Secado II

En el presente informe se analizará el caso de un producto “p”, el cual tiene una formulación típica para granulación húmeda conformada por principio activo 30%, diluyente A 45%, diluyente B 15%, aglutinante 3%, disgregante 3% y agua purificada para preparar la solución aglutinante. El proceso de fabricación comprende operaciones de mezclado y aglomeración que se realizan en un mezclador amasador de alto corte, posterior a ello la operación de secado se realiza en una estufa de lecho estático. Al finalizar el secado del producto se determina el porcentaje de humedad en la muestra y se obtiene un resultado de 5 %, siendo el porcentaje máximo de humedad permitido en esta etapa de 2 %.
 
A continuación se brindará información de los factores asociados a los materiales o al proceso que están originando el problema descrito.

Causas asociadas a los materiales

Distribución de tamaño de gránulos a secar 

La investigación desarrollada por Propst et al. señala que cuanto más pequeñas sean las partículas, menor será la distancia que debe recorrer la humedad interna para llegar a la superficie. Por lo tanto, las partículas grandes suelen tener un mayor contenido de humedad que las partículas pequeñas (1).

Por otro lado, en el estudio de Mohseni y Peters, se señala que una distribución del tamaño de partícula con rangos estrechos conlleva a un menor rango de variación del tamaño de partícula, lo cual mejora la uniformidad de secado. Esto se demostró secando gránulos de distintos tamaños a 350 °C, de los cuales aquellos con gránulos más pequeños terminaron el proceso más rápido respecto a los gránulos grandes, llegando a la conclusión de que, para obtener un secado uniforme, la diferencia entre los tamaños de los gránulos no debe ser muy grande (2).

Figura 1. Tasa de secado para los casos 1-6 con diferente crecimiento de la superficie en función del tiempo, a una T° de gas = 350 °C; P = 1 bar; V = 1m/s y masa del lecho = 78,3g.*

*Ejemplo tomado de: Mohseni M, Peters B. Effects of particle size distribution on drying characteristics in a drum by XDEM: A case study. Chemical Engineering Science; 152, (2) 689-698, 2016.

Área superficial 

Nonhebel et al. (3) y Mohseni et al. (2) señalan que, a menor tamaño de gránulo, el área superficial se incrementa, aumentando de esta forma la velocidad de secado, puesto que aumenta la tasa de transferencia de calor por convección entre el gas y la partícula a secar.

Porosidad

El secado desde las bandejas en una estufa de lecho estático se realiza mediante dos mecanismos; en primer lugar, ocurre la evaporación del agua desde la superficie del lecho. Luego, se produce la difusión del vapor de agua a través de los espacios vacíos (poros) de los gránulos (4).
De modo que la velocidad de difusión del vapor de agua está asociada con la porosidad de los gránulos, relacionándose así directamente con la velocidad de secado. En general, los sólidos porosos con una amplia distribución de tamaño de poros o con una distribución binaria, es decir, que tienen microporos y macroporos, se secarán más fácilmente que los sólidos porosos con una limitada distribución en el tamaño de poros. Metzger et al. simuló gránulos con distribuciones de tamaño de poro de 100 nm, 1 µm y 100 µm a los cuales sometió a secado, del estudio se concluyó que un mayor número de poros con un tamaño promedio de 100 µm o más, permiten que la mayor parte del agua se puede evaporar a una alta velocidad durante el secado, ratificando el enunciado anterior (5).
Además, es importante tomar en cuenta que el material a secar en la industria farmacéutica proviene de un proceso de granulación húmeda en un granulador de alto corte (High shear), en el cual se obtienen gránulos menos porosos y más densos (6).

Causas asociadas al proceso

Cantidad de producto por bandeja

El secador de lecho estático es un sistema en el cual solo una fracción del número total de partículas está directamente expuesta a la fuente de calor; la superficie de exposición puede incrementarse si se disminuye el espesor del lecho; por lo cual, el aire de secado va a fluir a través de él (7). Esto quiere decir que a mayor cantidad de producto que se disponga en la bandeja, habrá una menor superficie expuesta o área de contacto con la fuente calor, lo cual va a afectar al secado porque aquí se desarrollan dos procesos en simultáneo: en primer lugar, se da un calentamiento del aire y de las partículas, lo cual va a provocar  la evaporación del agua contenida en el sólido; por otro lado, se da una transferencia de agua del interior del gránulo hacia la superficie, en otras palabras, si en la bandeja hay una gran cantidad de gránulos que se superponen, va a ser mayor el recorrido del agua puesto que hay gránulos que tienen menor contacto con la fuente de calor, por lo cual, será más difícil que el agua se evapore (8,9,4).

Porcentaje de ocupación de la estufa

En el secador de lecho estático, el aire seco va a circular sobre los estantes, quienes van a contener el material húmedo a secar, en el cual se debe considerar el sistema de distribución del aire para que este proceso sea uniforme (9). Además, factores como la temperatura, la velocidad y la humedad del aire de secado van a tener un efecto significativo en el proceso, dado que van a ser fundamentales para transportar la humedad del producto y este va a variar dependiendo del lugar donde estén posicionadas las bandejas en relación con la entrada y salida del aire, por lo cual va a haber bandejas que se sequen más rápido a diferencia de otras  y esto va a depender del lugar donde estén posicionados, es decir, para evitar un secado disparejo se debe evaluar la cantidad de bandejas que ocupen el material húmedo y en qué posición estás se van a encontrar en relación con la entrada del aire y salida del aire (8).

Temepratura de secado

El aumento de temperatura origina una mayor tasa de evaporación de agua del material pudiendo obtener gránulos con menor contenido de humedad al final del secado (10). Además, el aire caliente tiene mayor capacidad de contener mayor cantidad de vapor de agua a diferencia del aire frío cuya capacidad es menor, por ejemplo, el aire seco a una temperatura de 50°C puede contener 95 g de agua por cada m3 de aire mientras que el aire 40°C contiene 35 g de agua por cada m3 siendo la diferencia muy significativa en el secado. En conclusión, si se quiere obtener un output con un contenido bajo de humedad, es decir el deseado, se requiere aumentar la temperatura para que el aire caliente capte la humedad que contiene el input a secar (11). Otro punto a tomar en cuenta es que para lograr un secado uniforme de un material la temperatura del lecho estático tiene que ser constante para que logre el secado que se busca en el material ya que una variación en la temperatura daría lugar a que se formen gránulos que siguen húmedos después del secado o gránulos secos y quebradizos (7). Finalmente resulta preponderante señalar que al trabajar con principios activos termolábiles se tiene que tener en consideración la temperatura a la cual los vamos a exponer, puesto que ello afectará la integridad del principio activo (12).

Flujo de aire por la estufa

En los sistemas de secado por bandejas es importante comprender la distribución del flujo de aire y su influencia en las características de secado, puesto que analizar estos factores permiten la optimización de la operación (13, 14). Tal como se realizó en el estudio de Margaris et al., en el cual las interpretaciones representaciones gráficas de los parámetros de flujo para diferentes configuraciones geométricas llevaron a la optimización de la disposición de las bandejas, tamaño y posición de la abertura de entrada, uso de paredes de separación entre filas de bandejas y alas direccionales dentro del canal de distribución y corredor central; observándose por ejemplo que la optimización de la geometría del canal de distribución, lo  que condujo a una entrada de aire uniforme en el espacio de secado, porque se logró un flujo más uniforme sin recirculación entre las bandejas, como se puede ver en las Figuras 2 y 3 (15).

Figura 2.  Distribución de velocidad 3D en planos verticales después de la optimización.*

*Ejemplo tomado de: Dasore A, Konijeti R. Numerical simulation of air temperature and air flow distribution in a cabinet tray dryer. Int J Innov Technol Explor Eng. 2019;8(11):1836–40.

Figura 3. Distribución de velocidad 3D en planos horizontales después de la optimización.*

*Ejemplo tomado de: Dasore A, Konijeti R. Numerical simulation of air temperature and air flow distribution in a cabinet tray dryer. Int J Innov Technol Explor Eng. 2019;8(11):1836–40.

Una adecuada distribución del flujo de aire en toda la cámara de secado puede optimizar la uniformidad del secado, puesto que el aire caliente dentro de la estufa necesita pasar por todas las bandejas que contienen el material para que este arrastre el agua (16). Un adecuado flujo de aire se lograría con el uso de ventiladores que promueven el movimiento del aire a través de la estufa y que la estufa se encuentre aislada del exterior el flujo se mantenga solo dentro de la estufa y no se desvié (17). Además, cuanto más desarrollado sea el diseño del ventilador, este podrá superar los efectos de la contrapresión y mantener una alta tasa de flujo de aire a través de la secadora (18).

Referencias bibliográficas

1. Propst C, Chirkot TS. Drying. En: Augsburger LL, Hoag SW. Pharmaceutical Dosage Forms: Tablets. Third Edit. Vol. 1, Pharmaceutical Dosage Forms: Tablets, Third Edition: Volume 1: Unit Operations and Mechanical Properties. New York: Informa Healthcare USA, Inc.; 2008. 209 p.
2. Mohseni M, Peters B. Effects of particle size distribution on drying characteristics in a drum by XDEM: A case study. Chemical Engineering Science; 152, (2) 689-698, 2016.
3. Nonhebel G, Moss A. El secado de los sólidos en la industria química. Barcelona: Reverté; 2002.
4. Carstensen JT, Zoglio MA. Tray drying of pharmaceutical wet granulations. J Pharm Sci. 1982;71(1):35–9.
5. Metzger T, Tsotsas E. Influence of pore size distribution on drying kinetics: A simple capillary model. Dry Technol. 2005;23(9–11):1797–809.
6. Metzger T, Tsotsas E. Influence of pore size distribution on drying kinetics: A simple capillary model. Dry Technol. 2005;23(9–11):1797–809
7. Vila, J. J. L., & Lastres GJL. Tecnología farmacéutica I: Aspectos fundamentales de los sistemas farmacéuticos y operaciones básicas. Sintesis Farmacia. Vol. 2, Madrid: Síntesis. 2001. 482–484 p.
8. Misha S, Mat S, Hafidz M, Sopian K, Salleh E. The Prediction of Drying Uniformity in Tray Dryer System using CFD Simulation. [Internet] 2014. Disponible en: https://bit.ly/2CO7vrl
9. Zamfirescu C, Dincer I. Drying phenomena Theory and applications. Ed: Wiley; 2016. 67-88, 105-106 p.
10. JoVE Science Education Database. Chemical Engineering. Using a Tray Dryer to Investigate Convective and Conductive Heat Transfer. JoVE, Cambridge, MA, (2020) 
11. Lozano M. C, Díaz MC, Díaz DC. Manual de tecnología farmacéutica [Internet]. 2012. 96 p. Available from: https://books.google.com/books?id=OKCWQZ0KdI8C&pgis=1
12. Paloma CCL, Efrén HB. El uso de las microondas en la industria farmacéutica. Rev Mex Ciencias Farm. 2011;42(4):1–21.
13. Chilka AG, Ranade V V. CFD modelling of almond drying in a tray dryer. Can J Chem Eng. 2019;97(2):560–72.
14. Chilka AG, Ranade V V. CFD modelling of almond drying in a tray dryer. Can J Chem Eng. 2019;97(2):560–72.
15. Dasore A, Konijeti R. Numerical simulation of air temperature and air flow distribution in a cabinet tray dryer. Int J Innov Technol Explor Eng. 2019;8(11):1836–40.
16. Margaris DP, Ghiaus AG. Dried product quality improvement by air flow manipulation in tray dryers. J Food Eng. 2006;75(4):542–50. 
17. Misha S, Mat S, Ruslan MH, Sopian K, Salleh E. Review on the application of a tray dryer system for agricultural products. World Appl Sci J. 2013;22(3):424–33.
18. Axtell BL, Jones AJ. How to use the DRYIT Semi - continuous Tray Dryer By. Vol. 44. 1926.