รูปแบบการหมุนเวียนนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าส่วนประกอบที่เป็นผงทั้งหมดจะกระจายตัวเป็นเนื้อเดียวกันก่อนที่จะเติมของเหลวใดๆ โดยทั่วไปการผสมแบบแห้งจะใช้เวลา 2 ถึง 5 นาที ขึ้นอยู่กับขนาดแบทช์และจำนวนส่วนประกอบที่จะผสม

ในระหว่างขั้นตอนนี้ เครื่องบดสับอาจถูกกระตุ้นเป็นระยะๆ เพื่อสลายผงที่อัดแน่นเป็นก้อนหรือก้อนของวัสดุที่เกาะติดกัน เป้าหมายในตอนท้ายของการผสมแบบแห้งคือมวลผงที่ผสมอย่างสมบูรณ์และสม่ำเสมอโดยไม่มีการแบ่งแยกที่มองเห็นได้ระหว่างส่วนประกอบที่มีความหนาแน่นหรือขนาดอนุภาคต่างกัน

ขั้นตอนที่สอง: การเติมสารยึดเกาะและการนวดแบบเปียก

เมื่อการผสมแบบแห้งเสร็จสิ้น ของเหลวของสารยึดเกาะจะถูกเติมลงบนเตียงผงหมุนเวียน สารยึดเกาะทั่วไปประกอบด้วยสารละลายที่เป็นน้ำของโพลีไวนิลไพโรลิโดน (PVP), ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (HPMC) หรือเจลาติน โดยทั่วไปแล้ว ของเหลวจะถูกพ่นผ่านหัวฉีดเพื่อกระจายให้ละเอียดที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้บนพื้นผิวผง แม้ว่าการเติมแรงโน้มถ่วงยังใช้สำหรับสูตรที่มีความไวน้อยกว่าก็ตาม เมื่อของเหลวสัมผัสกับผง อนุภาคแต่ละอนุภาคจะเปียกและเริ่มก่อตัวเป็นสะพานของเหลวระหว่างอนุภาคที่อยู่ติดกัน

ใบพัดหลักยังคงหมุนเวียนมวลเปียกอย่างแรง พลังงานกลที่ป้อนเข้าจากใบพัดจะนวดและบดอัดผงแป้งที่มีความชื้นมากขึ้นเรื่อยๆ ส่งผลให้ของเหลวกระจายตัวไปทั่วมวล เมื่อปริมาณของเหลวเพิ่มขึ้น สะพานของเหลวระหว่างอนุภาคต่ออนุภาคก็จะก่อตัวมากขึ้น และมวลจะเริ่มเปลี่ยนจากผงหลวมไปเป็นวัสดุเม็ดเปียกที่เหนียวแน่น ขั้นตอนนี้เรียกว่ามวลเปียก และวัสดุ ณ จุดนี้มักเรียกว่ามวลเปียกหรือเม็ดสีเขียว เครื่องบดจะวิ่งไปพร้อมๆ กันเพื่อป้องกันไม่ให้มวลรวมตัวเป็นก้อนขนาดใหญ่ที่มีลักษณะคล้ายเชือก

ขั้นตอนที่สาม: การเจริญเติบโตของเม็ดและการควบคุมขนาด

การเจริญเติบโตของเม็ดในเครื่องบดย่อยผสมแรงเฉือนสูงเป็นไปตามลำดับของกลไกที่กำหนดไว้อย่างดี ขั้นแรก การเกิดนิวเคลียสเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคเปียกชนกันและเกาะติดกัน กลายเป็นนิวเคลียสขนาดเล็ก จากนั้นนิวเคลียสเหล่านี้จะเติบโตโดยกลไกหลักสองประการ ได้แก่ การรวมตัวกันโดยที่แกรนูลสองอันจะรวมกันเมื่อชนกันหากพื้นผิวของพวกมันเปียกเพียงพอและเปลี่ยนรูปได้ และการแบ่งชั้นซึ่งอนุภาคละเอียดจะเกาะติดกับพื้นผิวของแกรนูลที่มีอยู่

ความสมดุลระหว่างการรวมตัวกันและการแบ่งชั้นจะกำหนดการกระจายขนาดเม็ดสุดท้าย แรงเฉือนสูงที่เกิดจากใบพัดให้พลังงานจลน์สำหรับการชน ในขณะที่เครื่องบดสับจะแยกส่วนที่เป็นก้อนขนาดใหญ่กลับเป็นชิ้นเล็กๆ อย่างต่อเนื่อง ความสมดุลแบบไดนามิกระหว่างการเติบโตและการแตกหักคือสิ่งที่ทำให้เครื่องบดย่อยที่มีแรงเฉือนสูงสามารถผลิตแกรนูลภายในช่วงขนาดที่แคบและควบคุมได้ โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 200 ถึง 800 ไมโครเมตรสำหรับการใช้งานด้านเภสัชกรรม

วิศวกรกระบวนการตรวจสอบขั้นตอนการรวมมวลแบบเปียกโดยติดตามกระแสของมอเตอร์ใบพัด (แอมแปร์) ซึ่งจะเพิ่มขึ้นเมื่อมวลเปียกมีความหนาแน่นมากขึ้นและทนทานมากขึ้น จุดแอมแปร์สูงสุด ซึ่งมักเรียกว่าจุดสิ้นสุด เป็นสัญญาณบ่งชี้ว่าการเติบโตของแกรนูลเสร็จสมบูรณ์ และมวลเปียกมีปริมาณความชื้นและความหนาแน่นที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการอบแห้ง

ขั้นตอนที่สี่: การปลดปล่อย

เมื่อถึงจุดสิ้นสุดของแกรนูล ใบพัดและเครื่องบดสับจะหยุดทำงาน และวาล์วระบายที่ฐานของโถจะเปิดขึ้น เม็ดเปียกจะตกลงตามแรงโน้มถ่วง — หรือถูกช่วยเหลือด้วยใบมีดโกน — ลงในภาชนะรับหรือลงในเครื่องอบแห้งฟลูอิดเบดที่เชื่อมต่อโดยตรง ขั้นตอนการระบายจะต้องเสร็จสิ้นอย่างรวดเร็วเพื่อป้องกันไม่ให้เม็ดเบดเปียกรวมตัวและจัดการได้ยาก ในสายการผลิตแบบครบวงจร เครื่องบดย่อยแบบผสมแรงเฉือนสูงจะติดตั้งอยู่เหนือโถเครื่องทำแห้งแบบฟลูอิดเบดโดยตรง เพื่อให้การระบายเป็นไปอย่างราบรื่นและปิดสนิท ปกป้องคุณภาพของผลิตภัณฑ์และความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงาน

พารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญซึ่งส่งผลต่อคุณภาพของเม็ด

คุณภาพของเม็ดที่ผลิตโดยเครื่องบดย่อยผสมแรงเฉือนสูงถูกกำหนดโดยการรวมกันของตัวแปรการกำหนดสูตรและพารามิเตอร์กระบวนการ การเปลี่ยนตัวแปรตัวใดตัวหนึ่งจะเปลี่ยนสมดุลระหว่างการเติบโตของเม็ดและการแตกหัก ส่งผลให้เม็ดละเอียดเกินไป หยาบเกินไป แข็งเกินไป หรือมีรูพรุนเกินไป ตารางด้านล่างสรุปพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญที่สุดและผลกระทบต่อคุณสมบัติของเม็ด

ข้อดีของการทำแกรนูลแบบแรงเฉือนสูงเหนือวิธีอื่น

เครื่องบดย่อยผสมแรงเฉือนสูงนำเสนอการผสมผสานที่น่าสนใจระหว่างประสิทธิภาพของกระบวนการและข้อได้เปรียบด้านคุณภาพผลิตภัณฑ์ เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการทำแกรนูลทางเลือก เช่น การทำแกรนูลเบดแบบฟลูอิดเบด การอัดขึ้นรูปด้วยสกรูคู่ หรือการทำแกรนูลผสมดาวเคราะห์แรงเฉือนต่ำ

• ระยะเวลาดำเนินการสั้น: วงจรการเกิดเม็ดแกรนูลแรงเฉือนสูงโดยสมบูรณ์ — การผสมแบบแห้ง การเติมสารยึดเกาะ และการผสมแบบเปียก — โดยทั่วไปจะใช้เวลาระหว่าง 10 ถึง 30 นาที เทียบกับ 45 ถึง 90 นาทีสำหรับชุดแกรนูลเบดฟลูอิดเบดที่เทียบเท่ากัน
• เม็ดหนาแน่นและอัดตัวได้: การป้อนพลังงานกลสูงจะผลิตเม็ดที่มีความหนาแน่นรวมสูงกว่าและสามารถอัดได้ดีกว่าเม็ดฟลูอิดเบด ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับการผลิตแท็บเล็ตแบบบีบอัดโดยตรง
• ต้องการเครื่องผูกน้อยกว่า: เนื่องจากแรงเฉือนสูงกระจายสารยึดเกาะได้อย่างมีประสิทธิภาพทั่วทั้งมวลผง จึงจำเป็นต้องใช้ของเหลวของสารยึดเกาะทั้งหมดน้อยลงเพื่อให้ได้ความแข็งแรงของเม็ดเท่าเดิม
• มีการประมวลผล: การออกแบบโถแบบปิดช่วยปกป้องผู้ปฏิบัติงานจากการสัมผัสฝุ่นและป้องกันการปนเปื้อนของผลิตภัณฑ์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อต้องจัดการกับ API ที่มีศักยภาพ
• ความสามารถในการขยายขนาด: กระบวนการปรับขนาดได้อย่างคาดเดาได้ตั้งแต่ชามขนาดห้องปฏิบัติการ (1–10 ลิตร) ไปจนถึงอุปกรณ์ขนาดการผลิตเต็มรูปแบบ (300–1,200 ลิตร) เมื่อใช้พารามิเตอร์การขยายขนาดที่เหมาะสม เช่น ความเร็วของทิป แทนที่จะเป็น RPM เป็นตัวแปรคงที่

การตรวจจับจุดสิ้นสุด: การรู้ว่าเมื่อใดที่การทำแกรนูลเสร็จสมบูรณ์

ลักษณะที่ท้าทายทางเทคนิคที่สุดประการหนึ่งของการเกิดแกรนูลแรงเฉือนสูงคือการกำหนดอย่างแม่นยำเมื่อถึงจุดสิ้นสุดของแกรนูล การประมวลผลที่อยู่ระหว่างการประมวลผลทำให้มีอนุภาคละเอียดมากเกินไปที่จะแยกตัวระหว่างการบีบอัดแท็บเล็ต การประมวลผลมากเกินไปทำให้เกิดเม็ดที่มีความหนาแน่นเกินไป แข็งเกินไป และอัดได้ไม่ดี ส่งผลให้เม็ดยามีความแข็งหรือประสิทธิภาพการละลายไม่เพียงพอ ในทางปฏิบัติมีการใช้วิธีการหลายวิธีในการตรวจจับจุดสิ้นสุดของการเกิดแกรนูลแบบเรียลไทม์

การใช้พลังงานของมอเตอร์ใบพัด (การตรวจสอบกระแสไฟ) เป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด เมื่อมวลเปียกรวมตัวกันในระหว่างการเกิดเป็นเม็ด จะทำให้มีความต้านทานต่อใบพัดเพิ่มมากขึ้น ส่งผลให้มอเตอร์ดึงกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น โปรไฟล์ค่าแอมแปร์เมื่อเวลาผ่านไปจะเป็นไปตามเส้นโค้งลักษณะเฉพาะที่เพิ่มขึ้นผ่านเฟสมวลแบบเปียก และจะลดระดับลงที่ที่ราบสูงเมื่อการเจริญเติบโตของแกรนูลเสร็จสมบูรณ์ วิศวกรกระบวนการเชื่อมโยงค่าแอมแปร์เป้าหมายกับคุณสมบัติทางกายภาพแบบเม็ดในระหว่างการพัฒนา จากนั้นใช้ค่านั้นเป็นทริกเกอร์จุดสิ้นสุดแบบอัตโนมัติในระหว่างการผลิตตามปกติ

เครื่องมือเทคโนโลยีการวิเคราะห์กระบวนการ (PAT) ขั้นสูงมีการใช้มากขึ้นควบคู่ไปกับหรือแทนการตรวจสอบแอมแปร์ หัววัดสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดใกล้ (NIR) ที่ติดตั้งอยู่ในผนังโถสามารถวัดปริมาณความชื้นของเม็ดเล็กและขนาดอนุภาคได้แบบเรียลไทม์ หัววัดการวัดการสะท้อนแสงของลำแสงโฟกัส (FBRM) นับและวัดความยาวคอร์ดของแกรนูลที่ผ่านลำแสงเลเซอร์ โดยให้สัญญาณขนาดแกรนูลโดยตรงโดยไม่ต้องสุ่มตัวอย่าง เครื่องมือเหล่านี้ช่วยให้สามารถควบคุมจุดสิ้นสุดได้อย่างเข้มงวดและมีเหตุผลทางวิทยาศาสตร์มากขึ้น และเป็นที่ต้องการมากขึ้นภายใต้กรอบการกำกับดูแล Quality by Design (QbD) สำหรับการผลิตยา