Slika 4.14: Grafa konvergence numerične rešitve za (a) polizdelek BM2 ter (b) polizdelek BM6
Rezultati
49 V nadaljevanju so predstavljeni rezultati analiz numeričnih volumskih modelov. Najprej bodo predstavljeni pomiki v y smeri, nato pa sledi generalna ocena napetostnega stanja kritičnih mest ter primerjava napetosti v zarezah polizdelkov.
4.3.1 Analiza pomikov v y smeri
Pomiki v y smeri za oba obravnavana polizdelka so prikazani na sliki 4.15. Prečna sila povzroči, da se polizdelka deformirata v vse smeri. Največji pomiki, ki se pojavijo, so za polizdelek BM2 Uy = 0,197 mm, medtem ko je za polizdelek BM6 pomik 0,257 mm in so locirani ob stičišču z jekleno ploščo. Omenjen pomik v realnosti predstavlja plastično deformacijo tablete.
(a) (b)
Slika 4.15:Simulacija polja pomikov v x smeri za polizdelek (a) BM2 in (b) BM6
4.3.2 Analiza napetostnega stanja
Porazdelitev von Misesove primerjalne napetosti, izračunane z volumskim modelom, je prikazana na sliki 4.16 in 4.17. Kot je razvidno iz slike, se koncentraciji najvišje napetosti pojavita pri stičišču jeklene plošče s polizdelkoma. Ker smo želeli pridobiti potek ter velikost notranjih napetosti ob zarezah, smo pri modelu BM6 prilagodili skalo napram ostalim napetostim z limito. Zaradi limite je vidnejši potek napetosti. Maksimalne napetosti so večje pri polizdelku BM6, kjer znašajo 0,17 – 0,19 MPa, medtem ko so pri polizdelku BM2 za 30
% manjše. Razlog je v zaokrožitvi robu polizdelkov. V teoriji se pojavijo pri večjih zaokrožitvah manjše napetosti. Zaradi tega se pri polizdelku BM2 pojavijo manjše napetosti, saj že iz slike vidimo večjo zaokrožitev roba ob stiku z jekleno ploščo. Omeniti pa je potrebno, da je bil polizdelek BM2 zaradi kompleksnosti geometrije poenostavljen. Le s poenostavljenim modelom smo lahko izvajali simulacije in izvedli diskretizacijo modela, kot tudi samo mreženje. Ravno obratno pa je pri napetostih, ki se pojavijo v zarezah. Pri polizdelku BM2 le ta znaša 0,098 – 0,1 MPa. Pri BM6 pa je napetost v zarezi za 55 % manjša.
Tableta, ki ima le eno zarezo, ni simetrična in je potek napetosti koncentriran v okolici oblikovnega dodatka. Polizdelek BM6 pa ima simetričen prerez, kar pomeni, da je potek notranjih napetosti prav tako simetričen. Zaradi tega se napetosti porazdelijo in so v zarezi manjše, kot pri polizdelku BM2.
y x z
y x z
Rezultati
50
Slika 4.16: Simulacija porazdelitev von Misesove primerjalne napetosti volumskega modela BM2
0,11-0,13 MPa
0,098-0,1 MPa
z
x y
Rezultati
51 0,039-0,045 MPa
0,17-0,19 MPa
y x z
Rezultati
52
Slika 4.17: Simulacija porazdelitev von Misesove primerjalne napetosti volumskega modela BM6
4.3.3 Analiza simulacije gravitacijskega spusta volumskega modela
V nadaljevanju bomo predstavili simulacije gravitacijskih spustov tablet oznak BM2 in BM6 iz višine 60 cm. Podlaga na slikah ni prikazana, saj ni del glavne obravnave. Določeni modeli na slikah so prerezani čez glavne osi zaradi vidnejšega poteka notranjih napetosti.
Kontakt robu tablete BM2 pravokotno na podlago
Iz slike 4.18 vidimo potek napetosti ob času kontakta. Ker smo modele umestili v prostor nekaj milimetrov nad površino, ob času nič ne pride do kontakta. Prvi kontakt se pojavi pri 0,5 milisekundi. S časom se notranja napetosti širi vzdolž osi x. Opazimo tudi, da se kontaktna površina nekoliko splošči. Napetost se širi podobno kot pri statičnem obremenjevanju in je nekoliko večja. Prav tako se pojavi večja napetost v zarezi, kjer se v realnosti tableta najpogosteje trajno deformira. Omenimo lahko, da je v tem primeru model obremenjen zgolj z ene strani oziroma točke.
Rezultati
53 Potek napetosti ob času 2. Kontakt robu tablete BM2 pravokotno na podlago.
Potek napetosti ob času 3. Kontakt robu tablete BM2 pravokoto na podlago.
Rezultati
54
Potek napetosti ob času 3. Kontakt robu tablete BM2 pravokoto na podlago.
Slika 4.18: Simulacija porazdelitev von Misesove primerjalne napetosti volumskega modela BM2 pri kontaktu s celotnim robom
Kontakt tablete BM2 s trebuhom
V realnosti se je tablet, ki je priletel ob podlago deformiral tudi na tri oziroma štiri enakovredne dele. Razlog lahko iščemo v razporeditvi napetosti v samem jedru. Le ta je razporejena enakomerno v obliki torusa. Največje napetosti se ne pojavijo v središču zareze ampak v notranjosti polizdelka. Omenjena razporeditev napetosti je vidna na sliki 4.19.
Potek napetosti ob času 1. Kontakt tablete BM2 s trebuhom.
y z x
Rezultati
55 Potek napetosti ob času 2. Kontakt tablete BM2 s trebuhom.
Potek napetosti ob času 3. Kontakt tablete BM2 s trebuhom.
Slika 4.19: Simulacija porazdelitev von Misesove primerjalne napetosti volumskega modela BM2 pri kontaktu s trebuhom
Stran kontakta
x z y
Rezultati
56
Kontakt tablete BM2 pod kotom
Pri testih z realnimi tabletami se pojavi veliko lokalno krušenje na robovih. Povezavo lahko iščemo v koncentraciji napetosti na robu, ki je prikazana s simulacijo na sliki 4.20. Le te so na splošno veliko večje kot pri kontaktu s trebuhom. Zaradi izpostavljenosti robu se le ta ob kontaktu s površino odkruši.
Potek napetosti ob času 1. Kontakt tablete BM2 pod kotom.
Potek napetosti ob času 2. Kontakt tablete BM2 pod kotom.
y x z
Rezultati
57 Potek napetosti ob času 2. Kontakt tablete BM2 pod kotom.
Slika 4.20: Simulacija porazdelitev von Misesove primerjalne napetosti volumskega modela BM2 pri kontaktu z ostrim robom
Kontakt robu tablete BM6 pravokotno na podlago
Na sliki 4.21 opazimo, da je s časom potek napetosti primerljiv poteku pri statičnem testu preskusa trdnosti. Hkrati pa so le te veliko večje.
Potek napetosti ob času 1. Kontakt robu tablete BM6 pravokotno na podlago.
z y
x
Rezultati
58
Potek napetosti ob času 2. Kontakt robu tablete BM6 pravokotno na podlago.
Potek napetosti ob času 3. Kontakt robu tablete BM6 pravokotno na podlago.
Rezultati
59 Potek napetosti ob času 4. Kontakt robu tablete BM6 pravokoto na podlago.
Slika 4.21: Simulacija porazdelitev von Misesove primerjalne napetosti volumskega modela BM6 pri kontaktu s celotnim robom
Kontakt tablete BM6 s trebuhom
V realnosti se je tablet, ki je priletel ob podlago s trebuhom deformiral na dva enakovredna dela. Razlog lahko iščemo v razporeditvi napetosti ob in v zarezi na sliki 4.22. Le ta je v nekem trenutku največja v nasprotno ležeči zarezi in je tudi do 6x večja od napetosti, ki se pojavi pri statični analizi. Napetost v celotni notranjosti trebuha pa lahko vodi do laminacije površine, katera se je v realnosti pojavljala.
Potek napetosti ob času 1. Kontakt tablete BM6 s trebuhom.
y x z
Rezultati
60
Potek napetosti ob času 2. Kontakt tablete BM6 s trebuhom.
Potek napetosti ob času 3. Kontakt tablete BM6 s trebuhom.
Rezultati
61 Potek napetosti ob času 4. Kontakt tablete BM6 s trebuhom.
Slika 4.22: Simulacija porazdelitev von Misesove primerjalne napetosti volumskega modela BM6 pri kontaktu s trebuhom
Kontakt tablete BM6 pod kotom
Pri testih z realnimi tabletami se pojavi že omenjeno veliko lokalno krušenje in laminacija površine. Povezavo lahko iščemo v koncentraciji napetosti na robu, ki je prikazana s simulacijo razvidno na sliki 4.23. Zaradi že omenjene krhkosti in izpostavljenosti robu se le ta odkruši. V nekem trenutku se pojavijo največje napetosti na nasprotni strani kontakta ob in v zarezi. Opisan pojav napetosti pa lahko vodi k samemu lomu tablete skozi zarezo.
Potek napetosti ob času 1. Kontakt tablete BM6 pod kotom.
Stran kontakta x
y z
y x
z
Rezultati
62
Potek napetosti ob času 3. Kontakt tablete BM6 pod kotom.
Potek napetosti ob času 5. Kontakt tablete BM6 pod kotom.
Slika 4.23: Simulacija porazdelitev von Misesove primerjalne napetosti volumskega modela BM6 pri kontaktu z ostrim robom
y x z
Stran kontakta x
y z
63
5 Diskusija
V sklopu eksperimentalnega dela naše naloge smo izvedli gravitacijske spuste tablet na jekleno podlago. S tem smo simulirali realne pogoje gravitacijskega transporta polizdelkov v farmaciji. Primerjali smo deformacije polizdelkov z numerično analizo porazdelitve notranjih napetosti tako pri statičnem obremenjevanju kot tudi pri gravitacijskih spustih z določene višine. Poglavitna višina spusta je znašala 60 cm, kar predstavlja višino kontejnerja v katerem se polizdelki transportirajo oziroma skladiščijo. Gravitacijski transport polizdelkov poteka iz procesne naprave v omenjen kontejner.
Med izvajanjem eksperimentov smo opazili, da so nekateri polizdelki podvrženi takojšnemu lomu pri trku z jekleno podlago. Zaradi te ugotovitve smo primerjali mesta loma tablete z lokacijo največjih notranjih napetosti, katere smo pridobili z numeričnimi simulacijami.
Polizdelek BM2 se je v realnosti deformiral na 3 oziroma 4 dele, ko je le ta priletel ob podlago s trebuhom. Povezavo lahko iščemo v pojavu notranjih napetosti v tableti, katere se razporedijo skozi zarezo in oblikujejo nekakšen torus. Le ta pa lahko rezultira v iniciacijo razpok, katere vodijo do loma tablete. Vidna je tudi primerjava polizdelka BM3, ki se je deformiral na dva dela skozi zarezo z izvedeno simulacijo gravitacijskega padca. Največje napetosti so se pojavili ravno na sredini zareze ter hkrati v notranjosti tako imenovanega trebuha katera vodi do laminacije polizdelka.
Ugotovili smo, da padci na trebuh največkrat rezultirajo v sam lom tablete, medtem ko padci na rob polizdelka rezultirajo v krušenje. Primerjava dveh enakih oblik z razliko v debelini ter sestavi nam je pokazala, da težja tableta, ki dosega večje sile ob trkih, še ne rezultira v večjem krušenju robov ter lomu. Ravno obratno pa se zgodi pri tabletah z enako sestavo. Pri debelejši in posledično težji tableti se pojavi bistveno večje krušenje na robovih. Z vidika oblike polizdelkov z enako sestavo je v praktičnih preskusih najmanj krušenj pri polizdelku oznake BM61. Lom pa se ni pojavil pri BM21 kot tudi ne pri BM51. Za statistično ovrednotenje najoptimalnejše oblike z vidika krušenja ter hkrati loma smo imeli premajhen vzorec.
Zmotno je bilo razmišljanje o izotropnem elastičnem materialu katere podatke smo prejeli iz literature. Glede na pridobljene izkušnje ter raziskave menimo, da se tableta obravnava
Diskusija
64
kot anizotropen elastoplastičen material. Polizdelki nimajo enakih lastnosti v vse smeri, prav tako pa so odražali plastično deformacijo.
Potrdili smo tudi pomen in funkcijo filmske obloge. Le ta ima funkcionalen pomen z vidika krušenja ter loma jeder polizdelkov. Drastično zmanjša oziroma eliminira krušenje in lom tablet med transportom vse do končnega uporabnika. Da se filmska obloga deformira in pri tem omogoči krušenje jedra je potrebno veliko več trkov ob jekleno podlago, kot jih v realnosti prejme tableta pri transportu in presipavanju. Seveda pa je odvisno tudi od strukture in lastnosti suspenzije katera se na tableto nanaša kot tudi debelina nanešene plasti. Kot smo že omenili imajo nekatere suspenzije zgolj nefunkcionalen pomen.
Krušljivost tablete predstavlja mehansko lastnost. Iz stališča mehanike je tableta oblikovana s stiskanjem manjših delcev. Da delci obdržijo obliko tablete potrebujemo poleg ustrezne sile stiskanja v tabletirki tudi ustrezne deformabilne delce, ki se medsebojno sprimejo ali pa je potrebno dodati vmesno vezivo. Za verodostojnejšo analizo krušljivosti tabletnih polizdelkov je nujno potrebno obravnavati sestavo tablet. Razumljivo je, da igrajo ključno vlogo pri fizikalnih lastnostih posamezne tablete vsebovane učinkovine in primesi v tableti.
Homogenost tabletne strukture je odvisna od celotnega procesa proizvodnje tablete.
Bistvenega pomena ima homogenost strukture zmesi po samem procesu granulacije in mletja. Pri večjih silah stiskanja tabletne zmesi se lahko vsled drobljenja delcev tabletne zmesi pojavi precej nehomogena struktura po preseku tablete. Tablete ki imajo identično obliko, maso kot tudi volumen a različno formulacijo so podvržene različni stopnji deformacij oziroma krušljivosti. V našem primeru se je polizdelek BM2 lomil in krušil medtem ko se je identičen polizdelek z oznako BM21 zgolj krušil ob robovih. Ne smemo pa pozabiti tudi na ostale parametre procesa kot je sila stiskanja, ki ima velik vpliv na relativno gostoto polizdelka po izmetu iz procesne naprave. Zaradi omenjenega je potrebno izziv krušenja oziroma loma farmacevtskih tablet obravnavati celostno z vidika celotne tehnologije proizvodnih korakov ter modeliranja oblik v povezavi z formulacijo in sestavo uporabljenih zmesi. Prav tako je pomembno, da upoštevamo pogoje okolice, saj le ti bistveno vplivajo na rezultate ker so nekatere tablete močno higroskopične.
65
6 Zaključki
V naši nalogi smo sprva pregledali teorijo proizvodnje farmacevtske tablete. Naredili smo analizo procesa in same poti tablete od izdelave do končne uporabe. Posvetili smo se gravitacijskim spustom farmacevtskih tablet. Glavni parameter omenjenega testa je bila višina gravitacijskega spusta. Primerjali smo lome polizdelkov z numeričnimi simulacijami.
Izvedli smo statične in dinamične simulacije katere smo primerjali s slikami deformacij tablet po trku z jekleno podlago.
1) Za razumevanje problematike krušljivosti smo raziskali korake proizvodnje farmacevtskih tablet.
2) Raziskali smo pojave, zaradi katerih se pojavijo mehanske obremenitve na tabletah skozi proizvodnjo. Prav tako smo raziskali pogoste napake oziroma procesne izzive, ki se pojavijo pri proizvodnji farmacevtskih tablet.
3) Preučili smo inšpekcijske preglede med proizvodnjo, ki vključujejo redno vzorčenje in samodejno testiranje tablet ter zagotavljajo strogo upoštevanje specifikacij.
4) Izvedli smo preskuse gravitacijskih spustov različnih polizdelkov.
5) Zmodelirali smo volumske modele polizdelkov, s katerimi smo izvedli numerične analize obremenjevanja.
6) Skozi eksperimentalni del smo ugotovili, da imajo pogoji okolice, kot sta temperatura in vlaga velik vpliv na deformacije polizdelkov.
7) Ugotovili smo, da standardizirano testiranje krušljivosti tablet ne zajame vseh realnih pogojev, pri katerih se polizdelki transportirajo.
8) Primerjali smo dejanske deformacije z izvedenimi simulacijami in pojav največjih notranjih napetosti ter ugotovili določene povezave.
9) Ugotovili smo, da je razumevanje krušljivosti polizdelkov pogojeno s povezavo med obliko, procesnimi parametri kot tudi sestavo oziroma formulacijo snovi v tableti. Hkrati pa ne smemo zanemariti pogoje okolice, pri katerih se polizdelki transportirajo oziroma testirajo. Menimo, da bi bilo potrebno farmacevtski test krušenja dopolniti s testom gravitacijskega spusta večjega števila polizdelkov in s tem simulirali presipavanje večje serije polizdelkov na poljubnih višinah.
Zaključki
66
Predlogi za nadaljnje delo
Eden izmed predlogov za nadaljnje delo je, da bi preskuševališče gravitacijskega testa polizdelkov avtomatizirali. Teste bi izvajali hitreje in učinkovitejše pri različnih višinah, kot tudi različnih podlagah.
Zaradi ponovljivosti bi bilo potrebno zagotoviti konstantno temperaturo ter vlago pri samem izvajanju preskusov. Le tako bi lahko tudi pogoje okolice primerjali s pogoji, pri katerih se izvajajo farmacevtski testi. Rezultati pa bi bili realnejši.
Naslednji predlog za nadaljevanje dela bi bil raziskava materialnih lastnosti polizdelkov, katere bi kasneje uporabili v analizi z metodo končnih elementov. Rezultati oziroma napetosti bi lahko bile realnejše zaradi poznavanja omenjenih lastnosti. Statično obremenjevanje polizdelkov bi izvedli pod različnimi koti z različnimi velikostmi sil. S tem bi se približali realnemu stanju obremenjevanja tablet med samim procesom proizvodnje. V programskem okolju Abaqus bi bilo potrebno izvesti tudi simulacije padcev polizdelkov z različnih višin in opazovati notranje napetosti, ki se pojavijo ob trku ob različne površine.
67 tablet defects in commercial manufacture and transfer. Journal of Drug Delivery Science and Technology 46 (2018) str. 1–6.
[3] C. Hare, T. Bonakdar, M. Ghadiri, J. Strong: Impact breakage of pharmaceutical tablets. International Journal of Pharmaceutics 536 (2018) str. 370–376.
[4] N.N. Zaman, I. Sopyan: Tablet Manufacturing Process Method and Defect Of Tablets. Majalah Farmasetika 5 (2014).
[5] B. Yohannes, A. Abebe: Determination of tensile strength of shaped tablets. Powder Technology 383 (2021) str. 11–18.
[6] S. Ahmad: Tablets Manufacturing. (2020). Dostopno na:
https://www.glocaluniversity.edu.in/files/eContent/eBpharm/Pharmacetics 1 tablet Manufacturing PPT.pdf, ogled: 9.8.2021.
[7] Pharmapproach: Manufacture of Pharmaceutical Tablets. Pharmaceutical Technology (2021). Dostopno na: https://www.pharmapproach.com/manufacture-of-pharmaceutical-tablets/, ogled:9.8.2021.
[8] Gea: Pharmaceutical Granulation : an established technology in a changing world.
Gea (2020). Dostopno na: https://www.gea.com/es/stories/pharmaceutical-granulation.jsp, ogled: 12.8.2021.
[9] Pharmapproch: Manufacture of Tablets by Direct Compression Method -
Pharmapproach... (2019). Dostopno na:
https://www.pharmapproach.com/manufacture-of-tablets-by-direct-compression-method-2/, ogled: 12.8.2021
[10] Pharmapproach: Tablet Manufacture by Wet Granulation Method. Pharmaceutical Technology (2020) str. 8. Dostopno na: https://www.pharmapproach.com/tablet-manufacture-wet-granulation-method/, ogled: 12.8.2021.
Literatura
68
[11] SaintyCo: A Definitive Guide to Fluid Bed Granulation Process. 2020 (n.d.).
Dostopno na: https://www.saintytec.com/fluid-bed-granulation-process/, ogled:
14.8.2021.
[12] Pharmapproach: Manufacture of Tablets by Dry granulation method - Pharmapproach.com. Pharmapproach Limited (2021). Dostopno na:
https://www.pharmapproach.com/manufacture-of-tablets-by-dry-granulation-method/, ogled:14.8.2021
[13] Healthcare: Bosch Packaging Technology: Tablet press. (2014). Dostopno na:
https://www.healthcarepackaging.com/machinery-materials/packaging-filling/press-release/13288267/bosch-packaging-technology-tablet-press, ogled:14.8.2021
[14] C. Xie, Y. You, H. Ma, Y. Zhao: Mechanism of inter-tablet coating variability:
Investigation about the motion behavior of ellipsoidal tablets in a pan coater. Powder Technology 379 (2021) str. 345–361.
[15] W. J.Lhoest: Twenty Years of Experience in Powder Transfer Technology: Docking Stations, Vital Components in Bin Technology and Modern Plant Automation. The Official Journal of ISPE (2002).
[16] A.S. Rana, S.L. Hari Kumar: Manufacturing Defects of Tablets - a Review. Journal of Drug Delivery and Therapeutics 3 (2013).
[17] B. Islam: Tablet processing problems and their remedies. (2015). Dostopno na:
https://www.slideshare.net/pharmbahar/tablet-processing-problems-and-their-remedies, ogled: 17.8.2021.
[18] PharmaEducation: Tablet Defects. (2021). Dostopno na:
https://pharmaeducation.net/tablet-defects/, ogled: 17.8.2021.
[19] Pharmapproach: Quality Control and Evaluation Parameters for Chewable Tablets.
2020 (2020). Dostopno na: https://www.pharmapproach.com/quality-control-and-evaluation-parameters-for-chewable-tablets/, ogled: 17.8.2021.
[20] Pharmapproach: Quality Control Tests for Tablets - Pharmapproach.com.
Pharmaceutical Technology (2020). Dostopno na:
https://www.pharmapproach.com/quality-control-tests-for-tablets/2/, ogled:
17.8.2021.
[21] chandrasekhar Panda: Tablet Friability Test Specification and Calibration –
Pharmaceutical Updates. (2019). Dostopno na:
https://pharmaceuticalupdates.com/2019/02/17/tablet-friability-test-specification-and-calibration/, ogled: 17.8.2021.
[22] F. COMPACTING: Complex tablet monitoring Weight monitoring Validatable performance , complete and in-process-control. (n.d.) str. 1–9. Dostopno na:
[24] PharmaEducation: Quality control tests of tablets or Evaluation of tablets. (2021).
Dostopno na: https://pharmaeducation.net/quality-control-tests-of-tablets-or-evaluation-of-tablets/, ogled:19.8.2021.
Literatura
69 [25] PharmaEducation: Friability Test of Tablets, Granules and Spheroids. (2021).
Dostopno na: https://pharmaeducation.net/friability-test-of-tablets/, ogled:19.8.2021.
[26] E.G. SHAFER, E.G. WOLLISH, C.E. ENGEL: The Roche friabilator. Journal of the American Pharmaceutical Association. American Pharmaceutical Association 45 (1956) str. 114–116.
[27] F. Podczeck: Methods for the practical determination of the mechanical strength of tablets - From empiricism to science. International Journal of Pharmaceutics 436 (2012) str. 214–232.
[28] Charles Ischi AG: Abrasion & Friability Tester. (n.d.). Dostopno na:
https://www.ischi.com/lab-line/ae-2/, ogled 21.8.2021.
[29] Pharmarocks: Friability test for tablet dosage form / evaluation parameters of tablet dosage form, 2019. Dostopno na: https://www.youtube.com/watch?v=0tgjBPZLLvw, ogled: 21.8.2021.
[30] Pharma Test: PTF 200 - Pharma Test. (n.d.). Dostopno na: https://www.pharma-test.de/en/products/galenic-instruments/tablet-friability-testing/p-ptf-200/, ogled:
22.8.2021.
[31] SaintyCo: Tablet Friability Tester: The Ultimate Guide - SaintyTec. (n.d.). Dostopno na: https://www.saintytec.com/tablet-friability-tester/, ogled: 22.8.2021.
70